基于BP人工神經網(wǎng)絡的河流生態(tài)健康預警

徐 偉，董增川，付曉花，談娟娟，劉 倩，杜芙蓉

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇南京 210098;2.江蘇省水利廳水資源處，江蘇南京 210029)

近幾十年來，隨著國家的大力投入與建設，灤河流域已經形成較完整的水利工程體系，并在流域防洪、供水等方面發(fā)揮了重要作用。但隨著社會經濟的迅猛發(fā)展，人類活動的日益加劇和自然氣候的變化，灤河生態(tài)健康狀況日趨惡化，其中1998年灤河干流大黑汀至河口(巖山渠首以下)段曾出現(xiàn)連續(xù)322 d的斷流情況，入海水量大幅度減少，水資源供需矛盾尖銳，加之河道污染嚴重，優(yōu)良魚種消失，濕地嚴重退化等，已經嚴重威脅著灤河的河流健康和流域的供水安全、糧食安全和生態(tài)安全。

隨著國內外許多河流生態(tài)狀況的惡化，河流生態(tài)健康逐漸成為研究的熱點［1］。王光謙等［2］曾依據(jù)評價河流健康的指標體系，將影響河流生態(tài)健康的因素分為:水體形態(tài)因素、水動力因素、水環(huán)境因素、水生態(tài)因素、社會經濟因素;胡春宏等［3］也從河道健康、河流生態(tài)系統(tǒng)健康和河流的社會經濟價值來研究河流健康。目前普遍認為河流健康的內涵基本上是從河流的自然生態(tài)環(huán)境功能和社會服務功能兩方面出發(fā)，即認為河流生態(tài)健康具備如下:(a)河流自身結構完整，功能完備;(b)具有滿足自身維持與更新的能力，能發(fā)揮其正常的生態(tài)環(huán)境效益;(c)滿足人類社會發(fā)展的合理要求［3］。

筆者從河流健康的這一基本內涵出發(fā)，在已有河流健康評價研究的基礎上選取灤河為案例，進行河流生態(tài)健康預警研究。

1 河流生態(tài)健康預警基本理論

預警的思想最早實踐于20世紀50年代的軍事領域，后又廣泛應用于經濟領域［4］和氣象領域。生態(tài)健康預警是在工業(yè)化發(fā)展過程中由于環(huán)境污染促使社會對環(huán)境問題重視而發(fā)展起來的，其主要理論可以分為區(qū)域學派、系統(tǒng)動力學派、資源學派、未來學派、協(xié)同學派等［5］。

河流生態(tài)健康預警是以警報為導向、以矯正為手段、以免疫為目的的一種科學管理模式。警報是通過河流生態(tài)健康狀況的不同閾值水平，對相關指標進行監(jiān)測，從而識別河流所面臨的健康危機，并發(fā)出警報;矯正是指針對曾經出現(xiàn)或者將來可能出現(xiàn)的河流生態(tài)健康問題，提出調整措施并及時糾正過去不完善或者是錯誤的制度和行為，以促成河流在非均衡狀態(tài)下實現(xiàn)自我均衡，從而使河流朝著正常健康的軌道發(fā)展［6］。按照對河流生態(tài)健康內涵的理解，河流生態(tài)健康預警是包括河流自然生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)和社會經濟服務子系統(tǒng)等諸多組成部分的警情分析、警兆識別、警源尋找和警患排除的決策全過程。其預警過程包括以下幾個方面:

a.確定警情。明確警情是河流生態(tài)健康預警的起點。警情可以從兩方面來考察，其一是警素，其二是警度。警素是指構成警情的指標，在河流生態(tài)健康預警過程中，警情可以表現(xiàn)在某個考核指標上，也可以表現(xiàn)在某個子系統(tǒng)出現(xiàn)的狀況;警度是警情所處的狀態(tài)，也即其嚴重程度，一般可以劃分為無警警度、輕警警度、中警警度、重警警度和劇警警度，用不同顏色的指示燈表示。

b.尋找警源。警源就是發(fā)生警情的根源，在河流生態(tài)健康預警過程中就是河流生態(tài)健康發(fā)生病變的“病因”。尋找警源既是分析警兆的基礎，也是排除警患的前提。由于系統(tǒng)之間存在替代、共生、此消彼長等復雜關系，警源往往比較復雜。不同警素的警源指標各不相同，即使同一警素，在不同的時空范圍其警源指標也可能不相同。因此，針對具體的警素，必須具體分析，直至找到問題的癥結所在。

c.識別警兆。警兆即警素發(fā)生變化后引發(fā)警情變化的前兆。一般情況下，警素不同則警兆也不同;警素相同，但時空條件不同也可能表現(xiàn)出不同的警兆。警兆與警素之間可以直接關聯(lián)，也可以間接關聯(lián)。河流生態(tài)系統(tǒng)面臨的不確定性因素很多，其警兆是在一特定區(qū)域內由不確定性因素引發(fā)的可能發(fā)生的安全問題及后果。氣候變化因素引發(fā)的警兆主要表現(xiàn)在，由于氣候狀況發(fā)生變化的不確定性導致的各種健康突變，如厄爾尼諾現(xiàn)象導致全球變暖;人類活動變化因素包括水利工程、水土保持、城鎮(zhèn)化、地下水開采、工礦開采等，如引灤工程的運行使用水量增加必然會使河道水量減少，河道的適宜生態(tài)流量可能就無法保證，從而使河流生態(tài)健康狀況變差。

d.預報警度。警源和警兆確定后就要分析警兆和警素之間的數(shù)量關系，找出與5種警情相對應的警兆范圍，然后依次進行精度判斷。預報警度是以一個或多個警素相關的警兆來預報警情的嚴重程度，這是預警的直接目的。河流生態(tài)健康預警可以根據(jù)事先設定好的預警標準確定警度，其健康評價等級、警度以及預警信號之間的映射對照關系如圖1所示。

2 河流生態(tài)健康預警模型構建

2.1 BP人工神經網(wǎng)絡預警模型構建

BP人工神經網(wǎng)絡［7-9］是在對人腦神經網(wǎng)絡基本認識的基礎上，用數(shù)理統(tǒng)計方法從信息處理的角度對人腦神經網(wǎng)絡進行抽象，并建立某種簡化模型?；贐P人工神經網(wǎng)絡的河流生態(tài)健康預警模型構建是將已有的河流生態(tài)健康指標體系近似作為警源指標體系，利用BP人工神經網(wǎng)絡尋找已有規(guī)劃值的指標與沒有規(guī)劃值的指標的潛在聯(lián)系，預測沒有規(guī)劃值的各指標值，即確定各警源指標值的變化，再根據(jù)模糊物元可拓評價模型，預測河流的未來健康狀態(tài)，確定相應的警度，并發(fā)出預警信號。發(fā)出預警信號后，還可從警源、警兆角度提出河流生態(tài)的修復治理措施，從而排除警患，解除警情。

2.2 警源指標體系構建

警源指標體系即河流生態(tài)健康指標體系，構建時主要借鑒了國內外已有的河流健康評價指標體系［10-13］。所構建的指標體系分為自然生態(tài)功能和社會服務功能兩部分，包括河流形態(tài)特征、水量特征、水質特征、水生生物特征、景觀特征、生境特征以及防洪安全、供水水平等8個準則層，并細化為13個指標，如表1所示(表中括號內數(shù)字表示權重，其值的確定方法為專家評分法)。

表1 河流生態(tài)健康指標體系(灤河)Table 1 Index system of river ecosystem health(Luanhe River)

河流生態(tài)健康具有相對性，不同區(qū)域、不同類型的河流在不同時期面對不同的社會期望，其評價標準也不盡相同。一般來說其評價標準確定的依據(jù)有:(a)國家、行業(yè)和地方規(guī)定的標準和規(guī)范，如《水生態(tài)城市試行標準》;(b)國家和地方發(fā)展規(guī)劃目標和要求;(c)參考國內外已有的研究成果;(d)公眾參與等。按此依據(jù)將灤河的健康評價指標標準分為健康、亞健康、輕度疾病、疾病、重病5個等級，如表2所示。

表2 河流健康評價指標體系的評價標準(灤河)Table 2 Evaluation criteria of index system of river ecosystem health(Luanhe River)

2.3 警度確定方法

由于建立的河流生態(tài)健康指標體系具有層次性，各層次性具有向下一級的拓展性。下一層與上一層的遞階屬性，在數(shù)學上表現(xiàn)出其可拓性，不同層次的遞階評價過程可采用可拓學的物元評價方法，而同一層次的評價適合選擇模糊優(yōu)選評價［14］。因此在用BP神經網(wǎng)絡獲得各指標的預測值后，可采用模糊物元可拓評價模型［6，14-15］計算河流生態(tài)健康綜合指數(shù)，即可確定河流健康狀態(tài)，并可根據(jù)圖1確定其相應的預警警度。

模糊物元可拓評價模型步驟主要如下:

a.確定經典域:

式中:N0j——評價對象N的第j個健康等級;ci——第i個評價指標;x0ji——健康等級N0j關于指標ci所規(guī)定的量值范圍。

b.確定節(jié)域:

式中:P——河流健康等級的全體;xpi=〈api，bpi〉——P關于指標ci所規(guī)定的量值范圍。

c.確定待評價物元R:

式中:N——待評價對象;xi——N關于健康指標ci的量值。

d.采用改進的模糊優(yōu)選方法［14］計算各健康指標關于各等級的隸屬度。設x(a)i、x(b)i為指標集pi的左右2個基點值，其中x(a)i＜x(b)i，隸屬度rij計算公式如下:

當指標為效益型指標時

當指標為成本型指標時

e.計算河流健康綜合指數(shù)。用各指標的隸屬度乘以各自權重，求和即可得各準則層的優(yōu)屬度;各準則層的優(yōu)屬度乘以各自權重，求和即可得河流健康綜合指數(shù)。

將表2中的各指標健康等級閾值范圍代入該模糊物元可拓評價模型，即可得到河流生態(tài)健康綜合指數(shù)各等級的閾值范圍，結果如下:評價為健康、亞健康、輕度疾病、疾病、重病等級的，綜合指數(shù)閾值范圍分別為［0.85，1.0］、［0.7，0.85)、［0.55，0.7)、［0.4，0.55)、［0，0.4)。

3 灤河河流健康預警及其結果分析

表3 灤河已有規(guī)劃值或預測值的指標及其指標值Table 3 Indices of Luanhe River and their predicted values

灤河已有規(guī)劃值指標如表3所示。以表3中4個指標1980—2011年間共32 a的指標值(已經過歸一化處理)作為BP神經網(wǎng)絡模型的輸入層，以其他9個指標1980—2011年32 a的數(shù)據(jù)作為輸出層，采用24 a的數(shù)據(jù)進行訓練，5 a的數(shù)據(jù)進行校核，3 a的數(shù)據(jù)進行檢驗。訓練完成后即可根據(jù)規(guī)劃指標值預測2015年、2020年和2030年各健康指標的指標值，如表4所示。將各指標代入模糊物元可拓評價模型即可得灤河河流生態(tài)健康預警結果，如表5所示。

表4 灤河各指標預測值Table 4 Predicted values of indices of Luanhe River

表5 灤河河流健康預警結果Table 5 Early warning results of ecosystem health of Luanhe River

由預警結果可知，未來20 a灤河河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況預期較為樂觀，其中在近期水平年2015年為輕度疾病狀態(tài)，警情為中警狀態(tài);中期水平年2020年與遠期水平年2030年均為亞健康狀態(tài)，警情為輕警狀態(tài)。根據(jù)警情結果尋找警源，不難發(fā)現(xiàn)灤河的縱向連續(xù)性指數(shù)、適宜生態(tài)流量保證率、河口徑流指標等指標仍然存在一定的問題。因此要解除警情，灤河近期應著重加強以下幾個方面的河道生態(tài)治理措施:

a.全面節(jié)水，建設節(jié)水型社會，量水而行。流域要在經濟規(guī)模、城鎮(zhèn)布局和人口發(fā)展等各項社會發(fā)展規(guī)劃中充分考慮當?shù)氐乃Y源條件，適時調整經濟布局和產業(yè)結構。實行總量控制、定額管理，促進水資源的節(jié)約和保護。

b.在水利工程方面要優(yōu)化水源調度工程，增加生態(tài)流量。未來通過南水北調對天津市、北京市供水，做好潘家口、大黑汀、桃林口等水庫的調度，對中下游河道進行合理補水，滿足河道生態(tài)流量要求和河口流量要求。

c.控制污染，達標排放，總量控制。灤河流域有承德市、唐山市等大中型城市，采礦、造紙等工業(yè)排污以及城市發(fā)展和人口增長帶來的污水排放量逐年增加，直接影響灤河河流生態(tài)系統(tǒng)。在近期，流域仍應新建一些污水處理廠，做好相關管網(wǎng)配套工作，加強河流排污的治理能力。要加強對工業(yè)污水排放的監(jiān)督和管理，從源頭控制污染，實行總量控制。

另外，流域近期仍應加強潘家口水庫以上地區(qū)的水土保持工作和灤河源、灤河口的濕地修復工作。

4 結 語

a.河流生態(tài)健康預警是包括河流自然生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)和社會經濟服務子系統(tǒng)等諸多組成部分的警情分析、警兆識別、警源尋找和警患排除的決策全過程。

b.構建了基于BP人工神經網(wǎng)絡的河流生態(tài)健康預警模型，并對灤河未來的河流生態(tài)健康狀況進行預警，結果表明未來灤河仍有一定程度的警情存在;此外還從警源、警兆角度提出灤河河流生態(tài)的修復治理措施。

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