投影尋蹤技術在城市水生態文明評價中的應用

張 成

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006)

水生態文明是人類遵循人水和諧理念，以實現水資源可持續利用，支撐經濟社會和諧發展，保障生態系統良性循環為主體的人水和諧文化倫理形態，是生態文明的重要部分和基礎內容。

目前國內外關于生態文明的概念有很多論述，從人—自然—社會的視角、文明形態的視角、生態學的視角等對生態文明進行定義。由于水生態文明研究涉及人口、資源、社會環境以及環境等多方面的因素，研究范圍比較廣泛。比如，在國外，美國政府部門[1]對區域的湖泊、水體、河流等水生態資源和環境變化進行實時監測，了解其發展趨勢；歐盟研究機構[2]通過頒布相關指令，確保水環境、水資源的可持續利用來改善濕地環境、陸地生態系統、水生態系統等狀況。在國內，付曉敏等[3]以馬鞍山市為例構建城市水生態文明建設協調度評價模型，并進行了協調度評價；王賀[4]從水環境、水生態、水安全、水資源、水管理、水文化6個方面，應用AHP-模糊綜合評價對其水生態文明城市建設效果進行評估；劉姝芳等[5]構建西安市水生態文明評價指標體系，計算建設前后的水生態文明綜合指數，并進行比較。總之，經過相關學者的不斷理論探索和總結，我國的城市水生態文明建設取得了一定的成就。但是，水生態文明建設仍然是限制著水資源-水環境-社會經濟發展重要因素。國民經濟的增長，主要依靠水資源的開發利用水平，考慮水生態的發展變化，結合水生態文明的實質內涵，統籌資源-社會-經濟-文化的系統建設模型，是我國生態文明走可持續發展和經濟發展的重大策略。

本文考慮到遼寧省地理區域，從水生態文明建設在東北地區的重要性出發，結合水生態文明概念、特點和基本原則，建立水生態文明評價指標體系，運用投影尋蹤方法，進行水生態文明多層次、多角度研究，對我國城市水生態文明建設提供了一定的參考價值。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究方法[6- 7]

1.1.1基本原理

投影尋蹤法是對收集到的觀測數據進行高維處理與分析的新型統計學方法，重點應用在非線性和非常規的數據處理當中。該方法利用現代計算機分析技術，通過對低維空間的分析來描述高維數據信息，將高維數據進行重新組合，同時進行降維處理，將數據投影到低維子空間上，通過極少數投影指標尋找出整個高維數據集合的整體特征，并對數據進行結構分析，保證高維數據的內在相互關系。

目前投影尋蹤法主要適用于水資源、水環境、水生態等領域，能夠較好地避免無關方向的影響因素的干擾，說明了各個指標對整個評價分析的影響程度，同時避免了主觀性對指標權重的不確定性，降低了主觀因素的影響。

1.1.2主要步驟[8- 9]

(1)評價指標集標準化處理

設m個評價指標，n個樣本數，由于m個評價指標之間量綱不統一，為了消除指標間的影響和差異，對m個評價指標進行標準化處理，具體計算公式如下：

①指標越大越優型：

(1)

②指標越小越優型：

(2)

式中，x(i，j)—在第i個樣本的第j個指標下的標準化處理值，取值范圍在0～1之間；xmax(j)，xmin(j)—第j個指標的最大值和最小值。

(2)構造投影指標函數

投影尋蹤主要是采用線性投影方法把m維的數據按照公式(3)綜合成單位程度向量a(m)的投影方向的一維投影值，即多維數據投影轉換為低維數據的過程，

(3)

式中，z(i)—第i個樣本的投影值。

在m維指標中，為了更多地顯示數據特征結構，投影值的點數局部應密集，整體應分散，即投影值z(i)的局部密度值盡量大，同時保證投影在一維向量上的間距要達到最大，因此，投影函數為：

Q(a)=SzDz

(4)

式中，Sz—投影值的樣本標準差；Dz—投影值的局部密度值。

(3)優化投影指標函數

根據投影指標函數公式可知，投影函數隨著單位程度向量a的變化而變化，因此，Q(a)的最大值作為優化投影函數的最佳投影方向，其計算公式如下：

Qmax(a)=SzDz

(5)

(4)計算投影特征值與比較分析

將第(3)步計算得到的最佳投影方向a帶入第(1)步投影值計算公式，得到n個樣本評價指標投影值，對n個評價指標投影值進行排序，與總體的差異性進行一一比較，通過評價等級與投影值建立函數關系，即可評價樣本對水生態文明的影響等級。

1.2 數據來源

通過遼寧省水利廳和遼寧省統計局編制的《遼寧省水資源公報》與《遼寧省統計年鑒》等相關資料的收集，結合遼寧省環境保護廳編制的《遼寧省環境狀況公報》以及以沈陽市為研究區域的《沈陽市水資源公報》、《沈陽市統計年鑒》和《沈陽市國民經濟和社會發展統計公報》現狀年的數據作為原始數據。同時，也參考了其他研究成果[10- 13]。

2 研究區概況

沈陽位于中國東北地區南部，地處東北亞經濟圈和環渤海經濟圈的中心，屬溫帶半濕潤大陸性氣候，全年氣溫在-35～36℃之間。平均氣溫8.3℃，全年降水量661.5mm，全年無霜期183d。受季風影響，降水集中、溫差較大、四季分明。遼河干流沈陽段水質符合GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅳ類；渾河干流沈陽段水質劣于Ⅴ類；北沙河水質劣于Ⅴ類；臥龍湖水質劣于Ⅴ類。城市集中式生活飲用水水源地水質達標率為98.1%。全市水土流失面積為1941.7km2，土壤風蝕較為嚴重，主要是土地沙化，每年沙化土地增加量為103km2，增長幅度為43%。從目前來看，沈陽市生態文明建設已取得顯著成績，但與國家環境建設標準相比較，還存在一定的差距。

3 構建水生態文明評價指標體系

評價指標體系的構建是依據評價指標的選取原則，結合研究區域的實際狀況，選擇具有代表性的評價指標，在選用相應的評價指標分析方法進行指標篩選和處理，根據計算的指標參數值與相關的研究成果標準值進行比較，得到研究區域的評價指標現狀。參考相關研究成果，依據評價指標科學性、層析性、全面性、量化性等原則，從水安全、水生態、水景觀、水管理、水文化5個系統層面，構建城市水生態文明評價指標體系，具體評價指標如圖1所示。

圖1 城市水生態文明評價指標體系框圖

4 評級分析

4.1 等級劃分

城市水生態文明評價等級劃分尚未統一標準，主要根據專家經驗與實際狀況綜合擬定。通過對沈陽市的水資源開發利用率、社會經濟發展狀況、自然生態環境等內容收集與調查，將等級標準劃分為理想、和諧、基本和諧、不和諧、較差5個等級，具體標準見表1。

表1 沈陽市水生態文明評價指標等級劃分

4.2 結果分析

根據投影尋蹤法的計算步驟，運用計算機技術進行模型函數的計算，評價指標的趨勢有越大越優和越小越優兩類，在采用的加速遺傳算法工程中，采用的參數為初始種群400，加速優秀參數20，變異系數概率0.85，交叉系數概率0.8，最終得到優化投影函數的最佳投影方向向量為a=(0.1887，0.1894，0.1989，0.1860，0.1877，0.1709，0.1860，0.1829，0.1990，0.1726，0.1833，0.1808，0.1756，0.1825，0.1841)，理想、和諧、基本和諧、不和諧、較差所對應的投影值分別為4.684、3.312、2.981、1.119、0.000，最后計算得到沈陽市現狀年投影值z=4.2470。

通過城市水生態文明各個等級值與投影值建立評價模型f，并進行模型誤差性分析，計算公式如下：

f=-0.002z3-0.1054z2-0.1374z+4.982

(6)

上述公式計算出評價模型的誤差分析中平均絕對誤差為0.389、平均相對誤差為2.03%，說明了建立的評價模型計算精度能夠滿足要求，同時也能滿足城市水生態文明評價的標準。將沈陽市現狀年投影值為z=4.2470帶入評價模型，得到f=2.3442，即沈陽市水生態文明評價處于基本和諧狀態，與實際現狀基本一致，說明了該評價模型在城市水生態文明評價中運行是合理的。

5 結語

根據城市水生態文明建設的概念內涵和理論基礎，基于水安全、水生態、水景觀、水管理、水文化等5個系統方面，構建15個城市水生態文明評價指標體系，在運用投影尋蹤法的基礎上，依據沈陽市水資源、社會經濟、生態環境的實際狀況，制定出5個評價指標等級標準，在計算機技術支持下，計算得到最佳投影方向向量，反映水生態文明評價等級結果。考慮到評價指標數據收集的局限性和不確定性，沈陽市水生態文明評價基礎數據處理和方法還需進一步改善，主要是在評價指標篩選和評價等級標準的劃分方面。