浙江省水资源支撑力定量评价研究

秦旭宝，刘夏明，崔冰雪，裴 珺，薛 娟

(1.浙江省水利水电技术咨询中心，杭州 310020；2. 浙江水利水电学院，杭州 310018)

1 水资源支撑力理论和评价指标体系研究

1.1 水资源支撑力概念

早在20世纪70年代末期，联合国教科文就组织对水资源支撑经济社会发展的能力进行了大量研究，并提出了水资源承载力概念，用于衡量水资源与经济社会发展间的关系。20世纪80年代末期，新疆水资源软科学课题研究组的新疆水资源及其承载问题专项研究，为国内首次提出水资源承载力的研究。自此以后，水资源承载力研究方兴未艾。如施雅风等的新疆乌鲁木齐河流域的水资源承载力研究。徐中民黑河流域、贾嵘等及蒋晓辉等关中地区的水资源承载力研究。李庆航等的城市水资源承载力的评价研究等等。专家学者们在研究的同时也对水资源承载力进行了定义，如“水资源承载能力是指某一地区的水资源，在一定社会历史和科学技术发展阶段，在不破坏社会和生态系统时，最大可承载(容纳)的农业、工业、城市规模和人口的能力”、“在一定的技术经济水平和社会生产条件下，某一地区对该地区经济发展和维护良好的生态环境的最大支撑能力”等。然而水资源承载力是集分析、预测与评价为一体的综合研究，涉及区域人口、经济、资源和环境的协调发展，内容复杂，涉及面广，对于水资源承载力的定义目前还未形成统一的共识[1-4]。

笔者认为，水资源对人类经济社会以及自然生态的支撑作用(能力)是水资源承载力的核心内涵，而且“支撑力”和“承载力”是两个非常相似的概念，即如物理学中的相互作用力，可以从施力和受力两个角度分析，如水资源的支撑力，即把水资源作为施力者，突出它对区域人类社会和自然生态发展所起到的支撑作用；而讨论水资源的承载力时把水资源作为受力者，主要强调资源本身所能容纳的最大人类社会要素，如人口、经济规模等。而运用“支撑力”能更直观易懂的描述水资源对经济社会和环境的支撑作用，把水资源的支撑作用突显出来，就如人们比较容易理解作用力。另外，当前的研究中，部分研究成果把水资源承载力作为一个阈值，指区域水资源最大开采量或能承受的最大人口、经济规模等。借鉴生物学原理，一个种群达到最繁荣最优状态，并不是单指群里数量最大时，而是指种群稳定时的最大值。综上所诉，水资源支撑力可定义为：在一定的技术和管理水平条件下，某一区域水资源对区域经济社会、自然环境发展等总体目标支撑限度，且其最优状态为该地区水资源支撑经济社会和生态环境稳定、良性发展时的最大值。

1.2 评价指标体系

水资源系统是一个水资源、生态环境、社会经济相互耦合的巨大系统。水资源支撑力研究涉及到社会、经济、环境、生态和水资源等各个方面，要科学、合理的对水资源支撑力进行评价，必然要考虑以上各方面的因素影响及它们之间的相互作用关系。可见水资源支撑力评价问题具有明显的多层次和多指标特征。同时，不同的区域有着不同的水资源开发利用特点，在选取指标时，要综合考虑到当地水资源条件、人类活动影响和社会经济发展的差异。本文按照系统性、代表性、层次性、可度量性和功效性的原则，在前人对指标选取分析研究的基础上，结合浙江省生产、生活、生态用水实际，分为目标层、准则层和指标层3个层次，从水资源系统、经济社会系统、生态环境系统3个方面选取人均水资源量、水资源开发利用率、万元GDP用水量、万元工业增加值用水量、平均综合灌溉用水量、人均生活用水量、人均环境用水量、生态环境用水率8个指标作为评价浙江省水资源支撑力的指标体系，详见表1。

表1 水资源支撑力评价指标体系Tab.1 Evaluation indicator system of the waterresources supporting capacity

2 基于改进遗传算法的投影寻踪模型

2.1 投影寻踪模型

投影寻踪法(Projection Pursuit，简称PP方法)是一种新兴的、有价值的数据分析方法，涉及到统计学、应用数学和计算机技术等学科，用来分析和处理高维数据，尤其是处理非线性、非正态高维数据。它可以直接由样本数据驱动来处理和分析高维数据，避免由于形式化、数学化而对某些高维、非线性、非正太问题带来的适应能力不强的问题，具有稳健性好、抗干扰性强和准确度高等优点。其基本思路为:利用计算机技术将高维数据通过某种组合投影到一维空间上，并寻找最能够反映数据特征和最能充分挖掘数据信息的最优投影方向，找出最佳投影，然后根据该投影值与研究系统实际的评价输出值之间的关系构造适当的数学模型以模拟系统的评价输出。其模型构建主要分为数据归一化处理、构建投影目标函数、优化投影目标函数和分类与有序排列四个步骤，详见文献[5]。

2.2 改进遗传算法优化投影方向

遗传算法由美国的J.Holland教授于1975年首先提出，它是一种借鉴生物界进化规律(适者生存，优胜劣汰遗传机制)演化而来的随机化搜索方法，具有直接对结构对象进行操作，不存在求导和函数连续性的限定以及可全局寻优等优点。本次研究对标准遗传算法进行了实数编码和自适应改进后用于优化投影方向。即染色体编码采用实数编码(RAGA)，同时为了进行全局搜索和克服早熟现象，采用自适应的交叉概率和变异概率，见下式。

(1)

(2)

式中：pj为交叉概率；pb为变异概率；fmax为种群中最大适应度值；favg为种群平均适应度值；f′为要交叉的两个个体中较大适应度值；f为要变异个体的适应度值。

改进遗传算法优化投影方向的计算思路为：在单位超球面内随机生成若干初始投影方向，并对其进行实数编码后生成计算初始种群，然后分别计算其投影目标函数值，运用改进遗传算法按照取大原则选取投影目标函数值，经过多次优化计算后，最终确定最大投影目标函数值对应的投影方向为最优投影方向。具体计算流程见图1。

图1 计算流程图Fig.1 Flow chart of improved GA optimized PP

3 实例分析

浙江省位于亚热带季风气候区，冬夏季风交替显著，多年平均降雨量1 603 mm。全省多年平均水资源量为955亿m3，平均单位面积水资源量为92万m3/km2，按单位面积计算的水资源量较丰，仅次于台湾、福建、广东，居全国第4位。然而从人均水资源量来看，浙江人均水资源量仅为2 100 m3，低于全国平均数2 200 m3，同时近年来随着全省经济社会的跨越式发展，对水资源需求不断增长，且发展过程中部分行业环保意识的薄弱，措施不到位，平原地区各河流水体不同程度受到污染，局部地区的资源性、水质性和工程型缺水问题日益凸显。

3.1 浙江省水资源支撑力评价指标体系及分级标准

根据水资源支撑力的定义和评价指标体系研究情况，选取分别代表水资源、经济社会、生态环境三大系统的8个指标。由于目前国内外对于水资源支撑力评价研究较少，借鉴水资源承载力等相关研究的划分方法[6]，将水资源支撑力分为3个等级，Ⅰ级为良好，表示水资源支撑力水平较高，支撑力强劲，可满足经济社会的水资源需求；Ⅲ级属于状况较差，表示水资源支撑能力趋于饱和，很大可能性会出现短缺，阻碍经济社会发展；Ⅱ级为基本满足，介于两者之间，表明当地水资源基本能支撑经济社会发展，水资源已经开发到相当规模，局部存在一定程度的水资源短缺问题。并结合浙江省实际，按照3个等级划分了8个指标的相应等级标准，见表2。

为了建立模型计算结果与评价等级之间的数值关系，在8个评价指标相应的等级区间内随机生成一定数量的样本，输入模型进行计算，得出各等级标准对应投影值分布区间。理论上，初始样本数量越多，计算结果越好，但参阅前人研究成果，发现由于PP模型为非线性优化模型，数据量过大会产生后续优化缓慢甚至难以进行的负面影响，因此初始种群数选取90个，3个等级各选择30个。遗传算法参数设定如下：最大进化代数为150。初始交叉概率和变异概率分别为0.8和0.002，经编程计算，得到最优投影方向后计算一维空间上最佳投影特征值，由各等级30个样本计算投影值分析得出评价等级和投影值分布区间对应关系，结果详见表3。

表2 水资源支撑力力评价指标及分级标准Tab.2 Evaluation indicator and levels of waterresources supporting capacity

表3 评价等级和投影值对应关系Tab.3 Correspondence of evaluation levels and projection ranges

3.2 浙江省水资源支撑力定量评价

通过《浙江省水资源公报(2013)》、《浙江省统计年鉴(2014)》等权威资料，分析计算浙江省11个地市及全省2013年8个评价指标值，并形成评价指标矩阵，详见表4。采用基于改进遗传算法的投影寻踪模型对各地水资源支撑力进行定量评价，评价计算结果见表5。

表4 浙江省各地市评价指标矩阵Tab.4 Evaluation indicator matrix of all districts in Zhejiang province

注：过境水量不参与开发率计算。

表5 浙江省水资源支撑力投影值Tab.5 The water resources supporting capacity projections in Zhejiang province

图2 支撑力投影值情况图Fig.2 The water resources supporting capacity projections of all districts

从支撑力投影值计算成果来看，2013年浙江省水资源支撑力水平处于II级，水资源基本能支撑全省经济社会发展的需求。11个地市中有9个地市水资源支撑力处于Ⅱ级以上，仅舟山和嘉兴处于Ⅲ级，支撑力最低的舟山为0.779处于Ⅲ等区间的中上游，离下边界0.61较远，总体来看，浙江省属于我国水资源较为丰沛的地区，全省及各地市的水资源支撑力情况大部分属于Ⅱ级标准，与当地水资源支撑经济社会发展实际相符。海岛和部分沿海平原地区由于水资源禀赋和水污染问题，水资源支撑力相对较低。另外，全省仅丽水和衢州水资源支撑力达到I级水平，且从投影值来看，还处于Ⅰ级标准区间的下边界附近。其余处于Ⅱ级水平的地市，支撑力投影值也处于Ⅱ标准区间的下半段，全省水资源支撑力还有较大的提升空间。

为提高水资源支撑力水平，全省各地一方面根据水资源支撑能力调整经济结构和优化生产力布局，通过各项工程措施，科学合理有序开发利用水资源，提高水资源配置和调控能力；另一方面，实行最严格的水资源管理制度，根据划定的水资源管理三条“红线”，加强水资源节约保护，尤其是水污染较为严重的沿海平原地区，严格实行用水总量控制，坚决遏制用水浪

费，严格控制入河排污总量。

4 结 语

(1)全面分析梳理了水资源承载力等表征水资源与经济社会相互联系的研究情况，并结合水资源与支撑经济社会发展实际对水资源支撑力概念进行了专业定义。

(2)综合考虑水资源、经济社会、生态环境3大系统相互影响，建立了浙江省水资源支撑力分析评价指标体系，并将基于改进遗传算法投影寻踪模型应用于浙江省11个地市及全省的水资源支撑力评价中，实际应用表明，该方法思路清晰，计算求解可操作性强，不仅清晰地给出了投影值和评价等级的关系，而且对浙江省各地水资源支撑力进行了合理、科学量化，量化结果与各地水资源支撑经济社会发展实际基本相符。

□

[1] 新疆水资源软科学课题组. 新疆水资源及其承载力的开发战略对策[J].水利水电技术,1989,(6):2.

[2] 刘 晓,陈 隽,琳 琳,等.水资源承载力研究进展与新方法[J].北京师范大学学报(自然科学版),2014,50(3):313-317.

[3] 龙腾锐，姜文超.水资源(环境)承载力的研究进展[J].水科学进展,2003,14(2):249.

[4] 李庆航,董增川,付 湘,等.城市水资源承载力评价研究[J].水力发电,2008,2(34):1.

[5] 何 伟,基于投影寻踪法的江苏城市经济国际化水平评价[J],经济管理,2008,30:59-61.

[6] 王怀柱,赵亚峰,郑元世,基于遗传算法的投影寻踪聚类模型对银川市各地区水资源承载能力评估[J].宁夏大学学报(自然科学版),2009,(30):408-410.

[7] 浙江省统计局.浙江省2014年统计年鉴[M].北京:中国统计出版社,2014.