
基于BP神经网络的白洋淀水环境承载力研究
杨延梅, 向维, 苏靖, 陈文婷, 傅雪梅, 虞敏达, 孙源媛, 郑明霞
基于BP神经网络的白洋淀水环境承载力研究
Research on the Water Environmental Carrying Capacity of Baiyangdian Watershed Based on BP Neural Networks
为揭示流域社会经济、资源与生态对水环境承载力的影响程度,以白洋淀流域为研究对象,基于频次分析与主成分分析构建白洋淀流域水环境承载力评级指标体系,筛选出研究区水环境承载力指标12个。同时首次结合控制图及流域发展规划方法确定各项指标的阈值区间,建立白洋淀水环境承载力BP神经网络模型。结果表明,研究区2012、2013与2015年处于较弱承载状态,而2014、2016与2017年处于中等承载状态。评价结果与白洋淀流域实际发展趋势吻合,同时也表明未来人均GDP、地下水开采等将会给白洋淀流域水环境承载带来较大的压力。研究表明,结合控制图及流域发展规划方法可更精准地确定水环境承载力指标体系分级标准,同时基于BP神经网络模型可以准确有效地进行流域水环境承载力评价,可为流域的水环境与经济协调发展提供借鉴。
In order to reveal the effect of the social economy, resources and ecology of the watershed on the water environment carrying capacity, Baiyangdian Watershed is selected as the study object, based on the frequency analysis and principal component analysis to construct an evaluation index system for the water environment carrying capacity of the Baiyangdian Watershed, and twelve water environment carrying capacity indexes are selected. Meanwhile, the control chart and watershed development planning method are combined for the first time to determine the threshold interval of index, and the BP neural network model of water environmental carrying capacity suitable for Baiyangdian Watershed is established according to the evaluation the water environmental carrying capacity of Baiyangdian Watershed. The results show that 2012, 2013 and 2015 were in a poor bearing state, while 2014, 2016 and 2017 were in a medium-sized carrying state. The evaluation results are consistent with the actual development trend of Baiyangdian Watershed, and also indicate that factors such as per capita GDP and groundwater exploitation will bring heavy pressure to the water environment of Baiyangdian Watershed in the future. The study shows that the index system classification standard of water environment carrying capacity can be determined more accurately by combining the control chart and the watershed development planning method. Meanwhile, the evaluation of the watershed water environment carrying capacity can be carried out accurately and effectively based on the BP neural network model, which serve as a reference for the coordinated development of the watershed water environment and economy.
白洋淀流域 / 水环境承载力 / 指标阈值 / BP神经网络 {{custom_keyword}} /
Baiyangdian Watershed / water environmental carrying capacity / index threshold / BP neural network {{custom_keyword}} /
表1 主成分方差贡献率Tab.1 Variance contribution rate of principal component |
成分 | 初始特征值 | 提取载荷平方和 | 旋转载荷平方和 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
总计 | 方差百分比 | 累积/% | 总计 | 方差百分比 | 累积/% | 总计 | 方差百分比 | 累积/% | |
第1主成分 | 28.415 | 69.304 | 69.304 | 28.415 | 69.304 | 69.304 | 19.177 | 46.772 | 46.772 |
第2主成分 | 5.667 | 13.821 | 83.125 | 5.667 | 13.821 | 83.125 | 11.511 | 28.076 | 74.849 |
第3主成分 | 3.084 | 7.521 | 90.646 | 3.084 | 7.521 | 90.646 | 5.673 | 13.838 | 88.686 |
第4主成分 | 2.270 | 5.536 | 96.182 | 2.270 | 5.536 | 96.182 | 2.727 | 6.651 | 95.337 |
第5主成分 | 1.566 | 3.818 | 100.000 | 1.566 | 3.818 | 100.000 | 1.912 | 4.663 | 100.000 |
表2 主成分因子旋转荷载系数Tab.2 Load coefficient rate of principal component factor |
指标 | 第一主成分 | 第二主成分 | 第三主成分 | 第四主成分 | 第五主成分 |
---|---|---|---|---|---|
常住人口/万人 | 0.840 | -0.504 | -0.192 | -0.011 | -0.058 |
人口密度/(万人·km-2) | 0.840 | -0.504 | -0.192 | -0.011 | -0.058 |
农民人均纯收入/(元·人-1) | 0.864 | -0.447 | -0.229 | -0.031 | -0.039 |
城镇人均收入/(元·人-1) | 0.894 | -0.404 | -0.186 | -0.056 | -0.022 |
人均GDP/(元·人-1) | 0.877 | -0.402 | -0.257 | 0.047 | -0.024 |
旅游业比例/% | 0.907 | -0.381 | -0.175 | 0.025 | -0.042 |
第二产业占GDP比例/% | -0.885 | 0.396 | 0.190 | 0.153 | -0.025 |
第三产业占GDP比例/% | 0.873 | -0.405 | -0.252 | -0.102 | -0.007 |
万元 GDP用水量/(m3·万元-1) | -0.787 | 0.553 | 0.250 | -0.072 | 0.077 |
工业废水排放量/万t | -0.888 | 0.392 | 0.059 | -0.014 | 0.232 |
生活污水集中处理率/% | -0.934 | -0.009 | 0.042 | -0.351 | -0.045 |
工业废水处理率/% | 0.967 | -0.220 | -0.129 | 0.006 | -0.025 |
废污水排放总量/亿t | -0.878 | -0.090 | -0.172 | -0.137 | 0.415 |
单位GDP氨氮排放量/(t·万元-1) | 0.838 | -0.275 | -0.065 | 0.463 | 0.056 |
生态与环境补水量/亿m3 | 0.950 | -0.080 | -0.279 | -0.019 | 0.110 |
林草地覆盖率/% | -0.942 | -0.204 | 0.032 | 0.143 | -0.221 |
水资源总量/亿m3 | -0.092 | 0.807 | 0.508 | 0.255 | -0.132 |
年降水量/亿m3 | 0.013 | 0.817 | 0.375 | 0.245 | -0.362 |
地下水资源量/亿m3 | -0.120 | 0.871 | 0.376 | 0.264 | -0.122 |
地表水资源量/亿m3 | -0.125 | 0.454 | 0.849 | 0.238 | 0.017 |
工业用水量/亿m3 | -0.430 | 0.215 | 0.858 | -0.053 | -0.170 |
污径比 | 0.066 | -0.205 | -0.976 | 0.014 | -0.020 |
水位/m | -0.064 | 0.367 | 0.050 | 0.926 | -0.038 |
单位GDP化学需氧量排放量/(t·万元-1) | 0.339 | -0.469 | -0.528 | 0.616 | 0.084 |
纺织缝纫及皮革比例/% | 0.701 | 0.247 | -0.448 | 0.041 | 0.494 |
表3 白洋淀流域水环境承载力指标体系Tab.3 Index system of water environmental carrying capacity in Baiyangdian Watershed |
目标层 | 准则层 | 指标层 | 性质 | 指标解释 |
---|---|---|---|---|
白洋淀水环境承载力 | 人口与经济 | 人均GDP/(元·人-1) | 正 | GDP/人口,反映经济发展状况 |
旅游业比例/% | 正 | 旅游业占总产值的比例 | ||
纺织缝纫及皮革产业比例/% | 负 | 皮革、毛皮、羽毛及其制品和制鞋业,纺织业,纺织服装服饰业占GDP的比例 | ||
水资源 | 水位/m | 正 | 白洋淀水位 | |
万元GDP用水量/(m3·万元-1) | 负 | 用水量/GDP | ||
年降水量/mm | 正 | 流域的年平均降水量 | ||
地下水开采率/% | 负 | 区域地下水资源量开采利用程度 | ||
水环境 | 氨氮浓度/(mg·L-1) | 负 | 白洋淀内氨氮的浓度 | |
工业废水处理率/% | 正 | 工业废水达标排放量/工业废水排放总量 | ||
COD浓度/(mg·L-1) | 负 | 白洋淀内COD的浓度 | ||
水生态 | 生态环境用水率/% | 负 | 生态环境用水量/水资源总量 | |
林草地覆盖率/% | 负 | 林草地面积之和/土地面积 |
表4 水环境承载力指标阈值确定方法Tab.4 Methods for determining thresholds of water environmental carrying capacity |
指标 | 拟合方程 | 上控制限 | 均值 | 下控制限 | 发展及规划 |
---|---|---|---|---|---|
人均GDP/(元·人-1) | y=e 113+(-20 728 530/ t ) | 32 901 | 28 985 | 25 000 | 区域年均最低为20 000,全国平均值为60 000 |
旅游业比例/% | y=-9 415.1+4.7 t | 43 | 30 | 20 | 河北省旅游规划2020年旅游业对GDP的综合贡献率为10% |
纺织缝纫及皮革产业比例/% | y=-175.4+0.1 t | 2.0 | 1.5 | 1.0 | 考虑雄安新区低碳绿色发展规划,关停纺织缝纫及皮革类重污染产业 |
水位/m | y=643.5-83.5 lnt | 8.8 | 8.0 | 7.5 | 干淀水位6.5 m,三类水质目标水位为8.5 m |
万元GDP用水量/(m3·万元-1) | y=e(-102.9+21 647.7/ t ) | 95 | 81 | 67 | 《全国人民生活小康水平的基本标准》最优值为55,保定市水资源管控目标值为90 |
年降水量/mm | y=31 060-15.1 t | 671 | 523 | 374 | 20%、50%、75%、95%不同频率下白洋淀流域的降水量分别为705、536、428、310 mm |
地下水开采率/% | y=-2 570.1+1.3 t | 153 | 112 | 70 | 全国平均值为45%,保定市水资源管理制度目标值60% |
氨氮浓度/(mg·L-1) | y=e(-656.3+1 323 082.6/ t ) | 2.5 | 1.0 | 0 | 白洋淀Ⅲ~Ⅳ类水质标准对应浓度为1~1.5 |
工业废水处理率/% | y=e(372-741 290.4/ t ) | 151 | 104 | 56 | 年均处理率为70%,城市污水集中处理率≥85%,雄安新区规划值为99% |
COD浓度/(mg·L-1) | y=-1 103.7-0.6 t | 33 | 30 | 26 | 白洋淀Ⅲ~Ⅳ类水质标准对应浓度为20~30 |
生态环境用水率/% | y=-1 103.7-0.6 t | 10.0 | 6.0 | 0.5 | 生态环境用水率年均值为2 |
林草地覆盖率/% | y=140.8-0.1 t | 26.7 | 26.4 | 26 | 保定市林业规划值为35%,白洋淀流域调查结果为45%,参考文献[ |
表5 水环境承载力评价指标分级Tab.5 Grading table for evaluation index of water environmental carrying capacity |
指标 | Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | Ⅳ | Ⅴ |
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人均GDP/(万元·人-1) | <2.0 | 2.0~2.5 | 2.5~3.0 | 3.0~6.0 | >6.0 |
旅游业比例/% | <10 | 10~20 | 20~30 | 30~43 | >43 |
纺织缝纫及皮革产业比例/% | >2.0 | 2.0~1.5 | 1.5~1.0 | 1.0~0 | <0 |
水位/m | <6.5 | 6.5~7.5 | 7.5~8.5 | 8.5~8.8 | >8.8 |
万元GDP用水量/(m3·万元-1) | >90 | 90~81 | 81~67 | 67~55 | <55 |
年降水量/mm | <310 | 310~428 | 428~536 | 536~705 | >705 |
地下水开采率/% | >100 | 100~70 | 70~60 | 60~45 | <45 |
氨氮浓度/(mg·L-1) | >3.0 | 3.0~2.5 | 2.5~1.5 | 1.5~1.0 | <1.0 |
工业废水处理率/% | <56 | 56~70 | 70~85 | 85~99 | >99 |
COD浓度/(mg·L-1) | >33 | 33~30 | 30~26 | 26~20 | <20 |
生态环境用水率/% | >10 | 10~6 | 6~2 | 2~0.5 | <0.5 |
林草地覆盖率/% | <16 | 16~26 | 26~35 | 35~45 | >45 |
表6 2012-2017年水环境承载力指数Tab.6 The index of water environmental carrying capacity from 2012 to 2017 |
年份 | 仿真结果 | 级别 | 承载状态 | 信号灯 |
---|---|---|---|---|
2012 | 0.211 7 | Ⅱ | 较弱承载 | 橙色 |
2013 | 0.316 0 | Ⅱ | 较弱承载 | 橙色 |
2014 | 0.427 9 | Ⅲ | 中等承载 | 黄色 |
2015 | 0.392 8 | Ⅱ | 较弱承载 | 橙色 |
2016 | 0.528 2 | Ⅲ | 中等承载 | 黄色 |
2017 | 0.587 5 | Ⅲ | 中等承载 | 黄色 |
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4 |
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5 |
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6 |
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8 |
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