閆佰忠,孫 劍,3,陳佳琦,孫豐博,,李曉萌,付慶杰
(1. 河北地質(zhì)大學(xué)水資源與環(huán)境學(xué)院,河北省高校生態(tài)環(huán)境地質(zhì)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心,河北 石家莊 050031;2.河北省水資源可持續(xù)利用與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊 050031;3. 中化地質(zhì)礦山總局浙江地質(zhì)勘查院,浙江 杭州 311201;4. 山東省魯南地質(zhì)工程勘察院(山東省地勘局第二地質(zhì)大隊),山東省地?zé)崆鍧嵞茉纯辈殚_發(fā)工程研究中心,山東 濟(jì)寧 272100)
伴隨著城市化進(jìn)程的加快以及經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,我國出現(xiàn)了一系列的生態(tài)環(huán)境問題,能源和環(huán)境問題日益凸顯,亟待發(fā)展清潔能源技術(shù)。地下水源熱泵技術(shù)作為一項(xiàng)低溫地?zé)豳Y源可持續(xù)利用的技術(shù)方法,是開發(fā)和強(qiáng)化高質(zhì)量能源利用率的重要手段和獲得可再生能源及維護(hù)生態(tài)平衡的有效途徑,對低位熱能的開發(fā)和利用具有重要意義。
目前,關(guān)于地下水源熱泵的理論研究多集中在熱泵機(jī)組運(yùn)行效率分析、循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計、工程質(zhì)量研究、適宜性評價、含水層貯能與回用以及水源熱泵數(shù)值模擬等方面。適宜性評價作為淺層地溫能開發(fā)利用的基礎(chǔ),國內(nèi)已有大量學(xué)者對此進(jìn)行了研究。姚炳光等2017年綜合考慮西安市區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)條件,運(yùn)用層次分析法,在劃分研究區(qū)地下水源熱泵適宜區(qū)的基礎(chǔ)上,綜合考慮水質(zhì)、回灌率、已運(yùn)行情況以及環(huán)境條件,對西安市水源熱泵開發(fā)利用潛力進(jìn)行了評估[1]。賴光東等2017年利用層次分析法結(jié)合基尼系數(shù)客觀賦權(quán)法,將地下水溫、水化學(xué)類型等13個影響地下水源換熱效率的要素作為評價因子,構(gòu)建了西安地區(qū)淺層承壓水地下水源熱泵適宜性指標(biāo)評價體系,并對適宜性分布狀況做了分析[2]。郭山峰等年2020采用單指標(biāo)綜合評價法、層次分析法,對漯河市地下水源熱泵系統(tǒng)適宜性評價進(jìn)行了研究[3]。這些研究多采用傳統(tǒng)方法計算權(quán)重或隸屬度,并采用分區(qū)賦值對地下水源熱泵適宜性進(jìn)行劃分,存在效率過低,主觀性太強(qiáng)的問題。隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,針對傳統(tǒng)評價方法在評價因素權(quán)重的確定和隸屬度函數(shù)的構(gòu)建上存在的不足,機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)為區(qū)域性目標(biāo)評價提供了新的思路。李梅等2007年為解決加權(quán)評分法和模糊數(shù)學(xué)方法主觀性太強(qiáng)的問題,利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了地下水脆弱性評價模型,并對黃淮平原寧陵縣地下水脆弱性進(jìn)行了評價[4]。岳丹丹等年2016年采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對西鞍山鐵礦區(qū)內(nèi)12個監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)進(jìn)行了評價,結(jié)果表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法與模糊綜合評價法及綜合質(zhì)量評價法的評價結(jié)果基本一致[5]。但目前對于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)參多以人工試湊為主,存在漏參的同時,人工耗時較長,影響評價效率。
為解決上述問題,本文以石家莊市為例,依據(jù)區(qū)內(nèi)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件,采用自適應(yīng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與GIS耦合的方法,建立地下水源熱泵適宜性分區(qū)評價模型,對石家莊市水源熱泵適宜性分區(qū)進(jìn)行評價。為驗(yàn)證BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價準(zhǔn)確度,與模糊層次分析法評價結(jié)果進(jìn)行對比,以期為地下水源熱泵設(shè)施選址與利用提供新的評價思路。
石家莊市地處河北省中南部,屬河北省省會,東與衡水市接壤,南與邢臺市毗連,西與山西省為鄰,北與保定市交界。跨太行山地和華北平原兩大地貌單元,地勢西高東低,地貌形態(tài)為沖洪積作用、河湖相沉積而成的山前傾斜平原。區(qū)內(nèi)屬北溫帶半濕潤、半干旱大陸性季風(fēng)氣候,多年平均氣溫13 ℃左右,多年平均降水量為511.19 mm。區(qū)內(nèi)水系主要有沙河、滋河、滹沱河、蛟河、槐河。本文所選研究區(qū)位于石家莊市主城區(qū),東、西、南以三環(huán)線為界,北部以G1811黃石高速為界,總面積約為337.67 km2,地理坐標(biāo)位于東經(jīng) 114°22′12″—114°40′40″、北緯37°57′20″—38°06′36″。研究區(qū)范圍如圖1所示。
圖1 石家莊市交通位置圖Fig.1 Location map of the study area
BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由Rumelhart和McClelland于1986年提出,是一種按照誤差逆向傳播算法訓(xùn)練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[6]。具體原理為:“當(dāng)輸出與期望輸出不符時,網(wǎng)絡(luò)誤差逆向傳播,按誤差梯度下降的方式修正權(quán)值,沿隱含層、輸入層逐層反轉(zhuǎn),繼而信息正向傳播,依次交替,以使網(wǎng)絡(luò)輸出不斷地接近期望輸出,從而完成學(xué)習(xí)過程[7]?!鄙窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、樣本數(shù)量越多,其處理非線性問題的能力越強(qiáng),網(wǎng)絡(luò)誤差越低,但也使網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜化,從而增加了網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時間和出現(xiàn)過擬合的傾向。結(jié)構(gòu)過于簡單網(wǎng)絡(luò)則不能建立復(fù)雜的判斷界限,容錯性較差。因此,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在滿足精度的前提下,應(yīng)取盡可能緊湊的結(jié)構(gòu),本文采用三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。由于地下水源熱泵適宜性評價需考慮到研究區(qū)本身的基礎(chǔ)地質(zhì)條件,將其它已評價區(qū)的數(shù)據(jù)作為樣本意義不大,鑒于此,本次神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價訓(xùn)練樣本采用理想構(gòu)建的方法獲得[8]。在理想樣本中,若樣本各項(xiàng)指標(biāo)均處于最優(yōu)范圍內(nèi),則適宜性評價結(jié)果為適宜;若均處于中等范圍內(nèi),則適宜性評價結(jié)果為較適宜;若均處于較差范圍內(nèi),則適宜性評價結(jié)果為不適宜,各等級隨機(jī)生成200組樣本,選取樣本70%作為訓(xùn)練集,30%作為驗(yàn)證集。為提高網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練效率,對指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理,歸一化規(guī)則如下:
x=(x-xmin)/(xmax-xmin)
(1)
式中:x為歸一化后的指標(biāo)數(shù)值;xmax為各指標(biāo)最大值;xmin為各指標(biāo)最小值。
本文BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型層與層傳遞函數(shù)分別為tansig、purelin,訓(xùn)練函數(shù)為traingdm。由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)、學(xué)習(xí)率對網(wǎng)絡(luò)預(yù)測精度有較大影響,本研究將該兩項(xiàng)作為模型超參數(shù)進(jìn)行調(diào)參。目前,常見模型調(diào)參多為試湊法,即首先通過經(jīng)驗(yàn)公式[9]確定參數(shù)大概范圍,然后試算并確定最終參數(shù)[10]。這種方法人工耗時長且無法確定最佳參數(shù),存在漏參。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,計算機(jī)運(yùn)算能力大大提高,為確定最優(yōu)參數(shù),本文提出網(wǎng)格搜索(Grid search)方法進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)超參尋優(yōu)。步驟為:“選取隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為1:100,搜索步長為1;學(xué)習(xí)率為0.001:0.6,搜索步長為0.001,共采用100×600個參數(shù)組合對模型進(jìn)行訓(xùn)練,搜索驗(yàn)證誤差最小的組合為最優(yōu)參數(shù)。
模糊層次分析法(fuzzy analytical hierarchy process)是定性與定量相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法[11],被廣泛用于風(fēng)險評估[12]、資源評價[13]、環(huán)境影響綜合評判[14]等方面。基本思想為根據(jù)多目標(biāo)評價問題的性質(zhì)和總目標(biāo),把問題本身按層次進(jìn)行分解,構(gòu)成一個由下而上的梯階層次結(jié)構(gòu),對同一層次的指標(biāo)以上一級的指標(biāo)為準(zhǔn)則進(jìn)行兩兩比較,構(gòu)建模糊判斷矩陣,并轉(zhuǎn)換為模糊一致矩陣,最后通過計算得出排序權(quán)重[15]。目前,模糊層次分析法中排序權(quán)重常用的計算方法為方根法、和行歸一化法[16],計算比較簡單,但算法精確度不高[17]。鑒于此,本文采用方根法、行歸一化法、冪法結(jié)合的方法計算排序權(quán)重向量,為最大程度保證評價結(jié)果客觀準(zhǔn)確,以三位專家打分計算得出權(quán)重的平均值作為最終權(quán)重。具體步驟如下:
步驟1:采用德爾菲法(Delphi Method)按0.1~0.9指標(biāo)數(shù)量標(biāo)度表得出模糊判斷矩陣A=(aij)n×n(表1);
表1 0.1~0.9指標(biāo)數(shù)量標(biāo)度Table 1 Quantity scale of 0.1-0.9 index
步驟2:將矩陣A=(aij)n×n按式(2)、(3)進(jìn)行數(shù)學(xué)變換,得到模糊一致矩陣R=(rij)n×n,
(2)
(3)
步驟3:將R=(rij)n×n按式(4)、(5)計算初始排序權(quán)重向量,
(4)
(5)
步驟4:將兩者平均值W=(Wa+Wb)/2代入冪法(式(6)—(9))作為迭代初始值,計算三個各層指標(biāo)的單排序向量的平均值作為最終排序權(quán)重向量,
V(k+1)=EY(k)
(6)
Y(k)=V(k)/‖V(k)‖∞
(7)
‖V(k+1)‖∞-‖V(k)‖∞<ε
(8)
(9)
式中:k為迭代次數(shù),k=1,2,…,n;E=(eij)n×n,為R=(rij)n×n互反矩陣;ε為給定誤差[18]。
地下水源熱泵適宜區(qū)評價作為水源熱泵工程建設(shè)的一項(xiàng)優(yōu)化選址工作,其首要問題是確定地下水源熱泵工程建設(shè)的評價指標(biāo)。評價指標(biāo)的選取需以反映影響水源熱泵開發(fā)利用因素的全面性、代表性、評價因子的相對獨(dú)立性、層次性以及資料的可獲得性為原則。根據(jù)《淺層地?zé)崮芸辈煸u價規(guī)范》[19],水位動態(tài)變化、回灌能力、單位涌水量是必須要考慮的因素,三項(xiàng)指標(biāo)任一項(xiàng)數(shù)值達(dá)到閾值,都不適宜應(yīng)用地下水源熱泵系統(tǒng)。地下水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行在較大程度上受含水層厚度、富水性影響,含水層越厚,供水能力越強(qiáng),熱泵的服務(wù)年限越長[20],富水性太小則會導(dǎo)致熱負(fù)荷不足導(dǎo)致水源熱泵換熱效率低下,運(yùn)營成本增高。地下水化學(xué)特征直接影響著熱泵的工作效率,鐵離子、硬度、礦化度較高則較大可能產(chǎn)生水垢堵塞管道,同時,地下水溫決定著地下水源熱泵的能效比,水溫越高、能效比越高。地下水源熱泵適宜性評價不僅要通過適宜性標(biāo)準(zhǔn)評判,還要以不破壞地質(zhì)環(huán)境、防止環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害為基礎(chǔ)。水源熱泵開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境較差的地區(qū)主要包括地面沉降嚴(yán)重區(qū)、降落漏斗下降區(qū)、重要水源地保護(hù)區(qū),考慮到地面沉降和降落漏斗發(fā)生區(qū)域基本一致,本文將降落漏斗下降區(qū)作為評價指標(biāo)之一。
基于此,本文根據(jù)規(guī)范,結(jié)合區(qū)內(nèi)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及前人成果[21],選取含水層厚度、富水性、滲透系數(shù)、地下水位埋深、水位降深、回灌能力、鐵離子含量、硬度、礦化度、地下水水溫、地面沉降等11項(xiàng)影響因素作為本次評價要素指標(biāo)。其中,水位降深、回灌能力、單井涌水量作為先決條件評價指標(biāo),指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)如圖2。
圖2 地下水源熱泵指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Index system structure of groundwater source heat pump
研究區(qū)淺層含水層具有典型的山前沖洪積特征,西部山前200 m以淺含水層厚度(以砂層計)相對較薄,<40 m;向東厚度逐漸增加,靠近滹沱河一帶,>120 m。地下水位埋深分布總體上自西南向東北由淺變深,由小于20 m過渡為大于50 m。根據(jù)含水介質(zhì)不同,研究區(qū)靠近滹沱河一帶水量豐富,單位涌水量大于100 m3/(h·m),沿西南方向逐漸減少,到北新城—西王村以西,僅為10~30 m3/(h·m)。滲透系數(shù)越大,越適合地下水源熱泵的應(yīng)用,研究區(qū)大部分滲透系數(shù)在100~200 d/m之間變化,西南部西崗頭—東尹村一帶滲透系數(shù)較小,<100 m/d;南高營—東兆通一帶滲透系數(shù)較大,>200 m/d。依據(jù)研究區(qū)水化學(xué)特征,區(qū)內(nèi)地下水溫分布在14~16 ℃之間;礦化度、總硬度自西向東,呈逐漸降低趨勢。
由于評價指標(biāo)數(shù)據(jù)類型與量綱有較大區(qū)別,且部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存在區(qū)間值,不具備連續(xù)性數(shù)值特點(diǎn),同時為了適應(yīng)模糊層次分析法的賦值處理,需對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)量化處理?;谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只需存在區(qū)間值的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理。各指標(biāo)根據(jù)規(guī)范及研究區(qū)水文地質(zhì)條件按1~9之間賦值[22],個別指標(biāo)(全區(qū)數(shù)值均低于或高于規(guī)范限定值)按1~5或5~9賦值,見表2,適宜性分級標(biāo)準(zhǔn)見表3。
表3 適宜性分級標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Suitability classification standard
根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格搜索調(diào)參結(jié)果,當(dāng)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為3,學(xué)習(xí)率為0.378時,驗(yàn)證誤差最小,為0.00111。為總結(jié)參數(shù)與誤差之間的規(guī)律,求各組參數(shù)誤差平均值并繪制相關(guān)折線圖(圖3和圖4)。結(jié)果顯示:誤差隨隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)、學(xué)習(xí)率的增大先降低后升高。推測隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)過少,模型未學(xué)習(xí)完全,導(dǎo)致模型泛化能力不高,節(jié)點(diǎn)數(shù)過多,模型出現(xiàn)過擬合,導(dǎo)致驗(yàn)證誤差升高;學(xué)習(xí)率太低,容易陷入局部最優(yōu),學(xué)習(xí)率過高,梯度下降的步子過大,可能跨過最優(yōu)值。
圖3 隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)誤差Fig.3 Hidden layer node number error plot
圖4 學(xué)習(xí)率誤差Fig.4 Learning rate error plot
根據(jù)上述搜索調(diào)參結(jié)果,選取最優(yōu)參數(shù)組合對模型進(jìn)行訓(xùn)練,然后根據(jù)先決評價標(biāo)準(zhǔn)(表4)進(jìn)行適應(yīng)性分區(qū)。為評價整個研究區(qū)地下水源熱泵適宜性程度,采用GIS均勻提取研究區(qū)內(nèi)3754個柵格點(diǎn)數(shù)據(jù)作為模型測試數(shù)據(jù),導(dǎo)入模型輸出結(jié)果,并對邊界異常點(diǎn)修正,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分區(qū)結(jié)果見圖5,根據(jù)先決條件評價標(biāo)準(zhǔn)得出最終適宜性分區(qū)圖(圖6)。結(jié)果顯示:研究區(qū)地下水源熱泵適宜區(qū)分布在南高營—東兆通一帶,面積約為32.59 km2,占比9.65%;較適宜區(qū)大,占研究區(qū)大部,面積為278.44 km2,占比82.46%;不適宜區(qū)位于研究區(qū)西北及東部局部,面積為26.64 km2,占比7.89%。
表4 先決條件指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Prerequisite index standard
圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適宜性分區(qū)Fig.5 Suitability zone of BP neural network
圖6 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最終適宜性分區(qū)Fig.6 Final suitability zone of BP neural network
為反映BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價結(jié)果的合理性,本文采用傳統(tǒng)模糊層次分析法進(jìn)行評價對比。首先利用前述模糊層次分析法計算各指標(biāo)權(quán)重,各指標(biāo)權(quán)重見表5。再利用GIS根據(jù)指標(biāo)量化標(biāo)準(zhǔn)(表2)對研究區(qū)指標(biāo)數(shù)據(jù)分區(qū)并賦值,利用空間分析功能對9個指標(biāo)分區(qū)圖按式(10)進(jìn)行屬性加權(quán),得出屬性綜合圖(圖7),并按適宜性分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分區(qū),最后與先決條件疊加(圖8):
表5 指標(biāo)權(quán)重分配Table 5 Index weight distribution
圖7 FAHP適宜性疊加分區(qū)Fig.7 Suitability overlapping zone of FAHP
圖8 FAHP最終適宜性分區(qū)Fig.8 Final suitability zone of FAHP
(10)
式中:c為各指標(biāo)要素量化后的值;w為指標(biāo)對應(yīng)權(quán)重。
分區(qū)結(jié)果顯示:研究區(qū)地下水源熱泵適宜區(qū)分布在南高營—東兆通一帶,面積約為19.74 km2,占比5.85%;較適宜區(qū)位于研究區(qū)中部,面積為251.22 km2,占比74.40%;不適宜區(qū)位于研究區(qū)西北部及東部,面積為66.71 km2,占比19.75%。
對比兩種方法評價過程,采用自適應(yīng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與GIS耦合的方法以自學(xué)習(xí)的方式規(guī)避了主觀賦權(quán)的弊端,同時利用網(wǎng)格搜索算法,能夠快速準(zhǔn)確地從6萬種參數(shù)組合中獲取最優(yōu)參數(shù),且評價時無須事先對研究區(qū)指標(biāo)賦值分區(qū)。而采用模糊層次分析法需首先采用專家法計算指標(biāo)權(quán)重,再進(jìn)行指標(biāo)屬性分區(qū),最后進(jìn)行疊加評價,步驟較為繁瑣。相比之下,前者效率更高,更能反映研究區(qū)單點(diǎn)適宜性程度。
對比兩者疊加前評價結(jié)果,模糊層次分析法評價事先對指標(biāo)屬性進(jìn)行分區(qū),對某一范圍內(nèi)的指標(biāo)按統(tǒng)一值處理,疊加分析后的結(jié)果呈預(yù)分區(qū)分布特征。同時,受主觀影響,環(huán)境地質(zhì)賦權(quán)過大,評價結(jié)果受該指標(biāo)主導(dǎo),導(dǎo)致研究區(qū)東南部評價為不適宜。自適應(yīng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價通過網(wǎng)格剖分的方式直接得到某點(diǎn)上的適宜性程度,評價結(jié)果不受預(yù)分區(qū)的限制;兩者適宜性分區(qū)除面積略有差異,適宜性分布情況基本相同,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊層次分析法適宜區(qū)評價結(jié)果面積占比僅相差3.80%,較適宜區(qū)面積占比相差8.06%,不適宜區(qū)面積占比相差11.86%,說明采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行地下水源熱泵適宜性區(qū)域評價具有可行性。
(1)采用網(wǎng)格搜索算法對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行全局參數(shù)搜索,能夠快速、準(zhǔn)確地從100×600組參數(shù)組合中找到最優(yōu)參數(shù)。相比以往首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式選取范圍,再進(jìn)行人工試湊調(diào)參,可極大地提高訓(xùn)練效率,同時精度更高。
(2)與基于模糊層次分析法相比,采用自適應(yīng)BPNN-GIS的方法進(jìn)行區(qū)域性評價無需對指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行賦權(quán)處理,克服了主觀性太強(qiáng)的弊端。同時,利用GIS進(jìn)行柵格提取,無須進(jìn)行指標(biāo)預(yù)分區(qū)處理,評價結(jié)果可以反映單點(diǎn)的適宜性程度,更適用于大區(qū)域性評價。
(3)為反映自適應(yīng)BPNN-GIS方法評價結(jié)果的準(zhǔn)確性,采用模糊層次分析法評價結(jié)果予以對比。結(jié)果顯示,兩者適宜性分區(qū)除面積略有差異,適宜性分布情況基本相同,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊層次分析法適宜區(qū)評價結(jié)果面積占比僅相差3.80%,較適宜區(qū)面積占比相差8.06%,不適宜區(qū)面積占比相差11.86%,說明采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行地下水源熱泵適宜性區(qū)域評價具有可行性。