彭 博

(遼寧省撫順?biāo)木?，遼寧 撫順 113015)

1 基本概況

撫順市地處遼寧省東部山區(qū)，該區(qū)域人口密集且經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速。隨著人口規(guī)模的擴(kuò)大和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，撫順市水資源系統(tǒng)受氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響顯著，河道斷流、水環(huán)境污染等事件頻發(fā)，部分河段的水污染程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)河流的極限納污能力，對(duì)撫順市經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和水生態(tài)文明建設(shè)造成不利的影響。因此，科學(xué)配置區(qū)域水資源狀況，可為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整和合理利用水資源提供一定的依據(jù)[1-4]。

撫順市城區(qū)位于渾河沖積平原，地理位置為E123°55′，N41°52′，下轄四區(qū)三縣，總面積1.12萬(wàn)km2。該區(qū)域?qū)儆陂L(zhǎng)白山系龍崗山脈，總體呈西南、東北走向，地形地貌有“八山一水一分田”之稱(chēng)，地勢(shì)較高，海拔為400-500m。撫順地區(qū)為大陸性季風(fēng)氣候，年降水量為760-790mm之間，年均氣溫5℃-7℃，氣候溫和，四季分明，夏秋季降雨集中，冬春季多風(fēng)少雨。受季風(fēng)氣候和地形地貌影響，降水量時(shí)空分布極不均衡，其中50%以上的降水集中于7、8、9月。研究區(qū)降水量豐富、水資源儲(chǔ)量充足，可利用水域面積6667hm2，各支流縱橫交錯(cuò)、蜿蜒曲折，有太子河、渾河、清河等12條河流。全市大中型水庫(kù)64座，水資源總量39.82億m3，人均占有量1530m3。近年來(lái)，撫順市依托其優(yōu)越的環(huán)境條件和獨(dú)特的地理優(yōu)勢(shì)迅速發(fā)展經(jīng)濟(jì)，污廢水排放量和用水需求量急劇增大，水資源供給矛盾和水體污染問(wèn)題現(xiàn)已十分突出，開(kāi)發(fā)效益越來(lái)越低，有必要采用科學(xué)的方法分析水資源優(yōu)化問(wèn)題[5-7]。

2 水資源優(yōu)化配置模型

2.1 BP網(wǎng)絡(luò)原理和算法

在本質(zhì)上，BP算法屬于一種求解最小誤差平方和的數(shù)學(xué)方法，在運(yùn)算過(guò)程中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法存在的線(xiàn)性函數(shù)預(yù)測(cè)不足的缺陷，減少預(yù)測(cè)結(jié)果受主觀因素的影響作用，BP網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)算流程如圖1所示。

2.2 需水量預(yù)測(cè)模型

2.2.1 建模思路

對(duì)于保護(hù)環(huán)境和社會(huì)發(fā)展水資源系統(tǒng)發(fā)揮著控制性作用，它是人類(lèi)生活和生產(chǎn)活動(dòng)的基本資料。所以，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)區(qū)域尺度的需水準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)水資源合理配置和平衡水資源供需關(guān)系具有重要意義[8]。

農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活需水為社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量的主要構(gòu)成，覆蓋范圍廣、影響因素多且各因素關(guān)系復(fù)雜。當(dāng)前，比較常用的方法為用水定額法，但該往往需要龐大的數(shù)據(jù)支撐。在預(yù)測(cè)過(guò)程中，通常依據(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系或歷時(shí)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行需水量分析，但時(shí)間的變化與水資源需求量并不存在線(xiàn)性的關(guān)系，因此需水量預(yù)測(cè)模型按照時(shí)間序列外推并非完全準(zhǔn)確合理；另外，考慮到不確定性、非線(xiàn)性的社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水系統(tǒng)，增大了定量預(yù)測(cè)的難度。鑒于此，文章將BP網(wǎng)絡(luò)和主成分法有效結(jié)合構(gòu)建需水量預(yù)測(cè)模型。

2.2.2 需水預(yù)測(cè)因子

通過(guò)對(duì)撫順市經(jīng)濟(jì)社會(huì)需水影響因子和水資源基本現(xiàn)狀的分析，遵循系列資料相關(guān)性、可靠性和完整性原則初步建立預(yù)測(cè)因子集。

2.2.3 篩選因子

需水預(yù)測(cè)覆蓋的范圍廣、因素較多，且各因素之間通常存在復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性。因此，文章利用降維思想對(duì)多個(gè)預(yù)測(cè)因子進(jìn)行篩選，即采用主成分法將初始較多的因子選用幾個(gè)綜合變量替代，通過(guò)提取典型且彼此獨(dú)立的指標(biāo)，從而保證預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性并大幅降低的計(jì)算量

2.2.4 因子預(yù)測(cè)

當(dāng)前，應(yīng)用最為廣泛的基礎(chǔ)預(yù)測(cè)法為趨勢(shì)分析法，同時(shí)在所有預(yù)測(cè)中趨勢(shì)外延法也得到一定程度的應(yīng)用。因此，文章對(duì)規(guī)劃水平年單個(gè)因子的指標(biāo)值利用趨勢(shì)分析及外延法預(yù)測(cè)。

2.2.5 歸一化處理

通過(guò)數(shù)學(xué)的方法消除各特征因子存在的數(shù)據(jù)特性，讓各評(píng)價(jià)因子之間保持良好的通透性和競(jìng)爭(zhēng)能力，即為歸一化的實(shí)質(zhì)。通過(guò)歸一化處理，可在同一個(gè)尺度上實(shí)現(xiàn)不同評(píng)價(jià)因子的比較和分析。

2.2.6 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

Hoff學(xué)習(xí)算法為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本依據(jù)，為了比較合理的輸出預(yù)測(cè)結(jié)果需要結(jié)合輸入情況對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行訓(xùn)練。BP網(wǎng)絡(luò)主要包括隱含、輸入和輸出3個(gè)模塊，通過(guò)加權(quán)上一層神經(jīng)元輸出確定輸出層、隱含層的輸入，經(jīng)過(guò)不斷的傳遞運(yùn)算實(shí)現(xiàn)各層次的輸入和輸出。一般情況下，隱含層存在多個(gè)層次，依據(jù)相關(guān)定理對(duì)于給定的權(quán)值和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可任意逼近連續(xù)函數(shù)。模型的設(shè)置如下：

1)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：文章對(duì)研究區(qū)域的總需水量依據(jù)多個(gè)因子預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)因子個(gè)數(shù)決定了輸入層的維數(shù)，而輸出層為總需水量?jī)H有一層，由此確定這兩層個(gè)數(shù)；根據(jù)BP網(wǎng)絡(luò)的多次擬合運(yùn)算采用試錯(cuò)法確定隱含層個(gè)數(shù)。

2) 設(shè)置傳遞函數(shù)：客觀事物的復(fù)雜關(guān)系利用高度非線(xiàn)性映射、高度容錯(cuò)性的樣本學(xué)習(xí)與訓(xùn)練過(guò)程描述，對(duì)隱含層的變換計(jì)算使得訊號(hào)經(jīng)過(guò)輸出節(jié)點(diǎn)形成相應(yīng)的輸出值，非線(xiàn)性Sigmoid激活函數(shù)為傳遞過(guò)程中輸出節(jié)點(diǎn)與隱含層的運(yùn)算公式。

3) 設(shè)置主要參數(shù)：隨著學(xué)習(xí)速率的增加網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)參數(shù)的步進(jìn)就越高，即lr值就越大。若設(shè)定的學(xué)習(xí)速率太小則收斂運(yùn)算時(shí)間較長(zhǎng)，若設(shè)定的速率太大則運(yùn)算過(guò)程不穩(wěn)定，學(xué)習(xí)效率lr經(jīng)過(guò)多次測(cè)試后最終設(shè)定為0.03。

最速下降動(dòng)量法屬于一種能夠提供更快收斂速度的增加方式算法，mc為其參數(shù)，依據(jù)誤差曲面最近趨勢(shì)和當(dāng)前梯度動(dòng)力允許網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行響應(yīng)。在局部小范圍內(nèi)若不沒(méi)有動(dòng)量則網(wǎng)絡(luò)停頓，存在動(dòng)量則可以實(shí)現(xiàn)最小的平滑過(guò)渡。通過(guò)改變權(quán)重動(dòng)量可在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)中，加入獲取的相同變化內(nèi)容。采用一個(gè)動(dòng)量常數(shù)表示動(dòng)量受上一權(quán)重變化的作用，其取值區(qū)間為0-1范圍，文章設(shè)定mc值為0.8。BP網(wǎng)絡(luò)的收斂精度為0.001，最大迭代次數(shù)2000，,即網(wǎng)絡(luò)終止運(yùn)算的條件為真實(shí)值與擬合值誤差平方≤0.001或最大進(jìn)化迭代次數(shù)超過(guò)20000次。

2.2.7 需水預(yù)測(cè)

根據(jù)以往的數(shù)據(jù)資料生成并訓(xùn)練BP網(wǎng)絡(luò)，然后將規(guī)劃水平年各參數(shù)值輸入訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，定量預(yù)測(cè)區(qū)域需水量，建模流程如圖2。

2.3 目標(biāo)函數(shù)

結(jié)合撫順市水資源和經(jīng)濟(jì)社會(huì)狀況，將社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益和綜合滿(mǎn)意度分別作為子函數(shù)與目標(biāo)函數(shù)，其表達(dá)式為：

P=ω1P1+ω2P2+ω3P3

Pi=Pi/Pi,max

式中：P1、P2、P3、P為社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益和綜合滿(mǎn)意度；ω1、ω2、ω3為社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益的權(quán)重，且滿(mǎn)足條件ω1+ω2+ω3=1。

3 撫順市水資源優(yōu)化配置

3.1 節(jié)水方案

綜合考慮強(qiáng)化和適度節(jié)水兩種情況設(shè)置節(jié)水方案，強(qiáng)化節(jié)水的工業(yè)用水、人均生活用水定額分別為14m3/萬(wàn)元、160L(人·d)；適度節(jié)水的工業(yè)用水、人均生活用水定額分別為18m3/萬(wàn)元、170L(人·d)。

結(jié)合撫順市水資源利用現(xiàn)狀和相關(guān)資料，設(shè)置4種不同的發(fā)展方案：

方案一：強(qiáng)化節(jié)水和工業(yè)適度發(fā)展方案。該方案注重強(qiáng)調(diào)水資源的節(jié)約利用，將節(jié)水作為該方案的第一目標(biāo)，以水資源最嚴(yán)格管理為根本要求適度滿(mǎn)足工業(yè)發(fā)展，一般適用于水資源嚴(yán)重短缺、經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為發(fā)展的區(qū)域。

方案二：強(qiáng)化節(jié)水和工業(yè)高增長(zhǎng)方案。該方案注重強(qiáng)調(diào)水資源節(jié)約利用和工業(yè)快速增長(zhǎng)為目標(biāo)，二者的重要性程度相當(dāng)，通常適用于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)且水資源較短缺的地區(qū)，實(shí)現(xiàn)該方案的難度較大，一般需要新技術(shù)、新工藝或先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備。

方案三：適度節(jié)水和工業(yè)適度發(fā)展方案。該方案強(qiáng)調(diào)突出節(jié)水和工業(yè)發(fā)展的協(xié)調(diào)匹配性，以滿(mǎn)足節(jié)水和工業(yè)適度發(fā)展為基本原則，往往適用于經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)且水資源比較充足的地區(qū)，比較容易實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用。

方案四：適度節(jié)水和工業(yè)高增長(zhǎng)方案。該方案強(qiáng)調(diào)突出工業(yè)快速增長(zhǎng)為目標(biāo)，對(duì)節(jié)水的要求相對(duì)較弱，一般適用于水資源豐富而經(jīng)濟(jì)較落后的地區(qū)。

3.2 需水預(yù)測(cè)

針對(duì)多個(gè)變量因子利用主成分法篩選，通過(guò)分析主成分矩陣最終確定社會(huì)經(jīng)濟(jì)總需水量主要預(yù)測(cè)因子，即林牧漁用水量C6、工業(yè)增加值C4、有效灌溉面積C3、農(nóng)業(yè)人口數(shù)C2及非農(nóng)業(yè)人口數(shù)C1，見(jiàn)表1。

表1 總需水量預(yù)測(cè)主成分矩陣

對(duì)規(guī)劃水平年單個(gè)因子值利用趨勢(shì)分析法及拖延法確定，由此獲取撫順市2030年各預(yù)測(cè)因子值，見(jiàn)表2。

表2 撫順市2020年預(yù)測(cè)因子值

采用歸一化計(jì)算公式將以上帶量綱的因子值進(jìn)行處理，將矩陣的每一列統(tǒng)一處理至-1-1之間的數(shù)值，從而保證了模型收斂運(yùn)算速度和各因子間的可比性。

運(yùn)用訓(xùn)練好的BP網(wǎng)絡(luò)和之前預(yù)測(cè)的5個(gè)因子值，綜合分析研究區(qū)總需水量，通過(guò)反歸一化處理確定撫順市2030年方案1、2、3、4的經(jīng)濟(jì)社會(huì)需水量，依次為6.18、4.35、6.82、7.10億m3，詳見(jiàn)表3。

3.3 方案優(yōu)選

由各子目標(biāo)評(píng)價(jià)因子構(gòu)成的多目標(biāo)評(píng)價(jià)體系即為水資源合理配置綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)，文章從環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益滿(mǎn)意度3個(gè)層面進(jìn)行方案的優(yōu)選分析。

1) 社會(huì)效益滿(mǎn)意度?？紤]人均生活需水定額指標(biāo)的社會(huì)效益滿(mǎn)意度，方案1-4和現(xiàn)狀年撫順市的城鎮(zhèn)人均生活用水定額依次為160、160、170、170、146L/(人·d)，方案1-4的滿(mǎn)意度依次為0.850、0.850、0.855、0.855。

2) 經(jīng)濟(jì)效益滿(mǎn)意度。考慮工業(yè)增加值指標(biāo)的經(jīng)濟(jì)效益滿(mǎn)意度，根據(jù)水量增長(zhǎng)率控制狀況和各方案的定額確定1-4方案的工業(yè)增加值，依次為370、391、382、385億元，所對(duì)應(yīng)的滿(mǎn)意度依次為0.902、0.958、0.916、0.924。

3) 環(huán)境效益滿(mǎn)意度?？紤]生產(chǎn)生活污染物排放指標(biāo)的經(jīng)濟(jì)效益滿(mǎn)意度，撫順市2030年的方案1-4的滿(mǎn)意度依次為0.920、0.922、0.915、0.913，詳見(jiàn)表4。

表4 撫順市2030年環(huán)境效益滿(mǎn)意度

3.4 綜合優(yōu)化配置

考慮到不同目標(biāo)函數(shù)的單位量綱存在較大差異的情況，對(duì)于多目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化求解往往存在較大的難度。因此，文章對(duì)多目標(biāo)函數(shù)利用普遍應(yīng)用的加權(quán)法進(jìn)行單目標(biāo)處理。各子目標(biāo)權(quán)重利用專(zhuān)家意見(jiàn)法確定，該方法是通過(guò)匿名發(fā)表意見(jiàn)的方式確定評(píng)價(jià)樣本中，各成員間彼此獨(dú)立且無(wú)法交流。經(jīng)過(guò)反復(fù)多次的填寫(xiě)意見(jiàn)，參與評(píng)價(jià)的成員逐漸達(dá)成共識(shí)，確定的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)子目標(biāo)的權(quán)重為0.18、0.45、0.37。根據(jù)權(quán)重計(jì)算機(jī)構(gòu)確定各方案的綜合滿(mǎn)意度為0.922、0.941、0.916、0.930，詳見(jiàn)表5。因此，撫順市水資源配置的最優(yōu)方案為強(qiáng)化節(jié)水和高工業(yè)增長(zhǎng)方案，即方案2。

表5 撫順市水資源配置綜合滿(mǎn)意度

4 結(jié) 論

綜合考慮環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等方面因素構(gòu)建撫順市水資源優(yōu)化配置模型，對(duì)設(shè)計(jì)的多個(gè)方案利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬分析。實(shí)例表明，該模型具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可行性，可為實(shí)現(xiàn)撫順市經(jīng)濟(jì)社會(huì)健康發(fā)展和水資源合理利用提供一定依據(jù)，為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和其它需水量預(yù)測(cè)提供科學(xué)的指導(dǎo)。水資源優(yōu)化配置應(yīng)綜合考慮優(yōu)化技術(shù)、方案、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、水環(huán)境狀況和水資源供給矛盾等因素，通過(guò)合理安排經(jīng)濟(jì)布局和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加大供給保障能力和水源工程建設(shè)，方可實(shí)現(xiàn)區(qū)域安全可靠的用水。