孫 良

(葫蘆島市水資源管理辦公室，遼寧 葫蘆島 125000)

水生態(tài)文明是指在實現(xiàn)人水和諧發(fā)展、保護水生態(tài)系統(tǒng)方面創(chuàng)造的精神與物質財富的總和，它是組成生態(tài)文明的重要內(nèi)容，并于2012年納入“五位一體”建設總體布局。我國水生態(tài)文明建設過程中通常存在水資源管理保障制度不完善、水系統(tǒng)功能結構單一、水資源儲量不足以及水景觀公益性偏低等問題，因此未來建設發(fā)展時仍面臨巨大的挑戰(zhàn)[1- 6]。

城市形態(tài)布局、結構調(diào)整以及藝術設計等方面為以往城市建設規(guī)劃的主要內(nèi)容，城市水問題直至到20世紀90年代才逐漸引起人們的關注。針對城市水生態(tài)文明的相關研究目前還處于初始階段，主要體現(xiàn)在：未形成較為系統(tǒng)、完善的水生態(tài)文明評價體系；水體-人類-自然系統(tǒng)構成的水生態(tài)模型缺乏統(tǒng)籌布局；實質性的水生態(tài)文明建設內(nèi)容還不夠明確等。

考慮到水生態(tài)文明系統(tǒng)的復雜性特征，本文在詳細分析其基本要求、內(nèi)涵特點以及人文景觀的基礎上，建立了包含29項代表性指標的評價體系，并利用投影尋蹤法構造了評價模型，以期為更加客觀、全面、科學地評價城市水生態(tài)文明狀態(tài)提供借鑒和參考。

1 指標體系及等級劃分

指標體系法是根據(jù)研究區(qū)域具體情況和指標選取的某種準則，選擇具有代表性的評價指標，然后對這些指標的數(shù)據(jù)值利用合適的數(shù)學分析法進行處理，并最終得到綜合參數(shù)，通過對比等級標準與綜合參數(shù)的差值，客觀、準確地反映該區(qū)域現(xiàn)狀或水平。本文在遵循定量與定向相結合，層次性、系統(tǒng)性、可獲取性原則的基礎上，結合遼寧省水利廳發(fā)布的已有文件和通知，從水文化、管理、景觀、安全以及水生態(tài)的角度建立了包含29項代表性指標的評價體系[7- 8]。

目前，國內(nèi)外對水生態(tài)文明等級還未形成較為成熟、系統(tǒng)的劃分標準，據(jù)此本文根據(jù)遼寧省自然地理環(huán)境和各區(qū)域條件，綜合考慮該區(qū)域社會經(jīng)濟水平，將水生態(tài)文明建設等級劃分為Ⅰ～Ⅴ的5個等級，分別為水生態(tài)文明狀態(tài)理想、和諧、基本和諧、不和諧、極不和諧，各指標及其等級劃分見表1。

表1中，C1～C3分別為城市防洪代表率、排澇達標率以及水質達標率；C4～C11分別為生態(tài)需水微尺度、水環(huán)境維護度、城市水面率、水生物種豐富度、織物配置合理性、回復之利率、水土流失治理率、林草覆蓋率；C12～C18分別為萬元GDP用水量、規(guī)模以上工業(yè)萬元增加取水量、廢污水排放達標率、城市污水回用率、供水管網(wǎng)漏損率、節(jié)水型社會普及率、水資源保護效果；C19～C21分別為工程達標情況、設施完稿度、水土保持“三同時”落實率、C22～C24分別為規(guī)劃編報情況、水利工程管理到位率、制度建設情況、C25～C29分別為自然水景觀、水利風景區(qū)、親水岸線、水文化特色、水文普及情況。

表1 城市水生態(tài)文明評價指標體系及等級劃分

為進一步提高本研究的適用性與普遍性，采取具體的數(shù)值作為定量指標的等級標準值與現(xiàn)狀值，其中現(xiàn)狀值數(shù)據(jù)來源于各區(qū)域的水利普查以及實地統(tǒng)計資料等，而等級標準值是結合相關文獻以及研究區(qū)域實際狀況而確定；對于定性指標的等級標準值與現(xiàn)狀值數(shù)據(jù)，可通過表征相對于目標值的實現(xiàn)程度來實現(xiàn)，綜合考慮專家評分和遼寧省水生態(tài)文明建設預期目標獲取相應的目標值，并根據(jù)實地調(diào)查得到其現(xiàn)狀值。按照式(1)作為實現(xiàn)程度f的計算方法。

(1)

式中，Gi1、Gi2—指標i在2015年的現(xiàn)狀值和2018年的預期目標值。

2 基于投影尋蹤法的評價模型

對城市水生態(tài)文明狀態(tài)利用數(shù)學模型和具有代表性的指標值進行所屬等級的綜合評判，為本研究的主要思路。然而，用于城市水生態(tài)文明建設的評價指標通常具有不可公度、非線性、多維特征，考慮到數(shù)字化限制采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析法往往難以獲取數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律，而在處理高維非正態(tài)分布方面投影尋蹤法具有表現(xiàn)出較強的適用性。因此，本文對城市水生態(tài)文明的和諧程度評價時引入投影尋蹤法，以期為更加客觀、全面、科學的評價城市水生態(tài)文明狀態(tài)提供借鑒和參考[9]。

2.1 投影尋蹤理論

投影尋蹤法是針對傳統(tǒng)評價法存在的數(shù)學化、形式化等局限性問題，對探索性數(shù)據(jù)利用組合投影到低維子空間的方法驅動樣本，該過程可不必對指標權重進行預先假定，因此可降低無關投影方向對評價結果的干擾，并避免主觀性與指標權重不確定性對整體評價的不利影響[10]。

2.2 計算流程

根據(jù)遺傳投影尋蹤模型特點和函數(shù)特征可將計算流程分為以下步驟。

2.2.1 對各評價指標進行標準化歸一處理

引入第j個指標在第i個評價方案中的評價值為x×(i，j)，評價指標和評價方案的數(shù)量分別為p和n，則研究方案集可表示為{x*(i，j)|i=1，2，Λ，n;j=1，2，Λ，p}。由于不同評價指標的量綱和單位存在一定的差異，為消除評價指標之間的不可通透性，需對各指標進行變化范圍的標準化歸一處理。對于評價值越大則價結果越優(yōu)型指標可利用式(2)進行標準化歸一處理。

(2)

對于評價值越小則結果越優(yōu)型指標可采用式(3)進行標準化歸一處理。

(3)

式中，xmin(j)、xmax(j)—樣本中第j個指標的最小值和最大值。采用上述公式可將各評價指標值統(tǒng)一處理至0～1的范圍之內(nèi)。

2.2.2 建立投影函數(shù)

通過將{x(i，j)|j=1，2，Λ，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)，Λ，a(p))，投影公式如下：

(4)

式中，a—單位長度向量。

樣本可根據(jù)一維散布圖{z(i)|i=1，2，Λ，n}的散布密度進行優(yōu)選。投影值z(i)在進行綜合投影時其散布特征應滿足以下條件：應盡可能的促使局部投影點保持密集或凝聚成若干個點團；投影點團在整體投影上盡量保持散開。據(jù)此，可采用下式作為投影指標函數(shù)：

Q(a)=SzDz

(5)

式中，Sz、Dz—投影值z(i)的標準差和局部密度，其計算公式分別如下：

(6)

(7)

式中，Ez—投影值序列的均值；R—局部密度的窗口半徑，可利用經(jīng)驗公式進行求解通常為αSz，其中α為0.1、0.01或0.001等，可結合在區(qū)間內(nèi)投影點的分布狀況進行調(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則與其對應的函數(shù)值為1；若R-rij<0則與其對應的函數(shù)值為0。

2.2.3 優(yōu)化投影函數(shù)

投影指標函數(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，因此可依據(jù)投影方向作為數(shù)據(jù)特征狀況，即出現(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行求解，可采用下式進行目標函數(shù)的求解：

max:Q(a)=SzDz

(8)

其約束條件為：

(9)

采用傳統(tǒng)的求解方法法對上述非線性復雜優(yōu)化問題進行處理時較為困難，因此本研究采用加速遺傳算法RAGA對上述問題可進行有效的、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)指標數(shù)值進行尋優(yōu)求解。

2.2.4 評價等級的確定

3 實例應用

遼寧省位于我國東北地區(qū)西南部，占地面積14.8萬km2，屬于溫帶、寒溫帶大陸性季風氣候，冬冷干燥漫長，夏季多雨炎熱，全年降水量在600～900mm之間，受地形地貌、地質結構以及地勢特征等條件影響，區(qū)域內(nèi)各地區(qū)氣候特征存在一定差異，降雨量和流經(jīng)量分布不均勻，其中東南部水資源面積較大。地形地貌結構類型較多且錯綜復雜，地勢構造層次由東向西逐漸降低表現(xiàn)低山丘陵和平原區(qū)，境內(nèi)大小河流縱橫交錯，試點區(qū)水系主要有大凌河、遼河、渾河、太子河和繞陽河等。

在水生態(tài)文明建設方面，遼寧省各區(qū)域初步形成了相互獨立的防洪堤圈，但境內(nèi)大部分區(qū)域的堤防建設還未達到標準要求，城區(qū)水系淤積現(xiàn)象嚴重，并且在暴雨及強降雨時更加明顯。飲用水水質達標率基本滿足100%要求，過境水質大部分區(qū)域達到Ⅱ類標準，但是仍存在許多河流的水質在Ⅴ類水平。境內(nèi)用水效率較低，并且對非傳統(tǒng)水源的再生水、雨水的利用程度不高，個別城市的供水管道陳舊、失修并具有較好的漏損率。區(qū)域內(nèi)雨情自動測報系統(tǒng)基本建成，但尚未形成較為完善的水功能區(qū)、飲用水源地等姿容測報調(diào)度系統(tǒng)，水資源管理專業(yè)技術力量薄弱，整體服務水平較低[11]。

3.1 評價過程

利用Matlab軟件編寫投影尋蹤模型，并按照文中所述計算步驟，分別對成本型、效益型指標進行求解。初步設定樣本遺傳變異概率和交叉概率均為0.8，加速次數(shù)為20，初始種群規(guī)模為500。按照以上設定運行程序，最終得到最佳投影向量a*及其對應于Ⅰ～Ⅴ級別的投影值，分別為5.3826、4.6820、3.5672、2.4061、0，2014年遼寧省現(xiàn)狀投影值為4.2518。然后利用各等級最佳投影特征值可建立評價模型式(9)，通過對模型誤差進行分析，驗證模型的可行性與可靠性，結果見表2。

y*=-0.001(z*)3-0.1048(z*)2-0.1485z*+5.0142

(10)

表2 投影尋蹤模型誤差分析

3.2 結果分析

根據(jù)表2計算結果可知，所建立的投影尋蹤模型各等級值與投影特征值之間的擬合平均絕對誤差、相對誤差分別為0.0460、2.24%，由此說明該模型具有較高的精度與準確性，在城市水生態(tài)文明程度分析時具有良好的適用性與可行性。將2014現(xiàn)狀年遼寧省投影值z*為4.2518輸入模型，得到y(tǒng)*值為2.50，遼寧省現(xiàn)狀年水生態(tài)文明處于基本和諧狀態(tài)，該評價結果與研究區(qū)域實際狀況基本相符。并且，根據(jù)各指標分量在最佳投影方向的大小可反映該指標對最終評價結果的影響程度。雖然2014年遼寧省水生態(tài)文明基于基本和諧狀態(tài)，但部分指標之間的等級水平仍存在較大差異，研究可為促進該區(qū)域水資源配置與實施自然水景觀保護措施提供一定決策依據(jù)與參考[12]。

4 結論

本文結合遼寧省社會經(jīng)濟發(fā)展水平和已有文獻資料，建立了城市水生態(tài)文明建設指標體系和分級標準，再利用投影尋蹤法建立評判模型，并對遼寧省2014現(xiàn)狀年進行客觀、科學評價，得出結論如下：

(1)所建立的投影尋蹤模型各等級值與投影特征值之間的擬合平均絕對誤差、相對誤差分別為0.0460、2.24%，由此說明該模型具有較高的精度與準確性，在城市水生態(tài)文明程度分析時具有良好的適用性與可行性。

(2)遼寧省現(xiàn)狀年水生態(tài)文明處于基本和諧狀態(tài)，該評價結果與研究區(qū)域實際狀況基本相符，并且，根據(jù)各指標分量在最佳投影方向的大小可反映該指標對最終評價結果的影響程度。