銀北灌區(qū)水資源安全評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)

陳月娟

(石嘴山市農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)辦公室，寧夏 石嘴山 753000)

1 研究區(qū)概況

銀北灌區(qū)地處寧夏北部河套地區(qū)，屬于引黃灌溉區(qū)，總面積3518km2。居于賀蘭山、黃土高原、內(nèi)蒙古高原結(jié)合部，地勢(shì)周高中低，其中灌區(qū)內(nèi)評(píng)價(jià)高程為1147m。屬于典型的溫帶大陸性氣候，年平均氣溫8.4℃～9.9℃，降水量167.5～188.8mm，蒸發(fā)旺盛。灌區(qū)內(nèi)水資源缺乏，地表水資源總量1.58億m3，人均占有量?jī)H為128m3，僅為全國(guó)平均水平的1/25。區(qū)域氣候干旱。地表徑流缺失，引黃灌溉是區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)工程之一。

2 基于RF的水資源安全評(píng)價(jià)方法

2.1 水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

水資源安全具有結(jié)構(gòu)性、復(fù)雜性等特點(diǎn)，指標(biāo)體系須立足于區(qū)域水資源安全結(jié)構(gòu)特征，充分反映區(qū)域水資源安全現(xiàn)行狀態(tài)。PSR模型基于層次關(guān)聯(lián)的理念內(nèi)涵，將水資源安全逐層分解為壓力、狀態(tài)、響應(yīng)，從這三個(gè)方面確立水資源安全評(píng)價(jià)各項(xiàng)指標(biāo)，可以更深刻地解析水資源生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益、人居生活間相互作用的機(jī)理。借鑒相關(guān)學(xué)者經(jīng)驗(yàn)，在對(duì)銀北灌區(qū)人口、經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境等要素進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建銀北灌區(qū)水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見表1。

2.2 水資源安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)水資源綜合效益進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)的關(guān)鍵，指標(biāo)節(jié)域既要能反映水資源綜合效益的漸進(jìn)演替規(guī)律，還應(yīng)具有公開性、統(tǒng)一性。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開了大量研究，但出于水資源綜合效益區(qū)域性的特點(diǎn)，尚未形成具有通用性的閾值范式。鑒于此，以《寧夏工業(yè)與生活用水定額》、國(guó)際水安全標(biāo)準(zhǔn)以及其他學(xué)者研究經(jīng)驗(yàn)，確定了銀北灌區(qū)水資源綜合效益指標(biāo)分級(jí)閾值。將其劃分為5個(gè)等級(jí)，見表2。

2.3 基于RF的水資源安全評(píng)價(jià)

水資源安全水平受PSR各維度下指標(biāo)因素共同影響，應(yīng)用RF算法對(duì)水資源安全進(jìn)行評(píng)價(jià)的關(guān)鍵在于，根據(jù)評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建水資源安全水平與指標(biāo)系統(tǒng)中的單一指標(biāo)間的隸屬規(guī)則，評(píng)價(jià)流程如下。

2.3.1數(shù)據(jù)處理

將各指標(biāo)按照分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間隨機(jī)內(nèi)插生成200組樣本數(shù)據(jù)，5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)共計(jì)樣本量1000組；在此基礎(chǔ)上將樣本予以歸一化處理，正負(fù)指標(biāo)歸一化方式見參考文獻(xiàn)[2]。

2.3.2樣本設(shè)置

從5個(gè)分級(jí)樣本組中各隨機(jī)選出100組數(shù)據(jù)，將這挑選出的500組數(shù)據(jù)設(shè)置為訓(xùn)練樣本，余下500組為檢測(cè)樣本，樣本中指標(biāo)因子為輸入向量，與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果I、II、III、IV和V依次用數(shù)字1，2，3，4，5表示，并作為輸出向量，然后進(jìn)行RF網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。

2.3.3參數(shù)優(yōu)選與模型優(yōu)化

模型訓(xùn)練過程中可根據(jù)袋外誤差(Out of bag error rate，OOB)的大小對(duì)敏感參數(shù)mtry和ntree進(jìn)行選擇，RF算法中mtry為分裂屬性的類別，通常設(shè)置為變量的方根值，本研究中變量總數(shù)為20，其取整為4或5，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明mtry為5時(shí)評(píng)價(jià)結(jié)果較好；ntree為RF模型中樹的數(shù)量，其影響著模型運(yùn)算速率與精度，當(dāng)值大于500后OOB小而平穩(wěn)。

注：正指標(biāo)即指標(biāo)數(shù)值越大，生態(tài)越安全，負(fù)指標(biāo)則相反。

表2 水資源安全評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.3.4指標(biāo)度量

RF模型可通過增減某一指標(biāo)因子后OOB變化量的大小判定該指標(biāo)的重要性，構(gòu)造的樣本均以分級(jí)區(qū)間內(nèi)隨機(jī)生成，不失一般性，能夠免除噪聲污染，因而對(duì)水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)重要性的度量更加客觀。

2.3.5模型評(píng)價(jià)

根據(jù)模型訓(xùn)練后產(chǎn)生的輸出值與實(shí)際值評(píng)價(jià)RF模型性能。

2.3.6閥值設(shè)定與模型應(yīng)用

根據(jù)表2中各指標(biāo)分級(jí)的臨界值，運(yùn)用RF算法進(jìn)行模擬計(jì)算，其模擬值作為不同分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)閥值，也是水資源安全等級(jí)區(qū)分的依據(jù)，閥值見表3。

2.4 基于RF的水資源安全預(yù)測(cè)

水資源安全受多維復(fù)合因素共同制約，其在一定時(shí)空范圍內(nèi)的變化呈現(xiàn)慣性、隨機(jī)性、相關(guān)性特點(diǎn)，所以對(duì)水資源安全進(jìn)行預(yù)測(cè)須先獲取其變化規(guī)律。RF回歸模型把這種規(guī)律的變化抽象為某個(gè)足夠復(fù)雜的泛函，把問題的關(guān)鍵轉(zhuǎn)化成泛函數(shù)的回歸問題。依據(jù)RF回歸原理，設(shè)置1996—2016年銀北灌區(qū)水資源壓力、狀態(tài)、響應(yīng)指數(shù)和水資源安全指數(shù)為訓(xùn)練樣本，采取迭代滾動(dòng)方式對(duì)2020—2030年銀北灌區(qū)水資源壓力、狀態(tài)、響應(yīng)的安全指數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，設(shè)定單次預(yù)測(cè)步長(zhǎng)為1。運(yùn)用Matlab 2016b的設(shè)計(jì)程序，實(shí)施模擬和預(yù)測(cè)，經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)，選取核函數(shù)為徑向基函數(shù)類型，確定嵌入維數(shù)為10(即利用前10年的指數(shù)預(yù)測(cè)后一年的指數(shù))，并各預(yù)測(cè)模型中的最佳參數(shù)。經(jīng)計(jì)算，各預(yù)測(cè)模型擬合度良好，其平均相對(duì)誤差值分別為0.023、0.038、0.034、0.041，決定系數(shù)R2優(yōu)于0.95，模型精度均在可接受范圍內(nèi)，據(jù)此對(duì)2020—2025年銀北灌區(qū)水資源安全進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3 結(jié)果分析

3.1 壓力系統(tǒng)分析

依據(jù)前述水資源安全評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)方法，得到銀北灌區(qū)1996—2016年和2020—2030年水資源安全各項(xiàng)指數(shù)，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，1996—2016年壓力指數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)特征，數(shù)值介于2.545～4.015之間，由較安全演變?yōu)榕R界安全等級(jí)；其中1999年的指數(shù)偏高主要人口自然增長(zhǎng)率為最低。新世紀(jì)以來銀北灌區(qū)工業(yè)化和城市化進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，用水量迅速增加同時(shí)水資源供需形勢(shì)緊張；工業(yè)化進(jìn)程中導(dǎo)致工業(yè)廢物大量積累，也造成水源污染。在這些因素的影響下，銀北灌區(qū)水資源壓力之沉重，在一段時(shí)期內(nèi)難以消減。

圖1 銀北灌區(qū)水資源安全評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)結(jié)果

預(yù)測(cè)顯示未來幾年壓力指數(shù)趨于減小，水資源安全面臨的壓力增加。一方面，未來幾年是銀北灌區(qū)人口將持續(xù)增長(zhǎng)致使水資源力加劇，農(nóng)業(yè)生態(tài)污染短時(shí)間難以控制；另一方面隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平的提高，銀北灌區(qū)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)趨于合理，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行壓力減弱，自然災(zāi)害防控力度加強(qiáng)。預(yù)測(cè)顯示，2020—2030年灌區(qū)水資源壓力指數(shù)介于1.176～2.550之間，屬于較不安全等級(jí)。

表3 水資源安全指數(shù)分級(jí)

3.2 狀態(tài)系統(tǒng)分析

1996—2016年?duì)顟B(tài)指數(shù)呈現(xiàn)起伏升高，如圖1所示，由1.672上升至3.670，其中前8年的狀態(tài)指數(shù)小于2.237，處于較不安全等級(jí)，原因是森林覆蓋率、單位面積農(nóng)業(yè)產(chǎn)值均較低；2009—2016年?duì)顟B(tài)指數(shù)逐漸攀升處于臨界安全水平，表明水資源安全狀態(tài)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定呈良性發(fā)展，出現(xiàn)這種趨勢(shì)歸功于森林覆蓋率、水資源生產(chǎn)能力的升高與水土協(xié)調(diào)度較好。這數(shù)年間銀北灌區(qū)林草恢復(fù)成效顯著，森林覆蓋率由12.5%提高到23.3%，水土流失治理率達(dá)到65%，水資源鹽堿化得到控制，與此同時(shí)，水資源生產(chǎn)潛力有一定增加。

2020年銀北灌區(qū)森林覆蓋率進(jìn)一步增加，區(qū)域環(huán)境逐步改善；農(nóng)業(yè)部門將逐步推進(jìn)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，以優(yōu)化耕地質(zhì)量和結(jié)構(gòu)，并完善耕地占補(bǔ)平衡體系，控制耕地資源流失；水利部門大力推進(jìn)江河水利建設(shè)，扭轉(zhuǎn)灌區(qū)水利建設(shè)滯后的局面，更加保障水資源安全，從而為鞏固農(nóng)業(yè)灌溉工程體系，改善農(nóng)業(yè)環(huán)境提供有利基礎(chǔ)。預(yù)測(cè)可知，2020—2030年銀北灌區(qū)水資源壓力指數(shù)將穩(wěn)定在2016年以上水平。

3.3 響應(yīng)系統(tǒng)分析

從圖1可以看出，1996—2016年響應(yīng)指數(shù)由1.157上升至3.756，其中1996—1998年壓力指數(shù)為最低，此后穩(wěn)定于2.3以上，2014—2016年以來更是達(dá)到3.52。近十幾年來，銀北灌區(qū)對(duì)生態(tài)環(huán)境建設(shè)投入巨大，上世紀(jì)末銀北灌區(qū)啟動(dòng)退耕還林還草工程，展開水資源鹽堿化監(jiān)測(cè)與治理工作，并加大力度治理水土流失；同時(shí)提高了工業(yè)“三廢”排放標(biāo)準(zhǔn)。截至2016年銀北灌區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)取得顯著成效，省內(nèi)鹽堿水資源面積得到控制，針對(duì)水資源、耕地資源等建立起合理開發(fā)利用與保護(hù)機(jī)制。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，2020—2030年壓力呈上升趨勢(shì)，發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，由較安全趨于安全等級(jí)。

3.4 水資源安全綜合分析

受壓力、狀態(tài)、響應(yīng)等要素綜合影響，銀北灌區(qū)水資源安全指數(shù)呈波動(dòng)變化，1996—2016年水資源安全指數(shù)由2.034上升至3.543，安全水平由較不安全發(fā)展至臨界安全、較安全等級(jí)，表明銀北灌區(qū)生態(tài)環(huán)境趨于優(yōu)化，水資源安全有效提升。預(yù)測(cè)顯示，2020—2030年銀北灌區(qū)水資源安全指數(shù)穩(wěn)定于3.75～4.65之間，依然處于較安全水平，這一階段水資源安全指數(shù)呈平緩升高，區(qū)域水資源安全格局進(jìn)一步穩(wěn)固。

4 結(jié)論

1996—2030年銀北灌區(qū)水資源安綜合演變呈良性發(fā)展，主要?dú)w功于人們的水環(huán)境保護(hù)意識(shí)加強(qiáng)以及大力推進(jìn)生態(tài)修復(fù)工程建設(shè)和水環(huán)境污染治理。當(dāng)前灌區(qū)內(nèi)生態(tài)質(zhì)量并不高，結(jié)合實(shí)際，當(dāng)從以下幾點(diǎn)進(jìn)行調(diào)控：①規(guī)范資源開發(fā)與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理體系，合理有序開采資源的同時(shí)強(qiáng)化環(huán)境責(zé)任意識(shí)和環(huán)保投入，把對(duì)環(huán)境破壞和污染降到最低。②依托中原農(nóng)業(yè)區(qū)位優(yōu)勢(shì)，大力發(fā)展和推廣農(nóng)業(yè)高新技術(shù)，因地制宜安排農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，合理推廣區(qū)域農(nóng)作物品種和栽培技術(shù)。③珍惜保護(hù)水資源，科學(xué)調(diào)水引水，確保水資源安全；完善農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)，緩解耕地缺水狀態(tài)。④持續(xù)推進(jìn)土地鹽堿化防控治理工程和水土保持工程，積極應(yīng)對(duì)生態(tài)災(zāi)害；科學(xué)開辟森林公園和自然保護(hù)區(qū)，保護(hù)野生動(dòng)物、林草覆被、濕地水域等。