(葫蘆島市連山區(qū)水利局， 遼寧 葫蘆島 125001)

隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高以及經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，用水行業(yè)之間的矛盾和競爭日趨嚴(yán)峻，城市生活用水、農(nóng)業(yè)灌溉用水以及工業(yè)生產(chǎn)用水供需矛盾日趨突出。水環(huán)境污染、浪費以及水資源供求關(guān)系緊張已成為制約人們生活質(zhì)量提高和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，對水資源進(jìn)行高效利用以及合理配置的研究成為當(dāng)前熱點。目前，有關(guān)學(xué)者對水資源的利用研究主要集中在城市雨水資源利用途徑和現(xiàn)狀研究、洪水資源利用途徑以及管理風(fēng)險和評估分析、自然生態(tài)環(huán)境與流域水資源的和諧利用研究、水資源利用效率評估、農(nóng)業(yè)水資源利用評價對策及其利用現(xiàn)狀分析等。眾多學(xué)者針對區(qū)域水資源利用評價方面開展了大量的研究，如孫才志等[1]結(jié)合投入產(chǎn)出基本理論選取了生產(chǎn)生活用水農(nóng)業(yè)人員、GDP等指標(biāo)作為投入和產(chǎn)出指標(biāo)，然后采用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法對大連市水資源和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展進(jìn)行了研究分析；呂寶華等[2]對遼寧省的水資源承載力進(jìn)行研究分析，結(jié)果顯示該省份的水資源處于嚴(yán)重緊缺狀態(tài)，水資源供需矛盾緊張且開發(fā)利用程度較高，未來對水資源的需求量不斷增大；董寧等[3]研究表明嚴(yán)重的水體污染和人均水資源量逐漸降低是造成該變化趨勢的主要因素；張曉萍等[4]分析了黑龍江省的水資源優(yōu)勢并指出該區(qū)域水資源的優(yōu)化配置和有效調(diào)蓄潛能較大，農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水潛力和用水開發(fā)空間較大；果麗等[5]結(jié)合研究區(qū)域水資源利用現(xiàn)狀分別選取了5個用水量評價指標(biāo)，并對哈爾濱市的利用效率采用熵權(quán)法進(jìn)行了客觀、準(zhǔn)確的評估。由以上研究成果可以發(fā)現(xiàn)，廣大學(xué)者逐漸把水資源研究熱點轉(zhuǎn)向?qū)ζ淅眯试u估的研究。

當(dāng)前，水資源承載力、水資源存在的問題、用水結(jié)構(gòu)等是遼寧省水資源研究的主要內(nèi)容和方向，然而涉及遼寧省各區(qū)域水資源利用效率的相關(guān)研究較少，且未形成較為系統(tǒng)、成熟的評價理論體系。據(jù)此，本文采用評估模型對遼寧省各行政區(qū)的水資源利用效率進(jìn)行分析探討，以期為提高該區(qū)域水資源管理并制定科學(xué)、合理的管理制度，提供一定的決策依據(jù)和理論支持。

1 構(gòu)建遺傳投影尋蹤模型

遺傳投影尋蹤模型的構(gòu)建方法和主要過程如下：

步驟一：對各評價指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化歸一處理。引入第j個指標(biāo)在第i個評價方案中的評價值為x·(i,j)，評價指標(biāo)和評價方案的數(shù)量分別為p和n，則研究方案集可表示為{x·(i,j)|i=1,2,…,n;j=1,2,…,p}。由于不同評價指標(biāo)的量綱和單位存在一定的差異，為消除評價指標(biāo)之間的不可通透性，需對各指標(biāo)進(jìn)行變化范圍的標(biāo)準(zhǔn)化歸一處理。對于評價值越大則評價結(jié)果越優(yōu)型指標(biāo)可利用下述公式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化歸一處理：

(1)

對于評價值越小則評價結(jié)果越優(yōu)型指標(biāo)可采用下述公式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化歸一處理：

(2)

式中xmin(j)、xmax(j)——分別為方案中第j個指標(biāo)的最小值和最大值。采用上述公式可將各評價指標(biāo)值統(tǒng)一處理至0～1的范圍之內(nèi)。

步驟二：建立指標(biāo)投影函數(shù)。通過將{x(i,j)|j=1,2,…,p}的p維數(shù)據(jù)綜合成一維投影值即為投影尋蹤模型，其一維投影方向為a=(a(1),a(2),…,a(p))，投影公式如下：

(3)

式中a——單位長度向量。

方案的優(yōu)選可利用一維散布圖{z(i)|i=1,2,…,n}。投影值z(i)在進(jìn)行綜合投影時其散布特征應(yīng)滿足以下條件：應(yīng)盡可能地促使局部投影點保持密集或凝聚成若干個點團(tuán)；投影點團(tuán)在整體投影上盡量保持散開。據(jù)此，可采用下述公式表示投影指標(biāo)函數(shù)：

Q(a)=SzDz

(4)

式中Sz、Dz——分別為投影值z(i)的標(biāo)準(zhǔn)差和局部密度，其計算公式分別如下所示：

(5)

(6)

式中Ez——系統(tǒng)均值；

R——局部密度的窗口半徑，可利用經(jīng)驗公式進(jìn)行求解，通常為αSz，其中α為0.1、0.01或0.001等，可結(jié)合在區(qū)間內(nèi)投影點的分布狀況進(jìn)行調(diào)整。

R值既不能使得窗口內(nèi)投影點平均個數(shù)太少，也不能使得它隨n的增加而增大過多，并以此減少滑動平均偏差。單位階躍函數(shù)為u(R-rij)，其中距離為rij=|z(i)-z(j)|，若R-rij≥0，則與其對應(yīng)的函數(shù)值為1；若R-rij<0，則與其對應(yīng)的函數(shù)值為0。

步驟三：投影指標(biāo)函數(shù)Q(a)在方案集確定的條件下僅隨投影方向a的改變而發(fā)生變化。

依據(jù)投影方向?qū)?shù)據(jù)特征進(jìn)行表征，出現(xiàn)可能性最大的方向即為高維數(shù)據(jù)特征最佳投影方向。利用最大化估計法可對投影方向的最佳方向進(jìn)行求解，可采用下式進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)的計算和求解：

max:Q(a)=SzDz

(7)

其約束條件為：

(8)

采用傳統(tǒng)的求解方法對上述非線性復(fù)雜優(yōu)化問題進(jìn)行處理時較為困難，因此本研究采用加速遺傳算法對上述問題進(jìn)行有效的、簡便的求解。其基本理論依據(jù)是：利用優(yōu)勝劣汰的體制機制以及染色體交叉互換原理對各參數(shù)指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行尋優(yōu)求解。

步驟四：結(jié)合上述結(jié)果對各樣本進(jìn)行綜合評價。利用公式(2)和最佳投影方向a可對各樣本的投影值z(i)進(jìn)行求解，并結(jié)合計算結(jié)果對評價樣本進(jìn)行評價分析。

2 選取水資源利用效率評價指標(biāo)

本文結(jié)合《中國水資源利用效率評估報告》[6]相關(guān)數(shù)據(jù)和資料，在遵循易獲取性、獨立性和代表性的基礎(chǔ)上分別從工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及綜合用水效率等方面對利用效率進(jìn)行全面、客觀、科學(xué)的評估分析[7]。利用《遼寧省統(tǒng)計年鑒—2015年》和《2016年遼寧省水資源公報》提取遼寧省各行政區(qū)的水資源利用數(shù)據(jù)，所選取的評價指標(biāo)和數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。

表1 2016年遼寧省各行政區(qū)水資源利用效率評估指標(biāo)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果

3 結(jié)果分析

3.1 水資源利用效率單指標(biāo)排序

不考慮遼寧省各行政區(qū)之間的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和自然資源的差異性特征，結(jié)合表1農(nóng)業(yè)和工業(yè)產(chǎn)值用水量統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行水資源利用效率排序，結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 遼寧省各行政區(qū)萬元工業(yè)產(chǎn)值用水量排序

由圖1、圖2統(tǒng)計結(jié)果可知：按萬元工業(yè)和農(nóng)業(yè)產(chǎn)值用水量評價指標(biāo)對遼寧省各行政區(qū)水資源利用效率

圖2 遼寧省各行政區(qū)萬元農(nóng)業(yè)產(chǎn)值用水量排序

進(jìn)行排序，表現(xiàn)出較為顯著的差異性，因此無法對水資源相對綜合利用效率在各行政區(qū)域的分布狀況進(jìn)行排序[8]，對水資源利用效率進(jìn)行評價需綜合考慮各評價指標(biāo)的作用影響。

3.2 歸一化標(biāo)準(zhǔn)處理

利用所構(gòu)建的評價模型可對各評價指標(biāo)的作用影響進(jìn)行綜合考慮，并利用表1中相關(guān)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行求解?？紤]到本文所選取的評價指標(biāo)均為越小越優(yōu)型指標(biāo)，因此可利用公式(2)對各數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化歸一處理，歸一處理后的統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 遼寧省各行政區(qū)水資源數(shù)據(jù)歸一化處理統(tǒng)計結(jié)果

3.3 最佳投影向量及投影值

選取α為0.01，即R=0.01Sz，并利用Matlab法對最佳投影向量進(jìn)行求解，結(jié)果為a=(0.3587,0.6862,0.1045,0.5142,0.3481)。通過對最佳投影向量在各個方向的投影值進(jìn)行計算，對各評價指標(biāo)的貢獻(xiàn)率和影響程度進(jìn)行表征，評價指標(biāo)的效率系數(shù)即為各個方向上分量投影值的大小。由計算結(jié)果可知，a(j)各評價指標(biāo)計算結(jié)果值均為正，由此表明各指標(biāo)投影方向相同；投影分量由大到小依次為a(2)>a(4)>a(1)>a(5)>a(3)，由此表明萬元工業(yè)產(chǎn)值用水量是遼寧省水資源利用效率影響最大的因素，其次為農(nóng)田灌溉平均用水量，而對水資源利用效率影響最低的因素為萬元農(nóng)業(yè)產(chǎn)值用水量。

利用公式(3)和最佳投影方向計算結(jié)果可求得遼寧省14個行政區(qū)的投影值Z(j)，計算結(jié)果如下：

水資源綜合利用效率的高低可通過投影值計算結(jié)果的大小進(jìn)行表征，上述Z(j)的計算結(jié)果顯示，水資源綜合利用效率最高的區(qū)域為沈陽市，其次依次為朝陽市和大連市，其中鐵嶺市的利用效率相對于其他各區(qū)域最低。

4 結(jié) 論

本文以遼寧省14個行政區(qū)水資源綜合利用效率為研究對象，通過構(gòu)建基于遺傳算法的投影尋蹤模型對其進(jìn)行綜合評估，并利用文中所述步驟和計算公式對各區(qū)域進(jìn)行了排序，得出的主要結(jié)論如下：

a.按萬元工業(yè)和農(nóng)業(yè)產(chǎn)值用水量評價指標(biāo)對遼寧省各行政區(qū)水資源利用效率進(jìn)行排序表現(xiàn)出較為顯著的差異性，因此無法對各區(qū)域的水資源相對綜合利用效率變化狀況進(jìn)行排序，對水資源利用效率進(jìn)行評價需綜合考慮各評價指標(biāo)的作用影響。

b.通過投影值法對各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計算分析，并可利用投影指標(biāo)的方向和大小可準(zhǔn)確的表征各評價指標(biāo)的方向性和重要性

c.利用Matlab加速遺傳算法對最佳投影向量進(jìn)行求解結(jié)果為，評價指標(biāo)對總評價目標(biāo)貢獻(xiàn)率的大小和方向可通過最佳投影方向的各分量值進(jìn)行表征。

d.通過對最佳投影向量在各個方向的投影值進(jìn)行計算可對各評價指標(biāo)的貢獻(xiàn)率和影響程度進(jìn)行表征，評價指標(biāo)的效率系數(shù)即為各個方向上分量投影值的大小。

結(jié)合最佳投影向量最大和次大權(quán)重指標(biāo)計算結(jié)果，遼寧省水資源利用效率可通過以下幾個方面進(jìn)行提高：?優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加快工業(yè)布局的科學(xué)合理發(fā)展；加快建成污水回收處理體系機制，針對工業(yè)廢水處理不達(dá)標(biāo)或未經(jīng)處理排入河道并造成嚴(yán)重污染的現(xiàn)象，應(yīng)加強對工業(yè)污染河道治理工作，降低由于工業(yè)廢水排放不達(dá)標(biāo)所造成的污染；?加強對高新節(jié)水技術(shù)的引進(jìn)和實施，促進(jìn)農(nóng)田水利的科學(xué)灌溉和用水；?提高雨水利用效率，在遼寧省低山丘陵區(qū)域注重開發(fā)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。