基于PSO-SVM模型的黑龙江省水资源承载力评价.pdf
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1、 :第 卷 第 期 人民珠江 年 月 基金项目:“十二五”国家科技支撑计划课题()收稿日期:作者简介:王涛(),男,硕士研究生,研究方向为水文学与水资源工程。:通信作者:李治军()男,博士,副教授,主要从事寒区地下水渗流方向的科研教学工作。:王涛,李治军 基于 模型的黑龙江省水资源承载力评价 人民珠江,():,基于 模型的黑龙江省水资源承载力评价王涛,李治军,(黑龙江大学水利电力学院,黑龙江哈尔滨 ;黑龙江大学寒区地下水研究所,黑龙江哈尔滨 )摘要:水资源问题已经成为令世界苦恼的全球性危机问题。随着当今社会经济的高速发展、人口剧增、现代化以及城市化的进程不断加快,各行业用水的需求量逐渐升高,水
2、资源短缺、水资源浪费等问题日益严峻。黑龙江省是中国重要的工业基地、产粮大省,随着经济社会的快速发展,水资源供需矛盾日益凸显,虽然已采取多项措施对水资源进行保护,但水资源开发利用形势依然严峻。针对以上问题,建立了粒子群算法()优化的支持向量机()模型对黑龙江省水资源承载力进行评价,结合黑龙江省实际情况建立评价指标体系、指标分级标准,对黑龙江省 年 个地市水资源承载力进行评价,为日后水资源开发利用作出参考,对支持向量机在水资源方面的应用推广起到一定的意义,并且 模型补充了多因素综合评价相关理论。关键词:水资源承载力;粒子群算法;支持向量机;黑龙江中图分类号:文献标识码:文章编号:()牞 牞 牞 牗
3、 牞 牞 牞 牷 牞 牞 牞 牘 牶 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牗 牘 牗 牘 牞 人民珠江 年第 期 牶 牷 牷 牷 研究背景及研究区域概况 研究背景水是人类不可缺少、不可替代的重要的自然资源 ,淡水资源更是人类宝贵的财富。虽然中国淡水资源总量丰富,但中国人口众多人均占有量仅为世界平均占有量的 ,其人均水资源量更是在世界排名的百名之后 。中国水资源现状为人均占有量少,且在时间、空间中分布严重不平衡,具体体现为南方多北方少,夏季多冬季少,且中国西北、北部、东北地区水资源紧缺问题更加严重。党中央也在党的十八大、十八届三中、四中、五中、六中全会等会议上多次提出关于“抓紧对全国各县进行资源环境承载
4、能力评价,抓紧建立资源环境承载能力监测预警机制”的重要指示 。现如今中国水资源承载力的研究出现了多种学科相互融合的层面,随着研究的不断加深中国在水资源承载力方面也取得了丰富的成果,但到目前为止仍然没有统一的研究方法,目前水资源承载力的计算主要采用模糊综合评价法、主成分分析法、神经网络法等。但有学者指出,涉及多因素的综合评价并不适宜建立常规数学模型,人工神经网络和支持向量机等模拟智能方法可很好地解决此类问题 。支持向量机具有全局最优、泛化能力强、样本数量少等特点,在应用中也可根据地区的实际情况制定相应的评价等级标准,具有动态性并且能够减少评价过程中因主观因素的影响,评价结果更为客观科学,支持向量
5、机还具有解决高复杂度、非线性问题的能力,因此在水资源承载力评价研究中显示出较强优势 。研究区域概况黑龙江省位于中国的最东端与最北端,因其省内流经的中国最长的界河黑龙江而命名,东北部以黑龙江和乌苏里江主航道与俄罗斯为界,东南部以老爷岭东麓与俄罗斯相邻,西部地区大兴安岭紧邻内蒙古自治区,南部、西南部与吉林省接壤。全省土地总面积 万 (含加格达奇和松岭区 万 ),位于全国第 位 。黑龙江省紧邻西伯利亚地区,位于亚欧大陆东部属温带大陆性季风气候,气温变化大,日照时间长,降水集中,受夏季风影响黑龙江省由东部湿润地区逐渐过渡到西部的干旱区。春季多风、少雨、干旱,夏季短暂、高温、多雨,秋季降温急剧,常有霜冻
6、灾害;夏季时,由于太阳辐射的不断增强,受西海洋性气团影响,形成温暖湿润的夏季季风导致夏季气候温暖湿润;冬季漫长受大陆性高压气团影响导致气候严寒、干燥。全省降雨量分布趋势山区大,平原小,中、南部大,东部次之,西、北部小,这是造成西旱东涝的主要气候因素 。全省多年平均年降水量为 ,降雨主要集中在 月,占年降雨量的 。全省降水深有 个高值区:一为拉林河、蚂蚁河和海浪河流域上游,年降水量大于 ;另一为汤旺河及呼兰河流域上游,年降水量大于 。低值区主要包括松嫩平原、三江平原、绥芬河及穆棱河、倭肯河中下游,年降雨量为 ,最小值为松嫩平原大兴站,仅为 。夏季温热多雨,冬季漫长且寒冷漫长且降水量少,由此导致黑
7、龙江省水资源时空分配不均、水资源调节能力差、造成水资源短缺问题。且黑龙江省是中国重要的工业基地、产粮大省,随着经济社会的快速发展,水资源供需矛盾日益凸显,虽然黑龙江省已采取河湖长制、取水口核查、环境整治多项措施对水资源进行保护,但水资源开发利用形势依然严峻,水资源已成为流域经济社会可持续发展的制约因素 。评价体系建立 综合评价体系建立进行水资源承载力评价中影响其承载能力大小的因素很多,水资源承载力评价指标体系的建立对其区域承载能力评价中起到至关重要的作用。水资源承载力评价体系构建遵循科学性、层次性、可操作人民珠江 年第 期性、区域性等原则 。在构建评价指标体系时应当充分考虑各影响因素,如区域水
8、资源开发利用程度、各行业用水占补多少、区域经济发展水平、城市发展情况、生态环境状况等相关因素,根据评价体系的构建原则,选取不同能够反映所要评价区域水资源承载力实际情况的评价指标,构建独特的水资源评价指标体系系统。通过查找相应文献对已有研究结果进行总结,结合黑龙江省水资源现状,根据评价体系的建立原则,本文建立以水资源系统、社会经济系统、生态环境系统为一级评价指标,各评价指标分别选取人均水资源量、水资源开发利用率、人均生活用水量、万元 用水量、污水处理率、节水灌溉率等 个指标为二级评价指标的综合评价体系(图 )。图 评价指标体系 数据来源研究黑龙江省 年 个地市水资源承载力,所用数据来源为 黑龙江
9、省水资源公报 黑龙江省水利统计年鉴 中国城市建设统计年鉴 黑龙江省统计年鉴 国民经济和社会发展统计公报 中国统计年鉴 生态环境状况公报。各指标计算方法见表 。表 水资源承载力指标数据指标层 指标层 类型计算公式单位水资源人均水资源量水资源总量 总人口数 人水资源开发利用率水资源利用量 水资源总量 产水模数水资源总量 地区总面积 供水模数供水总量 地区总面积 社会经济人口密度总人口数 地区总面积人 城市化率城市人口数 总人口数 人均生活用水量生活用水总量 总人口数 人 人均 地区生产总值 总人口数万元 人万元工业增加值用水量工业用水总量 万元工业增加值 万元生态环境万元 用水量用水总量 地区生产
10、总值 万元生态环境用水率生态环境用水量 用水总量 森林覆盖率森林总面积 地区总面积 污水处理率经处理后排放污水量 污水总量 节水灌溉率节水灌溉面积 总灌溉面积 人民珠江 年第 期 分级标准为了能够准确地反映区域水资源承载力状况,本文采取水资源承载力指数用来衡量区域水资源承载力能力。水资源承载力指数是反映地区水资源、经济社会、生态环境发展状况的重要指标,它是水资源系统与其承载的社会经济、生态环境系统相互影响的结果 。根据前文所选取指标对水资源承载力的影响程度结合已有参考文献所制定的评价标准,本文将水资源承载能力分为 个级别:级水资源承载力状况为“差”水资源承载力指数为 ;级水资源承载力状况为“较
11、差”水资源承载力指数为 ;级水资源承载力状况为“及格”水资源承载力指数为 ;级水资源承载力状况为“良好”水资源承载力指数为 ;级水资源承载力状况为“优秀”水资源承载力指数为 。为了能够更加准确地对选取出的各指标分级,本文优先采用已被国际或中国所公认的标准值作为分级主要依据,即根据指标的定义、公式以及实际的数据值等因素对指标分级标准进行划分。以下为各指标等级划定依据及分级范围。人均水资源量中国水资源量总量丰富,但是人均占有量少,其人均水资源量一直低于世界平均水平。根据 年 所提出的水压力指数将水资源划分为 个级别,当人均水资源量大于 人表示该地区水资源充足:当人均水资源量 人表示该地区用水紧张;
12、当人均水资源量 人表示该地区为缺水地区;当人均水资源量小于 人时则表示该地区严重缺水。结合以上资料进行参考,将人均水资源量标准划分为:小于 人为级,人为级,人为级,人为级,人为级。水资源开发利用率根据 年中国水资源公报 发布显示,年全国水资源总量 亿,全国用水总量 亿,经计算得 年中国水资源开发利用率 。国际上将 水资源开发利用率认为合理利用,开发利用率定义为水资源最大利用上限,结合以上资料进行参考,将人均水资源量标准划分为:大于 为 级,为 级,为级,为级,小于 为级。产水模数、供水模数)产水模数。年黑龙江省 个地市产水模数为 万 万 。根据黑龙江省产水模数实际情况将产水模数等级划分为:小于
13、 万 为 级,万 万 为级,万 万 为级,万 万 为级,大于 万 为级。)供水模数。年黑龙江省 个地市供水模数为 万 万 。根据黑龙江省供水模数实际情况将供水模数等级划分为:小于 万 为级,万 万 为级,万 万 为级,万 万 为级,大于 万 为级。人口密度由于地域以及经济等原因黑龙江省人口密度较少。根据 中国城市建设统计年鉴 所公布数据,黑龙江省 年人口密度平均值仅为 人 且逐年呈下降趋势,仅高于青海、西藏、新疆、内蒙古、新疆、甘肃,位居全国倒数第六,远低于全国平均标准。从世界人口密度情况大致将人口密度等级分为类,当人口密度大于 人 表示该地区人口密集,如韩国、新加坡、巴林等;当人口 密 度
14、为 人 表示该地区人口中等,如美国、刚果民主共和国、津巴布韦等;当人口密度 人 表示该地区人口稀少,如加拿大、哈萨克斯坦、利比亚等;当人口密度小于 人 时则表示该地区人口极其稀少,如马尔维纳斯群岛、斯瓦尔巴群岛和扬马延岛等。黑龙江省 年各地市人口密度为 人 (大兴安岭)人 (哈尔滨),各地市人口密度差距较大,根据黑龙江省实际情况将人口密度等级划分为:大于 人 为级,人民珠江 年第 期人 为级,人 为级,人 为级,小于 人 为级。城市化率随着城市的不断发展,城市化率也在不断提高。黑龙江省城市化率已从 年 上升为 年 ,年均上升 符合中国发展需要。根据联合国估算结果,年世界发达国家城市化率可达 ,
15、中国城市化率预计也达 以上。黑龙江省各地市城市化率差距较大,大兴安岭、伊春、鹤岗城市化率较高,均位于 以上,绥化城市化率较低不足 。根据黑龙江省实际情况将城市化率等级划分为:大于 为 级,为 级,为级,为级,小于 为级。人均生活用水量根据 城市居民生活用水量标准 黑龙江所属第一分区 (人 )。根据上述参考材料将黑龙江人均生活用水量标准划分为:大于 (人 )为级,(人 )为级,(人 )为级,(人 )为级,小于 (人 )为级。人均 根据 中国统计年检 国民经济和社会发展公报 所记录数据,黑龙江省人均 从 年 元 人上升至 年 元 人,经济上总体呈上升趋势且发展迅速。中国虽已成为世界第二经济体,但人
16、口众多,人均 水平较发达国家还有一定差距。年 对人均 分为 个等级(表 ),按照分类美国、加拿大、日本等国家属高度发达地区,意大利、西班牙、韩国等国家属中度发达地区,希腊、波兰、匈牙利等国家属低度发达地区,中国、俄罗斯、马来西亚等国家属中等水平地区,泰国、蒙古、伊朗等国家属低度贫困地区,乌克兰、菲律宾、越南等国家属中度贫困地区,巴基斯坦、孟加拉国、柬埔寨等国家属重度贫困地区。根据黑龙江省人均 实际情况以及国际的划分标准将人均 等级划分为:小于 万元为级,万 万元为级,万 万元为级,万 万元为级,大于 万元为级。表 人均 等级划分地区名称人均 分级高度发达地区人均 万美元中度发达地区 美元 人均
17、 美元低度发达地区 美元 人均 美元(世界平均水平)中等水平地区 美元(世界平均水平)人均 美元低度贫困地区 美元 人均 美元中度贫困地区 美元 人均 美元高度贫困地区 美元 人均 万元工业增加值用水量根据国家发展改革委、水利部联合印发 国家节水行动方案,万元工业增加值用水量较 年下降 。国家发展改革委、水利部、住房城乡建设部等部门联合印发“十四五”节水型社会建设规划 中明确指出 年中国万元工业增加值用水量较 年要降低 。国家节水型城市考核标准提出,万元工业增加值用水量要低于全国万元工业增加值用水量平均值的 或者年降低 ,根据以上资料将万元工业增加值用水量划分为:大于 万元为 级,万元为 级,
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