基于回归神经网络的沧州市水资源...
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基于回归神经网络的沧州市水资源承载能力评价
卞海彬!河北省沧州水文水资源勘测局"河北 沧州"&Z!&&&$
!摘"要""本文以沧州市为例"结合水资源承载力内涵特征及最严格管理制度建立了评价指标体系"然后基于回
归神经网络!01//$模型构建了评价模型"通过对比模糊综合评价结果验证了 01//模型的准确性与可适用性%
结果显示&所建立的评价指标体系能够客观'科学地反映研究区域水资源状况% 沧州市水资源承载力呈现出逐渐
上升的变化趋势"这可能与该区域水资源保护意识转变'产业结构调整和经济模式转型等因素相关%
!关键词""回归神经网络#水资源#承载力#沧州市
中图分类号# NO$+#TE%%%%文献标志码# &%%%%文章编号# $'()*'+#+$$'+(%',*'$)*',
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收稿日期! #&!+R!#R!!
作者简介! 卞海彬#!U+&&%"男"工程师"学士"从事水文水资源研究及水文测验工作'
""水资源承载力是以保证可持续与生态环境良性循
环为基础"在合理开发利用的原则下按照目前现有的
经济)技术水平"能够持续支撑某地区历史发展阶段最
大规模的能力和限度' 因此"水资源承载力不仅可综
合反映水资源与社会经济)水环境之间的协调关系"而
且可用于衡量某流域或地区的水资源能否持续支撑该
区域经济发展' 随着人们对水资源保护意识的增强以
及国家对水生态环境保护力度的不断加大"承载力问
题已成为目前研究的主要方向,!R#-
' 国外许多学者在
可持续发展理论中引入了水资源承载力的概念"如
(&"(
V;56等,'-
对水资源系统的不确定性和变化特征进行研
究分析"并探讨了人水之间的复杂关系"评价了城市人
水和谐状况$>B;等,%-
通过评价分析多个国家的资源与
消耗承载力"探讨了人类社会的可持续发展能力$-4<FR
3<F
,(-
分析了水资源承载力规划体系和影响因素$cIR
2AD;M等,Z-
基于土地利用密度和城市现有基础设施"分
析了城市承载力状况$V<5;B=等,,-
通过分析文化)社会
以及周围生态环境"对物理生态承载力利用最大人口
数量进行评估' 国内水文学者也开展了大量研究"如
徐友鹏,+-
在流域承载力评价中引入模糊综合评判法$
何俊士等,U-
以淮河流域为例"对比分析了模糊聚类神
经网络法与集对分析原理的水承载力分析结果$林占
东等,!&-
对深圳市水资源承载力利用投影寻踪和差分
进化算法进行客观评价"并获得了理想的评判效果$王
俭等,!!-
利用神经网络客观)科学地评价了辽宁省水资
源承载力状况$夏军等,!#-
从影响因素的角度对西北地
区水资源承载现状)未来发展趋势利用综合评判法进
行评价和对比"建立了有效的指标体系' 本文结合已
有文献资料"对沧州市水资源承载力采用回归神经网
络模型01//进行评价"以期为促进沧州市人水和谐
发展提供一定依据'
+%基于回归神经网络的评价模型
!$!"回归神经网络的概念
广义回归神经网络#6B5BF<=FB6FBAA;45 5B2F<=5BCR
N4FM"01//%是由V45<=3 dSXJBLDC教授在 !UU! 年提出
的"是基于45BRJ<AA学习算法的高度并行的径向基网
络"是具有导师学习的径向基网络的基于非线性回归
理论的前馈式神经网络模型'
01//模型具备非常良好的非线性收敛能力"并
且在训练过程中具有简单高效的特点' 尤其在样本数
量较多的情况下"它具有能够快速接近的优点"这样的
特点让它在系统的识别和预测掌控等方面具有明显的
优越性"该模型因具有良好的学习能力"在模式识别)
分类预测)拟合回归等领域具有广泛的应用价值'
!$#"回归神经网络原理
01//系统主要包括线性层)径向基神经元以及
输入层 ' 部分内容"其中输入层是将样本变量传送至
隐含层' 训练样本数与隐含层神经元个数相等"并且
输入向量@至权值矩阵 :"
!"!
之间的距离可根据欧式
距离函数%
6%08
%求解"从而生产 I! Y!和阀值J
!
"然
后利用高斯函数可得到径向基层次的输入向量 (
!
'利
用规范化集权函数作为权值函数"点积运算矩阵 :"
#"!
的每行元素和 (
!
"然后以 (
!
各元素之和为分母"以积
运算结果为分子做相除运算并得到 )
#
向量' 选取 (
#
S@#'37%)#)
#
% 作为网络结构输出层与隐含层的传递
关系"最后可输入5S(
#
' 01//模型的计算流程为!
选取径向基函数中心"引入样本输出和输入矩阵分别
为>)1"则径向基函数中心可表示为 ;S1C"其中 1C
为1矩阵的转置$然后采用下述公式分别对神经基层
的阀值与输出向量进行求解!
J
!
S,J
!
"J
#
"0J
%
- #!%
(
!
SBgJ#V
%
;V@
%
#
J
!
% ##%
式中! J
%
S&$+'#ZU0"0为散布常数'
经过上述运算"01//网络输入可表示为如下
形式!
)
#
S
:"
#"!
(
!
&
I!
PS!
(
!
P
$ 5S@#'37%)#)
#
% #'%
!$'"回归神经网络法的优越性
水资源系统在一定的时空条件下具有动态性和相
对性"并且在评价承载力时往往存在不确定性和复杂
性"考虑引入01//模型'
!$%"构建评价指标体系及分级标准
水资源系统不仅与人类意识形态)生产活动能力
等因素相关"而且还受系统自身特性的影响"它是一个
涉及水资源)生态环境以及社会经济等多方面内容的
复杂综合系统' 因此在指标选取时应考虑各因素之间
的相互关联"从而构成能够分析某区域承载力水平的
集合"然后利用综合评判工具对承载力进行分析' 指
标体系应综合考虑区域经济)社会)资源)环境等各个
('"(
卞海彬Y基于回归神经网络的沧州市水资源承载能力评价""" """"
方面"真实反映某区域水资源状况' 夏军等,!#-
从影响
因素的角度利用综合评判法对西北地区水资源承载现
状)未来发展趋势进行评价和对比"建立了有效的指标
体系$陈洋波等,!'-
对承载力指标从水资源系统内在驱
动力)外来压力)系统状态)影响程度)响应结果等方面
进行了深入分析$秦奋等,!%-
以河南省为例"利用灰色
关联法建立了指标体系' 构建指标体系应遵循可操作
性)动态性)完整性等原则"其中可操作性是考虑到指
标数据的可获取性与准确性因素"动态性是指符合水
资源系统的发展过程和状态变化特征"完整性是指所
选取的指标应能够涵盖水资源的各个方面'
评价指标体系是由若干个能够相互补充)且与水
资源问题密切相关的指标构成"本文依据 #&!! 年中央
提出的水资源管理.三条红线/具体要求"并结合沧州
市水资源利用现状和特征"分别从限制纳污)用水效率
以及用水总量 ' 个方面对指标进行选取"因数据资料
有限并考虑到评价结果的准确性"共选取了 !& 项代表
性指标' 结合全国水资源承载力状况和已有研究成
果"将承载力划分为!
)
"
)
#级 ' 个标准"分别代表承
载力状况较差)一般)较好"见表 !'
表 +%承载力评价指标体系与取值范围
子 系 统 指""标承载力等级划分#评分值%
!级#&$&(%
"级#&$(%
#级#&$U(%
用水总量
;
!
Y#E
'
Y人%
k'&& '&& Z&& lZ&&
;
#
Y#万E
'
YME
#
%
k#& #& Z& lZ&
;
'
Y_
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用水效率
;
%
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'
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l%&& %&& '&& k'&&
;
(
Y#>Y3%
l'&& #&& k!&&
;
Z
Y#E
'
Y万元%
l#&& #&& !&& k!&&
;
,
Y#E
'
Y万元%
l!#& !#& Z& kZ&
限制纳污
;
+
Y_
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;
U
Y_
k%& %& +& l+&
;
!&
Y_
kU& U& U( lU(
""指标;
!
;
'
分别为人均水资源量)产水模数)人口
增长率$;
%
;
,
分别为人均用水量)用水指数)万元0V?
用水量和工业产值用水量$;
+
;
!&
分别为污水处理率)
水质优良率)引用达标率'
!级是指区域水资源具有较小
的开发利用潜力"承载力状态已趋近于极限"在此条件
下的生态环境)社会经济以及资源的利用为不可持续状
态$
"级是指区域水资源开发虽然具有一定规模"但仍存
在发展潜力"水资源供给基本满足整体的需求$
#级是指
区域水资源具有较大的利用潜力"可持续利用状态良
好"可为社会发展提供有力的资源保障'
!$("回归神经网络的设计
根据上述01//运算过程"利用 H*T>*@软件进
行求解"具体的流程见图 !' 首先利用编程语言和各
分级标准随机生成隶属于!
)
"
)
#级标准的 Z 个检验
样本和 !& 个训练样本"为提高模型训练效果对每个样
本利用极差归一化进行处理$然后利用5BN6F55 自带函
数建立模型"并以各级评分值 &$&()&$()&$U( 作为训
练样本期望输出"利用 !( 个检验样本输入已检验训练
完成的网络$通过调整 AJFB<3 值逐渐减少样本输出误
差满足设定要求' 网络输出见表 #"期望输出与实际
输出相差不大"由此表明该 01//模型可用于下一步
的计算分析'
������
����
��������
����� �
��
�
�
图 +%模型运行流程
表 $% 网 络 输 出 结 果
样"本 ! # ' % ( Z , + U !&
实际输出 &$&(&! &$&(&& &$&(&& &$&(&& &$(&&& &$(&&& &$%U++ &$U(&& &$U(&& &$U%UZ
期望输出 &$&(&& &$&(&& &$&(&& &$&(&& &$(&&& &$(&&& &$(&&& &$U(&& &$U(&& &$U(&&
(("(
$%实例应用
#$!"沧州市概况
沧州市位于河北省东南部区域"北面与天津相接)
东面与渤海相连)南面与山东接壤"区域面积 !$'% 万
ME
#
' 属于暖温带大陆季风气候"多年降水量 (+!EE"
受地形地貌和经纬度影响"各年份降水量存在较大差
异"并且年内降水量以 Z&U 月为主' 年均气温
!#$(]"季节性温差较大$境内以平坦的平原为主"海
拔高度相差不大"地势特征由西南向东北方向呈倾斜
状态' 经济的发展与人口数量的增加"对沧州市水资
源供给能力造成了严重威胁"并对水资源可持续发展
提出了挑战' 因此"为促进沧州市人水和谐发展"优化
经济发展与水资源之间的协调状态"对该区域水资源
承载力研究具有十分重要的意义'
#$#"结果分析
根据河北省 #&&(&#&!( 年的统计年鉴)水资源公
报)政府工作报告以及沧州市水资源相关资料等"对承
载力指标数据进行提取"结果见表 ''
表 #% 沧 州 市 $'',&$'+, 年 各 指 标 数 据
年"份 #&&( #&&Z #&&, #&&+ #&&U #&!& #&!! #&!# #&!' #&!% #&!(
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;
!&
Y_
,&$(# ,&$(& +&$&& +#$&& U($!( UU$+, UU$Z# UU$+& UU$%U !&& !&&
""将表 ' 数据进行归一化处理并输入 01//模型"
然后运行模型得到承载力分级标准' 对比模糊综合评
价法与01//评价法的结果"两种方法评价结果一致"
验证了模型的可行性与可靠性"具体结果见表 %'
表 E% 两 种 方 法 评 价 结 果 对 比
结""果 #&&( #&&Z #&&, #&&+ #&&U #&!& #&!! #&!# #&!' #&!% #&!(
01//模型评分值 &$&(& &$&(& &$(&& &$(&& &$&(& &$(&& &$(&& &$(&& &$(&& &$(&! &$(&#
等"级 ! ! " " ! " " " " " "
模糊综合评判评分值 &$%&+ &$%,Z &$(&# &$'U, &$Z(# &$Z&Z &$Z!+ &$Z+& &$Z,# &$,'! &$,#(
等"级 ! ! " ! " " " " " " "
""由表 % 可以看出"在研究期间沧州市水资源承载
力整体在!级与"级范围波动"其中处于!级的年份
主要有 #&&( 年)#&&Z 年和 #&&U 年"在 #&!& 年以后该
区域承载力整体稳定在"级标准"由此表明"虽然沧州
市水资源开采已具备一定的规模"但仍存在开发潜力$
由 #&!% 年和 #&!( 年模糊综合评判结果可以看出"该
区域水资源开发利用潜力呈现出逐渐增强的变化趋
势"可能与近几年沧州市逐渐由粗放型)高能耗)高污
染的经济发展模式逐渐向节约型)环保型转变有关'
两种方法评价结果保持良好的一致性"由此表明"所建
立的模型具有较强的可行性与可靠性'
()"(
卞海彬Y基于回归神经网络的沧州市水资源承载能力评价""" """"
#%结%论
结合研究区域水资源实际状况和国家提出的.三
条红线/要求"利用 01//模型对沧州市 #&&(&#&!(
年的承载力水平进行了客观评价后"得出的主要结论
如下!
2$所建立的指标体系基本涵盖了与水资源相关
的各个方面"能够整体反映研究区域水资源实际情况'
根据不同的分级标准"利用 01//模型对训练样本和
检验样本进行了随机生成"有效解决了学习样本难以
获取和模型泛化能力较低的问题'
<$#&&(&#&!( 年沧州市水资源承载力整体在!
级与"级范围波动"其中处于!级的年份主要有 #&&(
年)#&&Z 年和 #&&U 年"#&!& 年以后该区域承载力整体
稳定在"级标准"由此表明沧州市水资源仍具有开发
潜力'
1$区域水资源开发利用潜力呈现出逐渐增强的
变化趋势"可能与近几年沧州市逐渐由粗放型)高能
耗)高污染的经济发展模式逐渐向节约型)环保型转变
有关' 两种方法评价结果保持良好的一致性"由此表
明"所建立的模型具有较强的可行性与可靠性'
D$由于受到数据来源的限制"并考虑到模型的训
练效率和精度问题"所建立的指标体系仍需进一步完
善' 随着计算机技术的发展"01//模型仍有待更深
层次的研究'
!
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