抚顺市水资源优化配置研究

彭 博

(辽宁省抚顺水文局，辽宁 抚顺 113015)

1 基本概况

抚顺市地处辽宁省东部山区，该区域人口密集且经济发展迅速。随着人口规模的扩大和经济社会的发展，抚顺市水资源系统受气候变化和人类活动的影响显著，河道断流、水环境污染等事件频发，部分河段的水污染程度远远超过河流的极限纳污能力，对抚顺市经济社会可持续发展和水生态文明建设造成不利的影响。因此，科学配置区域水资源状况，可为产业结构优化调整和合理利用水资源提供一定的依据[1-4]。

抚顺市城区位于浑河冲积平原，地理位置为E123°55′，N41°52′，下辖四区三县，总面积1.12万km2。该区域属于长白山系龙岗山脉，总体呈西南、东北走向，地形地貌有“八山一水一分田”之称，地势较高，海拔为400-500m。抚顺地区为大陆性季风气候，年降水量为760-790mm之间，年均气温5℃-7℃，气候温和，四季分明，夏秋季降雨集中，冬春季多风少雨。受季风气候和地形地貌影响，降水量时空分布极不均衡，其中50%以上的降水集中于7、8、9月。研究区降水量丰富、水资源储量充足，可利用水域面积6667hm2，各支流纵横交错、蜿蜒曲折，有太子河、浑河、清河等12条河流。全市大中型水库64座，水资源总量39.82亿m3，人均占有量1530m3。近年来，抚顺市依托其优越的环境条件和独特的地理优势迅速发展经济，污废水排放量和用水需求量急剧增大，水资源供给矛盾和水体污染问题现已十分突出，开发效益越来越低，有必要采用科学的方法分析水资源优化问题[5-7]。

2 水资源优化配置模型

2.1 BP网络原理和算法

在本质上，BP算法属于一种求解最小误差平方和的数学方法，在运算过程中BP神经网络可弥补传统方法存在的线性函数预测不足的缺陷，减少预测结果受主观因素的影响作用，BP网络的运算流程如图1所示。

2.2 需水量预测模型

2.2.1 建模思路

对于保护环境和社会发展水资源系统发挥着控制性作用，它是人类生活和生产活动的基本资料。所以，对经济社会区域尺度的需水准确预测，对于实现水资源合理配置和平衡水资源供需关系具有重要意义[8]。

农业、农业生产和居民生活需水为社会经济需水量的主要构成，覆盖范围广、影响因素多且各因素关系复杂。当前，比较常用的方法为用水定额法，但该往往需要庞大的数据支撑。在预测过程中，通常依据经验关系或历时数据资料进行需水量分析，但时间的变化与水资源需求量并不存在线性的关系，因此需水量预测模型按照时间序列外推并非完全准确合理；另外，考虑到不确定性、非线性的社会经济需水系统，增大了定量预测的难度。鉴于此，文章将BP网络和主成分法有效结合构建需水量预测模型。

2.2.2 需水预测因子

通过对抚顺市经济社会需水影响因子和水资源基本现状的分析，遵循系列资料相关性、可靠性和完整性原则初步建立预测因子集。

2.2.3 筛选因子

需水预测覆盖的范围广、因素较多，且各因素之间通常存在复杂的关联性。因此，文章利用降维思想对多个预测因子进行筛选，即采用主成分法将初始较多的因子选用几个综合变量替代，通过提取典型且彼此独立的指标，从而保证预测结果的准确性并大幅降低的计算量

2.2.4 因子预测

当前，应用最为广泛的基础预测法为趋势分析法，同时在所有预测中趋势外延法也得到一定程度的应用。因此，文章对规划水平年单个因子的指标值利用趋势分析及外延法预测。

2.2.5 归一化处理

通过数学的方法消除各特征因子存在的数据特性，让各评价因子之间保持良好的通透性和竞争能力，即为归一化的实质。通过归一化处理，可在同一个尺度上实现不同评价因子的比较和分析。

2.2.6 网络结构

Hoff学习算法为BP神经网络的基本依据，为了比较合理的输出预测结果需要结合输入情况对网络结构进行训练。BP网络主要包括隐含、输入和输出3个模块，通过加权上一层神经元输出确定输出层、隐含层的输入，经过不断的传递运算实现各层次的输入和输出。一般情况下，隐含层存在多个层次，依据相关定理对于给定的权值和网络结构可任意逼近连续函数。模型的设置如下：

1)设置网络结构：文章对研究区域的总需水量依据多个因子预测，预测因子个数决定了输入层的维数，而输出层为总需水量仅有一层，由此确定这两层个数；根据BP网络的多次拟合运算采用试错法确定隐含层个数。

2) 设置传递函数：客观事物的复杂关系利用高度非线性映射、高度容错性的样本学习与训练过程描述，对隐含层的变换计算使得讯号经过输出节点形成相应的输出值，非线性Sigmoid激活函数为传递过程中输出节点与隐含层的运算公式。

3) 设置主要参数：随着学习速率的增加网络学习参数的步进就越高，即lr值就越大。若设定的学习速率太小则收敛运算时间较长，若设定的速率太大则运算过程不稳定，学习效率lr经过多次测试后最终设定为0.03。

最速下降动量法属于一种能够提供更快收敛速度的增加方式算法，mc为其参数，依据误差曲面最近趋势和当前梯度动力允许网络进行响应。在局部小范围内若不没有动量则网络停顿，存在动量则可以实现最小的平滑过渡。通过改变权重动量可在网络学习中，加入获取的相同变化内容。采用一个动量常数表示动量受上一权重变化的作用，其取值区间为0-1范围，文章设定mc值为0.8。BP网络的收敛精度为0.001，最大迭代次数2000，,即网络终止运算的条件为真实值与拟合值误差平方≤0.001或最大进化迭代次数超过20000次。

2.2.7 需水预测

根据以往的数据资料生成并训练BP网络，然后将规划水平年各参数值输入训练好的神经网络，定量预测区域需水量，建模流程如图2。

2.3 目标函数

结合抚顺市水资源和经济社会状况，将社会、经济、环境效益和综合满意度分别作为子函数与目标函数，其表达式为：

P=ω1P1+ω2P2+ω3P3

Pi=Pi/Pi,max

式中：P1、P2、P3、P为社会、经济、环境效益和综合满意度；ω1、ω2、ω3为社会、经济、环境效益的权重，且满足条件ω1+ω2+ω3=1。

3 抚顺市水资源优化配置

3.1 节水方案

综合考虑强化和适度节水两种情况设置节水方案，强化节水的工业用水、人均生活用水定额分别为14m3/万元、160L(人·d)；适度节水的工业用水、人均生活用水定额分别为18m3/万元、170L(人·d)。

结合抚顺市水资源利用现状和相关资料，设置4种不同的发展方案：

方案一：强化节水和工业适度发展方案。该方案注重强调水资源的节约利用，将节水作为该方案的第一目标，以水资源最严格管理为根本要求适度满足工业发展，一般适用于水资源严重短缺、经济发展较为发展的区域。

方案二：强化节水和工业高增长方案。该方案注重强调水资源节约利用和工业快速增长为目标，二者的重要性程度相当，通常适用于经济欠发达且水资源较短缺的地区，实现该方案的难度较大，一般需要新技术、新工艺或先进的技术设备。

方案三：适度节水和工业适度发展方案。该方案强调突出节水和工业发展的协调匹配性，以满足节水和工业适度发展为基本原则，往往适用于经济较为发达且水资源比较充足的地区，比较容易实现水资源的可持续利用。

方案四：适度节水和工业高增长方案。该方案强调突出工业快速增长为目标，对节水的要求相对较弱，一般适用于水资源丰富而经济较落后的地区。

3.2 需水预测

针对多个变量因子利用主成分法筛选，通过分析主成分矩阵最终确定社会经济总需水量主要预测因子，即林牧渔用水量C6、工业增加值C4、有效灌溉面积C3、农业人口数C2及非农业人口数C1，见表1。

表1 总需水量预测主成分矩阵

对规划水平年单个因子值利用趋势分析法及拖延法确定，由此获取抚顺市2030年各预测因子值，见表2。

表2 抚顺市2020年预测因子值

采用归一化计算公式将以上带量纲的因子值进行处理，将矩阵的每一列统一处理至-1-1之间的数值，从而保证了模型收敛运算速度和各因子间的可比性。

运用训练好的BP网络和之前预测的5个因子值，综合分析研究区总需水量，通过反归一化处理确定抚顺市2030年方案1、2、3、4的经济社会需水量，依次为6.18、4.35、6.82、7.10亿m3，详见表3。

3.3 方案优选

由各子目标评价因子构成的多目标评价体系即为水资源合理配置综合评价系统，文章从环境、经济和社会效益满意度3个层面进行方案的优选分析。

1) 社会效益满意度。考虑人均生活需水定额指标的社会效益满意度，方案1-4和现状年抚顺市的城镇人均生活用水定额依次为160、160、170、170、146L/(人·d)，方案1-4的满意度依次为0.850、0.850、0.855、0.855。

2) 经济效益满意度。考虑工业增加值指标的经济效益满意度，根据水量增长率控制状况和各方案的定额确定1-4方案的工业增加值，依次为370、391、382、385亿元，所对应的满意度依次为0.902、0.958、0.916、0.924。

3) 环境效益满意度。考虑生产生活污染物排放指标的经济效益满意度，抚顺市2030年的方案1-4的满意度依次为0.920、0.922、0.915、0.913，详见表4。

表4 抚顺市2030年环境效益满意度

3.4 综合优化配置

考虑到不同目标函数的单位量纲存在较大差异的情况，对于多目标函数的优化求解往往存在较大的难度。因此，文章对多目标函数利用普遍应用的加权法进行单目标处理。各子目标权重利用专家意见法确定，该方法是通过匿名发表意见的方式确定评价样本中，各成员间彼此独立且无法交流。经过反复多次的填写意见，参与评价的成员逐渐达成共识，确定的环境、经济和社会子目标的权重为0.18、0.45、0.37。根据权重计算机构确定各方案的综合满意度为0.922、0.941、0.916、0.930，详见表5。因此，抚顺市水资源配置的最优方案为强化节水和高工业增长方案，即方案2。

表5 抚顺市水资源配置综合满意度

4 结 论

综合考虑环境、经济、社会等方面因素构建抚顺市水资源优化配置模型，对设计的多个方案利用BP神经网络进行模拟分析。实例表明，该模型具有较强的实用性和可行性，可为实现抚顺市经济社会健康发展和水资源合理利用提供一定依据，为产业结构调整和其它需水量预测提供科学的指导。水资源优化配置应综合考虑优化技术、方案、经济社会、水环境状况和水资源供给矛盾等因素，通过合理安排经济布局和产业结构，加大供给保障能力和水源工程建设，方可实现区域安全可靠的用水。