丹东市水资源开发利用程度评价

曲子良

（辽宁省丹东水文局，辽宁 丹东 118001）

为满足居民生活、工农业生产及生态环境日趋增长的用水需求，各地区水资源开发利用程度持续提高，而区域水资源开发总是受到特定的经济技术水平、自然环境条件的限制[1]。因此，水资源开发利用程度评价既可以反映区域经济发展水平，还能够量化水资源开发利用潜力，为实现经济、资源与生态的协调可持续发展提供保障。

近年来，随着科学研究的深入和网络信息技术的快速发展，涌现出了许多综合考虑定量计算与定性分析的数学方法，如组合赋权-模糊综合法、物元分析法、主成分法、密切值法和集对分析法等，以上方法被广泛应用于水资源等领域[2-6]。然而，在评价过程中这些方法都比较依赖于权重的计算，而人为主观臆断性在一定程度上影响着权重的确定，若利用多种方式或方法验证时又会增加评价的复杂性。水资源开发利用程度评价涉及经济、社会、环境、水资源等诸多方面，这是一项复杂的系统性问题，BP 网络算法由于具有较好的识别性能，可以有效解决复杂系统问题，现已被广泛应用于多个领域[7-10]。因此，文章从社会经济生态系统、开发利用系统和水资源系统的角度，利用BP 网络算法和模糊数学法评价丹东市水资源开发利用程度，实现了区域水资源利用现状的定量评价，可为水资源可持续利用和科学管理提供一定支持。

1 BP 网络模型

1.1 网络结构

BP 网络模型是一种基于反向传播过程不断调整网络阈值和权重，从而实现非线性问题求解的多层次前馈性计算方法，具有自学习能力强、运算效率高和适用范围宽等特点。网络拓扑结构从上而下依次为输入层、隐含层和输出层，各层次以全连接的方式相连接，如图1 所示。

图1 BP 网络拓扑关系

1.2 学习算法

首先，初始化网络阈值和权值，输入训练样本数据，经隐含层计算后输出误差值，然后反向传播误差直至计算精度达到预先设定要求，完成学习训练。最后，采用已训练好的网络结构，借助Matlab软件实现区域水资源开发利用程度评价，详细流程见文献[11-12]。

2 实例应用

2.1 研究区概况

丹东市位于辽宁省东南部，总面积15290km2，扣除鸭绿江公用水面以外，水资源计算面积为14973km2；全境按流域划分为浑江、蒲石河、爱河、鸭干、鸭～大、大洋河及太子河7 个五级区；按行政划分为宽甸、凤城、东港、振安、元宝及振兴6个三级区。丹东市属温暖带亚湿润季风型气候，年均降水量881.3～1087.5mm，其中夏季占2/3，7～8月为暴雨集中期。丹东市水源充足，降水量较多，但随着经济的发展各行业用水量急剧增大，对水资源开发利用程度不断提高，局部地区存在春季干旱、地下水超采、水环境污染、开发难度加大、开采成本逐渐提高等问题。

2.2 评价体系

文章结合丹东市水资源供用耗情况、经济社会发展水平以及水资源自然禀赋条件，遵循代表性、系统性、可获取性和独立性等原则，从社会经济生态系统、开发利用系统和水资源系统选择11 项指标构建评价体系如表1 所示。

表1 综合评价体系及指标计算方法

依据丹东市水资源特点和实际开采现状，将开发利用程度划分成V1(饱和阶段)、V2(过渡阶段)、V3(初始阶段)三个等级，依次代表水资源开发利用潜力较小、中等和较大，各等级阈值如表2 所示。

表2 不同等级阈值范围

以2020 年为现状年，结合丹东市政府网站资料、水资源公报、统计年鉴、国民经济与社会发展公报等，收集整理各辖区及全市水资源相关数据如表3 所示。

表3 各分区水资源初始数据

2.3 计算流程

1）创建BP 网络模型。合理确定各层次节点数直接决定着BP 网络的运算速度及误差精度，这也是保证评价结果科学合理的关键环节[13]。在创建网络结构时，对于11 项参评指标设定输入层11 个节点数；采用经验公式“n=2m+1”初步设定隐含层节点数为23，再按照精度要求利用公式不断调试，其中a取值区间为1～10，n、m代表隐含和输入层节点数；输出层为评价等级，考虑到设定的V1、V2、V3等级，故设定输出层3 个节点数。

2）训练学习。借助Matlab 软件创建BP 网络模型，各层次间的传递函数为logsig 和tansig，训练函数为trainlm。训练样本源自各等级标准值中随机选取的48 组数据，设定学习速率0.001，最大训练次数20000，经反复训练学习直至运算误差E ≤0.00001，则终止训练。

3）结果输出。采用训练好的BP 网络结构，输入表3 个指标初始数据，经一系列运算输出丹东市及其各辖区水资源开发利用程度，如表4 所示。

表4 BP 网络输出

2.4 适用性验证

为进一步检验BP 网络模型的适用性与可靠性，参考文献中的计算公式利用组合赋权-模糊数学法再次评价丹东市及其各辖区水资源开发利用程度，如表5 所示。该方法主要是采用熵权法和AHP 法计算各指标组合权重，然后利用隶属函数计算所有指标隶属于不同等级的程度，经模糊数学运算按照最大隶属度准则确定最终的评价等级[14]。

表5 验证分析

从表5 可以看出，BP 网络模型与组合赋权-模糊数学法评价结果基本一致，除元宝区评价结果相差一级外(组合赋权-模糊数学法为V1级、BP网络模型为V2级)，其它地区的评价等级均相同。因此，在评价区域水资源开发利用程度时BP 网络模型表现出较好的适用性与可行性，运算速度快，计算精度较高。

2.5 结果分析

由表4 可知，丹东市整体仍具有一定的水资源开发利用潜力，BP 网络输出达到V2级，当前正处于中间过渡阶段。具体而言，各地区的开发利用程度存在较大差异，水资源空间分布特征与开发利用程度基本一致[15-16]。例如，水资源丰富的凤城市、东港市开发利用潜力较大，BP 网络输出达到V3级，当前处于初级阶段；而水资源相对短缺的宽甸县开发利用潜力较小，BP 网络输出达到V1级，当前处于饱和阶段；振安区、元宝区、振兴区仍有一定的水资源开发利用潜力，BP 网络输出达到V2级，当前处于过渡阶段。

3 结 论

1）采用BP 网络模型评价丹东市水资源开发利用程度，并利用组合赋权-模糊数学法验证该模型的可行性与适用性，结果显示BP 网络模型能够准确合理地评价区域水资源开发利用现状，计算速度快，运算精度高，可有效避免了传统方法在权重计算时的复杂性和主观性问题。

2）结合评价结果，丹东市整体仍具有一定的水资源开发利用潜力，BP 网络输出达到V2级，当前正处于中间过渡阶段。各地区的开发利用程度存在较大差异，水资源空间分布特征与开发利用程度基本一致，东南部的开发利用潜力较大，而水资源相对短缺的西部开发潜力较小，其它地区处于过渡阶段。因此，丹东市水资源自然禀赋条件与开发利用程度保持一致，也表现出空间分布不均的情况，为实现水资源可持续利用必须加强优化配制，加强引调水工程建设，促进水资源的均衡利用。