投影寻踪技术在城市水生态文明评价中的应用

张 成

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006)

水生态文明是人类遵循人水和谐理念，以实现水资源可持续利用，支撑经济社会和谐发展，保障生态系统良性循环为主体的人水和谐文化伦理形态，是生态文明的重要部分和基础内容。

目前国内外关于生态文明的概念有很多论述，从人—自然—社会的视角、文明形态的视角、生态学的视角等对生态文明进行定义。由于水生态文明研究涉及人口、资源、社会环境以及环境等多方面的因素，研究范围比较广泛。比如，在国外，美国政府部门[1]对区域的湖泊、水体、河流等水生态资源和环境变化进行实时监测，了解其发展趋势；欧盟研究机构[2]通过颁布相关指令，确保水环境、水资源的可持续利用来改善湿地环境、陆地生态系统、水生态系统等状况。在国内，付晓敏等[3]以马鞍山市为例构建城市水生态文明建设协调度评价模型，并进行了协调度评价；王贺[4]从水环境、水生态、水安全、水资源、水管理、水文化6个方面，应用AHP-模糊综合评价对其水生态文明城市建设效果进行评估；刘姝芳等[5]构建西安市水生态文明评价指标体系，计算建设前后的水生态文明综合指数，并进行比较。总之，经过相关学者的不断理论探索和总结，我国的城市水生态文明建设取得了一定的成就。但是，水生态文明建设仍然是限制着水资源-水环境-社会经济发展重要因素。国民经济的增长，主要依靠水资源的开发利用水平，考虑水生态的发展变化，结合水生态文明的实质内涵，统筹资源-社会-经济-文化的系统建设模型，是我国生态文明走可持续发展和经济发展的重大策略。

本文考虑到辽宁省地理区域，从水生态文明建设在东北地区的重要性出发，结合水生态文明概念、特点和基本原则，建立水生态文明评价指标体系，运用投影寻踪方法，进行水生态文明多层次、多角度研究，对我国城市水生态文明建设提供了一定的参考价值。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法[6- 7]

1.1.1基本原理

投影寻踪法是对收集到的观测数据进行高维处理与分析的新型统计学方法，重点应用在非线性和非常规的数据处理当中。该方法利用现代计算机分析技术，通过对低维空间的分析来描述高维数据信息，将高维数据进行重新组合，同时进行降维处理，将数据投影到低维子空间上，通过极少数投影指标寻找出整个高维数据集合的整体特征，并对数据进行结构分析，保证高维数据的内在相互关系。

目前投影寻踪法主要适用于水资源、水环境、水生态等领域，能够较好地避免无关方向的影响因素的干扰，说明了各个指标对整个评价分析的影响程度，同时避免了主观性对指标权重的不确定性，降低了主观因素的影响。

1.1.2主要步骤[8- 9]

(1)评价指标集标准化处理

设m个评价指标，n个样本数，由于m个评价指标之间量纲不统一，为了消除指标间的影响和差异，对m个评价指标进行标准化处理，具体计算公式如下：

①指标越大越优型：

(1)

②指标越小越优型：

(2)

式中，x(i，j)—在第i个样本的第j个指标下的标准化处理值，取值范围在0～1之间；xmax(j)，xmin(j)—第j个指标的最大值和最小值。

(2)构造投影指标函数

投影寻踪主要是采用线性投影方法把m维的数据按照公式(3)综合成单位程度向量a(m)的投影方向的一维投影值，即多维数据投影转换为低维数据的过程，

(3)

式中，z(i)—第i个样本的投影值。

在m维指标中，为了更多地显示数据特征结构，投影值的点数局部应密集，整体应分散，即投影值z(i)的局部密度值尽量大，同时保证投影在一维向量上的间距要达到最大，因此，投影函数为：

Q(a)=SzDz

(4)

式中，Sz—投影值的样本标准差；Dz—投影值的局部密度值。

(3)优化投影指标函数

根据投影指标函数公式可知，投影函数随着单位程度向量a的变化而变化，因此，Q(a)的最大值作为优化投影函数的最佳投影方向，其计算公式如下：

Qmax(a)=SzDz

(5)

(4)计算投影特征值与比较分析

将第(3)步计算得到的最佳投影方向a带入第(1)步投影值计算公式，得到n个样本评价指标投影值，对n个评价指标投影值进行排序，与总体的差异性进行一一比较，通过评价等级与投影值建立函数关系，即可评价样本对水生态文明的影响等级。

1.2 数据来源

通过辽宁省水利厅和辽宁省统计局编制的《辽宁省水资源公报》与《辽宁省统计年鉴》等相关资料的收集，结合辽宁省环境保护厅编制的《辽宁省环境状况公报》以及以沈阳市为研究区域的《沈阳市水资源公报》、《沈阳市统计年鉴》和《沈阳市国民经济和社会发展统计公报》现状年的数据作为原始数据。同时，也参考了其他研究成果[10- 13]。

2 研究区概况

沈阳位于中国东北地区南部，地处东北亚经济圈和环渤海经济圈的中心，属温带半湿润大陆性气候，全年气温在-35～36℃之间。平均气温8.3℃，全年降水量661.5mm，全年无霜期183d。受季风影响，降水集中、温差较大、四季分明。辽河干流沈阳段水质符合GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类；浑河干流沈阳段水质劣于Ⅴ类；北沙河水质劣于Ⅴ类；卧龙湖水质劣于Ⅴ类。城市集中式生活饮用水水源地水质达标率为98.1%。全市水土流失面积为1941.7km2，土壤风蚀较为严重，主要是土地沙化，每年沙化土地增加量为103km2，增长幅度为43%。从目前来看，沈阳市生态文明建设已取得显著成绩，但与国家环境建设标准相比较，还存在一定的差距。

3 构建水生态文明评价指标体系

评价指标体系的构建是依据评价指标的选取原则，结合研究区域的实际状况，选择具有代表性的评价指标，在选用相应的评价指标分析方法进行指标筛选和处理，根据计算的指标参数值与相关的研究成果标准值进行比较，得到研究区域的评价指标现状。参考相关研究成果，依据评价指标科学性、层析性、全面性、量化性等原则，从水安全、水生态、水景观、水管理、水文化5个系统层面，构建城市水生态文明评价指标体系，具体评价指标如图1所示。

图1 城市水生态文明评价指标体系框图

4 评级分析

4.1 等级划分

城市水生态文明评价等级划分尚未统一标准，主要根据专家经验与实际状况综合拟定。通过对沈阳市的水资源开发利用率、社会经济发展状况、自然生态环境等内容收集与调查，将等级标准划分为理想、和谐、基本和谐、不和谐、较差5个等级，具体标准见表1。

表1 沈阳市水生态文明评价指标等级划分

4.2 结果分析

根据投影寻踪法的计算步骤，运用计算机技术进行模型函数的计算，评价指标的趋势有越大越优和越小越优两类，在采用的加速遗传算法工程中，采用的参数为初始种群400，加速优秀参数20，变异系数概率0.85，交叉系数概率0.8，最终得到优化投影函数的最佳投影方向向量为a=(0.1887，0.1894，0.1989，0.1860，0.1877，0.1709，0.1860，0.1829，0.1990，0.1726，0.1833，0.1808，0.1756，0.1825，0.1841)，理想、和谐、基本和谐、不和谐、较差所对应的投影值分别为4.684、3.312、2.981、1.119、0.000，最后计算得到沈阳市现状年投影值z=4.2470。

通过城市水生态文明各个等级值与投影值建立评价模型f，并进行模型误差性分析，计算公式如下：

f=-0.002z3-0.1054z2-0.1374z+4.982

(6)

上述公式计算出评价模型的误差分析中平均绝对误差为0.389、平均相对误差为2.03%，说明了建立的评价模型计算精度能够满足要求，同时也能满足城市水生态文明评价的标准。将沈阳市现状年投影值为z=4.2470带入评价模型，得到f=2.3442，即沈阳市水生态文明评价处于基本和谐状态，与实际现状基本一致，说明了该评价模型在城市水生态文明评价中运行是合理的。

5 结语

根据城市水生态文明建设的概念内涵和理论基础，基于水安全、水生态、水景观、水管理、水文化等5个系统方面，构建15个城市水生态文明评价指标体系，在运用投影寻踪法的基础上，依据沈阳市水资源、社会经济、生态环境的实际状况，制定出5个评价指标等级标准，在计算机技术支持下，计算得到最佳投影方向向量，反映水生态文明评价等级结果。考虑到评价指标数据收集的局限性和不确定性，沈阳市水生态文明评价基础数据处理和方法还需进一步改善，主要是在评价指标筛选和评价等级标准的划分方面。