劉飛飛,方國(guó)華,高 穎,劉 芹

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

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基于最嚴(yán)格水資源管理制度的水質(zhì)型缺水地區(qū)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)

劉飛飛,方國(guó)華,高 穎,劉 芹

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

在分析水質(zhì)型缺水地區(qū)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)內(nèi)涵及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,以最嚴(yán)格水資源管理“三條紅線”為準(zhǔn)則,構(gòu)建包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、領(lǐng)域?qū)雍椭笜?biāo)層4個(gè)層次結(jié)構(gòu)的水質(zhì)型缺水地區(qū)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,建立基于混沌遺傳算法和投影尋蹤的節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)模型,并以昆山市為例,評(píng)價(jià)其節(jié)水型社會(huì)建設(shè)水平。研究結(jié)果表明:昆山市2012年、2014年和2020年的節(jié)水型社會(huì)建設(shè)水平均為良好,2025年為優(yōu)秀,與實(shí)際情況及規(guī)劃目標(biāo)相符,說明該指標(biāo)體系和投影尋蹤模型具有一定的可操作性及有效性。

最嚴(yán)格水資源管理;水質(zhì)型缺水;節(jié)水型社會(huì);評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;投影尋蹤;混沌遺傳算法

我國(guó)南方地區(qū)水資源量豐富,但隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的急劇增加,對(duì)水資源量的需求相應(yīng)增加,同時(shí)水體污染也日益嚴(yán)重,由此導(dǎo)致的水質(zhì)型缺水問題已成為制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素。中共中央2011年1號(hào)文件《關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》、國(guó)務(wù)院2012年3號(hào)文件《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》以及2014年習(xí)近平總書記提出的 “節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路,都對(duì)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)做出了明確的要求和部署。節(jié)水型社會(huì)建設(shè)有助于促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,提高水資源利用效率和效益,優(yōu)化配置水資源,改善水環(huán)境,加強(qiáng)節(jié)水減污,是有效落實(shí)“資源節(jié)約型”和“環(huán)境友好型”社會(huì)建設(shè)的重要環(huán)節(jié),是解決水資源問題的一項(xiàng)戰(zhàn)略性任務(wù)。

國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者對(duì)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)做了相關(guān)研究,指標(biāo)體系方面大多是按水資源、生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)3個(gè)系統(tǒng)展開,而以最嚴(yán)格水資源管理制度“三條紅線”(水資源開發(fā)利用控制紅線、用水效率控制紅線、水功能區(qū)限制納污紅線)為準(zhǔn)則建立的指標(biāo)體系尚不多見;在評(píng)價(jià)方法上,較常見的如層次分析法、熵權(quán)法、主成分分析法等需確定權(quán)重的方法,而如投影尋蹤法等可避免專家賦權(quán)的方法應(yīng)用較少[1-4]。為此,筆者在已有研究成果的基礎(chǔ)上,以最嚴(yán)格水資源管理“三條紅線”為基礎(chǔ),構(gòu)建針對(duì)我國(guó)南方水質(zhì)型缺水地區(qū)的節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,建立基于混沌遺傳算法和投影尋蹤的節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)模型,并以昆山市為例進(jìn)行研究,對(duì)水質(zhì)型缺水地區(qū)節(jié)水型社會(huì)的建設(shè)具有重要意義和實(shí)際指導(dǎo)作用。

1 水質(zhì)型缺水地區(qū)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

1.1 內(nèi)涵與特點(diǎn)

水質(zhì)型缺水是指水量比較豐富,但是由于受到污染而導(dǎo)致可供使用的淡水資源緊缺的現(xiàn)象。針對(duì)水質(zhì)型缺水地區(qū),節(jié)水是以源頭控制方式解決區(qū)域水污染問題的重要措施,節(jié)水型社會(huì)建設(shè)的主要任務(wù)是“節(jié)水”和“減污”[5-6],即以全面落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀,深入貫徹習(xí)近平十六字工作方針等為指導(dǎo)思想,以協(xié)調(diào)統(tǒng)籌生活、生產(chǎn)、生態(tài)需水為出發(fā)點(diǎn),以提高水資源利用效率和效益為核心,以加強(qiáng)水資源的管理和保護(hù)為重點(diǎn),以制度建設(shè)和機(jī)制創(chuàng)新為動(dòng)力,推進(jìn)用水方式的根本轉(zhuǎn)變。積極創(chuàng)建各類節(jié)水載體,嚴(yán)格按照“三條紅線”的要求,建立政府調(diào)控、市場(chǎng)引導(dǎo)、公眾參與的節(jié)水型社會(huì)體系,開展水效“領(lǐng)跑者”、節(jié)水標(biāo)桿引領(lǐng)行動(dòng),推行合同節(jié)水管理,創(chuàng)新節(jié)水管理體制,培育和強(qiáng)化社會(huì)公眾節(jié)水意識(shí),全面推進(jìn)體系完整、制度完善、設(shè)施完備、高效利用、節(jié)水自律、監(jiān)管有效的節(jié)水型社會(huì)建設(shè),從而有力支撐區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

表1 水質(zhì)型缺水地區(qū)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

以科學(xué)性和全面性、代表性和獨(dú)立性、可比性和可操作性、定性與定量等為原則[7],根據(jù)最嚴(yán)格水資源管理“三條紅線”,結(jié)合水質(zhì)型缺水地區(qū)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)內(nèi)涵與特點(diǎn),建立了包括1個(gè)目標(biāo)(目標(biāo)層)、3大準(zhǔn)則(準(zhǔn)則層)、8個(gè)領(lǐng)域(領(lǐng)域?qū)?和26個(gè)指標(biāo)(指標(biāo)層)的水質(zhì)型缺水地區(qū)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,如表1所示。其中,目標(biāo)層為節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià),處于整個(gè)指標(biāo)體系的最高層,是水質(zhì)型缺水地區(qū)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)和最嚴(yán)格水資源管理“三條紅線”的綜合體現(xiàn);準(zhǔn)則層包括水資源開發(fā)利用控制、用水效率控制和水功能區(qū)限制納污控制,針對(duì)水質(zhì)型缺水地區(qū)以節(jié)水減污為主要任務(wù)、以提高水資源利用效率和效益為核心的特點(diǎn),將“三條紅線”有機(jī)地融入節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)中;領(lǐng)域?qū)訉?zhǔn)則層細(xì)分,反映了水資源系統(tǒng)、生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、非常規(guī)水源、節(jié)水管理、生態(tài)環(huán)境等各個(gè)領(lǐng)域的節(jié)水情況;指標(biāo)層中的每一個(gè)指標(biāo)都能從某一方面反映其對(duì)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)的影響,且相互獨(dú)立,互不影響,筆者選取的26個(gè)指標(biāo)均已量化[8-10]。其中,值得說明的是,準(zhǔn)則層中3個(gè)準(zhǔn)則在指標(biāo)數(shù)量上,用水效率控制雖遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于水資源開發(fā)利用控制和水功能區(qū)限制納污控制,但是三者既有區(qū)別,又有聯(lián)系,水資源開發(fā)利用控制在一定程度上可提高用水效率和減少污染物,用水效率的提高可有效減少用水總量和污染物,水功能區(qū)限制納污的有效控制可間接地增加用水總量,從而有效緩解水質(zhì)型缺水問題。同時(shí),為了評(píng)估水質(zhì)型缺水地區(qū)的節(jié)水型社會(huì)建設(shè)水平,筆者參考已有研究成果[11-12],包括區(qū)域相關(guān)法規(guī)和國(guó)內(nèi)外先進(jìn)節(jié)水指標(biāo)情況等,結(jié)合水質(zhì)型缺水地區(qū)特點(diǎn),確定水質(zhì)型缺水地區(qū)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),共分為起步、初級(jí)、中等、良好、優(yōu)秀5個(gè)等級(jí),見表1。

2 基于混沌遺傳算法和投影尋蹤的節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)模型

2.1 投影尋蹤聚類模型

投影尋蹤(Projection Pursuit, PP)法[13]是1972年由美國(guó)科學(xué)家Kruscal提出的一類新興的多元數(shù)據(jù)分析的數(shù)學(xué)方法,其具體思路是將影響問題的多因素指標(biāo)通過聚類分析,得到反映其綜合指標(biāo)特性的投影特征值,然后建立與因變量之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系函數(shù),從而進(jìn)行分析與研究,避免了專家賦權(quán)的人為干擾。筆者將投影尋蹤聚類模型應(yīng)用于節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)中,根據(jù)給定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),利用投影特征值對(duì)評(píng)價(jià)樣本進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià),即基于投影尋蹤的節(jié)水型社會(huì)建設(shè)等級(jí)評(píng)價(jià)模型。

2.2 混沌遺傳算法

混沌遺傳算法(Chaos Genetic Algorithm, CGA)利用混沌運(yùn)動(dòng)的遍歷性、隨機(jī)性、規(guī)律性和遺傳算法的反演性特點(diǎn),將2種算法耦合,提高了傳統(tǒng)遺傳算法的收斂速度和優(yōu)化效果。該算法的基本思想是利用混沌優(yōu)化算法的隨機(jī)性和遍歷性改善初始種群質(zhì)量,并對(duì)遺傳操作即選擇、交叉、變異后的種群附加混沌擾動(dòng),以避免搜索過程陷入局部極值[13-14]。

2.3 基于混沌遺傳算法和投影尋蹤的節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)模型建立與求解

投影尋蹤聚類模型求解的關(guān)鍵是優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù),是一個(gè)復(fù)雜的非線性優(yōu)化問題,筆者在傳統(tǒng)遺傳算法的基礎(chǔ)上,加入混沌變異操作,用于投影尋蹤聚類模型的求解,并將其應(yīng)用到節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)中,構(gòu)建基于混沌遺傳算法和投影尋蹤的節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)模型,其求解基本流程見圖1,具體求解步驟[13-15]如下:

對(duì)于越大越優(yōu)(正向)的指標(biāo):

(1)

式中：xmax(j)和xmin(j)分別為第j個(gè)指標(biāo)值的最大值和最小值,x(i,j)為指標(biāo)值歸一化的序列。

對(duì)于越小越優(yōu)(逆向)的指標(biāo):

(2)

Step 2 構(gòu)造投影指標(biāo)函數(shù)Q(a)。PP法就是把p維數(shù)據(jù){x*(i,j)|j=1, 2,…,p}綜合成以a={a(1),a(2),a(3), …,a(p)}為投影方向的一維投影值z(mì)(i),即

(3)

投影指標(biāo)函數(shù)可以表達(dá)成:

(4)

式中：Sz為投影值z(mì)(i)的標(biāo)準(zhǔn)差；Dz為投影值z(mì)(i)的局部密度,即

(5)

式中：E(z)為序列{z(i)|i=1,2,…,n}的平均值。

(6)

式中：R為局部密度的窗口半徑,一般可取為0.1Sz;r(i,j)為樣本之間的距離,r(i,j)=|z(i)-z(j)|;μ(t)為一單位階躍函數(shù),當(dāng)t≥0時(shí),其值為1,當(dāng)t<0時(shí)其函數(shù)值為0。

Step 3 利用混沌遺傳算法優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)。當(dāng)各指標(biāo)值的樣本集給定時(shí),投影指標(biāo)函數(shù)Q(a)只隨著投影方向a的變化而變化,因此可以通過求解投影指標(biāo)函數(shù)最大化問題來估計(jì)最佳投影方向,即

maxQ(a)=SzDz

(7)

(8)

其中,混沌遺傳算法優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)的具體步驟為:

a. 編碼并確定變量取值范圍[a,b]、群體規(guī)模N、交叉概率Pc、變異概率Pm、最大迭代次數(shù)T等參數(shù)。

b. 用隨機(jī)方法在[0,1]上產(chǎn)生初始值序列,利用式(9)所示的Logistic映射,產(chǎn)生初始混沌序列,將初始混沌序列按式(10)映射到優(yōu)化變量的可行域[a,b]，即可得到初始投影方向向量組a={a(1),a(2),a(3), …,a(p)}。

(9)

(10)

式中:λ為控制參數(shù),取值在0～4之間,當(dāng)λ=4時(shí),系統(tǒng)處于混沌狀態(tài)。

c. 計(jì)算種群的適應(yīng)度值fi,i=1,2,…,N。

e. 根據(jù)適應(yīng)函數(shù)計(jì)算種群中個(gè)體適應(yīng)度值。對(duì)適應(yīng)度值小的部分個(gè)體加一混沌擾動(dòng),若新個(gè)體適應(yīng)度值大于原個(gè)體適應(yīng)度值,則新個(gè)體替換原個(gè)體進(jìn)入下一代種群,否則原個(gè)體進(jìn)入下一代種群。

f. 重復(fù)步驟c～e,直到終止條件得以滿足。

表2 昆山市節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值

Step 4 節(jié)水型社會(huì)建設(shè)等級(jí)評(píng)價(jià)。將求得的最佳投影方向a*代入式(3),可得節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表中各標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)樣本點(diǎn)的投影值z(mì)*(i),根據(jù)各標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)及其對(duì)應(yīng)的投影值z(mì)*(i)建立投影尋蹤等級(jí)評(píng)價(jià)模型y*=f(z),即得到評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)各等級(jí)的投影值范圍,然后將待評(píng)價(jià)樣本歸一化處理,用同一個(gè)最佳投影方向計(jì)算待評(píng)價(jià)樣本的投影值z(mì)(i),將投影值z(mì)(i)代入投影尋蹤等級(jí)評(píng)價(jià)模型y*=f(z),最后得出各評(píng)價(jià)樣本的所屬評(píng)價(jià)等級(jí)。

圖1 基于混沌遺傳算法和投影尋蹤的節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)模型求解基本流程

3 實(shí)例研究

3.1 研究區(qū)概況

昆山市位于江蘇省東南端太湖下游的長(zhǎng)三角核心地帶,是著名的江南水鄉(xiāng),分屬太湖流域中的陽澄和淀泖2個(gè)水系,總面積931.51 km2,水域面積154.4 km2。全市屬于北亞熱帶南部季風(fēng)氣候區(qū),氣候溫和濕潤(rùn),多年平均降水量1 133.3 mm。昆山市境內(nèi)河網(wǎng)縱橫交叉,共有大小河道2 800余條,當(dāng)?shù)厮Y源量不足,多年平均水資源量為4.02億m3,過境水資源量豐富,多年平均過境水量為26.98億m3。2014年末,全市常住人口為165.03萬人,實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值3001.02億元,三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)為1.0∶5.2∶42.8;全年總用水量為4.87億m3,其中,工業(yè)用水占42.1%。昆山市屬于工業(yè)化城市,經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快,同時(shí)生產(chǎn)生活排放的污染物和上游較差的來水水質(zhì),嚴(yán)重危害了水資源質(zhì)量,已成為典型的水質(zhì)型缺水城市。此外,昆山市已于2007年被命名為第三批節(jié)水型城市,又于2015年成功創(chuàng)建成為江蘇省節(jié)水型社會(huì)示范區(qū),說明昆山市在節(jié)水建設(shè)方面的成就比較突出。故筆者選取昆山市為實(shí)例進(jìn)行水質(zhì)型缺水地區(qū)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)研究,對(duì)昆山市節(jié)水型社會(huì)建設(shè)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和指導(dǎo)作用。

3.2 昆山市節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)

3.2.1 昆山市節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值的確定

根據(jù)《昆山市節(jié)水型社會(huì)建設(shè)規(guī)劃(2015—2025年)》、《昆山市水利志(1986—2010)》、《昆山統(tǒng)計(jì)年鑒》(2013—2015年)、蘇州市水資源公報(bào)以及其他相關(guān)規(guī)劃報(bào)告等,確定昆山市節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)歷史年2012年、現(xiàn)狀年2014年以及規(guī)劃年2020年、2025年各指標(biāo)值如表2所示。

3.2.2 昆山市節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)模型求解與結(jié)果分析

從各年份投影值所處等級(jí)看,評(píng)價(jià)結(jié)果總體符合昆山市實(shí)際情況,說明筆者建立的基于最嚴(yán)格水資源管理制度的水質(zhì)型缺水地區(qū)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及投影尋蹤模型具有一定的可行性。①2012年與2014年已處于良好偏中等水平,由此可見昆山市從2007年成功創(chuàng)建成為國(guó)家節(jié)水型城市后,經(jīng)過多年在節(jié)水方面所做的努力,尤其是近幾年在最嚴(yán)格水資源管理制度 “三條紅線”、水利發(fā)展“十二五”規(guī)劃等指導(dǎo)下,進(jìn)行了包括完善節(jié)水體制、推進(jìn)節(jié)水先進(jìn)技術(shù)與節(jié)水工程建設(shè)、加強(qiáng)計(jì)劃用水定額管理及“三同時(shí)”工作、開展節(jié)水載體建設(shè)及節(jié)水宣傳教育等工作,節(jié)水型社會(huì)建設(shè)已達(dá)到較高的水平,并于2015年成功創(chuàng)建成為江蘇省節(jié)水型社會(huì)示范區(qū);②2014年與2012年投影值相差0.011 2,2020年與2014年相比增加了0.237 9,2025年將達(dá)到優(yōu)秀,說明昆山市節(jié)水型社會(huì)建設(shè)水平整體呈現(xiàn)平穩(wěn)增長(zhǎng)趨勢(shì);③規(guī)劃年預(yù)測(cè)結(jié)果與《昆山市節(jié)水型社會(huì)建設(shè)規(guī)劃(2015—2025年)》中所定目標(biāo)即2020年水資源利用效率與效益顯著提高,2025年各項(xiàng)節(jié)水指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的目標(biāo)基本相符。

對(duì)單個(gè)指標(biāo)值進(jìn)行分析可知,城市再生水回用率、灌溉水利用系數(shù)、工業(yè)用水重復(fù)利用率、非常規(guī)水源利用率、水平衡測(cè)試率等總體偏低,未來昆山市應(yīng)將節(jié)水先進(jìn)技術(shù)與節(jié)水工程改造作為重點(diǎn),推進(jìn)灌區(qū)節(jié)水改造與企業(yè)節(jié)水減排示范項(xiàng)目建設(shè),加大開發(fā)非常規(guī)水源利用,提高水資源利用效率與效益,同時(shí),加大節(jié)水專項(xiàng)資金投入,將節(jié)水型社會(huì)建設(shè)作為全市的重點(diǎn)開展。

4 結(jié) 語

通過分析水質(zhì)型缺水地區(qū)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)內(nèi)涵與特點(diǎn),以最嚴(yán)格水資源管理“三條紅線”為準(zhǔn)則,構(gòu)建了水質(zhì)型缺水地區(qū)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,建立了基于混沌遺傳算法和投影尋蹤的節(jié)水型社會(huì)建設(shè)評(píng)價(jià)模型,最后以昆山市為例,評(píng)價(jià)其節(jié)水型社會(huì)建設(shè)水平,結(jié)果表明:①昆山市2012年和2014年的節(jié)水型社會(huì)建設(shè)水平均為良好,與實(shí)際情況相符,2020年為良好,2025年為優(yōu)秀,與規(guī)劃目標(biāo)吻合,說明筆者建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和投影尋蹤模型具有一定的可操作性及有效性。②投影尋蹤方法通過尋求最佳投影方向能夠?qū)⒏呔S數(shù)據(jù)映射到低維子空間,形成綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)集進(jìn)行分析,在一定程度上避免了專家賦權(quán)的人為干擾,更為科學(xué)合理。③將混沌遺傳算法與投影尋蹤聚類模型結(jié)合,具有計(jì)算速度快,收斂效果好,避免陷入局部極值的優(yōu)點(diǎn),該模型具有一定的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金重大項(xiàng)目(2012&ZD214)

劉飛飛(1991—),女,浙江紹興人,碩士研究生,主要從事水利規(guī)劃與水利經(jīng)濟(jì)研究。E-mail:hhdxlff@163.com

方國(guó)華(1964—),女,安徽定遠(yuǎn)人,教授,博士,主要從事水利規(guī)劃與水利經(jīng)濟(jì)教學(xué)科研工作。E-mail:hhufgh@126.com

10.3880/j.issn.1003-9511.2016.05.010

TV213.4

A

1003-9511(2016)05-0042-05

2016-04-19 編輯：方宇彤)