秦旭寶,劉夏明,崔冰雪,裴 珺,薛 娟
(1.浙江省水利水電技術(shù)咨詢中心,杭州 310020;2. 浙江水利水電學(xué)院,杭州 310018)
早在20世紀(jì)70年代末期,聯(lián)合國(guó)教科文就組織對(duì)水資源支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的能力進(jìn)行了大量研究,并提出了水資源承載力概念,用于衡量水資源與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展間的關(guān)系。20世紀(jì)80年代末期,新疆水資源軟科學(xué)課題研究組的新疆水資源及其承載問題專項(xiàng)研究,為國(guó)內(nèi)首次提出水資源承載力的研究。自此以后,水資源承載力研究方興未艾。如施雅風(fēng)等的新疆烏魯木齊河流域的水資源承載力研究。徐中民黑河流域、賈嶸等及蔣曉輝等關(guān)中地區(qū)的水資源承載力研究。李慶航等的城市水資源承載力的評(píng)價(jià)研究等等。專家學(xué)者們?cè)谘芯康耐瑫r(shí)也對(duì)水資源承載力進(jìn)行了定義,如“水資源承載能力是指某一地區(qū)的水資源,在一定社會(huì)歷史和科學(xué)技術(shù)發(fā)展階段,在不破壞社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)時(shí),最大可承載(容納)的農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城市規(guī)模和人口的能力”、“在一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平和社會(huì)生產(chǎn)條件下,某一地區(qū)對(duì)該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和維護(hù)良好的生態(tài)環(huán)境的最大支撐能力”等。然而水資源承載力是集分析、預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)為一體的綜合研究,涉及區(qū)域人口、經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展,內(nèi)容復(fù)雜,涉及面廣,對(duì)于水資源承載力的定義目前還未形成統(tǒng)一的共識(shí)[1-4]。
筆者認(rèn)為,水資源對(duì)人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)以及自然生態(tài)的支撐作用(能力)是水資源承載力的核心內(nèi)涵,而且“支撐力”和“承載力”是兩個(gè)非常相似的概念,即如物理學(xué)中的相互作用力,可以從施力和受力兩個(gè)角度分析,如水資源的支撐力,即把水資源作為施力者,突出它對(duì)區(qū)域人類社會(huì)和自然生態(tài)發(fā)展所起到的支撐作用;而討論水資源的承載力時(shí)把水資源作為受力者,主要強(qiáng)調(diào)資源本身所能容納的最大人類社會(huì)要素,如人口、經(jīng)濟(jì)規(guī)模等。而運(yùn)用“支撐力”能更直觀易懂的描述水資源對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)和環(huán)境的支撐作用,把水資源的支撐作用突顯出來,就如人們比較容易理解作用力。另外,當(dāng)前的研究中,部分研究成果把水資源承載力作為一個(gè)閾值,指區(qū)域水資源最大開采量或能承受的最大人口、經(jīng)濟(jì)規(guī)模等。借鑒生物學(xué)原理,一個(gè)種群達(dá)到最繁榮最優(yōu)狀態(tài),并不是單指群里數(shù)量最大時(shí),而是指種群穩(wěn)定時(shí)的最大值。綜上所訴,水資源支撐力可定義為:在一定的技術(shù)和管理水平條件下,某一區(qū)域水資源對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)、自然環(huán)境發(fā)展等總體目標(biāo)支撐限度,且其最優(yōu)狀態(tài)為該地區(qū)水資源支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定、良性發(fā)展時(shí)的最大值。
水資源系統(tǒng)是一個(gè)水資源、生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)相互耦合的巨大系統(tǒng)。水資源支撐力研究涉及到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、生態(tài)和水資源等各個(gè)方面,要科學(xué)、合理的對(duì)水資源支撐力進(jìn)行評(píng)價(jià),必然要考慮以上各方面的因素影響及它們之間的相互作用關(guān)系??梢娝Y源支撐力評(píng)價(jià)問題具有明顯的多層次和多指標(biāo)特征。同時(shí),不同的區(qū)域有著不同的水資源開發(fā)利用特點(diǎn),在選取指標(biāo)時(shí),要綜合考慮到當(dāng)?shù)厮Y源條件、人類活動(dòng)影響和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的差異。本文按照系統(tǒng)性、代表性、層次性、可度量性和功效性的原則,在前人對(duì)指標(biāo)選取分析研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合浙江省生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水實(shí)際,分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層3個(gè)層次,從水資源系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)3個(gè)方面選取人均水資源量、水資源開發(fā)利用率、萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、平均綜合灌溉用水量、人均生活用水量、人均環(huán)境用水量、生態(tài)環(huán)境用水率8個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)浙江省水資源支撐力的指標(biāo)體系,詳見表1。
表1 水資源支撐力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 Evaluation indicator system of the waterresources supporting capacity
投影尋蹤法(Projection Pursuit,簡(jiǎn)稱PP方法)是一種新興的、有價(jià)值的數(shù)據(jù)分析方法,涉及到統(tǒng)計(jì)學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科,用來分析和處理高維數(shù)據(jù),尤其是處理非線性、非正態(tài)高維數(shù)據(jù)。它可以直接由樣本數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)來處理和分析高維數(shù)據(jù),避免由于形式化、數(shù)學(xué)化而對(duì)某些高維、非線性、非正太問題帶來的適應(yīng)能力不強(qiáng)的問題,具有穩(wěn)健性好、抗干擾性強(qiáng)和準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。其基本思路為:利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將高維數(shù)據(jù)通過某種組合投影到一維空間上,并尋找最能夠反映數(shù)據(jù)特征和最能充分挖掘數(shù)據(jù)信息的最優(yōu)投影方向,找出最佳投影,然后根據(jù)該投影值與研究系統(tǒng)實(shí)際的評(píng)價(jià)輸出值之間的關(guān)系構(gòu)造適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型以模擬系統(tǒng)的評(píng)價(jià)輸出。其模型構(gòu)建主要分為數(shù)據(jù)歸一化處理、構(gòu)建投影目標(biāo)函數(shù)、優(yōu)化投影目標(biāo)函數(shù)和分類與有序排列四個(gè)步驟,詳見文獻(xiàn)[5]。
遺傳算法由美國(guó)的J.Holland教授于1975年首先提出,它是一種借鑒生物界進(jìn)化規(guī)律(適者生存,優(yōu)勝劣汰遺傳機(jī)制)演化而來的隨機(jī)化搜索方法,具有直接對(duì)結(jié)構(gòu)對(duì)象進(jìn)行操作,不存在求導(dǎo)和函數(shù)連續(xù)性的限定以及可全局尋優(yōu)等優(yōu)點(diǎn)。本次研究對(duì)標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法進(jìn)行了實(shí)數(shù)編碼和自適應(yīng)改進(jìn)后用于優(yōu)化投影方向。即染色體編碼采用實(shí)數(shù)編碼(RAGA),同時(shí)為了進(jìn)行全局搜索和克服早熟現(xiàn)象,采用自適應(yīng)的交叉概率和變異概率,見下式。
(1)
(2)
式中:pj為交叉概率;pb為變異概率;fmax為種群中最大適應(yīng)度值;favg為種群平均適應(yīng)度值;f′為要交叉的兩個(gè)個(gè)體中較大適應(yīng)度值;f為要變異個(gè)體的適應(yīng)度值。
改進(jìn)遺傳算法優(yōu)化投影方向的計(jì)算思路為:在單位超球面內(nèi)隨機(jī)生成若干初始投影方向,并對(duì)其進(jìn)行實(shí)數(shù)編碼后生成計(jì)算初始種群,然后分別計(jì)算其投影目標(biāo)函數(shù)值,運(yùn)用改進(jìn)遺傳算法按照取大原則選取投影目標(biāo)函數(shù)值,經(jīng)過多次優(yōu)化計(jì)算后,最終確定最大投影目標(biāo)函數(shù)值對(duì)應(yīng)的投影方向?yàn)樽顑?yōu)投影方向。具體計(jì)算流程見圖1。
圖1 計(jì)算流程圖Fig.1 Flow chart of improved GA optimized PP
浙江省位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),冬夏季風(fēng)交替顯著,多年平均降雨量1 603 mm。全省多年平均水資源量為955億m3,平均單位面積水資源量為92萬m3/km2,按單位面積計(jì)算的水資源量較豐,僅次于臺(tái)灣、福建、廣東,居全國(guó)第4位。然而從人均水資源量來看,浙江人均水資源量?jī)H為2 100 m3,低于全國(guó)平均數(shù)2 200 m3,同時(shí)近年來隨著全省經(jīng)濟(jì)社會(huì)的跨越式發(fā)展,對(duì)水資源需求不斷增長(zhǎng),且發(fā)展過程中部分行業(yè)環(huán)保意識(shí)的薄弱,措施不到位,平原地區(qū)各河流水體不同程度受到污染,局部地區(qū)的資源性、水質(zhì)性和工程型缺水問題日益凸顯。
根據(jù)水資源支撐力的定義和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究情況,選取分別代表水資源、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境三大系統(tǒng)的8個(gè)指標(biāo)。由于目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于水資源支撐力評(píng)價(jià)研究較少,借鑒水資源承載力等相關(guān)研究的劃分方法[6],將水資源支撐力分為3個(gè)等級(jí),Ⅰ級(jí)為良好,表示水資源支撐力水平較高,支撐力強(qiáng)勁,可滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)的水資源需求;Ⅲ級(jí)屬于狀況較差,表示水資源支撐能力趨于飽和,很大可能性會(huì)出現(xiàn)短缺,阻礙經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展;Ⅱ級(jí)為基本滿足,介于兩者之間,表明當(dāng)?shù)厮Y源基本能支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,水資源已經(jīng)開發(fā)到相當(dāng)規(guī)模,局部存在一定程度的水資源短缺問題。并結(jié)合浙江省實(shí)際,按照3個(gè)等級(jí)劃分了8個(gè)指標(biāo)的相應(yīng)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),見表2。
為了建立模型計(jì)算結(jié)果與評(píng)價(jià)等級(jí)之間的數(shù)值關(guān)系,在8個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)相應(yīng)的等級(jí)區(qū)間內(nèi)隨機(jī)生成一定數(shù)量的樣本,輸入模型進(jìn)行計(jì)算,得出各等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)投影值分布區(qū)間。理論上,初始樣本數(shù)量越多,計(jì)算結(jié)果越好,但參閱前人研究成果,發(fā)現(xiàn)由于PP模型為非線性優(yōu)化模型,數(shù)據(jù)量過大會(huì)產(chǎn)生后續(xù)優(yōu)化緩慢甚至難以進(jìn)行的負(fù)面影響,因此初始種群數(shù)選取90個(gè),3個(gè)等級(jí)各選擇30個(gè)。遺傳算法參數(shù)設(shè)定如下:最大進(jìn)化代數(shù)為150。初始交叉概率和變異概率分別為0.8和0.002,經(jīng)編程計(jì)算,得到最優(yōu)投影方向后計(jì)算一維空間上最佳投影特征值,由各等級(jí)30個(gè)樣本計(jì)算投影值分析得出評(píng)價(jià)等級(jí)和投影值分布區(qū)間對(duì)應(yīng)關(guān)系,結(jié)果詳見表3。
表2 水資源支撐力力評(píng)價(jià)指標(biāo)及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Evaluation indicator and levels of waterresources supporting capacity
表3 評(píng)價(jià)等級(jí)和投影值對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.3 Correspondence of evaluation levels and projection ranges
通過《浙江省水資源公報(bào)(2013)》、《浙江省統(tǒng)計(jì)年鑒(2014)》等權(quán)威資料,分析計(jì)算浙江省11個(gè)地市及全省2013年8個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值,并形成評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣,詳見表4。采用基于改進(jìn)遺傳算法的投影尋蹤模型對(duì)各地水資源支撐力進(jìn)行定量評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果見表5。
表4 浙江省各地市評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣Tab.4 Evaluation indicator matrix of all districts in Zhejiang province
注:過境水量不參與開發(fā)率計(jì)算。
表5 浙江省水資源支撐力投影值Tab.5 The water resources supporting capacity projections in Zhejiang province
圖2 支撐力投影值情況圖Fig.2 The water resources supporting capacity projections of all districts
從支撐力投影值計(jì)算成果來看,2013年浙江省水資源支撐力水平處于II級(jí),水資源基本能支撐全省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需求。11個(gè)地市中有9個(gè)地市水資源支撐力處于Ⅱ級(jí)以上,僅舟山和嘉興處于Ⅲ級(jí),支撐力最低的舟山為0.779處于Ⅲ等區(qū)間的中上游,離下邊界0.61較遠(yuǎn),總體來看,浙江省屬于我國(guó)水資源較為豐沛的地區(qū),全省及各地市的水資源支撐力情況大部分屬于Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn),與當(dāng)?shù)厮Y源支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展實(shí)際相符。海島和部分沿海平原地區(qū)由于水資源稟賦和水污染問題,水資源支撐力相對(duì)較低。另外,全省僅麗水和衢州水資源支撐力達(dá)到I級(jí)水平,且從投影值來看,還處于Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間的下邊界附近。其余處于Ⅱ級(jí)水平的地市,支撐力投影值也處于Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間的下半段,全省水資源支撐力還有較大的提升空間。
為提高水資源支撐力水平,全省各地一方面根據(jù)水資源支撐能力調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化生產(chǎn)力布局,通過各項(xiàng)工程措施,科學(xué)合理有序開發(fā)利用水資源,提高水資源配置和調(diào)控能力;另一方面,實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度,根據(jù)劃定的水資源管理三條“紅線”,加強(qiáng)水資源節(jié)約保護(hù),尤其是水污染較為嚴(yán)重的沿海平原地區(qū),嚴(yán)格實(shí)行用水總量控制,堅(jiān)決遏制用水浪
費(fèi),嚴(yán)格控制入河排污總量。
(1)全面分析梳理了水資源承載力等表征水資源與經(jīng)濟(jì)社會(huì)相互聯(lián)系的研究情況,并結(jié)合水資源與支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展實(shí)際對(duì)水資源支撐力概念進(jìn)行了專業(yè)定義。
(2)綜合考慮水資源、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境3大系統(tǒng)相互影響,建立了浙江省水資源支撐力分析評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并將基于改進(jìn)遺傳算法投影尋蹤模型應(yīng)用于浙江省11個(gè)地市及全省的水資源支撐力評(píng)價(jià)中,實(shí)際應(yīng)用表明,該方法思路清晰,計(jì)算求解可操作性強(qiáng),不僅清晰地給出了投影值和評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)系,而且對(duì)浙江省各地水資源支撐力進(jìn)行了合理、科學(xué)量化,量化結(jié)果與各地水資源支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展實(shí)際基本相符。
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