宋 玲

(燈塔市水利工作服務(wù)中心，遼寧 遼陽(yáng) 111300)

目前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展受水環(huán)境惡化和水資源短缺的制約日趨突出。水環(huán)境及其承載力狀況在很大程度上決定了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，科學(xué)指導(dǎo)區(qū)域發(fā)展規(guī)劃以及準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其水環(huán)境承載力，已成為現(xiàn)階段水文水資源研究的熱點(diǎn)。

水環(huán)境承載力覆蓋范圍廣、影響因素多，且各影響因素與承載力間存在非線性關(guān)系，以傳統(tǒng)的線性方法評(píng)價(jià)分析難度較大。RBF人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有狀態(tài)穩(wěn)定、算法成熟、非線性數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在求解非線性問題時(shí)有較好的可行性和可靠性，尤其是數(shù)據(jù)分類和模式識(shí)別時(shí)表現(xiàn)出較強(qiáng)適用性。本研究以遼陽(yáng)市為例，針對(duì)不同情境模式下的綜合污染指數(shù)利用RBF人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以更加直觀、真實(shí)的反映區(qū)域水環(huán)境狀況[1]。

1 研究方法

采用RBF模型，隱層神經(jīng)元的運(yùn)算法則如式(1)所示：

(1)

式中：Ini為神經(jīng)元激活函數(shù)的輸入；w為輸入層各因子權(quán)重；u為輸入向量；bi為輸入向量u與該層權(quán)向量w的偏差；wji為隱含層i中的第j項(xiàng)因子權(quán)重；uj為第j項(xiàng)輸入因子。

將高斯函數(shù)設(shè)定為徑向基函數(shù)，利用公式(2)輸出相應(yīng)的數(shù)值，即：

(2)

根據(jù)式(1)、式(2)，徑向基函數(shù)輸出值隨著w與u之間距離的減少而增加，當(dāng)w與u之間的距離為0時(shí)，即輸入值取0時(shí)則徑向基函數(shù)輸出最大值為1。因此，在權(quán)值向量與輸入向量相同時(shí)可以將徑向基神經(jīng)元作為一個(gè)探測(cè)器，檢測(cè)其輸出為1的情況。

2 模型應(yīng)用

首先采用已知數(shù)據(jù)系列對(duì)RBF人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型驗(yàn)證、訓(xùn)練，并對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，在此基礎(chǔ)上對(duì)各種可能方案利用驗(yàn)證好的模型加以預(yù)測(cè)。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)模型的一系列運(yùn)算，利用Matlab軟件實(shí)現(xiàn)。

2.1 模型輸入

遼陽(yáng)市地處遼寧省中部，下轄遼陽(yáng)縣、燈塔市和5個(gè)市轄區(qū)，總邊界線長(zhǎng)471.8 km，占地面積4744 km2。從東南部邊界白云山至西北部邊界河畔，地勢(shì)總體呈階梯式下降趨勢(shì)，地形依次為中山、低山、高丘陵、低丘陵、臺(tái)地和平原，海拔高度50～1000 m。由于地貌形態(tài)的不同，境內(nèi)氣候特征存在明顯差異，年降水量500～900 mm，總體上東部低山、丘陵地帶降水量最多，其次為西部沿河平原，而北部丘陵、平原地帶的降水量最少約500 mm。境內(nèi)大小河流縱橫交錯(cuò)，其中流程超過(guò)5 km的河流有86條，超過(guò)10 km的河流有29條，各河流共同組成渾太水系[2-4]。

遼陽(yáng)地區(qū)的水資源較為豐富，但局部地區(qū)仍存在開采成本高、開發(fā)難度大、邊際效益低、可開發(fā)總量少的問題。近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及各行業(yè)用水量的急劇增加，該地區(qū)水體污染、江河斷流、用水效率低下等問題日趨突出，湖泊、濕地、池塘等具有儲(chǔ)存和滯洪功能的區(qū)域逐漸消失，水環(huán)境承載力和水生態(tài)功能明顯下降。對(duì)此，為準(zhǔn)確掌握水環(huán)境承載經(jīng)濟(jì)社會(huì)的程度，實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源的合理開發(fā)和永續(xù)利用，有必要采用適宜的方法科學(xué)預(yù)測(cè)其水環(huán)境承載力[5-8]。

水環(huán)境系統(tǒng)是一個(gè)耦合了生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、水資源等子系統(tǒng)的復(fù)合系統(tǒng)，本文遵循實(shí)用性、可量化性、信息集成度高和政策相關(guān)性強(qiáng)等原則，綜合考慮各方面因素確定RBF模型的輸入項(xiàng)，如表1。

2.2 承載力分級(jí)

依據(jù)相關(guān)研究成果將水環(huán)境承載力定義為：在一定的可預(yù)見的科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展條件下，以實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展和維護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)為原則，水環(huán)境協(xié)調(diào)人們生活需求與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的程度。

水體、水質(zhì)為體現(xiàn)水環(huán)境承載力的關(guān)鍵因素，綜合污染指數(shù)能夠客觀反映區(qū)域的整體污染程度，揭示多個(gè)監(jiān)測(cè)斷面、多項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)的綜合水平。一般地受污染程度較輕的水環(huán)境還能夠容納一定的污染物，而嚴(yán)重污染的水體趨近于極限承載力狀態(tài)，若繼續(xù)污染將進(jìn)一步加劇整體污染程度。因此，區(qū)域水環(huán)境承載力可以利用綜合污染指數(shù)來(lái)衡量，本研究對(duì)水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)時(shí)引入綜合污染指數(shù)。設(shè)定RBF模型的輸出項(xiàng)為綜合污染指數(shù)，為了更加直觀的表達(dá)和評(píng)價(jià)區(qū)域水環(huán)境狀況，將水環(huán)境承載力等級(jí)按照綜合污染程度分級(jí)方法進(jìn)行劃分，如表2。

表1 RBF模型輸入指標(biāo)

表2 等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

Ⅰ級(jí)水環(huán)境承載力的綜合污染指數(shù)取值區(qū)間為(-∞，0.4]，該條件下水環(huán)境系統(tǒng)處于較優(yōu)狀態(tài)，水環(huán)境與人類活動(dòng)之間的協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)良好，此時(shí)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展力度可以適當(dāng)加大，并加強(qiáng)對(duì)水系統(tǒng)的保護(hù)。

Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)水環(huán)境承載力的綜合污染指數(shù)取值區(qū)間為(0.4，1.0]和(1.0，1.5]，該條件下水環(huán)境系統(tǒng)處于較好、及格狀態(tài)，水環(huán)境與人類活動(dòng)之間的協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)較好。此時(shí)，水環(huán)境保護(hù)應(yīng)引起足夠的重視，在有效保護(hù)水環(huán)境的基礎(chǔ)上協(xié)調(diào)發(fā)展經(jīng)濟(jì)，否則水環(huán)境與人類活動(dòng)的協(xié)調(diào)關(guān)系將被破壞。

Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)水環(huán)境承載力的綜合污染指數(shù)取值區(qū)間為(1.5，2.5]和(2.5，+∞]，該條件下水環(huán)境系統(tǒng)處于較差、最差狀態(tài)，水環(huán)境與人類活動(dòng)之間的協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)極不協(xié)調(diào)。此時(shí)，要加大水環(huán)境治理力度和環(huán)保投資規(guī)模。

2.3 驗(yàn)證

一般情況下，為獲取較優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及保證較高的模型預(yù)測(cè)精度，通常需要有較長(zhǎng)時(shí)間的樣本數(shù)據(jù)序列。根據(jù)2010—2019年河水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，以旬為統(tǒng)計(jì)時(shí)段生成59組樣本數(shù)據(jù)序列，其中用于參數(shù)優(yōu)選的數(shù)據(jù)有54組、模型驗(yàn)證的數(shù)據(jù)有5組。采用坐標(biāo)輪換法進(jìn)行模型參數(shù)的優(yōu)選，逐一確定隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)及模型的其他參數(shù)。在某一參數(shù)確定時(shí)保持其他參數(shù)不變，經(jīng)過(guò)多次輪換優(yōu)選出最佳的RBF模型參數(shù)，即擴(kuò)散速度取1、學(xué)習(xí)目標(biāo)取0.000 1、神經(jīng)元最大個(gè)數(shù)取50。

然后對(duì)RBF模型設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)值并輸入54組訓(xùn)練數(shù)據(jù)，以訓(xùn)練結(jié)果誤差作為RBF模型訓(xùn)練是否終止的判別條件，訓(xùn)練誤差滿足精度要求則代表樣本中的信息已被模型完全掌握。對(duì)完成訓(xùn)練的模型輸入5組驗(yàn)證數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示RBF模型的驗(yàn)證精度能夠達(dá)到預(yù)期精度要求，相對(duì)誤差低于10%，可以用于水環(huán)境承載力預(yù)測(cè)。

2.4 方案預(yù)測(cè)

結(jié)合遼陽(yáng)市環(huán)保發(fā)展?fàn)顩r擬定了3種不同的情境方案，各方案設(shè)計(jì)如下：(1)現(xiàn)狀環(huán)保方案：維持現(xiàn)狀環(huán)保水平、單位用水量和GDP正常增長(zhǎng)，水資源總量與調(diào)水量達(dá)到平均水平。(2)中環(huán)保方案：環(huán)保治理與單位用水量達(dá)到中環(huán)保狀態(tài)，水資源總量處于平均水平，隨工程完善調(diào)水量有所增加且GDP正常增長(zhǎng)。(3)高環(huán)保方案：環(huán)保治理與單位用水量達(dá)到高環(huán)保狀態(tài)，水資源總量處于平均水平，隨工程完善調(diào)水量逐漸增加且GDP正常增長(zhǎng)。

將每組方案進(jìn)一步劃分為中遠(yuǎn)期(2030年)、近期(2025年)和現(xiàn)狀(2020年)3種不同的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，并將各組方案指標(biāo)值輸入已經(jīng)訓(xùn)練好的RBF模型，通過(guò)預(yù)測(cè)模擬輸出承載力評(píng)價(jià)結(jié)果，如表3。

表3 基于不同情境的水環(huán)境承載力預(yù)測(cè)

在環(huán)保水平保持不變的情況下，人口增加和經(jīng)濟(jì)發(fā)展會(huì)進(jìn)一步增大總用水量，若污水處理能力達(dá)不到要求將逐漸增加污水排放量，并進(jìn)一步減弱水環(huán)境承載力。其中，污水排放量、人口規(guī)模和經(jīng)濟(jì)發(fā)展為水環(huán)境主要影響因素。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展保持不變的情況下，水環(huán)境承載力隨環(huán)保水平的提高而增強(qiáng)，該變化規(guī)律與實(shí)際情況相符。

中環(huán)保和現(xiàn)狀環(huán)保方案具有較弱的承載力，而高環(huán)保將大大增強(qiáng)區(qū)域承載力，超過(guò)其他兩種方案。為維持水環(huán)境與人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，進(jìn)一步提高水環(huán)境承載力有必要加大環(huán)境治理和投資力度。

3 結(jié) 論

RBF模型不需要預(yù)先掌握不同變量間的相互關(guān)系及其變化規(guī)律，但需要結(jié)合實(shí)際情況合理構(gòu)造RBF網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，經(jīng)樣本數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)訓(xùn)練獲取相關(guān)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，該模型具有適用范圍廣、操作性強(qiáng)、建模方便等特點(diǎn)。在水環(huán)境承載力預(yù)測(cè)時(shí)利用RBF模型具有較強(qiáng)的實(shí)用性，能夠客觀準(zhǔn)確地反映區(qū)域水環(huán)境狀況。