劉　斌　殷國(guó)仕　周召梅

（湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院　長(zhǎng)沙市　410131）

基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的筑壩建庫(kù)環(huán)境影響綜合評(píng)價(jià)——以富嶺水庫(kù)為例

劉斌殷國(guó)仕周召梅

（湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院長(zhǎng)沙市410131）

針對(duì)水電工程與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境系統(tǒng)復(fù)雜的關(guān)系，選用PSR概念模型建立指標(biāo)體系，構(gòu)建了基于RBF的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。以2014年為評(píng)價(jià)水平年，對(duì)富嶺水庫(kù)的環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸入評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算得出評(píng)價(jià)指數(shù)為0.379。結(jié)果表明：生態(tài)環(huán)境影響處于四級(jí)，總體為負(fù)效應(yīng)，但影響程度較小。

筑壩建庫(kù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境影響綜合評(píng)價(jià)

在河流上筑壩建庫(kù)是人類開(kāi)發(fā)利用水資源，控制河流對(duì)人類危害的一項(xiàng)重要活動(dòng)。水庫(kù)工程在防洪、灌溉、發(fā)電、供水、養(yǎng)殖及改善航運(yùn)條件等方面發(fā)揮了巨大作用，但在河流上建設(shè)水庫(kù)，通過(guò)對(duì)河流通道的阻隔、水庫(kù)淹沒(méi)、人為徑流調(diào)節(jié)等人工干預(yù)，改變了河流的各種循環(huán)模式，破壞了河道原有的生態(tài)系統(tǒng)，影響了河道的生態(tài)功能，并對(duì)周邊生態(tài)系統(tǒng)工程產(chǎn)生負(fù)面影響。

現(xiàn)行的環(huán)境影響評(píng)價(jià)多采用單因子法、綜合指數(shù)法、主成分分析法、層次分析法等，這些方法在指標(biāo)權(quán)重的確定上仍具有很大的主觀性。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自組織、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和容錯(cuò)性等優(yōu)良性質(zhì)以及復(fù)雜的并行分布處理能力，因而能夠從具體的學(xué)習(xí)樣本出發(fā)，獲得基于客觀的權(quán)重。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已被用于水質(zhì)評(píng)價(jià)、大氣質(zhì)量評(píng)價(jià)、安全評(píng)價(jià)等應(yīng)用中，但在筑壩建庫(kù)的宏觀環(huán)境影響評(píng)價(jià)中還未采用。本文在對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的研究基礎(chǔ)上，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)筑壩建庫(kù)的水電工程生態(tài)環(huán)境影響進(jìn)行定量評(píng)價(jià)探索。

1　評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

1.1構(gòu)建原理

水電工程生態(tài)環(huán)境影響研究所面對(duì)的是一個(gè)涉及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境的紛繁復(fù)雜的大系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)既有自然因素的影響，又有社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化、傳統(tǒng)等因素的影響。

針對(duì)水電工程與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境系統(tǒng)復(fù)雜的關(guān)系，為滿足水電工程管理與水資源保護(hù)管理和決策要求，選用PSR概念模型來(lái)建立指標(biāo)體系?！皦毫Γ≒ressure）─狀態(tài)（State）─響應(yīng)（Response）”概念模型是國(guó)際上流行的指標(biāo)體系，簡(jiǎn)稱PSR模型?；赑SR的指標(biāo)體系充分考慮了水電工程建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞和改善的雙重效果，在評(píng)價(jià)過(guò)程中包含了經(jīng)人類活動(dòng)影響帶來(lái)的生態(tài)修復(fù)的作用，全面反映了對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，具有真實(shí)性、系統(tǒng)性和準(zhǔn)確性。

借鑒壓力-狀態(tài)-響應(yīng)這一思路，分析研究其在各領(lǐng)域的運(yùn)用案例，根據(jù)水電工程生態(tài)環(huán)境影響的特點(diǎn)，建立起指標(biāo)體系的具體框架，形成水電工程生態(tài)環(huán)境影響綜合評(píng)價(jià)的PSR概念模型框架圖（圖1）。

圖1　水電工程生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)的PSR概念模型框架

1.2評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

在PSR模型中，壓力指標(biāo)體系表征人類修建水電工程對(duì)最初的自然條件變化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)而引起的壓力，狀態(tài)指標(biāo)體系表征受影響的自然生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中各因素的狀態(tài)或趨勢(shì)，響應(yīng)指標(biāo)體系表征人類在改善生態(tài)環(huán)境的行為。

評(píng)價(jià)指標(biāo)選取的依據(jù)主要從體系的完整性、正確性、可行性入手，在不失全面的情況下，盡量減少體系中指標(biāo)的個(gè)數(shù)，注重指標(biāo)的影響評(píng)價(jià)功能，選擇和確定評(píng)價(jià)指標(biāo)。指標(biāo)詳見(jiàn)表1。

表1　筑壩建庫(kù)生態(tài)環(huán)境影響綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2　筑壩建庫(kù)環(huán)境影響評(píng)價(jià)模型

2.1評(píng)價(jià)水平年確定

水電開(kāi)發(fā)對(duì)環(huán)境帶來(lái)的影響是動(dòng)態(tài)變化的，建庫(kù)前、施工過(guò)程中和建庫(kù)后，生態(tài)環(huán)境都在不斷變化，因此針對(duì)環(huán)境影響的評(píng)價(jià)需要確定評(píng)價(jià)水平年，選擇一個(gè)具有代表性的年份進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)。對(duì)于評(píng)價(jià)水平年的選擇可以選：①工程修建前；②工程投產(chǎn)后；③工程運(yùn)行若干年后。

2.2評(píng)價(jià)區(qū)域和層次確定

流域生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)合的大系統(tǒng)，梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)對(duì)系統(tǒng)的影響廣泛而深刻，自然環(huán)境、社會(huì)環(huán)境的差異，導(dǎo)致工程對(duì)環(huán)境影響區(qū)域各點(diǎn)各塊的影響程度和性質(zhì)上存在差異。水利工程環(huán)境影響的范圍包括庫(kù)區(qū)、上游段、下游段及周?chē)鷧^(qū)域等。

按照層次分析方法，根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象各組成部分之間的相互關(guān)系，將其歸納為下列層次結(jié)構(gòu)體系：

目標(biāo)層，以水電工程對(duì)生態(tài)環(huán)境影響綜合評(píng)價(jià)指數(shù)為目標(biāo)層，以綜合表征生態(tài)環(huán)境影響態(tài)勢(shì)；準(zhǔn)則層，以生態(tài)環(huán)境影響內(nèi)部具有邏輯關(guān)系的筑壩建庫(kù)壓力、生態(tài)環(huán)境狀態(tài)和工程生態(tài)環(huán)境響應(yīng)作為準(zhǔn)則層的評(píng)判依據(jù)；指標(biāo)層，是指標(biāo)體系中最基本的層面，即評(píng)價(jià)要素有哪些具體指標(biāo)來(lái)表達(dá)。

2.3基于RBF的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

徑向基函數(shù)神經(jīng)（Radial Basis Function，縮寫(xiě)成RBF）網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)稱徑向基網(wǎng)絡(luò)，是由J.Moody和C. Darken于20世紀(jì)80年代末提出來(lái)的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它是具有單隱含層的3層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。目前已經(jīng)證明，徑向基網(wǎng)絡(luò)能夠以任意精度逼近連續(xù)函數(shù)。

徑向基網(wǎng)絡(luò)輸入層節(jié)點(diǎn)只傳遞輸入信號(hào)到隱含層,隱含層節(jié)點(diǎn)由像高斯函數(shù)那樣的輻射狀作用函數(shù)構(gòu)成,而輸出層節(jié)點(diǎn)通常是簡(jiǎn)單的線性函數(shù)。徑向基網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)的原型函數(shù)為：radbas（n）=e-n2。

隱含層每個(gè)神經(jīng)元與輸入層相連的權(quán)值向量w1i和輸入向量Xp（表示q個(gè)輸入向量）之間的距離乘上閾值b1i作為本身的輸入。

由此可以得到隱含層的第i個(gè)神經(jīng)元的輸入

徑向基函數(shù)的閾值b1可以調(diào)節(jié)函數(shù)的靈敏度，但在實(shí)際應(yīng)用中使用擴(kuò)展系數(shù)C。b1和C的關(guān)系有多種確定方法，在MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱中，b1和C的關(guān)系為b1i=0.8326/Ci。不難看出，C值的大小實(shí)際上反映了輸出對(duì)輸入的響應(yīng)寬度。C值越大，隱含層神經(jīng)元輸入向量的響應(yīng)范圍越大，而且神經(jīng)元之間的平滑度也較好。

輸出層的輸入為各層神經(jīng)元輸出的加權(quán)求和。由于傳遞函數(shù)為純線性函數(shù)，因此輸出算式為：

在RBF網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)之前，需要提供輸入向量X、對(duì)應(yīng)的目標(biāo)向量T與徑向基函數(shù)的擴(kuò)展常數(shù)C。學(xué)習(xí)的目的是求取兩層的最終權(quán)值w1、w2和閾值b1、b2。

本文的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)MATLAB6.5軟件系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱來(lái)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用徑向基網(wǎng)絡(luò)算法建立筑壩建庫(kù)生態(tài)環(huán)境影響綜合評(píng)價(jià)模型按照如圖2進(jìn)行。

圖2　筑壩建庫(kù)生態(tài)環(huán)境影響綜合評(píng)價(jià)模型RBF算法流程圖

3　富嶺水庫(kù)環(huán)境影響評(píng)價(jià)

3.1項(xiàng)目概況

富嶺水庫(kù)位于瀏陽(yáng)市沿溪鎮(zhèn)，大溪河一級(jí)支流大光河中游，大光河屬于瀏陽(yáng)河支流大溪河的一級(jí)支流，發(fā)源于瀏陽(yáng)市次高峰，海撥1 600 m的連云山脈，流域面積為74.2 km2，河道長(zhǎng)26 km，流經(jīng)大光河、三合口，于沿溪鎮(zhèn)匯入大溪河。

富嶺水庫(kù)正常蓄水位為190.0 m（黃海高程，下同），設(shè)計(jì)水位為192.2 m，校核水位為192.7 m，防洪限制水位為184.5 m，防洪高水位為192.2 m，死水位為171 m；總庫(kù)容為1 311萬(wàn)m3，死庫(kù)容為184萬(wàn)m3，防洪庫(kù)容為535萬(wàn)m3。

3.2評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的選取和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定

由于指標(biāo)體系中的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的類型復(fù)雜，單位存在差異，難以進(jìn)行比較和綜合分析，因此，需要對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行量化，即無(wú)量綱處理，并劃分成11級(jí)，然后根據(jù)它們對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的大小，對(duì)每級(jí)給定標(biāo)準(zhǔn)化分值，取值設(shè)定在-1.0～1.0之間，見(jiàn)表2。標(biāo)準(zhǔn)的制定需要進(jìn)行敏感性分析，并應(yīng)以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、其它國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和已取得的研究成果等為參照值，通過(guò)專家咨詢，研究得出具體指標(biāo)的劃分評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的確定

將筑壩建庫(kù)生態(tài)環(huán)境影響指數(shù)劃分為五級(jí)：

一級(jí)，工程對(duì)生態(tài)環(huán)境影響大，綜合指數(shù)為± 0.8～±1.0；二級(jí)，工程對(duì)生態(tài)環(huán)境影響較大，綜合指數(shù)為±0.6～±0.8；三級(jí)，工程對(duì)生態(tài)環(huán)境影響中等，綜合指數(shù)為±0.4～±0.6；四級(jí)，工程對(duì)生態(tài)環(huán)境影響較小，綜合指數(shù)為±0.2～±0.4；五級(jí)，工程影響小，即筑壩建庫(kù)對(duì)生態(tài)環(huán)境幾乎沒(méi)有影響，綜合指數(shù)為±0.2～0.2。

其中，如果結(jié)果為負(fù)，則為負(fù)影響，即為不利影響大于有利影響；如果結(jié)果為正，則為正影響，即為有利影響大于不利影響。

3.4基于RBF的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

（1）樣本數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

①生成隨機(jī)數(shù)據(jù)。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)模型需要大量的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練，但水電工程的生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究缺少大量的資料供我們使用。為了提高訓(xùn)練精度，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)類別進(jìn)行有限次內(nèi)插，從而增加訓(xùn)練樣本。本次采用在評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的方法來(lái)獲取訓(xùn)練樣本。利用MATLAB的數(shù)學(xué)工具，產(chǎn)生了10組隨機(jī)數(shù)。

表2　筑壩建庫(kù)生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)量化標(biāo)準(zhǔn)

②無(wú)量綱歸一化。由于數(shù)據(jù)間的量綱不統(tǒng)一，在評(píng)價(jià)時(shí)無(wú)法進(jìn)行一致性比較，因此需進(jìn)行無(wú)量綱歸一化處理。

采用無(wú)量綱歸一化公式：

式中X’──目標(biāo)數(shù)據(jù)；

X──原始數(shù)據(jù)；

Xmax、Xmin──原始數(shù)據(jù)的最大值和最小值。在評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中，不利影響評(píng)價(jià)指標(biāo)只在負(fù)的等級(jí)內(nèi)取值，即在-1.0～0內(nèi)，因此在評(píng)價(jià)前應(yīng)將前面空缺的標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)齊，以便進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練?？紤]到指標(biāo)取值的實(shí)際范圍，我們將最小（最大）可能的取值作為數(shù)據(jù)的極值，并經(jīng)過(guò)無(wú)量綱歸一化后分別以0和1代替。

有利影響評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)取值正負(fù)均可取，即可在-1.0～1.0內(nèi)任意取值，在制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)考慮到人為判別的能力，也只取了5級(jí)，在評(píng)價(jià)時(shí)我們以上下兩級(jí)的均值來(lái)補(bǔ)齊中間的評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

③評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化。富嶺水庫(kù)筑壩建庫(kù)不同階段指標(biāo)初始值和無(wú)量綱處理后指標(biāo)值見(jiàn)表3。

（2）RBF網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)。

本文采用徑向基函數(shù)（RBF）三層網(wǎng)絡(luò)。由前文得知，生態(tài)環(huán)境影響綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)為12個(gè)，因此RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為12個(gè)。在生態(tài)環(huán)境指標(biāo)各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)分別隨機(jī)產(chǎn)生10個(gè)樣本，作為輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，經(jīng)過(guò)30次學(xué)習(xí)，達(dá)到誤差要求。

3.5評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸入需要評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)指數(shù)，即可得出評(píng)價(jià)結(jié)果。計(jì)算得出評(píng)價(jià)指數(shù)為0.379，表明生態(tài)環(huán)境影響處于四級(jí)，總體為負(fù)效應(yīng)，但影響程度較小。

4　結(jié)論

（1）根據(jù)建庫(kù)環(huán)境影響的特點(diǎn)，從 “壓力 （Pressure）-狀態(tài)（State）-響應(yīng)（Response）”出發(fā)，綜合考慮建庫(kù)對(duì)環(huán)境和影響及人類修復(fù)措施的成效構(gòu)建了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并建立了基于RBF的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)模型，對(duì)建庫(kù)造成的環(huán)境影響進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

（2）將模型應(yīng)用于富嶺水庫(kù)開(kāi)發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià),經(jīng)過(guò)評(píng)價(jià)指標(biāo)因子識(shí)別、量化，輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)果表明：富嶺水庫(kù)評(píng)價(jià)指數(shù)為0.379，表明生態(tài)環(huán)境影響處于四級(jí)，總體為負(fù)效應(yīng)。富嶺水庫(kù)的生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)行受到了影響，需要采取一定的生態(tài)修復(fù)措施進(jìn)行修復(fù)。

[1]水電與可持續(xù)發(fā)展北京宣言[N].人民日?qǐng)?bào).2004-11-30.

[2]張博庭.我國(guó)的水電開(kāi)發(fā)與環(huán)境保護(hù)[J].水電及中國(guó)農(nóng)村電氣化，2007，（6）:20-22.

[3]吳澤斌，水利工程生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2005.

[4]Lee,N.,F.Walsh.Strategic environmental assessment: an overview[J].Project Appraisal，1992，7（3）:126-136.

[5]Wood,C.,M.Djeddour.Strategic environmental assessment: EA of policies,plans and programmes[J].Impact Assessment Bulletin，1992，10（1）:3-22.

[6]Therivel,R.,E.Wilson.Strategic Environmental Assessment [M].London:Earth scan Publication Ltd,1992.

[7]喬俊飛,韓紅桂.RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2010，36（6）:865-869.

[8]崔寶俠，高鴻雁，等.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在水環(huán)境影響評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26（2）:168-170.

[9]郭彥，王海芳.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在環(huán)境現(xiàn)狀評(píng)價(jià)中應(yīng)用研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010，33（11）:191-196.

[10]李朝霞，牛文娟.水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)模型與應(yīng)用[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2009，18（2）:35-41.

劉斌（1981-），男，湖南新化人，碩士研究生，講師、工程師，主要從事水利職業(yè)教育與水利工程設(shè)計(jì)等工作。

（2016-02-28）