基于擴(kuò)展鄰圖的水資源紅黃藍(lán)動態(tài)分區(qū)管理研究

基于擴(kuò)展鄰圖的水資源紅黃藍(lán)動態(tài)分區(qū)管理研究

1基于系統(tǒng)、綜合及可持續(xù)發(fā)展的水資源管理分區(qū)淡水資源的缺乏是中國的基本國情。在2009年全國水利工作會議上，回族副總理提出，“從中國水情的基本情況來看，必須實行最嚴(yán)格的水資源管理體系。”。最嚴(yán)格的水資源管理制度是通過一系列的制度創(chuàng)新和實踐創(chuàng)新,完善水資源管理的體制和機(jī)制,強化責(zé)任意識和執(zhí)法監(jiān)督,達(dá)到水資源合理配置。如何對水資源進(jìn)行高效配置和嚴(yán)格管理,近年來國內(nèi)不少學(xué)者對其進(jìn)行了深入的研究。陳家琦、王浩等主張用綜合的觀念研究水資源問題,強調(diào)運用行政、法律、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和教育等多種手段對影響水資源供求的各個方面進(jìn)行管理;吳季松等主張用系統(tǒng)觀念研究水資源問題,認(rèn)為水資源管理應(yīng)遵循水資源的自然屬性和運動規(guī)律,在不同階段、針對不同表現(xiàn)形態(tài),采取不同的管理措施與方法;左其亭等和林洪孝主張從可持續(xù)利用的角度論述水資源管理及其內(nèi)容,強調(diào)水資源開發(fā)利用的公平性,指出水資源管理是為了支持實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。綜合以上專家學(xué)者的觀點,他們從系統(tǒng)、綜合及可持續(xù)發(fā)展的觀點出發(fā),強調(diào)了水資源管理的多樣性與復(fù)雜性。不同地區(qū)、不同環(huán)境條件下,水資源管理的內(nèi)涵和外延均有不同,隨著人口增多、經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展及用水需求的增長,增加水資源供給成為水資源管理的主要問題。本文在綜合現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上,提出將具有相似的水資源利用狀況以及相似的水環(huán)境效應(yīng)的區(qū)域單元作為一個管理子區(qū)域,利用擴(kuò)展最近鄰算法ENNA(theextendednearestneighboralgorithms)對各分區(qū)單元進(jìn)行分區(qū)聚類,按照流域內(nèi)每一管理分區(qū)的具體條件,采用不同的水資源管理模式與對策。以福建省泉州市為研究區(qū)域,在保證空間連通性及各行政區(qū)化完整性的基礎(chǔ)上,按水資源管理需求將流域劃分為紅黃藍(lán)3個子區(qū)域。利用水利信息化和組件化技術(shù)建立水資源紅黃藍(lán)分區(qū)管理系統(tǒng),實現(xiàn)水資源分區(qū)管理的可視化,在整個分區(qū)過程中能夠直觀、準(zhǔn)確地確定各水資源量的分界點和分界線,為實施水資源的分區(qū)管理及可視化的信息管理提供理論基礎(chǔ)和操作平臺。2水資源紅黃藍(lán)分配方法2.1水環(huán)境效應(yīng)的區(qū)域單元水資源分區(qū)管理是指水資源在開發(fā)、利用和保護(hù)過程中,按照一定的評價標(biāo)準(zhǔn)和分區(qū)方法,將具有相似的水資源利用狀況以及相似的水環(huán)境效應(yīng)的區(qū)域單元作為一個管理區(qū)域進(jìn)行管理。本文將流域水資源的管理分為紅黃藍(lán)3個管理子區(qū)域,并采用與之相對應(yīng)的水資源管理模式與對策來處理各地區(qū)、各部門間的用水矛盾,監(jiān)督、限制不合理的開發(fā)水資源和危害水源的行為,以便提高水資源利用效率和管理精度,節(jié)約用水量和提高用水水質(zhì),在達(dá)到保護(hù)水資源和水環(huán)境目的的基礎(chǔ)上,獲得較好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。2.2紅黃藍(lán)分區(qū)原則水資源紅黃藍(lán)分區(qū)管理是為了各地區(qū)更好地、因地制宜地制定水資源的開發(fā)利用和保護(hù)管理規(guī)劃。水資源的紅黃藍(lán)分區(qū)應(yīng)遵循以下原則:(1)紅黃藍(lán)分區(qū)要反映水資源的地區(qū)差別,分區(qū)和計算單元在一定時期內(nèi)相對固定并帶有強制性的分區(qū)模式;(2)盡量保持水系的完整性;(3)自然地理要素、水資源特點、開發(fā)利用條件以及存在問題基本相同或者相似;(4)紅黃藍(lán)各個區(qū)域水資源管理政策相似。2.3計算指標(biāo)紅黃藍(lán)分區(qū)分區(qū)指標(biāo)的選擇應(yīng)對調(diào)查和訪問獲得的直接數(shù)據(jù)資料進(jìn)行認(rèn)識分析,對各因素進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)據(jù)篩選,選取具有代表性意義的數(shù)據(jù)或反映所研究事物特征的參數(shù),避免指標(biāo)的重復(fù)設(shè)置。水資源的紅黃藍(lán)分區(qū)管理的目的是為了實施最嚴(yán)格的水資源管理制度,全面建設(shè)節(jié)水型社會,因此,本文參照《節(jié)水型社會建設(shè)評價指標(biāo)體系》等有關(guān)規(guī)定,選取反映流域內(nèi)不同區(qū)域的水資源管理現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的一些數(shù)據(jù),從綜合性、生活用水、生產(chǎn)用水和生態(tài)指標(biāo)4大指標(biāo)體系中篩選出指標(biāo)樣本進(jìn)行計算。綜合性指標(biāo)反映水資源紅黃藍(lán)分區(qū)管理的水資源量和發(fā)展經(jīng)濟(jì)所需要的水資源總量,包括人均綜合用水量、萬元GDP取水量和實際用水比率。生活用水指標(biāo)體系反映各個分區(qū)中生活用水節(jié)水措施的實施情況,節(jié)水器具普及率可以充分體現(xiàn)居民的節(jié)水意識,對于水資源的管理是顯而易見的。生產(chǎn)用水指標(biāo)體系反映各個分區(qū)中生產(chǎn)過程所需要的水量,水資源的分區(qū)管理是為了更好地協(xié)調(diào)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源之間的矛盾,因此選擇與農(nóng)業(yè)、工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)相關(guān)的指標(biāo)體系來進(jìn)行分區(qū)。生態(tài)指標(biāo)體系則反映水資源開發(fā)利用活動對水生態(tài)與環(huán)境帶來的影響,是實施水資源分區(qū)管理的重要指標(biāo)體系,包含地表水水質(zhì)、廢水排放和生活污水處理等方面的指標(biāo)。將以上各個方面的指標(biāo)結(jié)合起來,就構(gòu)成了流域水資源紅黃藍(lán)分區(qū)的指標(biāo)體系,如表1所示。利用這套指標(biāo)體系,可以對流域各個分區(qū)單元進(jìn)行聚類分區(qū),對各分區(qū)水資源狀況進(jìn)行診斷,提出水資源管理策略。2.4其他分區(qū)方法ENNA算法是一種簡潔而有效的非參數(shù)模式分類算法,是一種簡單的機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘算法,其用于水資源的分區(qū)管理的基本原理是找到被分區(qū)對象在訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中的K個最近的相鄰分區(qū),根據(jù)這些相鄰分區(qū)的屬性進(jìn)行聚類計算,將得出的預(yù)測值賦給被分區(qū)對象的屬性。ENNA算法有利于水資源紅黃藍(lán)分區(qū)管理決策和分區(qū)信息化的實現(xiàn),可排除人為因素對水資源分區(qū)管理的影響,方便計算機(jī)編程。它主要靠與所選擇的訓(xùn)練樣本有關(guān)的鄰近樣本進(jìn)行聚類計算,對于分區(qū)域的不同指標(biāo)的交叉或重疊較多的待分樣本,該方法較其它分區(qū)方法,如模糊聚類法,決策樹法等更為合適,其收斂性與誤差率的分析見參考文獻(xiàn)。水資源管理分區(qū)的具體步驟如下。(1)步驟1:建立分區(qū)指標(biāo)樣本集。設(shè)指標(biāo)樣本集U,U1m,U2m,…,Unm,有n個指標(biāo),m個區(qū)域,分別表示對應(yīng)于分區(qū)w1,w2,…,wm的樣本數(shù),且令xj(1),xj(2),…,xj(k),j=1,2,…,m表示測試樣本x在第wj分區(qū)樣本里的最近鄰且xj?wj,則有:式中:uj為訓(xùn)練的指標(biāo)樣本集在分區(qū)wj中的均值向量。(2)步驟2:指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化計算。在實際的數(shù)據(jù)處理中,由于各種數(shù)據(jù)源的量綱不同,若直接使用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計算,則會使數(shù)量級特別大的指標(biāo)對于整個分區(qū)的計算結(jié)果產(chǎn)生不良影響。因此,本文采用均值標(biāo)準(zhǔn)化法將數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化,其標(biāo)準(zhǔn)化算法如下:式中:U′nm為標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù);為第m列指標(biāo)的平均值。(3)步驟3:計算最近鄰距離。待測試的指標(biāo)樣本x與在其分區(qū)wj里的最近鄰Xj(1)的距離為Dj(1),即:其中:的轉(zhuǎn)置。(4)步驟4:計算測試指標(biāo)樣本與均值向量的距離。設(shè)Dj(2)為分區(qū)wj的指標(biāo)樣本x與均值向量μj之間的距離,計算式為:其中:(x-μj)T為(x-μj)的轉(zhuǎn)置。(5)步驟5:計算分區(qū)wj的組合距離Dj。Dj的計算公式為:其中:c為距離加權(quán)系數(shù),它反映了均值向量對分區(qū)結(jié)果的影響程度,數(shù)值越大,則對分區(qū)結(jié)果影響越大。在反復(fù)的計算中發(fā)現(xiàn)c值一般較小,根據(jù)交叉驗證法選擇c的取值,計算公式為:(6)步驟6:設(shè)置分區(qū)界限的距離閾值Dp(j)。如果樣本之間的距離小于Dp(j),則將兩樣本歸于同一類。Dpj的計算公式一般為:其中:為的轉(zhuǎn)置。3使用示例3.1水資源量逐年增加泉州市多年平均水資源總量近100億m3,人均1272m3,低于全國和全省平均水平,而沿海人口密集、經(jīng)濟(jì)相對發(fā)達(dá)的地區(qū),人均水資源量僅有205~417m3。全市每年流向境外的外流域和直接入海的水資源量約40多億m3,下游500多萬人的生產(chǎn)和生活用水基本依靠晉江流域不足50億m3的水資源為支撐,泉州市以占全省8%的水資源量,養(yǎng)育著全省20%的人口,支撐著全省27%的地區(qū)生產(chǎn)總值。同時,由于水資源時空分布不均、調(diào)蓄能力偏低、部分河流污染嚴(yán)重以及水資源供需矛盾突出等問題的日益加重,尋求新的水資源管理模式已經(jīng)迫在眉睫。3.2enna算法計算分區(qū)根據(jù)分區(qū)原則,將泉州市各區(qū)的分區(qū)指標(biāo)樣本數(shù)據(jù)代入上述模型中,通過高性能計算機(jī)編程對指標(biāo)進(jìn)行運算,對泉州市水資源現(xiàn)狀進(jìn)行分區(qū)。限于文章篇幅,僅列出部分地區(qū)的指標(biāo)樣本數(shù)據(jù),見表2,其余地區(qū)數(shù)據(jù)詳見泉州市2011年水資源公報。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù),首先根據(jù)式(2)對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,統(tǒng)一量綱,然后分別以各個分區(qū)單元的指標(biāo)樣本為訓(xùn)練樣本集,以剩余分區(qū)單元為測試指標(biāo)樣本集。以石獅市為例,將石獅市(w1)的指標(biāo)樣本作為訓(xùn)練樣本集,流域內(nèi)其余地區(qū)作為測試樣本集,對每個區(qū)重復(fù)試驗200次,取200次試驗的平均值為測試距離。所測得分區(qū)單元{晉江,惠安,洛江,豐澤,泉港,南安,鯉城,安溪,永春,德化}與石獅市(w1)所對應(yīng)的距離D1(1)為:{0.025,0.037,0.123,0.237,0.381,0.401,0.679,0.702,0.733,0.821},與均值向量的距離D1(2)為{0.022,0.039,0.109,0.221,0.333,0.452,0.689,0.699,0.721,0.802},通過交叉驗證法得出c取值在0.0032時,誤差小于1.00E-6。所以分區(qū)單元的組合距離D1為{0.025,0.037,0.123,0.237,0.382,0.402,0.680,0.704,0.735,0.823},計算出閾值Dp(1)=0.391,將距離小于Dp(1)的樣本歸于一類,舍去距離大于Dp(1)的樣本。以此類推,將各個分區(qū)對象作為測試樣本,計算距離進(jìn)行分區(qū)歸類,限于文章篇幅,略去其它分區(qū)對象的分區(qū)計算過程,其計算結(jié)果如表3所示,并根據(jù)ENNA算法的計算結(jié)果,繪制分區(qū)圖,部分地區(qū)的ENNA算法分區(qū)圖如圖1所示。根據(jù)流域內(nèi)各地區(qū)在ENNA的計算結(jié)果及分區(qū)圖,計算出每個分區(qū)單元重復(fù)疊加的概率,根據(jù)《節(jié)水型社會建設(shè)試點評價指標(biāo)體系》規(guī)定的指標(biāo)值中優(yōu)先考慮生態(tài)指標(biāo),將泉州市11個縣(市、區(qū))分為紅黃藍(lán)3個管理分區(qū)。例如,萬元GDP取水量中高于144m3的劃分為紅區(qū),低于140m3的劃分為藍(lán)區(qū),處于中間的為黃區(qū);實際用水比率超過100%的地區(qū)劃分為紅區(qū),低于50%的劃分為藍(lán)區(qū),其余為黃區(qū);萬元工業(yè)增加值取水量超過60m3的劃分為紅區(qū),50m3以下的劃分為藍(lán)區(qū),50~60m3之間的為黃區(qū)等。最終分區(qū)結(jié)果見表4。3.3紅區(qū)水資源保護(hù)綜合以上分區(qū)結(jié)果,為了使水資源管理的紅黃藍(lán)分區(qū)直觀、簡潔,本文采用AAF框架、Web開發(fā)工具、MSSQLSERVER2008以及水利業(yè)務(wù)組件化技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā),將基于ENNA算法的水資源紅黃藍(lán)分區(qū)管理可視化,依據(jù)福建省1∶5萬電子地圖,對泉州市行政界進(jìn)行劃分,建立泉州市水資源紅黃藍(lán)分區(qū)管理系統(tǒng)。圖2為泉州市水資源紅黃藍(lán)分區(qū)管理系統(tǒng)。針對紅黃藍(lán)分區(qū)區(qū)域,實施相應(yīng)的管理制度。(1)紅區(qū)。對于紅區(qū)采取最嚴(yán)格的水資源管理措施和制度,在現(xiàn)有的水文信息采集體系基礎(chǔ)上,以重要縣(市、區(qū))的供水水源地、規(guī)模以上取用水戶、江河主要入河排污口、主要江河行政邊界控制斷面、地下水超采區(qū)和水功能區(qū)等為主要對象,增加監(jiān)測基站,進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。主要措施包括:(1)明確規(guī)定該區(qū)域內(nèi)的取用水量,逐步建立水權(quán)市場,經(jīng)行政主管部批準(zhǔn),不足的水資源量可以通過跨分區(qū)的水權(quán)轉(zhuǎn)讓獲得;(2)改善第三產(chǎn)業(yè)和居民用水器具,采用先進(jìn)的節(jié)水設(shè)備;(3)有效控制紅區(qū)內(nèi)水資源的不合理開發(fā)和利用,不再審批新增取水量;禁止新增高耗水、高污染項目;禁止在地下水禁采區(qū)或公共供水管網(wǎng)覆蓋區(qū)域內(nèi)開采地下水,建立地下水水位紅黃藍(lán)預(yù)警及管理預(yù)案;強化農(nóng)業(yè)節(jié)水管理,減少農(nóng)業(yè)面源污染;(4)對于紅區(qū)內(nèi)水功能區(qū)水質(zhì)不達(dá)標(biāo)河段制定年度排污總量消減方案和措施,嚴(yán)禁新增入河排污口。(2)黃區(qū)。黃區(qū)屬于一個過渡區(qū)或預(yù)警區(qū),對于黃區(qū)內(nèi)的水資源管理需要采用較嚴(yán)格的水資源管理政策,限制審批新增取水項目,鼓勵黃區(qū)內(nèi)新建、改造和擴(kuò)建項目的用水量通過水權(quán)交易獲得,執(zhí)行非居民生活用水超計劃用水累進(jìn)加價收費制度,保證不惡化該分區(qū)內(nèi)的水資源問題。(3)藍(lán)區(qū)。藍(lán)區(qū)屬于正常管理區(qū),對于藍(lán)區(qū),水資源管理可以按照現(xiàn)行規(guī)定的正常制度執(zhí)行,保護(hù)水生態(tài)環(huán)境,并對該區(qū)域內(nèi)的水資源保護(hù)進(jìn)行補償。水資源紅黃藍(lán)分區(qū)管理的實施,有效地改善了泉州市水資源緊缺等問題。紅區(qū)經(jīng)過嚴(yán)格的水資源管理,該分區(qū)內(nèi)的石獅市關(guān)閉了80多家印染廠的120多個自備小鍋爐,促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整;在漂染、石材加工和造紙等行業(yè)推廣水循環(huán)再利用,推廣廢水重復(fù)利用,部分造紙廠的冷卻水和冷凝水已達(dá)到100%的回收利用。黃區(qū)中的惠安縣投資1.23億對黃塘溪進(jìn)行綜合治理,使流域水污染、水土流失情況得到有效的治理。4a算法的應(yīng)用本文提出了水資源分區(qū)管理是實行最嚴(yán)格水資源管理制度的