劉麗穎, 官冬杰, 楊清偉, 蘇維詞

(1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院, 重慶 400074; 2.重慶工商大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院, 重慶 400067; 3.重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院, 重慶 400074; 4.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院, 重慶 400047; 5.貴州科學(xué)院 山地資源研究所, 貴州 貴陽(yáng) 550001)

基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的喀斯特地區(qū)水資源安全評(píng)價(jià)

劉麗穎1,2, 官冬杰3, 楊清偉1, 蘇維詞4,5

(1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院, 重慶 400074; 2.重慶工商大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院, 重慶 400067; 3.重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院, 重慶 400074; 4.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院, 重慶 400047; 5.貴州科學(xué)院 山地資源研究所, 貴州 貴陽(yáng) 550001)

[目的] 對(duì)喀斯特地區(qū)水資源安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，為喀斯特地區(qū)水環(huán)境管理與可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。 [方法] 以喀斯特典型分布區(qū)貴州省為例，建立喀斯特地區(qū)水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)建BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)貴州省9個(gè)州市水資源安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，并與熵權(quán)物元模型相比較。 [結(jié)果] 貴州省9個(gè)州市的水資源安全，有2個(gè)處于比較安全狀態(tài)，6個(gè)處于一般狀態(tài)，1個(gè)處于比較不安全狀態(tài)。評(píng)價(jià)結(jié)果與熵權(quán)物元模型評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。[結(jié)論] 該體系評(píng)價(jià)結(jié)果合理，評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)便直觀，該模型對(duì)類似地區(qū)水資源安全評(píng)價(jià)有一定的參考價(jià)值。

水資源; 安全; 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò); 喀斯特地區(qū); 模型構(gòu)建

文獻(xiàn)參數(shù)： 劉麗穎, 官冬杰, 楊清偉, 等.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的喀斯特地區(qū)水資源安全評(píng)價(jià)[J].水土保持通報(bào)，2017,37(2)：207-214.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.032； Liu Liying, Guan Dongjie, Yang Qingwei, et al. Assessment of Water Resources Security in Karst Area Based on Artificial Neural Network[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：207-214.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.032

水資源是人類生存和發(fā)展必不可少的自然資源，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和維持生態(tài)平衡的重要基礎(chǔ)。隨著世界人口的持續(xù)增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，出現(xiàn)如水資源短缺、水環(huán)境污染、水土流失、洪澇災(zāi)害頻繁等水資源安全問題。水資源安全到目前為止沒有一個(gè)公認(rèn)的定義。目前的定義主要有兩大類，一種是從水資源本身來進(jìn)行定義，主要考慮的是水資源自身的安全狀態(tài)和水資源的基礎(chǔ)是否保持良好[1]；一種是從水資源對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的保障程度來定義。如賈紹鳳[2]認(rèn)為水資源安全涉及社會(huì)安全、經(jīng)濟(jì)安全和生態(tài)安全等幾個(gè)層次。水資源安全要保證人人都有獲得安全飲用水的權(quán)利，保證社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)用水和生態(tài)用水。本研究認(rèn)為水資源安全主要是指在保持生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)的前提下，水資源對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活的保障程度，保障程度越高就越安全。水資源安全研究已引起學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注，成為當(dāng)前水資源科學(xué)中的一個(gè)重點(diǎn)和熱點(diǎn)問題[3-5]。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水資源安全評(píng)價(jià)的方法主要包括：層次分析法[6]、灰色關(guān)聯(lián)分析[7]、集對(duì)分析法[8-9]、模糊分析法[10]、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法等[11]。但是以上方法皆為直接建模，過程復(fù)雜且效果不是非常理想，在評(píng)價(jià)的各個(gè)環(huán)節(jié)都存在不同程度的主觀判斷，進(jìn)而影響評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性。

喀斯特地區(qū)有著復(fù)雜的水文地質(zhì)、地貌和生態(tài)環(huán)境條件、多種水資源賦存類型以及由此導(dǎo)致的“工程性”缺水等問題，使其流域空間結(jié)構(gòu)、水系發(fā)育規(guī)律、水文動(dòng)態(tài)等方面表現(xiàn)出與常態(tài)流域的巨大差異，這也增加了喀斯特地區(qū)水資源的開發(fā)和利用難度。同時(shí)，由于喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，近年來經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，水污染加劇、水資源短缺和水資源供需矛盾尖銳等問題日益突顯，已對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了威脅。喀斯特地區(qū)的水資源安全的研究已成為一個(gè)值得關(guān)注的問題。因此，本研究以巖溶地貌最為發(fā)育的貴州省為例，通過建立喀斯特區(qū)域水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(圖1)，運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，構(gòu)建喀斯特地區(qū)水資源安全的評(píng)價(jià)模型，并依此模型對(duì)貴州省9個(gè)州市的2013年水資源安全情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)采用熵權(quán)物元模型對(duì)結(jié)果加以驗(yàn)證和比較分析，以期尋求一種更適合的評(píng)價(jià)方法，并對(duì)喀斯特地區(qū)水資源安全、生態(tài)安全、以及環(huán)境建設(shè)提供有益的參考。

1 研究區(qū)概況

貴州省地處中國(guó)西南部高原山地，地理坐標(biāo)為24°37′—29°13′N，103°36′—109°35′E，該省國(guó)土面積176 167 km2，喀斯特地貌面積109 084 km2，占該省國(guó)土總面積的61.9%，是西南地區(qū)巖溶分布最廣的省份，也是西南巖溶山區(qū)的核心部分。2013年貴州省總?cè)丝? 502萬(wàn)人，其中農(nóng)業(yè)人口2 177.33萬(wàn)人，非農(nóng)業(yè)人口1 324.89萬(wàn)人，城鎮(zhèn)化率為37.83%，水資源總量為759.44×1010m3，比常年偏少28.5%，人均水資源量為2 168 m3。

圖1 喀斯特地區(qū)水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 喀斯特地區(qū)水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

水資源安全的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立是一個(gè)比較復(fù)雜和值得探討的問題[12]?？λ固氐貐^(qū)水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)既要體現(xiàn)該區(qū)域水資源總體現(xiàn)狀，如缺水類型、緊缺程度、供水類型等，反應(yīng)水資源可持續(xù)利用狀況和開發(fā)利用的滿意程度，還應(yīng)考慮水量水質(zhì)對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的保障程度、水資源與生態(tài)耦合程度等因素?；谝陨峡紤]，本文遵循代表性、綜合性、可觀測(cè)性和易操作性等原則，充分考慮喀斯特地區(qū)地貌、生態(tài)、水資源、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的特殊性，結(jié)合貴州省水資源安全現(xiàn)狀及資料的可獲得性，能體現(xiàn)水資源安全的內(nèi)涵、發(fā)展?fàn)顟B(tài)和發(fā)展過程的因素為指標(biāo)，建立綜合判斷體系。在參考國(guó)內(nèi)相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，本研究綜合歸納確定了喀斯特地區(qū)水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)17個(gè)(圖1)。

2.2 喀斯特地區(qū)水資源安全等級(jí)劃分及指標(biāo)閾值確定

根據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)文獻(xiàn)，將指標(biāo)劃分為5個(gè)等級(jí)，定性描述為：極不安全、比較不安全、一般、比較安全、安全，分別用表示Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ級(jí)。通過參考相關(guān)學(xué)者的研究成果，以及國(guó)家、行業(yè)和地方的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、背景等，結(jié)合貴州省水資源、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)際，確定各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的等級(jí)閾值(表1)。

表1 喀斯特地區(qū)水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分

注：研究數(shù)據(jù)主要來源于《貴州省統(tǒng)計(jì)年鑒2013》、《貴州省環(huán)境公報(bào)2013》、《貴州省水土流失公告》和《貴州省水資源公報(bào)》，詳見表2。

表2 貴州省各州市水資源安全指標(biāo)(2013年)

2.3 喀斯特地區(qū)水資源安全評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

2.3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有廣泛的自適應(yīng)性和學(xué)習(xí)能力，在理論上可以逼近任何非線性函數(shù)，是國(guó)際上非?；钴S的前沿研究領(lǐng)域之一，在生態(tài)安全問題研究中將被廣泛采用[13-14]。它通過對(duì)有代表性的樣本自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)，能夠掌握事物的本質(zhì)特征，能有效解決水資源系統(tǒng)中的非線性模糊問題，從而避開其他方法尋求水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間耦合關(guān)系的困難，對(duì)水資源安全易于做出客觀正確的評(píng)價(jià)。目前，BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已在水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)[15-16]、水質(zhì)評(píng)價(jià)[17-18]、土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)[19]、水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)[20]等方面得到了廣泛應(yīng)用。因此本研究采用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)喀斯特地區(qū)水資源安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，具體建模程序?yàn)椋?/p>

(1) 確定網(wǎng)絡(luò)層數(shù)。根據(jù)典型喀斯特地區(qū)貴州省水資源安全評(píng)價(jià)，本研究選用3層BP網(wǎng)絡(luò)，即1個(gè)輸入層，1個(gè)隱含層，1個(gè)輸出層。其中輸入神經(jīng)元個(gè)數(shù)為17個(gè)，輸出神經(jīng)元個(gè)數(shù)為1個(gè)。

(4) BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。對(duì)建立的BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，隱含層神經(jīng)元的激活函數(shù)選取Transig函數(shù)，輸出層神經(jīng)元激活函數(shù)選取Logsig函數(shù)。訓(xùn)練函數(shù)采用Trainlm，學(xué)習(xí)函數(shù)采用Learngdm，性能函數(shù)采用mse。網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建：net=newff(minmax(p),[4,1],{‘tansig’,‘logsig’}‘trainlm’,‘learngdm’,‘mse’)；設(shè)定用于訓(xùn)練的各級(jí)樣本的目標(biāo)輸出分別為：Ⅰ極：不安全0～0.125，Ⅱ級(jí)：比較不安全0.125～0.375，Ⅲ級(jí)：一般0.375～0.625，Ⅳ級(jí)：比較安全0.625～0.875；Ⅴ級(jí)：安全0.875以上。

根據(jù)表1所給的指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)每級(jí)標(biāo)準(zhǔn)隨機(jī)生成10個(gè)學(xué)習(xí)樣本，共生成50個(gè)學(xué)習(xí)樣本。將50個(gè)樣本已歸一化后的數(shù)據(jù)及其相應(yīng)的目標(biāo)值組成訓(xùn)練樣本，網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練次數(shù)初步定為1 000次，訓(xùn)練目標(biāo)設(shè)定為學(xué)習(xí)參η=0.1，α=0.9，E≤0.000 01。輸入已建好的BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，當(dāng)?shù)?7次后，誤差0.0452，滿足誤差要求。水資源安全評(píng)價(jià)的BP網(wǎng)絡(luò)模型及訓(xùn)練結(jié)果可靠，可以投入使用。

2.3.2 熵權(quán)物元分析模型構(gòu)建 物元模型由蔡文教授于20世紀(jì)80年代初創(chuàng)立，它以形式化的模型研究事物拓展的可能性和開拓規(guī)律，主要用于解決不相容的復(fù)雜問題，適合多因子評(píng)價(jià)，是目前等級(jí)評(píng)價(jià)中使用比較廣泛的一種方法[21]。因此本研究選取熵權(quán)物元模型對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期對(duì)BP模型評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。喀斯特地區(qū)水資源安全物元模型的構(gòu)建步驟為：物元分析中所描述的對(duì)象(喀斯特地區(qū)水資源安全)N及特征向量c和特征量值v組成喀斯特地區(qū)水資源安全物元R=(N,c,v)，如果對(duì)象N有n個(gè)特征向量c1，c2,…,cn及其對(duì)應(yīng)的量值v1,v2,…,vn，則稱R為n維喀斯特地區(qū)水資源安全物元，即：

(1)

(1) 確定經(jīng)典域和節(jié)域物元矩陣?？λ固氐貐^(qū)水資源安全的經(jīng)典域物元矩陣可表示為：

Roj=(Noj,Ci,Vo)

式中：Roj——喀斯特地區(qū)水資源安全經(jīng)典域物元；Noj——所劃分喀斯特地區(qū)水資源安全的第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)(其中，j=1,2,…,n)；Ci——第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)?？λ固氐貐^(qū)水資源安全經(jīng)典域物元矩陣可表示為：

(2)

式中：(aoji,boji)——對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)等級(jí)j的量值范圍，即經(jīng)典域。

同樣地，喀斯特地區(qū)水資源安全的節(jié)域物元矩陣可表示為：

Rp=(Np,Cn,Vp)

式中：Rp——節(jié)域物元；p——喀斯特地區(qū)水資源安全全體等級(jí)。相應(yīng)的經(jīng)典域復(fù)合物元矩陣和節(jié)域物元矩陣可表示為：

(3)

式中：(api,bpi)——節(jié)域物元關(guān)于特征ci的量值范圍，即節(jié)域。

(2) 確定待評(píng)價(jià)物元。把待評(píng)價(jià)對(duì)象Nx的物元表示為Rx：

(4)

(3) 確定關(guān)聯(lián)函數(shù)和關(guān)聯(lián)度。喀斯特地區(qū)水資源安全指標(biāo)關(guān)聯(lián)函數(shù)K(x)的定義為：

(5)

(6)

式中：p(X,Xo)——點(diǎn)X與對(duì)應(yīng)特征向量的有限區(qū)間(即：Xo=[ao,bo])的距離；p(X,Xp)——點(diǎn)X對(duì)應(yīng)于特征向量節(jié)域的有限區(qū)間，即：Xp=[ap,bp]的距離[22]；X，Xo，Xp——喀斯特地區(qū)水資源安全物元的量值、經(jīng)典域物元的量值范圍和節(jié)域物元的量值范圍。

(4) 計(jì)算綜合關(guān)聯(lián)度并確定評(píng)價(jià)等級(jí)。待評(píng)價(jià)對(duì)象Nx(x=1,2,3,…,m)關(guān)于等級(jí)j的綜合關(guān)聯(lián)度Kj(Nx)為：

(7)

式中：Wi——喀斯特地區(qū)水資源安全各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重； Kj(Nx)——待評(píng)價(jià)對(duì)象Nx關(guān)于等級(jí)j的綜合關(guān)聯(lián)度； kj(xi)——待評(píng)價(jià)對(duì)象Nx關(guān)于等級(jí)j的單指標(biāo)關(guān)聯(lián)度。若Kjx=max[Kj(Nx)]，則Nx處于喀斯特地區(qū)水資源安全標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)j級(jí),j=1,2,…,n；

(5) 權(quán)重的確定。在確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)值時(shí)，運(yùn)算公式為：

(8)

式中：zij——第i個(gè)評(píng)價(jià)單元第j個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值。將評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值轉(zhuǎn)化為權(quán)重值：

(9)

結(jié)合案例各指標(biāo)量值，由公式(8)—(9)計(jì)算喀斯特地區(qū)水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重(表3)。

3 結(jié)果與討論

3.1BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

將表2中貴州省喀斯特地區(qū)的水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)值進(jìn)行歸一化處理后，輸入訓(xùn)練好的BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢驗(yàn)，網(wǎng)絡(luò)輸出值及分級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果詳見表4。

表3 喀斯特地區(qū)水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

表4 BP模型的喀斯特地區(qū)水資源安全評(píng)價(jià)結(jié)果

用ArcGIS 9.3軟件作為實(shí)現(xiàn)工具，將貴州省各州市水資源安全屬性數(shù)據(jù)輸入，得到基于BP模型的水資源安全等級(jí)劃分(圖2)。結(jié)果表明，有6個(gè)州市的水資源安全利用等級(jí)為一般，具體排序?yàn)椋鹤窳x>黔西南>六盤水>貴陽(yáng)>銅仁>畢節(jié)。由人均水資源量、人口密度、石漠化面積和水土流失比例等指標(biāo)數(shù)據(jù)值可知，該區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱，對(duì)水資源安全利用較為不利。安順?biāo)Y源安全利用等級(jí)為比較不安全，存在水資源安全隱患，進(jìn)一步開發(fā)潛力較小。對(duì)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，安順近年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，人口密度加大，但水資源開發(fā)利用難度大、利用率低，水土流失嚴(yán)重，水資源的安全利用面臨較大的壓力。黔南和黔東南水資源安全利用等級(jí)為比較安全。這是因?yàn)樵搮^(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后，受喀斯特地質(zhì)影響，水資源開發(fā)規(guī)模小，利用率低，需求量相對(duì)較少，因此水資源有一定的安全利用空間。評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際較為吻合。

圖2 BP模型的貴州省水資源安全等級(jí)劃分

3.2 熵權(quán)物元模糊模型評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

由表2評(píng)價(jià)指標(biāo)量值，根據(jù)公式(5)—(6)計(jì)算喀斯特地區(qū)水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度，以貴陽(yáng)市C1指標(biāo)(水資源利用率)的計(jì)算結(jié)果為例介紹各指標(biāo)意義，將C1=31.15帶入相應(yīng)的計(jì)算公式后，得到對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)關(guān)聯(lián)度分別為：k(C1)1=-0.377，k(C1)2=0.058，k(C1)3=-0.036，k(C1)4=-0.264，k(C1)5=-0.404，可以判定貴陽(yáng)市該指標(biāo)屬于Ⅱ級(jí)，即比較不安全等級(jí)。同理可得其他指標(biāo)的相關(guān)數(shù)值(表5)。

將各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)各等級(jí)的關(guān)聯(lián)度量值(表5)與其對(duì)應(yīng)計(jì)算出的權(quán)重(表3)代入公式(7),計(jì)算出各州市水資源安全綜合關(guān)聯(lián)度，并判斷水資源安全等級(jí)。以貴陽(yáng)市為例，其K1=-0.434，K2=-0.381，K3=-0.348，K4=-0.374，K5=-0.384，可以判定貴陽(yáng)市水資源安全級(jí)別為Ⅲ級(jí)，即“一般”級(jí)別。同理可以判定其他各州市的水資源安全等級(jí)(表6)。

表5 貴州省各州市水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度

用ArcGIS 9.3軟件作為實(shí)現(xiàn)工具，將貴州省各州市水資源安全屬性數(shù)據(jù)輸入，得到基于熵權(quán)物元模型的水資源安全等級(jí)劃分如圖3所示。熵權(quán)物元模型分析結(jié)果中，貴陽(yáng)、遵義、安順、畢節(jié)以及六盤水地區(qū)的水資源安全利用級(jí)別向“一般”轉(zhuǎn)化，黔南、黔東南、銅仁和黔西南的水資源安全利用級(jí)別向“比較安全”轉(zhuǎn)化。此評(píng)價(jià)結(jié)果與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。

圖3 熵權(quán)物元模型的貴州省水資源安全等級(jí)劃分

4 討 論

(1) BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和熵權(quán)物元模型評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，貴州省水資源安全利用基本處于一般狀態(tài)和比較安全狀態(tài)，其主要瓶頸：一是“山高水(河)低、雨多地漏”的喀斯特水文地質(zhì)地貌條件易造成特有的“喀斯特干旱”現(xiàn)象，使?jié)駶?rùn)的貴州喀斯特山區(qū)成了“缺水區(qū)”；二是貴州喀斯特山區(qū)雨水多，但方便可利用的水資源少，由于缺乏攔水、蓄水和調(diào)水等工程，造成嚴(yán)重的人畜飲水困難，水質(zhì)也得不到保證；三是傳統(tǒng)中攔蓄供水模式不適應(yīng)喀斯特地域特點(diǎn)，難以解決缺水問題?；谝陨咸攸c(diǎn)貴州喀斯特山區(qū)成了“缺水區(qū)”，尤其“工程性缺水”已成為制約貴州喀斯特山區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展的主要瓶頸。因此應(yīng)根據(jù)喀斯特地區(qū)的水資源特征和其形成規(guī)律，因地制宜、因水制宜、因需制宜，分別采用類型眾多，規(guī)模不一的水資源開發(fā)工程和管理模式，確保喀斯特地區(qū)水資源安全可持續(xù)利用，取得經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)的三大效益。

(2) 對(duì)比表4和表6可以看出，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與熵權(quán)物元模型評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，但仍有一定的差異：兩種模型對(duì)貴陽(yáng)、遵義、黔南、黔東南、畢節(jié)以及六盤水地區(qū)的評(píng)價(jià)結(jié)果一致。安順、銅仁以及黔西南的熵權(quán)物元模型的評(píng)價(jià)結(jié)果比BP模型的評(píng)價(jià)結(jié)果高出一個(gè)等級(jí)，這是因?yàn)殪貦?quán)物元模型更強(qiáng)調(diào)對(duì)影響因子的分析，而BP模型強(qiáng)調(diào)非線性關(guān)系下的綜合質(zhì)量分析。從表6可以看出，該區(qū)域可認(rèn)定為此等級(jí)，但不完全符合對(duì)應(yīng)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，具備向其轉(zhuǎn)化的條件，因此，兩種模型的評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。

(3) BP模型不需要建立復(fù)雜的顯示關(guān)系，只需要給定如表1中的評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)獲得的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，便可以建立水資源安全利用評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型，模型計(jì)算簡(jiǎn)單、客觀、適用性強(qiáng)。熵權(quán)物元模型需要確定權(quán)重，并構(gòu)建樣本數(shù)據(jù)與評(píng)價(jià)等級(jí)之間復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，從而得到量化結(jié)果；BP模型不僅可利用輸出值來判定水資源開發(fā)所處的階段,而且可利用輸出值大小進(jìn)一步判斷處于同一開發(fā)階段的區(qū)域的水資源安全利用程度的大小，該模型不僅可以進(jìn)行分類，還可以根據(jù)輸出值進(jìn)行較好的排序。熵權(quán)物元模型只能用等級(jí)分值來評(píng)價(jià)水資源安全利用程度的大小，對(duì)于水資源安全利用程度所處階段的判斷較為模糊。

5 結(jié) 論

(1) 構(gòu)建了一套比較完整，能反映喀斯特地域特色的水資源安全的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)貴州省9個(gè)州市進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和等級(jí)劃分，結(jié)果表明：貴州省9個(gè)州市中，有2個(gè)州市處于比較安全狀態(tài)、有6個(gè)州市處于一般狀態(tài)、有1個(gè)州市處于比較不安全狀態(tài)。本結(jié)果與與熵權(quán)物元模型評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。

(2) 本研究對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在喀斯特地區(qū)水資源安全利用評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用性進(jìn)行驗(yàn)證和比較分析。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，首先分析出水資源安全利用的影響因子，將其作為BP網(wǎng)絡(luò)的輸入，每一個(gè)影響因子對(duì)應(yīng)BP網(wǎng)絡(luò)輸入層的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，將識(shí)別問題的結(jié)果作為網(wǎng)絡(luò)輸出，輸入層和輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)目依具體問題的性質(zhì)而定，當(dāng)BP網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)確定后，用該網(wǎng)絡(luò)對(duì)樣本進(jìn)行系列的監(jiān)督學(xué)習(xí)，從而識(shí)別出類別與影響因子之間復(fù)雜的非線性映射關(guān)系。該模型自主學(xué)習(xí)的特性減少了設(shè)計(jì)者對(duì)先驗(yàn)知識(shí)的依賴，計(jì)算速度快，評(píng)價(jià)結(jié)果具有客觀性，精度也較好。

(3) 本研究基于文獻(xiàn)參考和喀斯特地區(qū)水資源安全利用特征，選取了17個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)成了評(píng)價(jià)體系。但是，水資源安全評(píng)價(jià)涉及的因素眾多，評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取需要在今后的實(shí)踐中不斷完善。此外，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身存在一些缺陷和不足，隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)確定沒有絕對(duì)準(zhǔn)確的方法，一般通過試錯(cuò)獲得，會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)的冗余性，增加網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的負(fù)擔(dān)。因此，這種方法還需要進(jìn)一步的完善。

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Assessment of Water Resources Security in Karst Area Based on Artificial Neural Network

LIU Liying1,2, GUAN Dongjie3, YANG Qingwei1, SU Weici4,5

(1.SchoolofRiverandOceanEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China; 2.SchoolofMathematicsandStatistics,ChongqingTechnologyandBusinessUniversity,Chongqing400067,China; 3.CollegeofArchitectureandUrbanPlanning,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China; 4.SchoolofGeographyandTourism,ChongqingNormalUniversity,Chongqing400047,China; 5.InstituteofMountainResources，GuizhouAcademyofSciences,Guiyang，Guizhou550001,China)

[Objective] Water resource security was evaluated to provide scientific basis for water environment management and sustainable development in Karst area.[Methods] A case study of Guizhou Province in karst was carried out and an evaluation index system of water resources security was established. The BP artificial neural network model was constructed to evaluate the water resources securities of 9 cities in Guizhou Province, and the results were compared with entropy weight matter element model.[Results] Water resource securities of 9 cities were evaluated in Guizhou Province, among which two cities were assessed at relatively safe level, six cities at general level, and one city at relatively unsafe level. The evaluation results were basically the same to the results of the entropy weighted matter element model. [Conclusion] The results are reasonable and the method is simple and intuitive. The model has certain reference value for similar areas of water resources security evaluation.

water resources; security; neural network; karst area; model construction

2016-05-13

2016-06-01

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“喀斯特城市邊緣帶土地利用/覆蓋變化及其環(huán)境效應(yīng)”(41261038)，“三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)安全后續(xù)發(fā)展動(dòng)態(tài)模擬及其可視化預(yù)警評(píng)價(jià)”(41201546); 國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAB03B01); 重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(cstc2012jjA20010); 重慶工商大學(xué)2015年校級(jí)科研項(xiàng)目(670101577)

劉麗穎(1982—),女(漢族),遼寧省遼陽(yáng)市人,博士研究生,講師,主要從事水資源與可持續(xù)發(fā)展研究。E-mail:lly@ctbu.edu.cn。

官冬杰(1980—),女(漢族),黑龍江省富錦市人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事城市空間格局演化、土地利用預(yù)測(cè)、生態(tài)模擬與環(huán)境評(píng)價(jià)、“3S”技術(shù)應(yīng)用等方面的研究工作。E-mail:guandongjie_2000@163.com。

A

1000-288X(2017)02-0207-08

TV213， P642.25