基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的筑壩建庫環(huán)境影響綜合評價——以富嶺水庫為例

劉　斌　殷國仕　周召梅

（湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院　長沙市　410131）

基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的筑壩建庫環(huán)境影響綜合評價——以富嶺水庫為例

劉斌殷國仕周召梅

（湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院長沙市410131）

針對水電工程與社會、經(jīng)濟、生態(tài)、環(huán)境系統(tǒng)復(fù)雜的關(guān)系，選用PSR概念模型建立指標體系，構(gòu)建了基于RBF的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。以2014年為評價水平年，對富嶺水庫的環(huán)境影響進行評價。根據(jù)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸入評價指標，計算得出評價指數(shù)為0.379。結(jié)果表明：生態(tài)環(huán)境影響處于四級，總體為負效應(yīng)，但影響程度較小。

筑壩建庫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境影響綜合評價

在河流上筑壩建庫是人類開發(fā)利用水資源，控制河流對人類危害的一項重要活動。水庫工程在防洪、灌溉、發(fā)電、供水、養(yǎng)殖及改善航運條件等方面發(fā)揮了巨大作用，但在河流上建設(shè)水庫，通過對河流通道的阻隔、水庫淹沒、人為徑流調(diào)節(jié)等人工干預(yù)，改變了河流的各種循環(huán)模式，破壞了河道原有的生態(tài)系統(tǒng)，影響了河道的生態(tài)功能，并對周邊生態(tài)系統(tǒng)工程產(chǎn)生負面影響。

現(xiàn)行的環(huán)境影響評價多采用單因子法、綜合指數(shù)法、主成分分析法、層次分析法等，這些方法在指標權(quán)重的確定上仍具有很大的主觀性。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自組織、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和容錯性等優(yōu)良性質(zhì)以及復(fù)雜的并行分布處理能力，因而能夠從具體的學(xué)習(xí)樣本出發(fā)，獲得基于客觀的權(quán)重。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已被用于水質(zhì)評價、大氣質(zhì)量評價、安全評價等應(yīng)用中，但在筑壩建庫的宏觀環(huán)境影響評價中還未采用。本文在對評價指標及評價標準的研究基礎(chǔ)上，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對筑壩建庫的水電工程生態(tài)環(huán)境影響進行定量評價探索。

1　評價指標體系的構(gòu)建

1.1構(gòu)建原理

水電工程生態(tài)環(huán)境影響研究所面對的是一個涉及社會、經(jīng)濟、生態(tài)、環(huán)境的紛繁復(fù)雜的大系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)內(nèi)既有自然因素的影響，又有社會、經(jīng)濟、文化、傳統(tǒng)等因素的影響。

針對水電工程與社會、經(jīng)濟、生態(tài)、環(huán)境系統(tǒng)復(fù)雜的關(guān)系，為滿足水電工程管理與水資源保護管理和決策要求，選用PSR概念模型來建立指標體系。“壓力（Pressure）─狀態(tài)（State）─響應(yīng)（Response）”概念模型是國際上流行的指標體系，簡稱PSR模型。基于PSR的指標體系充分考慮了水電工程建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的破壞和改善的雙重效果，在評價過程中包含了經(jīng)人類活動影響帶來的生態(tài)修復(fù)的作用，全面反映了對生態(tài)環(huán)境的影響，具有真實性、系統(tǒng)性和準確性。

借鑒壓力-狀態(tài)-響應(yīng)這一思路，分析研究其在各領(lǐng)域的運用案例，根據(jù)水電工程生態(tài)環(huán)境影響的特點，建立起指標體系的具體框架，形成水電工程生態(tài)環(huán)境影響綜合評價的PSR概念模型框架圖（圖1）。

圖1　水電工程生態(tài)環(huán)境影響評價的PSR概念模型框架

1.2評價指標體系構(gòu)建

在PSR模型中，壓力指標體系表征人類修建水電工程對最初的自然條件變化和社會經(jīng)濟而引起的壓力，狀態(tài)指標體系表征受影響的自然生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中各因素的狀態(tài)或趨勢，響應(yīng)指標體系表征人類在改善生態(tài)環(huán)境的行為。

評價指標選取的依據(jù)主要從體系的完整性、正確性、可行性入手，在不失全面的情況下，盡量減少體系中指標的個數(shù)，注重指標的影響評價功能，選擇和確定評價指標。指標詳見表1。

表1　筑壩建庫生態(tài)環(huán)境影響綜合評價指標體系

2　筑壩建庫環(huán)境影響評價模型

2.1評價水平年確定

水電開發(fā)對環(huán)境帶來的影響是動態(tài)變化的，建庫前、施工過程中和建庫后，生態(tài)環(huán)境都在不斷變化，因此針對環(huán)境影響的評價需要確定評價水平年，選擇一個具有代表性的年份進行環(huán)境影響評價。對于評價水平年的選擇可以選：①工程修建前；②工程投產(chǎn)后；③工程運行若干年后。

2.2評價區(qū)域和層次確定

流域生態(tài)系統(tǒng)是一個復(fù)合的大系統(tǒng)，梯級水電開發(fā)對系統(tǒng)的影響廣泛而深刻，自然環(huán)境、社會環(huán)境的差異，導(dǎo)致工程對環(huán)境影響區(qū)域各點各塊的影響程度和性質(zhì)上存在差異。水利工程環(huán)境影響的范圍包括庫區(qū)、上游段、下游段及周圍區(qū)域等。

按照層次分析方法，根據(jù)評價對象各組成部分之間的相互關(guān)系，將其歸納為下列層次結(jié)構(gòu)體系：

目標層，以水電工程對生態(tài)環(huán)境影響綜合評價指數(shù)為目標層，以綜合表征生態(tài)環(huán)境影響態(tài)勢；準則層，以生態(tài)環(huán)境影響內(nèi)部具有邏輯關(guān)系的筑壩建庫壓力、生態(tài)環(huán)境狀態(tài)和工程生態(tài)環(huán)境響應(yīng)作為準則層的評判依據(jù)；指標層，是指標體系中最基本的層面，即評價要素有哪些具體指標來表達。

2.3基于RBF的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

徑向基函數(shù)神經(jīng)（Radial Basis Function，縮寫成RBF）網(wǎng)絡(luò)簡稱徑向基網(wǎng)絡(luò)，是由J.Moody和C. Darken于20世紀80年代末提出來的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它是具有單隱含層的3層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。目前已經(jīng)證明，徑向基網(wǎng)絡(luò)能夠以任意精度逼近連續(xù)函數(shù)。

徑向基網(wǎng)絡(luò)輸入層節(jié)點只傳遞輸入信號到隱含層,隱含層節(jié)點由像高斯函數(shù)那樣的輻射狀作用函數(shù)構(gòu)成,而輸出層節(jié)點通常是簡單的線性函數(shù)。徑向基網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)的原型函數(shù)為：radbas（n）=e-n2。

隱含層每個神經(jīng)元與輸入層相連的權(quán)值向量w1i和輸入向量Xp（表示q個輸入向量）之間的距離乘上閾值b1i作為本身的輸入。

由此可以得到隱含層的第i個神經(jīng)元的輸入

徑向基函數(shù)的閾值b1可以調(diào)節(jié)函數(shù)的靈敏度，但在實際應(yīng)用中使用擴展系數(shù)C。b1和C的關(guān)系有多種確定方法，在MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱中，b1和C的關(guān)系為b1i=0.8326/Ci。不難看出，C值的大小實際上反映了輸出對輸入的響應(yīng)寬度。C值越大，隱含層神經(jīng)元輸入向量的響應(yīng)范圍越大，而且神經(jīng)元之間的平滑度也較好。

輸出層的輸入為各層神經(jīng)元輸出的加權(quán)求和。由于傳遞函數(shù)為純線性函數(shù)，因此輸出算式為：

在RBF網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)之前，需要提供輸入向量X、對應(yīng)的目標向量T與徑向基函數(shù)的擴展常數(shù)C。學(xué)習(xí)的目的是求取兩層的最終權(quán)值w1、w2和閾值b1、b2。

本文的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過MATLAB6.5軟件系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱來實現(xiàn)。應(yīng)用徑向基網(wǎng)絡(luò)算法建立筑壩建庫生態(tài)環(huán)境影響綜合評價模型按照如圖2進行。

圖2　筑壩建庫生態(tài)環(huán)境影響綜合評價模型RBF算法流程圖

3　富嶺水庫環(huán)境影響評價

3.1項目概況

富嶺水庫位于瀏陽市沿溪鎮(zhèn)，大溪河一級支流大光河中游，大光河屬于瀏陽河支流大溪河的一級支流，發(fā)源于瀏陽市次高峰，海撥1 600 m的連云山脈，流域面積為74.2 km2，河道長26 km，流經(jīng)大光河、三合口，于沿溪鎮(zhèn)匯入大溪河。

富嶺水庫正常蓄水位為190.0 m（黃海高程，下同），設(shè)計水位為192.2 m，校核水位為192.7 m，防洪限制水位為184.5 m，防洪高水位為192.2 m，死水位為171 m；總庫容為1 311萬m3，死庫容為184萬m3，防洪庫容為535萬m3。

3.2評價指標體系的選取和評價標準的確定

由于指標體系中的各項評價指標的類型復(fù)雜，單位存在差異，難以進行比較和綜合分析，因此，需要對各指標進行量化，即無量綱處理，并劃分成11級，然后根據(jù)它們對生態(tài)環(huán)境影響的大小，對每級給定標準化分值，取值設(shè)定在-1.0～1.0之間，見表2。標準的制定需要進行敏感性分析，并應(yīng)以國家標準、行業(yè)標準、其它國際標準和已取得的研究成果等為參照值，通過專家咨詢，研究得出具體指標的劃分評價標準。

3.3評判標準的確定

將筑壩建庫生態(tài)環(huán)境影響指數(shù)劃分為五級：

一級，工程對生態(tài)環(huán)境影響大，綜合指數(shù)為± 0.8～±1.0；二級，工程對生態(tài)環(huán)境影響較大，綜合指數(shù)為±0.6～±0.8；三級，工程對生態(tài)環(huán)境影響中等，綜合指數(shù)為±0.4～±0.6；四級，工程對生態(tài)環(huán)境影響較小，綜合指數(shù)為±0.2～±0.4；五級，工程影響小，即筑壩建庫對生態(tài)環(huán)境幾乎沒有影響，綜合指數(shù)為±0.2～0.2。

其中，如果結(jié)果為負，則為負影響，即為不利影響大于有利影響；如果結(jié)果為正，則為正影響，即為有利影響大于不利影響。

3.4基于RBF的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

（1）樣本數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

①生成隨機數(shù)據(jù)。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價模型需要大量的數(shù)據(jù)來進行網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練，但水電工程的生態(tài)環(huán)境影響評價研究缺少大量的資料供我們使用。為了提高訓(xùn)練精度，對標準類別進行有限次內(nèi)插，從而增加訓(xùn)練樣本。本次采用在評價分級標準范圍內(nèi)產(chǎn)生隨機數(shù)的方法來獲取訓(xùn)練樣本。利用MATLAB的數(shù)學(xué)工具，產(chǎn)生了10組隨機數(shù)。

表2　筑壩建庫生態(tài)環(huán)境影響評價指標量化標準

②無量綱歸一化。由于數(shù)據(jù)間的量綱不統(tǒng)一，在評價時無法進行一致性比較，因此需進行無量綱歸一化處理。

采用無量綱歸一化公式：

式中X’──目標數(shù)據(jù)；

X──原始數(shù)據(jù)；

Xmax、Xmin──原始數(shù)據(jù)的最大值和最小值。在評價標準中，不利影響評價指標只在負的等級內(nèi)取值，即在-1.0～0內(nèi)，因此在評價前應(yīng)將前面空缺的標準補齊，以便進行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。考慮到指標取值的實際范圍，我們將最小（最大）可能的取值作為數(shù)據(jù)的極值，并經(jīng)過無量綱歸一化后分別以0和1代替。

有利影響評價指標的評價標準取值正負均可取，即可在-1.0～1.0內(nèi)任意取值，在制定標準時考慮到人為判別的能力，也只取了5級，在評價時我們以上下兩級的均值來補齊中間的評價等級標準。

③評價指標標準化。富嶺水庫筑壩建庫不同階段指標初始值和無量綱處理后指標值見表3。

（2）RBF網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計。

本文采用徑向基函數(shù)（RBF）三層網(wǎng)絡(luò)。由前文得知，生態(tài)環(huán)境影響綜合評價指標為12個，因此RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入層節(jié)點數(shù)為12個。在生態(tài)環(huán)境指標各級標準范圍內(nèi)分別隨機產(chǎn)生10個樣本，作為輸入數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，經(jīng)過30次學(xué)習(xí)，達到誤差要求。

3.5評價結(jié)果

根據(jù)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸入需要評價的評價指數(shù)，即可得出評價結(jié)果。計算得出評價指數(shù)為0.379，表明生態(tài)環(huán)境影響處于四級，總體為負效應(yīng)，但影響程度較小。

4　結(jié)論

（1）根據(jù)建庫環(huán)境影響的特點，從 “壓力 （Pressure）-狀態(tài)（State）-響應(yīng)（Response）”出發(fā)，綜合考慮建庫對環(huán)境和影響及人類修復(fù)措施的成效構(gòu)建了評價指標體系，并建立了基于RBF的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價模型，對建庫造成的環(huán)境影響進行定量評價。

（2）將模型應(yīng)用于富嶺水庫開發(fā)對生態(tài)環(huán)境影響評價,經(jīng)過評價指標因子識別、量化，輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)果表明：富嶺水庫評價指數(shù)為0.379，表明生態(tài)環(huán)境影響處于四級，總體為負效應(yīng)。富嶺水庫的生態(tài)系統(tǒng)的正常運行受到了影響，需要采取一定的生態(tài)修復(fù)措施進行修復(fù)。

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劉斌（1981-），男，湖南新化人，碩士研究生，講師、工程師，主要從事水利職業(yè)教育與水利工程設(shè)計等工作。

（2016-02-28）