基于混合蛙跳與投影尋蹤模型的遼陽市水資源系統脆弱性評價

李 昕

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

區域水資源供需矛盾隨著人類活動以及氣候環境變化等多種因素的影響而日益嚴峻，對水資源系統的脆弱性進行科學、有效的評價有利于提高區域農業發展與水資源和諧匹配程度。當前，許多學者主要是將水資源系統脆弱性作為一個整體進行研究并經歷了由定性評價到定量分析的過程，然而對系統的各個脆弱性環節對總體脆弱性影響研究相對較少[1]。本文依據DPSIR框架即系統驅動力、外在壓力、脆弱性狀態、系統影響以及響應程度5個方面構建了評價指標體系和模型，然后對投影指標函數利用混合蛙跳法進行優化并以投影值計算結果作為脆弱性評價依據，以遼陽市為例對模型的有效性和合理性進行驗證。

1 構建評價指標體系

1.1 水資源系統脆弱性內涵

水資源系統脆弱性是針對水資源在生態系統環境以及社會農業、工業經濟發展所受到人類活動、自然災害以及氣候環境變化所體現出來的容易受到損害的特征，區域水資源系統如果任其發展并達到一定程度可產生嚴重破壞的性質。其基本概念可依據水環境系統的特點可具體體現在如下方面：①系統脆弱性表現為水環境體系面對外來作用力所產生的脆弱性程度，它反映的是水資源系統的一種狀態并具有空間和時間兩種尺度；②人類的生產發展等活動作為系統驅動因素決定了其外部環境的脆弱性承載力，而其自身內在脆弱性則直接受到生態系統環境的影響； ③水資源系統受到外力作用時會盡力維持它原有的現狀的性能即具有一定的時間延遲性特征；④系統脆弱性未明顯顯現時并不代表系統沒有脆弱性即系統具有隱性特征，而是其脆弱性收到足夠大的外力作用時才能顯現；⑤可通過科學的、有針對性的措施對系統脆弱性進行改善[2]。

1.2 構建基于DPSIR框架的評價指標體系

綜合考慮水資源系統內在性質、社會經濟以及生態環境等影響系統脆弱性的各要素，是進行水資源系統脆弱性評價的基礎和關鍵。當前，可對系統因果聯系性、綜合性等特點進行全面、客觀表征和反映方法為DPSIR指標框架法，該方法不僅可提供清晰、準確的系統脆弱性分析思路，而且可對系統各要素之間的連續反饋機制進行詳細描述[3]。據此，本文結合水資源脆弱性及指標體系框架相關研究成果和資料，結合研究區域水資源系統實際狀況，篩選了31個具有代表性評價指標并建立了評價指標體系[4]，見表1。

1.3 確定評價指標標準

對水資源系統脆弱性進行評價的關鍵性環節是科學合理的確定評價標準等級，如果標準等級劃分過于粗略，則不利于評價結果的準確性和精度控制；如果劃分的等級過于詳細和繁多，則不利于評價結果的計算從而造成評價結果誤差的增大[5]。據此，本研究結合相關文獻和水資源脆弱性情況將其標準等級劃分Ⅰ—Ⅳ級4個標準分別代表脆弱性弱、中等、強、較強，各指標在不同標準等級的取值范圍見表1。

2 建立基于混合蛙跳與投影尋蹤的評價模型

2.1 混合蛙跳算法

表1 遼陽市DPSIR框架結構的系統脆弱性評價指標體系

(1)

(2)

2.2 投影尋蹤法

2.3 構建評價模型

可按照下述基本過程和相關公式構建基于混合蛙跳與投影尋蹤的水資源系統脆弱性評價模型：

(1)對評價指標進行標準化處理。考慮到評價指標多樣且不同評價指標的單位和量綱存在一定的差異，因此需對各指標進行無量綱化標準處理以此消除指標之間的不可通透性[7]。對于評價指標值越大則脆弱性越弱型指標利用下式進行標準化處理：

(3)

對于評價指標值越大則脆弱性越強型指標可利用下式進行標準化處理：

(4)

式中，xmaxj、xminj—分別代表j指標的最大值和最小值。利用公式可將各評價歸一處理至0～1范圍內的值越小系統越脆弱型評價指標。

(2)對投影尋蹤函數進行構造。以指標所含有的有效信息以及能夠反映評價特征的數據為基本依據，在某個方向上的投影值zi為上述經過標準化處理的評價指標數據{xij}乘以向量a=(a1，a2，…，ap)，可表示為：

(5)

如果最佳投影方向為a=(a1，a2，…，ap)則可對投影值利用上述公式進行求解并定量的分析評價水資源系統的脆弱性。在進行綜合投影值計算時應盡可能的使得zi包含較多的變異信息，并因此可構建投影指標函數Q(a)作為最佳方向的判別依據，其計算公式如下：

Q(a)=SzDz

(6)

(7)

(8)

(3)對指標函數進行優化求解。指標函數Q(a)在樣本集合確定時僅隨投影向量a的改變而發生變化，滿足Q(a)值達到最大時向量a即為最佳投影方向矢量，因此優化目標函數可表述為：

(9)

公式(9)為一個復雜的非線性優化求解問題，

表2 各評價指標值以及最佳投影方向的計算結果

采用傳統的方法很難進行求解，據此本研究利用混合蛙跳法對目標函數進行優化計算。

(4)對評價等級劃分標準進行確定，并利用樣本投影值計算結果按照等級標準進行脆弱性分析評價。利用公式(5)并結合各評價等級所對應的標準化值求得的最佳投影方向a進行投影范圍值的確定，并以此對評價分析標準進行確定。然后利用指標標準化值{xij|i=1，2，…，n;j=1，2，…，p}和公式(5)對脆弱性指標影值y求解，結合各投影值標準等級取值范圍確定研究區域水資源脆弱性。

3 實例應用

3.1 研究區域概況

本文以遼陽市為例對模型的有效性和適用性進行驗證分析。遼陽市位于遼寧省中部，地處東經122°35′～123°40′，北緯40°42′～41°36′范圍之間，區域面積約為4744km2。受地形地貌、地質結構以及地勢特征等條件影響區域內各地區氣候特征存在一定差異，屬于濕潤性、半濕潤性季風氣候；全年降水量較多的區域位于東部的低山丘陵區并以大雨和暴雨為主，全年降水量在800～900mm之間且主要集中在夏季；區域內北部的丘陵平原區全年降水量約500～700mm少于低山丘陵區，且冬季寒冷漫長，春季多風干燥。遼陽市境內大小河流縱橫交錯，5km以上的河流及支流約百余條并共同組成遼寧省內的兩大水系。遼陽市具有豐富的動物資源和礦產資源，區域經濟生產總值2011年為888.7億元，三產業結構比為6.4∶63.1∶30.5。人均GDP為47791元，同比增長13.5。該區域社會經濟以及農業經濟的快速發展造成了對用水量的巨大需求，所以開展遼陽市水資源系統脆弱性評價對于進一步提高該區域用水效率，促進區域水資源優化配置和可持續發展具有重要意義[8]。

3.2 水資源系統脆弱性評價

結合研究區域水資源資料收集整理狀況，本文選取2016年的水資源數據資料為依據，在保證研究真實可靠的基礎上進行水資源生態脆弱性評價分析[9]。利用遼寧省統計年鑒和相關報告分別對表1中31個評價指標數據進行收集和處理，并利用公式(3)、(4)對各指標數據進行標準化處理，利用文中所述公式(5)—(9)進行最優投影方向求解，計算結果見表2。

利用表2中各指標最佳投影方向以及表1中各標準等級的閥值并結合公式(5)，可對系統脆弱性等級標準進行求解，計算結果見表3。利用公式(5)對遼陽市2016年水資源脆弱性各評價指標標準值進行求解，得到其投影值為3.082，按照表3中相關標準等級取值區間可得研究區域為Ⅱ級脆弱性的中等范圍。

表3 水資源系統脆弱性等級計算結果

結合遼陽市水資源開發利用資料可知該區域的農業用水占有量較大且多以大漫灌模式為主；區域內大部分地區為Ⅳ類或Ⅴ類水，僅有渾河局部區域為Ⅲ類，其水資源系統環境面臨嚴峻調整；遼陽市農業灌溉干渠設施老化、工程配套程度低且渠水利用系數較低。雖然遼寧省為富水區域，但仍面臨著水資源浪費和污染嚴重的問題，利用本研究模型得出：其水資源脆弱性程度為Ⅱ級中等程度，該評價結果與遼陽市水資源利用現狀基本保持一致，研究表明所構建的模型具有一定的適用性與可靠性[10]。

表4 各評價標準值在標準轉換前后的投影值對比表

圖1 研究區水資源脆弱性構成

結合上表計算結果以及區域水資源實際狀況圖1可知，DPSIR指標框架結構中狀態以及影響類指標對水資源系統脆弱性影響程度較高，以此表明農藥、化肥的超標使用或任意排放、區域經濟發展對水資源環境系統造成一定的破壞；水資源系統脆弱性主要受區域水資源開發利用技術落后、水利設施配套不完善以及水資源供需矛盾緊張等因素作用影響；結合響應類指標的評價結果可知，該類指標的脆弱性程度最低，由此說明通過采取科學技術措施可顯著提高農業灌溉用水效率和水資源循環利用效率。

4 結論

(1)遼寧省主要面臨水資源浪費和污染嚴重問題，其水資源脆弱性程度為Ⅱ級中等程度，該評價結果與遼陽市水資源利用現狀基本保持一致，研究表明所構建的模型具有一定的適用性與可靠性。

(2)通過采取科學技術措施可顯著提高農業灌溉用水效率和水資源循環利用效率，并有助于提高區域經濟發展與水循環系統的科學匹配程度。

(3)由于水資源數據資料收集的限制，本研究僅對2016年的脆弱性進行評價，因此對水資源的科學管理以及脆弱性評價研究仍需要提供更多的數據資料，并進行長期的研究分析。