陳月娟

(石嘴山市農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)辦公室，寧夏 石嘴山 753000)

1 研究區(qū)概況

銀北灌區(qū)地處寧夏北部河套地區(qū)，屬于引黃灌溉區(qū)，總面積3518km2。居于賀蘭山、黃土高原、內蒙古高原結合部，地勢周高中低，其中灌區(qū)內評價高程為1147m。屬于典型的溫帶大陸性氣候，年平均氣溫8.4℃～9.9℃，降水量167.5～188.8mm，蒸發(fā)旺盛。灌區(qū)內水資源缺乏，地表水資源總量1.58億m3，人均占有量僅為128m3，僅為全國平均水平的1/25。區(qū)域氣候干旱。地表徑流缺失，引黃灌溉是區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的基礎工程之一。

2 基于RF的水資源安全評價方法

2.1 水資源安全評價指標體系

水資源安全具有結構性、復雜性等特點，指標體系須立足于區(qū)域水資源安全結構特征，充分反映區(qū)域水資源安全現(xiàn)行狀態(tài)。PSR模型基于層次關聯(lián)的理念內涵，將水資源安全逐層分解為壓力、狀態(tài)、響應，從這三個方面確立水資源安全評價各項指標，可以更深刻地解析水資源生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟社會效益、人居生活間相互作用的機理。借鑒相關學者經(jīng)驗，在對銀北灌區(qū)人口、經(jīng)濟、資源、環(huán)境等要素進行系統(tǒng)分析的基礎上，構建銀北灌區(qū)水資源安全評價指標體系，見表1。

2.2 水資源安全評價標準

分級標準是對水資源綜合效益進行準確評價的關鍵，指標節(jié)域既要能反映水資源綜合效益的漸進演替規(guī)律，還應具有公開性、統(tǒng)一性。雖然國內外學者展開了大量研究，但出于水資源綜合效益區(qū)域性的特點，尚未形成具有通用性的閾值范式。鑒于此，以《寧夏工業(yè)與生活用水定額》、國際水安全標準以及其他學者研究經(jīng)驗，確定了銀北灌區(qū)水資源綜合效益指標分級閾值。將其劃分為5個等級，見表2。

2.3 基于RF的水資源安全評價

水資源安全水平受PSR各維度下指標因素共同影響，應用RF算法對水資源安全進行評價的關鍵在于，根據(jù)評價分級標準構建水資源安全水平與指標系統(tǒng)中的單一指標間的隸屬規(guī)則，評價流程如下。

2.3.1數(shù)據(jù)處理

將各指標按照分級標準區(qū)間隨機內插生成200組樣本數(shù)據(jù)，5個評價等級共計樣本量1000組；在此基礎上將樣本予以歸一化處理，正負指標歸一化方式見參考文獻[2]。

2.3.2樣本設置

從5個分級樣本組中各隨機選出100組數(shù)據(jù)，將這挑選出的500組數(shù)據(jù)設置為訓練樣本，余下500組為檢測樣本，樣本中指標因子為輸入向量，與分級標準對應的評價結果I、II、III、IV和V依次用數(shù)字1，2，3，4，5表示，并作為輸出向量，然后進行RF網(wǎng)絡訓練。

2.3.3參數(shù)優(yōu)選與模型優(yōu)化

模型訓練過程中可根據(jù)袋外誤差(Out of bag error rate，OOB)的大小對敏感參數(shù)mtry和ntree進行選擇，RF算法中mtry為分裂屬性的類別，通常設置為變量的方根值，本研究中變量總數(shù)為20，其取整為4或5，經(jīng)多次實驗驗證，表明mtry為5時評價結果較好；ntree為RF模型中樹的數(shù)量，其影響著模型運算速率與精度，當值大于500后OOB小而平穩(wěn)。

注：正指標即指標數(shù)值越大，生態(tài)越安全，負指標則相反。

表2 水資源安全評價分級標準

2.3.4指標度量

RF模型可通過增減某一指標因子后OOB變化量的大小判定該指標的重要性，構造的樣本均以分級區(qū)間內隨機生成，不失一般性，能夠免除噪聲污染，因而對水資源安全評價指標重要性的度量更加客觀。

2.3.5模型評價

根據(jù)模型訓練后產(chǎn)生的輸出值與實際值評價RF模型性能。

2.3.6閥值設定與模型應用

根據(jù)表2中各指標分級的臨界值，運用RF算法進行模擬計算，其模擬值作為不同分級標準閥值，也是水資源安全等級區(qū)分的依據(jù)，閥值見表3。

2.4 基于RF的水資源安全預測

水資源安全受多維復合因素共同制約，其在一定時空范圍內的變化呈現(xiàn)慣性、隨機性、相關性特點，所以對水資源安全進行預測須先獲取其變化規(guī)律。RF回歸模型把這種規(guī)律的變化抽象為某個足夠復雜的泛函，把問題的關鍵轉化成泛函數(shù)的回歸問題。依據(jù)RF回歸原理，設置1996—2016年銀北灌區(qū)水資源壓力、狀態(tài)、響應指數(shù)和水資源安全指數(shù)為訓練樣本，采取迭代滾動方式對2020—2030年銀北灌區(qū)水資源壓力、狀態(tài)、響應的安全指數(shù)進行預測，設定單次預測步長為1。運用Matlab 2016b的設計程序，實施模擬和預測，經(jīng)大量實驗，選取核函數(shù)為徑向基函數(shù)類型，確定嵌入維數(shù)為10(即利用前10年的指數(shù)預測后一年的指數(shù))，并各預測模型中的最佳參數(shù)。經(jīng)計算，各預測模型擬合度良好，其平均相對誤差值分別為0.023、0.038、0.034、0.041，決定系數(shù)R2優(yōu)于0.95，模型精度均在可接受范圍內，據(jù)此對2020—2025年銀北灌區(qū)水資源安全進行預測。

3 結果分析

3.1 壓力系統(tǒng)分析

依據(jù)前述水資源安全評價與預測方法，得到銀北灌區(qū)1996—2016年和2020—2030年水資源安全各項指數(shù)，結果如圖1所示。由圖1可知，1996—2016年壓力指數(shù)呈現(xiàn)波動特征，數(shù)值介于2.545～4.015之間，由較安全演變?yōu)榕R界安全等級；其中1999年的指數(shù)偏高主要人口自然增長率為最低。新世紀以來銀北灌區(qū)工業(yè)化和城市化進入快速發(fā)展時期，用水量迅速增加同時水資源供需形勢緊張；工業(yè)化進程中導致工業(yè)廢物大量積累，也造成水源污染。在這些因素的影響下，銀北灌區(qū)水資源壓力之沉重，在一段時期內難以消減。

圖1 銀北灌區(qū)水資源安全評價與預測結果

預測顯示未來幾年壓力指數(shù)趨于減小，水資源安全面臨的壓力增加。一方面，未來幾年是銀北灌區(qū)人口將持續(xù)增長致使水資源力加劇，農(nóng)業(yè)生態(tài)污染短時間難以控制；另一方面隨著經(jīng)濟技術水平的提高，銀北灌區(qū)經(jīng)濟結構趨于合理，經(jīng)濟運行壓力減弱，自然災害防控力度加強。預測顯示，2020—2030年灌區(qū)水資源壓力指數(shù)介于1.176～2.550之間，屬于較不安全等級。

表3 水資源安全指數(shù)分級

3.2 狀態(tài)系統(tǒng)分析

1996—2016年狀態(tài)指數(shù)呈現(xiàn)起伏升高，如圖1所示，由1.672上升至3.670，其中前8年的狀態(tài)指數(shù)小于2.237，處于較不安全等級，原因是森林覆蓋率、單位面積農(nóng)業(yè)產(chǎn)值均較低；2009—2016年狀態(tài)指數(shù)逐漸攀升處于臨界安全水平，表明水資源安全狀態(tài)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定呈良性發(fā)展，出現(xiàn)這種趨勢歸功于森林覆蓋率、水資源生產(chǎn)能力的升高與水土協(xié)調度較好。這數(shù)年間銀北灌區(qū)林草恢復成效顯著，森林覆蓋率由12.5%提高到23.3%，水土流失治理率達到65%，水資源鹽堿化得到控制，與此同時，水資源生產(chǎn)潛力有一定增加。

2020年銀北灌區(qū)森林覆蓋率進一步增加，區(qū)域環(huán)境逐步改善；農(nóng)業(yè)部門將逐步推進高標準農(nóng)田建設，以優(yōu)化耕地質量和結構，并完善耕地占補平衡體系，控制耕地資源流失；水利部門大力推進江河水利建設，扭轉灌區(qū)水利建設滯后的局面，更加保障水資源安全，從而為鞏固農(nóng)業(yè)灌溉工程體系，改善農(nóng)業(yè)環(huán)境提供有利基礎。預測可知，2020—2030年銀北灌區(qū)水資源壓力指數(shù)將穩(wěn)定在2016年以上水平。

3.3 響應系統(tǒng)分析

從圖1可以看出，1996—2016年響應指數(shù)由1.157上升至3.756，其中1996—1998年壓力指數(shù)為最低，此后穩(wěn)定于2.3以上，2014—2016年以來更是達到3.52。近十幾年來，銀北灌區(qū)對生態(tài)環(huán)境建設投入巨大，上世紀末銀北灌區(qū)啟動退耕還林還草工程，展開水資源鹽堿化監(jiān)測與治理工作，并加大力度治理水土流失；同時提高了工業(yè)“三廢”排放標準。截至2016年銀北灌區(qū)生態(tài)環(huán)境建設取得顯著成效，省內鹽堿水資源面積得到控制，針對水資源、耕地資源等建立起合理開發(fā)利用與保護機制。預測結果顯示，2020—2030年壓力呈上升趨勢，發(fā)展態(tài)勢良好，由較安全趨于安全等級。

3.4 水資源安全綜合分析

受壓力、狀態(tài)、響應等要素綜合影響，銀北灌區(qū)水資源安全指數(shù)呈波動變化，1996—2016年水資源安全指數(shù)由2.034上升至3.543，安全水平由較不安全發(fā)展至臨界安全、較安全等級，表明銀北灌區(qū)生態(tài)環(huán)境趨于優(yōu)化，水資源安全有效提升。預測顯示，2020—2030年銀北灌區(qū)水資源安全指數(shù)穩(wěn)定于3.75～4.65之間，依然處于較安全水平，這一階段水資源安全指數(shù)呈平緩升高，區(qū)域水資源安全格局進一步穩(wěn)固。

4 結論

1996—2030年銀北灌區(qū)水資源安綜合演變呈良性發(fā)展，主要歸功于人們的水環(huán)境保護意識加強以及大力推進生態(tài)修復工程建設和水環(huán)境污染治理。當前灌區(qū)內生態(tài)質量并不高，結合實際，當從以下幾點進行調控：①規(guī)范資源開發(fā)與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理體系，合理有序開采資源的同時強化環(huán)境責任意識和環(huán)保投入，把對環(huán)境破壞和污染降到最低。②依托中原農(nóng)業(yè)區(qū)位優(yōu)勢，大力發(fā)展和推廣農(nóng)業(yè)高新技術，因地制宜安排農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，合理推廣區(qū)域農(nóng)作物品種和栽培技術。③珍惜保護水資源，科學調水引水，確保水資源安全；完善農(nóng)田水利設施建設，緩解耕地缺水狀態(tài)。④持續(xù)推進土地鹽堿化防控治理工程和水土保持工程，積極應對生態(tài)災害；科學開辟森林公園和自然保護區(qū)，保護野生動物、林草覆被、濕地水域等。