劉立杰

（綏中縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 葫蘆島 125200）

0 引 言

水資源生態(tài)安全是指水資源在維持生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的情況下對(duì)保障人民生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的程度，科學(xué)合理地評(píng)價(jià)水資源生態(tài)安全已成為生態(tài)安全領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一[1-2]。為全面反映各要素之間的相互關(guān)系，必須選用合適的評(píng)價(jià)模型以及構(gòu)建合理的評(píng)價(jià)體系。目前，較為常用的水資源評(píng)價(jià)方法有PPE 投影尋蹤法、綜合評(píng)價(jià)法等[3-5]。其中，PPE 法是一種以統(tǒng)計(jì)思想為基礎(chǔ)無(wú)需確定指標(biāo)權(quán)重的客觀評(píng)價(jià)方法，而綜合評(píng)價(jià)法主要有權(quán)重計(jì)算、專(zhuān)家評(píng)分和數(shù)學(xué)運(yùn)算等計(jì)算流程，具有較強(qiáng)主觀性。對(duì)于構(gòu)建評(píng)價(jià)體系一般有2 種方法[6-8]：①評(píng)價(jià)體系選擇固定框架模型，如PSR、DSR、DPSIR 等框架模型；②堅(jiān)持系統(tǒng)論與可持續(xù)發(fā)展理論，將整體系統(tǒng)劃分成由多個(gè)要素、不同層次、既獨(dú)立又相互聯(lián)系的子系統(tǒng)。

因此，為客觀反映各參評(píng)指標(biāo)的可持續(xù)發(fā)展特性及其相對(duì)變化特征，擬選用PPE 投影尋蹤法研究區(qū)域水資源生態(tài)安全狀況。由于針對(duì)水資源的相關(guān)研究以往學(xué)者多側(cè)重于利用PPE 評(píng)定等級(jí)，即以各指標(biāo)數(shù)值的線性減小或增加為基礎(chǔ)劃分安全等級(jí)，而不同區(qū)域的資源差異性顯著，不同年份同一地區(qū)的指標(biāo)數(shù)據(jù)也存在非線性復(fù)雜關(guān)系，評(píng)價(jià)結(jié)果無(wú)法客觀反映區(qū)域指標(biāo)狀態(tài)的發(fā)展歷程以及各指標(biāo)間的相對(duì)重要程度[9-10]。因此，為了解決上述問(wèn)題，擬選用具有較強(qiáng)全局搜索能力且編程更加簡(jiǎn)潔的PSO 粒子群算法，通過(guò)優(yōu)化PPE 投影尋蹤法更加真實(shí)地反映區(qū)域水資源發(fā)展歷程。

1 研究方法

1.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)體系

文章結(jié)合相關(guān)研究成果[11]和指標(biāo)選取的地域性、層次性、系統(tǒng)性、可獲取性原則，從生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水資源的角度選擇21 項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建水資源生態(tài)安全評(píng)價(jià)體系，如表1 所示。

表1 水資源生態(tài)安全評(píng)價(jià)體系

1.2 建立PPE 模型

PPE 投影尋蹤法主要是通過(guò)在低維子空間上投影高維非線性數(shù)據(jù)確定能夠反映原高維數(shù)據(jù)特征或結(jié)構(gòu)的投影，從而統(tǒng)計(jì)分析高維數(shù)據(jù)的計(jì)算方法，其主要步驟為[12]：

步驟1：標(biāo)準(zhǔn)化處理。為消除各參評(píng)指標(biāo)因量綱或數(shù)量級(jí)不同而產(chǎn)生的不可通透性，應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理各樣本的初始數(shù)據(jù)，即：

式中：xij、aij——代表第i年參評(píng)指標(biāo)j的標(biāo)準(zhǔn)化值和初始數(shù)值，i=1，2，…，n；j=1，2，…，m；n、m代表年份和參評(píng)指標(biāo)數(shù)。

步驟2：構(gòu)造投影函數(shù)Q(a)。根據(jù)投影方向a={a(1)，a(2)，…，a(m)}和m維數(shù)據(jù){x(i，j)|j=1，2，…，m}求解，類(lèi)內(nèi)密度DZ和類(lèi)間距離SZ的取值與投影值散布的優(yōu)劣程度有關(guān)，投影函數(shù)Q(a)的表達(dá)式為：

式中：E(z)、R——代表投影值z(mì)(i)的均值和局部密度的窗口半徑，R值通常取0.1SZ；r(i，j)、u(t)——代表樣本之間的距離和單位階躍函數(shù)，t≥0 時(shí)u(t)取1，t＜0 時(shí)u(t)取0。

步驟3：投影函數(shù)Q(a)的優(yōu)化。最佳投影方向能夠最大程度地反映原高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征，為估計(jì)最佳投影方向引入最大化Q(a)求解問(wèn)題，可以表示成如下公式：

對(duì)于以投影方向?yàn)樽兞康姆蔷€性求解問(wèn)題利用以往的方法處理難度較高，故選用具有較強(qiáng)全局搜索能力且編程更加簡(jiǎn)潔的PSO 粒子群算法來(lái)處理。

1.3 PSO 算法處理

PSO 粒子群算法是一種群智能自適應(yīng)搜索進(jìn)化計(jì)算技術(shù)，其基本原理是將搜索空間內(nèi)的粒子視為每個(gè)優(yōu)化問(wèn)題的解，粒子的“優(yōu)劣”程度則取決于被優(yōu)化問(wèn)題的適應(yīng)值。粒子和群體經(jīng)過(guò)的最高位置就是個(gè)體極值(pbest)、全局極值(gbest)，即最優(yōu)解。采用以上2 個(gè)極值，粒子不斷更新形成新一代群體，全面搜索所有解區(qū)域。

設(shè)N代表種群規(guī)模，粒子i的速度、位置和適應(yīng)值用vi、xi、fi表示，在隨機(jī)產(chǎn)生初始速度和位置后，粒子通過(guò)跟蹤全局極值gbest(t)和個(gè)體極值pbesti(t)實(shí)現(xiàn)每一次的迭代更新。粒子在(t+1)時(shí)找到最優(yōu)解更新自己的速度、位置，可以表示成如下形式：

式中：c1、c2——代表學(xué)習(xí)因子；r1、r2——代表均勻分布于0~1 范圍的隨機(jī)數(shù)；w——代表慣性權(quán)重。全體粒子的gbest和每個(gè)粒子的pbest按照公式（6）~（7）更新，即：

式中：fi(t+1)、f[pbesti(t)]——代表粒子i在(t+1)時(shí)刻的適應(yīng)值和歷史最佳適應(yīng)值；xmax(t+1)——代表所有粒子在(t+1)時(shí)刻最大f[pbesti(t)]對(duì)應(yīng)的位置。實(shí)際優(yōu)化問(wèn)題決定每個(gè)粒子的適應(yīng)值fi，即優(yōu)化的投影方向，利用公式（2）和當(dāng)前粒子位置xi即可確定粒子適應(yīng)值Q(a)。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 區(qū)域概況

遼寧省位于中國(guó)東北地區(qū)南部，下轄丹東、本溪、大連、營(yíng)口、遼陽(yáng)、安全、鐵嶺、撫順、沈陽(yáng)、盤(pán)錦、朝陽(yáng)、阜新、錦州和葫蘆島14 個(gè)地市，總面積14.8 萬(wàn)km2。該區(qū)域?qū)儆跍貛Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，日照豐富，四季分明，雨熱同季，年降水量600~1100mm，雨量不均，西干東濕，主汛期(6~9 月)降雨集中且多強(qiáng)降雨。境內(nèi)入海河流有渾河、太子河、遼河、沿海諸河，出境河流有柳河、大凌河支流、青龍河、老哈河、渾江、東遼河和西遼河等，蒲石河、叆河、鴨綠江等為入國(guó)際河流[13-15]。

研究所用數(shù)據(jù)來(lái)源于遼寧省2008-2020 年統(tǒng)計(jì)年鑒、水資源公報(bào)、環(huán)境年鑒和國(guó)民經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料等，如表2 所示。2020 年遼寧省水資源開(kāi)發(fā)利用率42.5%明顯高于全國(guó)平均值20.1%，其中農(nóng)業(yè)用水比例88.6%高于全國(guó)平均值62.4%，而工業(yè)用水比例7.6%和生態(tài)用水比例0.7%低于全國(guó)平均值21.85%及2.4%，并且工業(yè)產(chǎn)值比例較高，如表2所示。長(zhǎng)期以來(lái)遼寧省地下水資源彈性系數(shù)處于較高水平，污染物及廢水排放對(duì)地下水水質(zhì)和耕地質(zhì)量等產(chǎn)生極大損害。因此，為了促進(jìn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境、水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，有必要科學(xué)評(píng)價(jià)研究水資源生態(tài)安全狀況。

2.2 最佳投影向量

采用Matlab2018b 軟件完成PSO-PPE 粒子群優(yōu)化投影尋蹤法相關(guān)運(yùn)算，依據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定最佳投影向量a=(0.145，0.036，0.247，0.196，0.087，0.001，0.205，0.002，0.236，0.051，0.421，0.250，0.261，0.001，0.001，0.316，0.039，0.433，0.405，0.037，0.001)，從而反映水資源生態(tài)安全受各參評(píng)指標(biāo)的影響。因此，萬(wàn)元工業(yè)產(chǎn)值耗水量、萬(wàn)元農(nóng)業(yè)產(chǎn)值耗水量、工業(yè)用水比例、水資源污染指數(shù)和人均實(shí)地面積5項(xiàng)指標(biāo)對(duì)水資源生態(tài)安全的影響最顯著。

從圖1 權(quán)重計(jì)算結(jié)果可知，水資源生態(tài)安全受社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的影響最顯著。另外，水資源配制對(duì)水資源生態(tài)安全影響顯著，通過(guò)減少萬(wàn)元工、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值耗水量可以緩解水資源短缺壓力，在一定程度上促進(jìn)資源經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。從環(huán)境污染與生態(tài)保護(hù)上，通過(guò)增加人均濕地面積有利于改善水生態(tài)安全狀況，然而生態(tài)環(huán)境因近年來(lái)污染物排放而出現(xiàn)嚴(yán)重破壞，對(duì)居民生活產(chǎn)生較大影響，生態(tài)環(huán)保逐漸引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，如工業(yè)廢水及污染物排放量呈先上升后下降的變化趨勢(shì)，2020 年水資源污染指數(shù)較2008 年減小35.48%，2013 年的水資源污染指數(shù)最高0.104t/104m3。所以，有效改善區(qū)域水資源生態(tài)安全狀態(tài)的措施包括嚴(yán)格控制污染物的排放、加強(qiáng)濕地保護(hù)以及提升水資源利用效率等。

圖1 各子系統(tǒng)對(duì)水資源生態(tài)安全的影響程度

2.3 生態(tài)安全變化趨勢(shì)

遼寧省2008-2020 年水資源生態(tài)安全變化趨勢(shì)如圖2，結(jié)果顯示總體表現(xiàn)出波動(dòng)上升的變化特征。其中2020 年萬(wàn)元工、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值耗水量和水資源污染指數(shù)較2008 年減少84.62%、61.11%、35.48%；2020 年單位面積廢水排放量較2008 年提高33.33%，在一定程度上影響著水資源生態(tài)安全。

圖2 水資源生態(tài)安全綜合投影值變化趨勢(shì)圖

依據(jù)表2 和圖1、圖2 可知，區(qū)域水資源生態(tài)安全具有較大增長(zhǎng)潛力，研究期間的發(fā)展態(tài)勢(shì)不均衡，2008-2013 年、2014-2017 年 和2018-2020 年的發(fā)展態(tài)勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定。2014 年較較前一年的水資源生態(tài)安全投影值增加66%，究其原因是工業(yè)用水比例、水資源污染指數(shù)等負(fù)向指標(biāo)較2013 年減少了8.87%、54.81%；2018 年較前一年的水資源生態(tài)安全投影值增加94%，究其原因是萬(wàn)元工業(yè)產(chǎn)值耗水量、工業(yè)用水比例、水資源污染指數(shù)、萬(wàn)元農(nóng)業(yè)產(chǎn)值耗水量等負(fù)向指標(biāo)較2017 年減少了28.57%、18.90%、40.43%、7.75%；2020 年的單位面積廢水排放量、土地墾殖比例、地下水開(kāi)采彈性系數(shù)等負(fù)向指標(biāo)較2008 年分別減少33.33%、62.90%、74.81%。因此，相關(guān)部門(mén)必須加強(qiáng)污水排放控制和廢水治理，逐步降低地下水資源開(kāi)采以及土地墾殖比例，制定科學(xué)的水資源利用方案等生態(tài)安全建設(shè)有益措施。

采用Matlab2018b 軟件計(jì)算確定各子系統(tǒng)投影特征值如圖3，結(jié)果顯示水資源生態(tài)安全受社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的影響最顯著。2008~2020 年生態(tài)環(huán)境、水資源子系統(tǒng)和水資源生態(tài)安全的變化趨勢(shì)基本一致，生態(tài)環(huán)境呈波動(dòng)上升趨勢(shì)而水資源系統(tǒng)略有下降。對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，2020 年萬(wàn)元工、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值耗水量較2008 年減少84.62%和61.11%，在很大程度上提高了該子系統(tǒng)的生態(tài)安全程度。水資源系統(tǒng)總體呈小幅降低趨勢(shì)，這主要與地下水過(guò)度開(kāi)采、水資源具有不確定性有關(guān)。2020 年和2012 年的人均水資源量為最高的706.2m3、481.5m3，該變化趨勢(shì)與水資源系統(tǒng)基本相同。2020 年相較于2008 年的水資源開(kāi)發(fā)利用率提高50.71%，主因是地下水開(kāi)采過(guò)度，從而使得水資源系統(tǒng)出現(xiàn)加速破壞現(xiàn)象。生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)表現(xiàn)出波動(dòng)上升趨勢(shì)，而導(dǎo)致這種變化的主要原因是2012 年較2011 年水資源污染指數(shù)(負(fù)向指標(biāo))增大44.93%，2018 年較2017 年人均濕地面積(正向指標(biāo))增加19.47%，這與水資源污染指數(shù)、人均實(shí)地面積、工業(yè)用水比例等指標(biāo)持續(xù)改善有關(guān)。

圖3 各子系統(tǒng)投影特征值變化趨勢(shì)圖

3 結(jié) 論

1） 依據(jù)相關(guān)研究成果和區(qū)域特點(diǎn)，從生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和水資源的角度選擇21 項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)體系，并對(duì)PPE 投影尋蹤法利用計(jì)算效率高、可調(diào)參數(shù)少、簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的PSO 粒子群算法加以優(yōu)化，實(shí)證分析遼寧省水資源生態(tài)安全發(fā)展歷程。結(jié)果表明，在研究評(píng)價(jià)水資源生態(tài)安全時(shí)該模型具有較好適用性和可行性。

2）2008-2020 年遼寧省水資源生態(tài)安全發(fā)展不均衡，但總體表現(xiàn)出波動(dòng)上升趨勢(shì)，其中2014年和2018 年各指標(biāo)發(fā)展不均勻是導(dǎo)致投影值躍升的主要原因。水資源生態(tài)安全受社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的影響最顯著，水資源污染指數(shù)、萬(wàn)元農(nóng)業(yè)產(chǎn)值耗水量、人均實(shí)地面積等指標(biāo)對(duì)水資源生態(tài)安全影響最顯著。因此，遼寧省水資源生態(tài)安全保護(hù)應(yīng)以加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境治理、降低廢水發(fā)放以及提高水資源利用效率為重點(diǎn)。