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        投影尋蹤技術(shù)在昌吉州水資源承載力評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

        2018-04-02 06:45:29張?jiān)?/span>
        陜西水利 2018年1期
        關(guān)鍵詞:昌吉州特征值投影

        張?jiān)?/p>

        水資源承載力的大小反映了一個(gè)地區(qū)水資源開發(fā)利用率,兩者是相輔相成,并又互相制約,不同的地理環(huán)境,水資源的開發(fā)有著很大差別,說明以分析水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境之間的重要性,同時(shí)有助于高效利用與合理配置。

        近幾年來,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)水資源承載力綜合評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行了廣泛的研究[1-3]。其中,水資源承載力最常用的方法主要有多目標(biāo)決策分析法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(DEA)、主成分分析法、投影尋蹤法等[4-8]。由于水資源承載力研究涉及人口、資源、社會(huì)環(huán)境以及生態(tài)環(huán)境等多方面的因素,研究范圍比較廣泛。比如,葛強(qiáng)[9]等人以云南高原典型流域?yàn)檠芯繀^(qū)域構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,運(yùn)用主成分分析法進(jìn)行水資源承載力與可持續(xù)利用評(píng)價(jià);張士鋒等人[10]以松花江去為例,建立社會(huì)經(jīng)濟(jì)、用水、水土資源對(duì)人口、水資源供需、水環(huán)境指標(biāo)綜合體系,采用綜合模型進(jìn)行水資源承載力變化趨勢(shì)計(jì)算;張杰等[11]以實(shí)施最嚴(yán)格的水資源管理制度和水資源承載能力為基礎(chǔ),構(gòu)建廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GRNN)評(píng)價(jià)模型,對(duì)蘇州市水資源承載能力狀況進(jìn)行研究分析,總之,經(jīng)過幾十年的不斷探索和理論總結(jié),我國的水資源承載力取得了一定的成就。鑒于此,水資源仍然是限制著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要因素,隨著國民經(jīng)濟(jì)的增長,主要依靠水資源的開發(fā)利用水平,考慮水資源的發(fā)展趨勢(shì)和選擇有效措施解決日益嚴(yán)重的水資源問題,是我國可持續(xù)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大策略。

        考慮到新疆特殊的地理區(qū)域,水資源在西北地區(qū)的重要性角度出發(fā),以昌吉回族自治州為研究區(qū)域,運(yùn)行投影尋蹤方法,進(jìn)行水資源承載力研究,對(duì)研究區(qū)域的水資源可持續(xù)利用具有一定的參考價(jià)值。

        1 研究區(qū)概況

        昌吉回族自治州位于天山北麓、準(zhǔn)噶爾盆地東南緣,地勢(shì)南高北低,稱之為“天山北坡”。昌吉市屬中溫帶區(qū),為典型的大陸性干旱氣候,日照充足,年日照時(shí)數(shù)為2700小時(shí);年平均氣溫6.8℃。在水資源方面,常年有水河流57條,年徑流量25.5億m3,2016年水資源總量為35.36億m3,人均水資源占有量2519m3,全州用水總量30.4581億m3,農(nóng)業(yè)用水量占總用水量93%,工業(yè)用水量占總用水量4%,生活及生態(tài)用水量占3%,一、二、三產(chǎn)用水結(jié)構(gòu)由 2015 年的 92.7∶3.7∶3.6 調(diào)整到約 90.3∶4.0∶5.7。

        2 研究方法

        2.1 投影尋蹤法

        投影尋蹤方法是多為數(shù)據(jù)處理方法中的一種,期核心思想是把高維數(shù)據(jù)向低維空間進(jìn)行投影,然后通過對(duì)低維投影空間的分析來描述高維數(shù)據(jù)信息、結(jié)構(gòu)特征,它能夠很好地排除無關(guān)投影方向的干擾影響,便于快速、有效地分析高維數(shù)據(jù)的特征和結(jié)構(gòu),并且在數(shù)據(jù)分析過程中能夠主動(dòng)計(jì)算出單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)綜合結(jié)果的影響度,避免了指標(biāo)權(quán)重的人為確定,降低了主觀經(jīng)驗(yàn)的影響。

        具體的主要步驟為:

        (1)原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。由于各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)眾多,各個(gè)指標(biāo)的量綱存在差異性,為了消除量綱的不統(tǒng)一性,統(tǒng)一變化區(qū)間,需要將指標(biāo)分成越大越優(yōu)和越小越優(yōu),并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

        (2)線性投影。即最佳投影方向,就是把高維數(shù)據(jù)的信息反映到低維數(shù)據(jù)空間中,運(yùn)用常規(guī)數(shù)學(xué)方法進(jìn)行處理與分析,更能直觀和形象進(jìn)行研究。

        (3)建立投影指標(biāo)函數(shù)。投影指標(biāo)函數(shù)是進(jìn)行投影方向的基礎(chǔ),在水資源承載力中采用分類指標(biāo)進(jìn)行構(gòu)造函數(shù),即在一維空間內(nèi)散布的類間距離與類內(nèi)密度同時(shí)達(dá)到最大值。

        (4)優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)。指標(biāo)函數(shù)值與其投影方向的變化成正比,方向不同反應(yīng)出不用的指標(biāo)數(shù)據(jù)特征,即投影指標(biāo)函數(shù)取得最大值時(shí),就是投影函數(shù)的的最佳投影方向[8]。

        2.2 數(shù)據(jù)來源

        根據(jù)新疆水資源公報(bào)與新疆統(tǒng)計(jì)年鑒等相關(guān)資料的收集,以新疆昌吉州為研究區(qū)域,選取2016現(xiàn)狀年的數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù),同時(shí)也參考其他相關(guān)的參考文獻(xiàn)[12-14]。

        3 水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

        水資源承載力指標(biāo)體系是一個(gè)綜合復(fù)雜的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,指標(biāo)體系涉及到水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)你、生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域。因此,建立水資源承載力指標(biāo)體系應(yīng)遵循易收集性原則、科學(xué)性原則、可操作性原則、動(dòng)和靜態(tài)相結(jié)合原則、績效量化原則,來保證指標(biāo)體系選取的全面、準(zhǔn)確與客觀。根據(jù)新疆昌吉州水資源特點(diǎn)和指標(biāo)體系結(jié)構(gòu),共選取14個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)建立指標(biāo)體系,由于目前評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),考慮到類似地區(qū)經(jīng)驗(yàn)和專家意見,需要根據(jù)相關(guān)原則自行確定。根據(jù)國家水利“十三五”規(guī)劃和新疆最新的水資源發(fā)展規(guī)劃,結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)際情況,構(gòu)建出新疆昌吉回族自治州水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值,且對(duì)其14項(xiàng)指標(biāo)提出4級(jí)評(píng)判等級(jí),即1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)、4級(jí),評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分見表1。

        表1 水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)單項(xiàng)指標(biāo)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

        4 水資源承載能力分析

        通過運(yùn)用投影尋蹤方法建立模型,將投影尋蹤特征值按照數(shù)值由大到小進(jìn)行排列,根據(jù)水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),即1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)、4級(jí),與相應(yīng)的投影尋蹤特征值,繪制出各個(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與等級(jí)之間關(guān)系圖,建立水資源承載力等級(jí)評(píng)價(jià)函數(shù)f(z*),最后進(jìn)行樣本之間的評(píng)價(jià)與分類。

        (1)將正向與負(fù)向兩類指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,可以將各個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值轉(zhuǎn)換成0~1之間的數(shù)值范圍。

        (2)根據(jù)投影尋蹤原理和計(jì)算程序,計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)投影尋蹤的特征值z(mì)。在采用編程計(jì)算情況下,得到最佳投影方向向量 a=(0.252,0.242,0.268,0.246,0.245,0.255,0.261,0.257,0.243,0.247,0.250,0.255,0.258,0.260),同事對(duì)應(yīng)的1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)、4級(jí)投影尋蹤投影方向的特征值分別為4.312、2.981、1.119、0.000。將最佳投影方向向量和各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)投影尋蹤投影方向特征值相乘得到新僵昌吉州水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)投影特征值,為z=0.49。

        (3)根據(jù)水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值與評(píng)價(jià)指標(biāo)投影特征值之間關(guān)系,建立水資源承載力等級(jí)評(píng)價(jià)函數(shù)f(z*),評(píng)價(jià)函數(shù)f(z*)就是投影尋蹤等級(jí)評(píng)價(jià)模型,具體關(guān)系圖見圖1。

        圖1 水資源承載力等級(jí)評(píng)價(jià)函數(shù)值與投影特征值關(guān)系圖

        通過對(duì)關(guān)系圖中函數(shù)的計(jì)算,根據(jù)關(guān)系圖的變化趨勢(shì)建立水資源承載力等級(jí)評(píng)價(jià)函數(shù),如下:

        通過絕對(duì)誤差與相對(duì)誤差的分析,評(píng)價(jià)指標(biāo)投影特征值與水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值之間的關(guān)系擬合,絕對(duì)誤差為0.033,相對(duì)誤差為1.681%,說明建立的投影尋蹤等級(jí)評(píng)價(jià)模型誤差較小,計(jì)算準(zhǔn)確度高。根據(jù)新疆昌吉州的水資源特點(diǎn),將投影尋蹤特征是帶入(1)式進(jìn)行計(jì)算,得到投影特征值

        f(z*)為3.65,說明新疆昌吉州水資源承載力為4級(jí)。圖2為各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重柱狀圖,說明各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)在影響新疆昌吉州水資源承載力上的比重。

        圖2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重柱狀圖

        5 結(jié)論

        以水資源承載力基本概念與評(píng)價(jià)方法為基礎(chǔ),根據(jù)水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果,新疆昌吉州水資源承載力為4級(jí)狀態(tài),已接近飽和狀態(tài),開發(fā)潛力比較小。通過水資源優(yōu)化配置、提高節(jié)水意識(shí)或者采用外流域引水工程等措施來提高新疆昌吉州水資源承載力。

        結(jié)合各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重結(jié)果來看,影響水資源承載力兩個(gè)重要指標(biāo)是灌溉水利用系數(shù)和植被覆蓋率,指標(biāo)水平分別處于3級(jí)和2級(jí)水平。從數(shù)據(jù)上來,新疆昌吉州水資源開發(fā)利用中,農(nóng)業(yè)節(jié)水開始影響水資源承載力,2016年灌溉水利用系數(shù)0.5,與3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)基本持平,通過轉(zhuǎn)變產(chǎn)業(yè)用水結(jié)構(gòu),嚴(yán)格控制灌溉面積,采用噴灌、滴管等節(jié)水灌溉措施,來提高水資源在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的利用效率。新疆昌吉州屬于典型干旱地區(qū),生態(tài)環(huán)境比較脆弱,植被種類比較單一,2016年年底,新疆昌吉州森林覆蓋率達(dá)到23.5%,趨向于2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的25%的水平,植被覆蓋率的不高,導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境用水效率的降低,影響到了水資源承載力的提高,生態(tài)環(huán)境用水的降低,導(dǎo)致新疆昌吉州的水土流失面積的加劇,出現(xiàn)沙漠化擴(kuò)大等生態(tài)環(huán)境問題,因此提高新疆生態(tài)環(huán)境用水效率也是刻不容緩的問題。

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