辽宁省水资源生态安全评价研究

刘立杰

（绥中县水利事务服务中心，辽宁 葫芦岛 125200）

水资源生态安全是指水资源在维持生态系统良性循环的情况下对保障人民生活和经济发展的程度，科学合理地评价水资源生态安全已成为生态安全领域研究的热点之一[1-2]。为全面反映各要素之间的相互关系，必须选用合适的评价模型以及构建合理的评价体系。目前，较为常用的水资源评价方法有PPE 投影寻踪法、综合评价法等[3-5]。其中，PPE 法是一种以统计思想为基础无需确定指标权重的客观评价方法，而综合评价法主要有权重计算、专家评分和数学运算等计算流程，具有较强主观性。对于构建评价体系一般有2 种方法[6-8]：①评价体系选择固定框架模型，如PSR、DSR、DPSIR 等框架模型；
②坚持系统论与可持续发展理论，将整体系统划分成由多个要素、不同层次、既独立又相互联系的子系统。

因此，为客观反映各参评指标的可持续发展特性及其相对变化特征，拟选用PPE 投影寻踪法研究区域水资源生态安全状况。由于针对水资源的相关研究以往学者多侧重于利用PPE 评定等级，即以各指标数值的线性减小或增加为基础划分安全等级，而不同区域的资源差异性显著，不同年份同一地区的指标数据也存在非线性复杂关系，评价结果无法客观反映区域指标状态的发展历程以及各指标间的相对重要程度[9-10]。因此，为了解决上述问题，拟选用具有较强全局搜索能力且编程更加简洁的PSO 粒子群算法，通过优化PPE 投影寻踪法更加真实地反映区域水资源发展历程。

1.1 构建评价体系

文章结合相关研究成果[11]和指标选取的地域性、层次性、系统性、可获取性原则，从生态环境、社会经济、水资源的角度选择21 项指标构建水资源生态安全评价体系，如表1 所示。

表1 水资源生态安全评价体系

1.2 建立PPE 模型

PPE 投影寻踪法主要是通过在低维子空间上投影高维非线性数据确定能够反映原高维数据特征或结构的投影，从而统计分析高维数据的计算方法，其主要步骤为[12]：

步骤1：标准化处理。为消除各参评指标因量纲或数量级不同而产生的不可通透性，应标准化处理各样本的初始数据，即：

式中：xij、aij——代表第i年参评指标j的标准化值和初始数值，i=1，2，…，n；
j=1，2，…，m；
n、m代表年份和参评指标数。

步骤2：构造投影函数Q(a)。根据投影方向a={a(1)，a(2)，…，a(m)}和m维数据{x(i，j)|j=1，2，…，m}求解，类内密度DZ和类间距离SZ的取值与投影值散布的优劣程度有关，投影函数Q(a)的表达式为：

式中：E(z)、R——代表投影值z(i)的均值和局部密度的窗口半径，R值通常取0.1SZ；
r(i，j)、u(t)——代表样本之间的距离和单位阶跃函数，t≥0 时u(t)取1，t＜0 时u(t)取0。

步骤3：投影函数Q(a)的优化。最佳投影方向能够最大程度地反映原高维数据结构特征，为估计最佳投影方向引入最大化Q(a)求解问题，可以表示成如下公式：

对于以投影方向为变量的非线性求解问题利用以往的方法处理难度较高，故选用具有较强全局搜索能力且编程更加简洁的PSO 粒子群算法来处理。

1.3 PSO 算法处理

PSO 粒子群算法是一种群智能自适应搜索进化计算技术，其基本原理是将搜索空间内的粒子视为每个优化问题的解，粒子的“优劣”程度则取决于被优化问题的适应值。粒子和群体经过的最高位置就是个体极值(pbest)、全局极值(gbest)，即最优解。采用以上2 个极值，粒子不断更新形成新一代群体，全面搜索所有解区域。

设N代表种群规模，粒子i的速度、位置和适应值用vi、xi、fi表示，在随机产生初始速度和位置后，粒子通过跟踪全局极值gbest(t)和个体极值pbesti(t)实现每一次的迭代更新。粒子在(t+1)时找到最优解更新自己的速度、位置，可以表示成如下形式：

式中：c1、c2——代表学习因子；
r1、r2——代表均匀分布于0~1 范围的随机数；
w——代表惯性权重。全体粒子的gbest和每个粒子的pbest按照公式（6）~（7）更新，即：

式中：fi(t+1)、f[pbesti(t)]——代表粒子i在(t+1)时刻的适应值和历史最佳适应值；
xmax(t+1)——代表所有粒子在(t+1)时刻最大f[pbesti(t)]对应的位置。实际优化问题决定每个粒子的适应值fi，即优化的投影方向，利用公式（2）和当前粒子位置xi即可确定粒子适应值Q(a)。

2.1 区域概况

辽宁省位于中国东北地区南部，下辖丹东、本溪、大连、营口、辽阳、安全、铁岭、抚顺、沈阳、盘锦、朝阳、阜新、锦州和葫芦岛14 个地市，总面积14.8 万km2。该区域属于温带季风气候区，日照丰富，四季分明，雨热同季，年降水量600~1100mm，雨量不均，西干东湿，主汛期(6~9 月)降雨集中且多强降雨。境内入海河流有浑河、太子河、辽河、沿海诸河，出境河流有柳河、大凌河支流、青龙河、老哈河、浑江、东辽河和西辽河等，蒲石河、叆河、鸭绿江等为入国际河流[13-15]。

研究所用数据来源于辽宁省2008-2020 年统计年鉴、水资源公报、环境年鉴和国民经济统计资料等，如表2 所示。2020 年辽宁省水资源开发利用率42.5%明显高于全国平均值20.1%，其中农业用水比例88.6%高于全国平均值62.4%，而工业用水比例7.6%和生态用水比例0.7%低于全国平均值21.85%及2.4%，并且工业产值比例较高，如表2所示。长期以来辽宁省地下水资源弹性系数处于较高水平，污染物及废水排放对地下水水质和耕地质量等产生极大损害。因此，为了促进区域生态环境、水资源与社会经济的协调发展，有必要科学评价研究水资源生态安全状况。

2.2 最佳投影向量

采用Matlab2018b 软件完成PSO-PPE 粒子群优化投影寻踪法相关运算，依据统计数据确定最佳投影向量a=(0.145，0.036，0.247，0.196，0.087，0.001，0.205，0.002，0.236，0.051，0.421，0.250，0.261，0.001，0.001，0.316，0.039，0.433，0.405，0.037，0.001)，从而反映水资源生态安全受各参评指标的影响。因此，万元工业产值耗水量、万元农业产值耗水量、工业用水比例、水资源污染指数和人均实地面积5项指标对水资源生态安全的影响最显著。

从图1 权重计算结果可知，水资源生态安全受社会经济系统的影响最显著。另外，水资源配制对水资源生态安全影响显著，通过减少万元工、农业产值耗水量可以缓解水资源短缺压力，在一定程度上促进资源经济的协调发展。从环境污染与生态保护上，通过增加人均湿地面积有利于改善水生态安全状况，然而生态环境因近年来污染物排放而出现严重破坏，对居民生活产生较大影响，生态环保逐渐引起社会各界的广泛关注，如工业废水及污染物排放量呈先上升后下降的变化趋势，2020 年水资源污染指数较2008 年减小35.48%，2013 年的水资源污染指数最高0.104t/104m3。所以，有效改善区域水资源生态安全状态的措施包括严格控制污染物的排放、加强湿地保护以及提升水资源利用效率等。

图1 各子系统对水资源生态安全的影响程度

2.3 生态安全变化趋势

辽宁省2008-2020 年水资源生态安全变化趋势如图2，结果显示总体表现出波动上升的变化特征。其中2020 年万元工、农业产值耗水量和水资源污染指数较2008 年减少84.62%、61.11%、35.48%；
2020 年单位面积废水排放量较2008 年提高33.33%，在一定程度上影响着水资源生态安全。

图2 水资源生态安全综合投影值变化趋势图

依据表2 和图1、图2 可知，区域水资源生态安全具有较大增长潜力，研究期间的发展态势不均衡，2008-2013 年、2014-2017 年 和2018-2020 年的发展态势相对稳定。2014 年较较前一年的水资源生态安全投影值增加66%，究其原因是工业用水比例、水资源污染指数等负向指标较2013 年减少了8.87%、54.81%；
2018 年较前一年的水资源生态安全投影值增加94%，究其原因是万元工业产值耗水量、工业用水比例、水资源污染指数、万元农业产值耗水量等负向指标较2017 年减少了28.57%、18.90%、40.43%、7.75%；
2020 年的单位面积废水排放量、土地垦殖比例、地下水开采弹性系数等负向指标较2008 年分别减少33.33%、62.90%、74.81%。因此，相关部门必须加强污水排放控制和废水治理，逐步降低地下水资源开采以及土地垦殖比例，制定科学的水资源利用方案等生态安全建设有益措施。

采用Matlab2018b 软件计算确定各子系统投影特征值如图3，结果显示水资源生态安全受社会经济系统的影响最显著。2008~2020 年生态环境、水资源子系统和水资源生态安全的变化趋势基本一致，生态环境呈波动上升趋势而水资源系统略有下降。对于社会经济系统，2020 年万元工、农业产值耗水量较2008 年减少84.62%和61.11%，在很大程度上提高了该子系统的生态安全程度。水资源系统总体呈小幅降低趋势，这主要与地下水过度开采、水资源具有不确定性有关。2020 年和2012 年的人均水资源量为最高的706.2m3、481.5m3，该变化趋势与水资源系统基本相同。2020 年相较于2008 年的水资源开发利用率提高50.71%，主因是地下水开采过度，从而使得水资源系统出现加速破坏现象。生态环境系统表现出波动上升趋势，而导致这种变化的主要原因是2012 年较2011 年水资源污染指数(负向指标)增大44.93%，2018 年较2017 年人均湿地面积(正向指标)增加19.47%，这与水资源污染指数、人均实地面积、工业用水比例等指标持续改善有关。

图3 各子系统投影特征值变化趋势图

1） 依据相关研究成果和区域特点，从生态环境、社会经济和水资源的角度选择21 项指标构建评价体系，并对PPE 投影寻踪法利用计算效率高、可调参数少、简单易实现的PSO 粒子群算法加以优化，实证分析辽宁省水资源生态安全发展历程。结果表明，在研究评价水资源生态安全时该模型具有较好适用性和可行性。

2）2008-2020 年辽宁省水资源生态安全发展不均衡，但总体表现出波动上升趋势，其中2014年和2018 年各指标发展不均匀是导致投影值跃升的主要原因。水资源生态安全受社会经济子系统的影响最显著，水资源污染指数、万元农业产值耗水量、人均实地面积等指标对水资源生态安全影响最显著。因此，辽宁省水资源生态安全保护应以加强生态环境治理、降低废水发放以及提高水资源利用效率为重点。

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