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(xún)中心，杭州 310020；2. 浙江水利水電學(xué)院，杭州 310018)

1 水資源支撐力理論和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究

1.1 水資源支撐力概念

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(wèn)題專(zhuān)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(zhuān)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lái)，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(kāi)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。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

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?jiàn)水資源支撐力評(píng)價(jià)問(wèn)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(kāi)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(lèi)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(kāi)發(fā)利用率、萬(wàn)元GDP用水量、萬(wàn)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(jiàn)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

2 基于改進(jìn)遺傳算法的投影尋蹤模型

2.1 投影尋蹤模型

投影尋蹤法(Projection Pursuit，簡(jiǎn)稱(chēng)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(lái)分析和處理高維數(shù)據(jù)，尤其是處理非線(xiàn)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(lái)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(xiàn)性、非正太問(wèn)題帶來(lái)的適應(yīng)能力不強(qiáng)的問(wèn)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(guò)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(lèi)與有序排列四個(gè)步驟，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。

2.2 改進(jìn)遺傳算法優(yōu)化投影方向

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(lái)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(jiàn)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(guò)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(jiàn)圖1。

圖1 計(jì)算流程圖Fig.1 Flow chart of improved GA optimized PP

3 實(shí)例分析

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(wàn)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(lái)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(lái)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(guò)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(wèn)題日益凸顯。

3.1 浙江省水資源支撐力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

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(mǎn)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(mǎn)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(kāi)發(fā)到相當(dāng)規(guī)模，局部存在一定程度的水資源短缺問(wèn)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(jiàn)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(xiàn)性?xún)?yōu)化模型，數(shù)據(jù)量過(guò)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(jiàn)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

3.2 浙江省水資源支撐力定量評(píng)價(jià)

通過(guò)《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(jiàn)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(jiàn)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(guò)境水量不參與開(kāi)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(lái)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(lái)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(wèn)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(lái)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(guò)各項(xiàng)工程措施，科學(xué)合理有序開(kāi)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(xiàn)”，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。

4 結(jié) 語(yǔ)

(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(zhuān)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。

□

[1] 新疆水資源軟科學(xué)課題組. 新疆水資源及其承載力的開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略對(duì)策[J].水利水電技術(shù),1989,(6):2.

[2] 劉 曉,陳 雋,琳 琳,等.水資源承載力研究進(jìn)展與新方法[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,50(3):313-317.

[3] 龍騰銳，姜文超.水資源(環(huán)境)承載力的研究進(jìn)展[J].水科學(xué)進(jìn)展,2003,14(2):249.

[4] 李慶航,董增川,付 湘,等.城市水資源承載力評(píng)價(jià)研究[J].水力發(fā)電,2008,2(34):1.

[5] 何 偉,基于投影尋蹤法的江蘇城市經(jīng)濟(jì)國(guó)際化水平評(píng)價(jià)[J],經(jīng)濟(jì)管理,2008,30:59-61.

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[7] 浙江省統(tǒng)計(jì)局.浙江省2014年統(tǒng)計(jì)年鑒[M].北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社,2014.