曲子良

（遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001）

為滿足居民生活、工農業(yè)生產及生態(tài)環(huán)境日趨增長的用水需求，各地區(qū)水資源開發(fā)利用程度持續(xù)提高，而區(qū)域水資源開發(fā)總是受到特定的經(jīng)濟技術水平、自然環(huán)境條件的限制[1]。因此，水資源開發(fā)利用程度評價既可以反映區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平，還能夠量化水資源開發(fā)利用潛力，為實現(xiàn)經(jīng)濟、資源與生態(tài)的協(xié)調可持續(xù)發(fā)展提供保障。

近年來，隨著科學研究的深入和網(wǎng)絡信息技術的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出了許多綜合考慮定量計算與定性分析的數(shù)學方法，如組合賦權-模糊綜合法、物元分析法、主成分法、密切值法和集對分析法等，以上方法被廣泛應用于水資源等領域[2-6]。然而，在評價過程中這些方法都比較依賴于權重的計算，而人為主觀臆斷性在一定程度上影響著權重的確定，若利用多種方式或方法驗證時又會增加評價的復雜性。水資源開發(fā)利用程度評價涉及經(jīng)濟、社會、環(huán)境、水資源等諸多方面，這是一項復雜的系統(tǒng)性問題，BP 網(wǎng)絡算法由于具有較好的識別性能，可以有效解決復雜系統(tǒng)問題，現(xiàn)已被廣泛應用于多個領域[7-10]。因此，文章從社會經(jīng)濟生態(tài)系統(tǒng)、開發(fā)利用系統(tǒng)和水資源系統(tǒng)的角度，利用BP 網(wǎng)絡算法和模糊數(shù)學法評價丹東市水資源開發(fā)利用程度，實現(xiàn)了區(qū)域水資源利用現(xiàn)狀的定量評價，可為水資源可持續(xù)利用和科學管理提供一定支持。

1 BP 網(wǎng)絡模型

1.1 網(wǎng)絡結構

BP 網(wǎng)絡模型是一種基于反向傳播過程不斷調整網(wǎng)絡閾值和權重，從而實現(xiàn)非線性問題求解的多層次前饋性計算方法，具有自學習能力強、運算效率高和適用范圍寬等特點。網(wǎng)絡拓撲結構從上而下依次為輸入層、隱含層和輸出層，各層次以全連接的方式相連接，如圖1 所示。

圖1 BP 網(wǎng)絡拓撲關系

1.2 學習算法

首先，初始化網(wǎng)絡閾值和權值，輸入訓練樣本數(shù)據(jù)，經(jīng)隱含層計算后輸出誤差值，然后反向傳播誤差直至計算精度達到預先設定要求，完成學習訓練。最后，采用已訓練好的網(wǎng)絡結構，借助Matlab軟件實現(xiàn)區(qū)域水資源開發(fā)利用程度評價，詳細流程見文獻[11-12]。

2 實例應用

2.1 研究區(qū)概況

丹東市位于遼寧省東南部，總面積15290km2，扣除鴨綠江公用水面以外，水資源計算面積為14973km2；全境按流域劃分為渾江、蒲石河、愛河、鴨干、鴨～大、大洋河及太子河7 個五級區(qū)；按行政劃分為寬甸、鳳城、東港、振安、元寶及振興6個三級區(qū)。丹東市屬溫暖帶亞濕潤季風型氣候，年均降水量881.3～1087.5mm，其中夏季占2/3，7～8月為暴雨集中期。丹東市水源充足，降水量較多，但隨著經(jīng)濟的發(fā)展各行業(yè)用水量急劇增大，對水資源開發(fā)利用程度不斷提高，局部地區(qū)存在春季干旱、地下水超采、水環(huán)境污染、開發(fā)難度加大、開采成本逐漸提高等問題。

2.2 評價體系

文章結合丹東市水資源供用耗情況、經(jīng)濟社會發(fā)展水平以及水資源自然稟賦條件，遵循代表性、系統(tǒng)性、可獲取性和獨立性等原則，從社會經(jīng)濟生態(tài)系統(tǒng)、開發(fā)利用系統(tǒng)和水資源系統(tǒng)選擇11 項指標構建評價體系如表1 所示。

表1 綜合評價體系及指標計算方法

依據(jù)丹東市水資源特點和實際開采現(xiàn)狀，將開發(fā)利用程度劃分成V1(飽和階段)、V2(過渡階段)、V3(初始階段)三個等級，依次代表水資源開發(fā)利用潛力較小、中等和較大，各等級閾值如表2 所示。

表2 不同等級閾值范圍

以2020 年為現(xiàn)狀年，結合丹東市政府網(wǎng)站資料、水資源公報、統(tǒng)計年鑒、國民經(jīng)濟與社會發(fā)展公報等，收集整理各轄區(qū)及全市水資源相關數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 各分區(qū)水資源初始數(shù)據(jù)

2.3 計算流程

1）創(chuàng)建BP 網(wǎng)絡模型。合理確定各層次節(jié)點數(shù)直接決定著BP 網(wǎng)絡的運算速度及誤差精度，這也是保證評價結果科學合理的關鍵環(huán)節(jié)[13]。在創(chuàng)建網(wǎng)絡結構時，對于11 項參評指標設定輸入層11 個節(jié)點數(shù)；采用經(jīng)驗公式“n=2m+1”初步設定隱含層節(jié)點數(shù)為23，再按照精度要求利用公式不斷調試，其中a取值區(qū)間為1～10，n、m代表隱含和輸入層節(jié)點數(shù)；輸出層為評價等級，考慮到設定的V1、V2、V3等級，故設定輸出層3 個節(jié)點數(shù)。

2）訓練學習。借助Matlab 軟件創(chuàng)建BP 網(wǎng)絡模型，各層次間的傳遞函數(shù)為logsig 和tansig，訓練函數(shù)為trainlm。訓練樣本源自各等級標準值中隨機選取的48 組數(shù)據(jù)，設定學習速率0.001，最大訓練次數(shù)20000，經(jīng)反復訓練學習直至運算誤差E ≤0.00001，則終止訓練。

3）結果輸出。采用訓練好的BP 網(wǎng)絡結構，輸入表3 個指標初始數(shù)據(jù)，經(jīng)一系列運算輸出丹東市及其各轄區(qū)水資源開發(fā)利用程度，如表4 所示。

表4 BP 網(wǎng)絡輸出

2.4 適用性驗證

為進一步檢驗BP 網(wǎng)絡模型的適用性與可靠性，參考文獻中的計算公式利用組合賦權-模糊數(shù)學法再次評價丹東市及其各轄區(qū)水資源開發(fā)利用程度，如表5 所示。該方法主要是采用熵權法和AHP 法計算各指標組合權重，然后利用隸屬函數(shù)計算所有指標隸屬于不同等級的程度，經(jīng)模糊數(shù)學運算按照最大隸屬度準則確定最終的評價等級[14]。

表5 驗證分析

從表5 可以看出，BP 網(wǎng)絡模型與組合賦權-模糊數(shù)學法評價結果基本一致，除元寶區(qū)評價結果相差一級外(組合賦權-模糊數(shù)學法為V1級、BP網(wǎng)絡模型為V2級)，其它地區(qū)的評價等級均相同。因此，在評價區(qū)域水資源開發(fā)利用程度時BP 網(wǎng)絡模型表現(xiàn)出較好的適用性與可行性，運算速度快，計算精度較高。

2.5 結果分析

由表4 可知，丹東市整體仍具有一定的水資源開發(fā)利用潛力，BP 網(wǎng)絡輸出達到V2級，當前正處于中間過渡階段。具體而言，各地區(qū)的開發(fā)利用程度存在較大差異，水資源空間分布特征與開發(fā)利用程度基本一致[15-16]。例如，水資源豐富的鳳城市、東港市開發(fā)利用潛力較大，BP 網(wǎng)絡輸出達到V3級，當前處于初級階段；而水資源相對短缺的寬甸縣開發(fā)利用潛力較小，BP 網(wǎng)絡輸出達到V1級，當前處于飽和階段；振安區(qū)、元寶區(qū)、振興區(qū)仍有一定的水資源開發(fā)利用潛力，BP 網(wǎng)絡輸出達到V2級，當前處于過渡階段。

3 結 論

1）采用BP 網(wǎng)絡模型評價丹東市水資源開發(fā)利用程度，并利用組合賦權-模糊數(shù)學法驗證該模型的可行性與適用性，結果顯示BP 網(wǎng)絡模型能夠準確合理地評價區(qū)域水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀，計算速度快，運算精度高，可有效避免了傳統(tǒng)方法在權重計算時的復雜性和主觀性問題。

2）結合評價結果，丹東市整體仍具有一定的水資源開發(fā)利用潛力，BP 網(wǎng)絡輸出達到V2級，當前正處于中間過渡階段。各地區(qū)的開發(fā)利用程度存在較大差異，水資源空間分布特征與開發(fā)利用程度基本一致，東南部的開發(fā)利用潛力較大，而水資源相對短缺的西部開發(fā)潛力較小，其它地區(qū)處于過渡階段。因此，丹東市水資源自然稟賦條件與開發(fā)利用程度保持一致，也表現(xiàn)出空間分布不均的情況，為實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用必須加強優(yōu)化配制，加強引調水工程建設，促進水資源的均衡利用。