丹東市水資源開發利用程度評價

曲子良

（遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001）

為滿足居民生活、工農業生產及生態環境日趨增長的用水需求，各地區水資源開發利用程度持續提高，而區域水資源開發總是受到特定的經濟技術水平、自然環境條件的限制[1]。因此，水資源開發利用程度評價既可以反映區域經濟發展水平，還能夠量化水資源開發利用潛力，為實現經濟、資源與生態的協調可持續發展提供保障。

近年來，隨著科學研究的深入和網絡信息技術的快速發展，涌現出了許多綜合考慮定量計算與定性分析的數學方法，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。水資源開發利用程度評價涉及經濟、社會、環境、水資源等諸多方面，這是一項復雜的系統性問題，BP 網絡算法由于具有較好的識別性能，可以有效解決復雜系統問題，現已被廣泛應用于多個領域[7-10]。因此，文章從社會經濟生態系統、開發利用系統和水資源系統的角度，利用BP 網絡算法和模糊數學法評價丹東市水資源開發利用程度，實現了區域水資源利用現狀的定量評價，可為水資源可持續利用和科學管理提供一定支持。

1 BP 網絡模型

1.1 網絡結構

BP 網絡模型是一種基于反向傳播過程不斷調整網絡閾值和權重，從而實現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 網絡拓撲關系

1.2 學習算法

首先，初始化網絡閾值和權值，輸入訓練樣本數據，經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，采用已訓練好的網絡結構，借助Matlab軟件實現區域水資源開發利用程度評價，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；按行政劃分為寬甸、鳳城、東港、振安、元寶及振興6個三級區。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，但隨著經濟的發展各行業用水量急劇增大，對水資源開發利用程度不斷提高，局部地區存在春季干旱、地下水超采、水環境污染、開發難度加大、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、經濟社會發展水平以及水資源自然稟賦條件，遵循代表性、系統性、可獲取性和獨立性等原則，從社會經濟生態系統、開發利用系統和水資源系統選擇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

依據丹東市水資源特點和實際開采現狀，將開發利用程度劃分成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 年為現狀年，結合丹東市政府網站資料、水資源公報、統計年鑒、國民經濟與社會發展公報等，收集整理各轄區及全市水資源相關數據如表3 所示。

表3 各分區水資源初始數據

2.3 計算流程

1）創建BP 網絡模型。合理確定各層次節點數直接決定著BP 網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節[13]。在創建網絡結構時，對于11 項參評指標設定輸入層11 個節點數；采用經驗公式“n=2m+1”初步設定隱含層節點數為23，再按照精度要求利用公式不斷調試，其中a取值區間為1～10，n、m代表隱含和輸入層節點數；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 個節點數。

2）訓練學習。借助Matlab 軟件創建BP 網絡模型，各層次間的傳遞函數為logsig 和tansig，訓練函數為trainlm。訓練樣本源自各等級標準值中隨機選取的48 組數據，設定學習速率0.001，最大訓練次數20000，經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 網絡結構，輸入表3 個指標初始數據，經一系列運算輸出丹東市及其各轄區水資源開發利用程度，如表4 所示。

表4 BP 網絡輸出

2.4 適用性驗證

為進一步檢驗BP 網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-模糊數學法再次評價丹東市及其各轄區水資源開發利用程度，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，然后利用隸屬函數計算所有指標隸屬于不同等級的程度，經模糊數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 網絡模型與組合賦權-模糊數學法評價結果基本一致，除元寶區評價結果相差一級外(組合賦權-模糊數學法為V1級、BP網絡模型為V2級)，其它地區的評價等級均相同。因此，在評價區域水資源開發利用程度時BP 網絡模型表現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利用潛力，BP 網絡輸出達到V2級，當前正處于中間過渡階段。具體而言，各地區的開發利用程度存在較大差異，水資源空間分布特征與開發利用程度基本一致[15-16]。例如，水資源豐富的鳳城市、東港市開發利用潛力較大，BP 網絡輸出達到V3級，當前處于初級階段；而水資源相對短缺的寬甸縣開發利用潛力較小，BP 網絡輸出達到V1級，當前處于飽和階段；振安區、元寶區、振興區仍有一定的水資源開發利用潛力，BP 網絡輸出達到V2級，當前處于過渡階段。

3 結 論

1）采用BP 網絡模型評價丹東市水資源開發利用程度，并利用組合賦權-模糊數學法驗證該模型的可行性與適用性，結果顯示BP 網絡模型能夠準確合理地評價區域水資源開發利用現狀，計算速度快，運算精度高，可有效避免了傳統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利用潛力，BP 網絡輸出達到V2級，當前正處于中間過渡階段。各地區的開發利用程度存在較大差異，水資源空間分布特征與開發利用程度基本一致，東南部的開發利用潛力較大，而水資源相對短缺的西部開發潛力較小，其它地區處于過渡階段。因此，丹東市水資源自然稟賦條件與開發利用程度保持一致，也表現出空間分布不均的情況，為實現水資源可持續利用必須加強優化配制，加強引調水工程建設，促進水資源的均衡利用。