基于最严格水资源管理制度的水质型缺水地区节水型社会建设评价

2016-11-18刘飞飞方国华

水利经济 2016年5期

关键词：昆山市节水型缺水

刘飞飞,方国华,高颖,刘芹

(河海大学水利水电学院,江苏南京 210098)

基于最严格水资源管理制度的水质型缺水地区节水型社会建设评价

刘飞飞,方国华,高颖,刘芹

(河海大学水利水电学院,江苏南京 210098)

在分析水质型缺水地区节水型社会建设内涵及特点的基础上,以最严格水资源管理“三条红线”为准则,构建包括目标层、准则层、领域层和指标层4个层次结构的水质型缺水地区节水型社会建设评价指标体系,建立基于混沌遗传算法和投影寻踪的节水型社会建设评价模型,并以昆山市为例,评价其节水型社会建设水平。研究结果表明:昆山市2012年、2014年和2020年的节水型社会建设水平均为良好,2025年为优秀,与实际情况及规划目标相符,说明该指标体系和投影寻踪模型具有一定的可操作性及有效性。

最严格水资源管理;水质型缺水;节水型社会;评价指标体系;投影寻踪;混沌遗传算法

我国南方地区水资源量丰富,但随着经济的快速发展和人口的急剧增加,对水资源量的需求相应增加,同时水体污染也日益严重,由此导致的水质型缺水问题已成为制约区域经济社会发展的重要因素。中共中央2011年1号文件《关于加快水利改革发展的决定》、国务院2012年3号文件《关于实行最严格水资源管理制度的意见》以及2014年习近平总书记提出的 “节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路,都对节水型社会建设做出了明确的要求和部署。节水型社会建设有助于促进区域经济产业结构调整,提高水资源利用效率和效益,优化配置水资源,改善水环境,加强节水减污,是有效落实“资源节约型”和“环境友好型”社会建设的重要环节,是解决水资源问题的一项战略性任务。

国内外已有不少学者对节水型社会建设评价做了相关研究,指标体系方面大多是按水资源、生态环境和社会经济3个系统展开,而以最严格水资源管理制度“三条红线”(水资源开发利用控制红线、用水效率控制红线、水功能区限制纳污红线)为准则建立的指标体系尚不多见;在评价方法上,较常见的如层次分析法、熵权法、主成分分析法等需确定权重的方法,而如投影寻踪法等可避免专家赋权的方法应用较少[1-4]。为此,笔者在已有研究成果的基础上,以最严格水资源管理“三条红线”为基础,构建针对我国南方水质型缺水地区的节水型社会建设评价指标体系,建立基于混沌遗传算法和投影寻踪的节水型社会建设评价模型,并以昆山市为例进行研究,对水质型缺水地区节水型社会的建设具有重要意义和实际指导作用。

1 水质型缺水地区节水型社会建设评价指标体系的建立

1.1 内涵与特点

水质型缺水是指水量比较丰富,但是由于受到污染而导致可供使用的淡水资源紧缺的现象。针对水质型缺水地区,节水是以源头控制方式解决区域水污染问题的重要措施,节水型社会建设的主要任务是“节水”和“减污”[5-6],即以全面落实科学发展观,深入贯彻习近平十六字工作方针等为指导思想,以协调统筹生活、生产、生态需水为出发点,以提高水资源利用效率和效益为核心,以加强水资源的管理和保护为重点,以制度建设和机制创新为动力,推进用水方式的根本转变。积极创建各类节水载体,严格按照“三条红线”的要求,建立政府调控、市场引导、公众参与的节水型社会体系,开展水效“领跑者”、节水标杆引领行动,推行合同节水管理,创新节水管理体制,培育和强化社会公众节水意识,全面推进体系完整、制度完善、设施完备、高效利用、节水自律、监管有效的节水型社会建设,从而有力支撑区域经济社会的可持续协调发展。

表1 水质型缺水地区节水型社会建设评价指标体系及评价标准

1.2 评价指标体系的构建

以科学性和全面性、代表性和独立性、可比性和可操作性、定性与定量等为原则[7],根据最严格水资源管理“三条红线”,结合水质型缺水地区节水型社会建设内涵与特点,建立了包括1个目标(目标层)、3大准则(准则层)、8个领域(领域层)和26个指标(指标层)的水质型缺水地区节水型社会建设评价指标体系,如表1所示。其中,目标层为节水型社会建设评价,处于整个指标体系的最高层,是水质型缺水地区节水型社会建设和最严格水资源管理“三条红线”的综合体现;准则层包括水资源开发利用控制、用水效率控制和水功能区限制纳污控制,针对水质型缺水地区以节水减污为主要任务、以提高水资源利用效率和效益为核心的特点,将“三条红线”有机地融入节水型社会建设评价中;领域层将准则层细分,反映了水资源系统、生活、农业、工业、非常规水源、节水管理、生态环境等各个领域的节水情况;指标层中的每一个指标都能从某一方面反映其对节水型社会建设评价的影响,且相互独立,互不影响,笔者选取的26个指标均已量化[8-10]。其中,值得说明的是,准则层中3个准则在指标数量上,用水效率控制虽远远多于水资源开发利用控制和水功能区限制纳污控制,但是三者既有区别,又有联系,水资源开发利用控制在一定程度上可提高用水效率和减少污染物,用水效率的提高可有效减少用水总量和污染物,水功能区限制纳污的有效控制可间接地增加用水总量,从而有效缓解水质型缺水问题。同时,为了评估水质型缺水地区的节水型社会建设水平,笔者参考已有研究成果[11-12],包括区域相关法规和国内外先进节水指标情况等,结合水质型缺水地区特点,确定水质型缺水地区节水型社会建设评价分级标准,共分为起步、初级、中等、良好、优秀5个等级,见表1。

2 基于混沌遗传算法和投影寻踪的节水型社会建设评价模型

2.1 投影寻踪聚类模型

投影寻踪(Projection Pursuit, PP)法[13]是1972年由美国科学家Kruscal提出的一类新兴的多元数据分析的数学方法,其具体思路是将影响问题的多因素指标通过聚类分析,得到反映其综合指标特性的投影特征值,然后建立与因变量之间的一一对应关系函数,从而进行分析与研究,避免了专家赋权的人为干扰。笔者将投影寻踪聚类模型应用于节水型社会建设评价中,根据给定的评价标准,利用投影特征值对评价样本进行等级评价,即基于投影寻踪的节水型社会建设等级评价模型。

2.2 混沌遗传算法

混沌遗传算法(Chaos Genetic Algorithm, CGA)利用混沌运动的遍历性、随机性、规律性和遗传算法的反演性特点,将2种算法耦合,提高了传统遗传算法的收敛速度和优化效果。该算法的基本思想是利用混沌优化算法的随机性和遍历性改善初始种群质量,并对遗传操作即选择、交叉、变异后的种群附加混沌扰动,以避免搜索过程陷入局部极值[13-14]。

2.3 基于混沌遗传算法和投影寻踪的节水型社会建设评价模型建立与求解

投影寻踪聚类模型求解的关键是优化投影指标函数,是一个复杂的非线性优化问题,笔者在传统遗传算法的基础上,加入混沌变异操作,用于投影寻踪聚类模型的求解,并将其应用到节水型社会建设评价中,构建基于混沌遗传算法和投影寻踪的节水型社会建设评价模型,其求解基本流程见图1,具体求解步骤[13-15]如下:

对于越大越优(正向)的指标:

(1)

式中：xmax(j)和xmin(j)分别为第j个指标值的最大值和最小值,x(i,j)为指标值归一化的序列。

对于越小越优(逆向)的指标:

(2)

Step 2 构造投影指标函数Q(a)。PP法就是把p维数据{x*(i,j)|j=1, 2,…,p}综合成以a={a(1),a(2),a(3), …,a(p)}为投影方向的一维投影值z(i),即

(3)

投影指标函数可以表达成:

(4)

式中：Sz为投影值z(i)的标准差；Dz为投影值z(i)的局部密度,即

(5)

式中：E(z)为序列{z(i)|i=1,2,…,n}的平均值。

(6)

式中：R为局部密度的窗口半径,一般可取为0.1Sz;r(i,j)为样本之间的距离,r(i,j)=|z(i)-z(j)|;μ(t)为一单位阶跃函数,当t≥0时,其值为1,当t<0时其函数值为0。

Step 3 利用混沌遗传算法优化投影指标函数。当各指标值的样本集给定时,投影指标函数Q(a)只随着投影方向a的变化而变化,因此可以通过求解投影指标函数最大化问题来估计最佳投影方向,即

maxQ(a)=SzDz

(7)

(8)

其中,混沌遗传算法优化投影指标函数的具体步骤为:

a. 编码并确定变量取值范围[a,b]、群体规模N、交叉概率Pc、变异概率Pm、最大迭代次数T等参数。

b. 用随机方法在[0,1]上产生初始值序列,利用式(9)所示的Logistic映射,产生初始混沌序列,将初始混沌序列按式(10)映射到优化变量的可行域[a,b]，即可得到初始投影方向向量组a={a(1),a(2),a(3), …,a(p)}。

(9)

(10)

式中:λ为控制参数,取值在0～4之间,当λ=4时,系统处于混沌状态。

c. 计算种群的适应度值fi,i=1,2,…,N。

e. 根据适应函数计算种群中个体适应度值。对适应度值小的部分个体加一混沌扰动,若新个体适应度值大于原个体适应度值,则新个体替换原个体进入下一代种群,否则原个体进入下一代种群。

f. 重复步骤c～e,直到终止条件得以满足。

表2 昆山市节水型社会建设评价指标值

Step 4 节水型社会建设等级评价。将求得的最佳投影方向a*代入式(3),可得节水型社会建设评价等级标准表中各标准等级样本点的投影值z*(i),根据各标准等级及其对应的投影值z*(i)建立投影寻踪等级评价模型y*=f(z),即得到评价标准各等级的投影值范围,然后将待评价样本归一化处理,用同一个最佳投影方向计算待评价样本的投影值z(i),将投影值z(i)代入投影寻踪等级评价模型y*=f(z),最后得出各评价样本的所属评价等级。

图1 基于混沌遗传算法和投影寻踪的节水型社会建设评价模型求解基本流程

3 实例研究

3.1 研究区概况

昆山市位于江苏省东南端太湖下游的长三角核心地带,是著名的江南水乡,分属太湖流域中的阳澄和淀泖2个水系,总面积931.51 km2,水域面积154.4 km2。全市属于北亚热带南部季风气候区,气候温和湿润,多年平均降水量1 133.3 mm。昆山市境内河网纵横交叉,共有大小河道2 800余条,当地水资源量不足,多年平均水资源量为4.02亿m3,过境水资源量丰富,多年平均过境水量为26.98亿m3。2014年末,全市常住人口为165.03万人,实现地区生产总值3001.02亿元,三次产业结构为1.0∶5.2∶42.8;全年总用水量为4.87亿m3,其中,工业用水占42.1%。昆山市属于工业化城市,经济发展较快,同时生产生活排放的污染物和上游较差的来水水质,严重危害了水资源质量,已成为典型的水质型缺水城市。此外,昆山市已于2007年被命名为第三批节水型城市,又于2015年成功创建成为江苏省节水型社会示范区,说明昆山市在节水建设方面的成就比较突出。故笔者选取昆山市为实例进行水质型缺水地区节水型社会建设评价研究,对昆山市节水型社会建设及社会经济发展具有一定的现实意义和指导作用。

3.2 昆山市节水型社会建设评价

3.2.1 昆山市节水型社会建设评价指标值的确定

根据《昆山市节水型社会建设规划(2015—2025年)》、《昆山市水利志(1986—2010)》、《昆山统计年鉴》(2013—2015年)、苏州市水资源公报以及其他相关规划报告等,确定昆山市节水型社会建设评价历史年2012年、现状年2014年以及规划年2020年、2025年各指标值如表2所示。

3.2.2 昆山市节水型社会建设评价模型求解与结果分析

从各年份投影值所处等级看,评价结果总体符合昆山市实际情况,说明笔者建立的基于最严格水资源管理制度的水质型缺水地区节水型社会建设评价指标体系及投影寻踪模型具有一定的可行性。①2012年与2014年已处于良好偏中等水平,由此可见昆山市从2007年成功创建成为国家节水型城市后,经过多年在节水方面所做的努力,尤其是近几年在最严格水资源管理制度 “三条红线”、水利发展“十二五”规划等指导下,进行了包括完善节水体制、推进节水先进技术与节水工程建设、加强计划用水定额管理及“三同时”工作、开展节水载体建设及节水宣传教育等工作,节水型社会建设已达到较高的水平,并于2015年成功创建成为江苏省节水型社会示范区;②2014年与2012年投影值相差0.011 2,2020年与2014年相比增加了0.237 9,2025年将达到优秀,说明昆山市节水型社会建设水平整体呈现平稳增长趋势;③规划年预测结果与《昆山市节水型社会建设规划(2015—2025年)》中所定目标即2020年水资源利用效率与效益显著提高,2025年各项节水指标达到国际先进水平的目标基本相符。

对单个指标值进行分析可知,城市再生水回用率、灌溉水利用系数、工业用水重复利用率、非常规水源利用率、水平衡测试率等总体偏低,未来昆山市应将节水先进技术与节水工程改造作为重点,推进灌区节水改造与企业节水减排示范项目建设,加大开发非常规水源利用,提高水资源利用效率与效益,同时,加大节水专项资金投入,将节水型社会建设作为全市的重点开展。

4 结语

通过分析水质型缺水地区节水型社会建设内涵与特点,以最严格水资源管理“三条红线”为准则,构建了水质型缺水地区节水型社会建设评价指标体系,建立了基于混沌遗传算法和投影寻踪的节水型社会建设评价模型,最后以昆山市为例,评价其节水型社会建设水平,结果表明:①昆山市2012年和2014年的节水型社会建设水平均为良好,与实际情况相符,2020年为良好,2025年为优秀,与规划目标吻合,说明笔者建立的评价指标体系和投影寻踪模型具有一定的可操作性及有效性。②投影寻踪方法通过寻求最佳投影方向能够将高维数据映射到低维子空间,形成综合评价指标集进行分析,在一定程度上避免了专家赋权的人为干扰,更为科学合理。③将混沌遗传算法与投影寻踪聚类模型结合,具有计算速度快,收敛效果好,避免陷入局部极值的优点,该模型具有一定的理论和实际应用价值。

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