張 強(qiáng), 王 本 德, 何 斌, 叢 方 杰
(1.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部,遼寧 大連 116024;2.煙臺(tái)大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)與教育技術(shù)中心,山東 煙臺(tái) 264000)
由于近代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和掠奪式開(kāi)發(fā),水資源的可持續(xù)利用已經(jīng)成為全球關(guān)注的重要議題.目前,對(duì)水資源可持續(xù)利用的研究靜態(tài)評(píng)價(jià)多,動(dòng)態(tài)演變少.而現(xiàn)有對(duì)水資源復(fù)合系統(tǒng)可持續(xù)利用演變軌跡的研究中,多用Logistic曲線(以下簡(jiǎn)稱L曲線)描述一個(gè)周期內(nèi)的S形演變,用連續(xù)的組合L曲線描述長(zhǎng)期的演變軌跡[1、2].
區(qū)域水資源系統(tǒng)可持續(xù)利用演變過(guò)程是利導(dǎo)因子和限制因子共同作用下呈現(xiàn)出的S形增長(zhǎng)模式[1、2].然而,L方程在描述演變過(guò)程時(shí),假定相對(duì)速度是系統(tǒng)發(fā)展指數(shù)的線性遞減函數(shù)[2、3],即相對(duì)發(fā)展速度的增長(zhǎng)率恒為常數(shù).這一假定將系統(tǒng)利導(dǎo)因子與限制因子間的相互作用靜態(tài)化,認(rèn)為發(fā)展速度的變化僅僅由系統(tǒng)閾值唯一決定.然而水資源復(fù)合系統(tǒng)一個(gè)周期內(nèi)的S形演變過(guò)程具有動(dòng)態(tài)多樣性,可以先快后慢,也可先慢后快.而L方程更適合描述符合對(duì)稱增長(zhǎng)規(guī)律的S形演變過(guò)程[3、4].為了更準(zhǔn)確地把握區(qū)域水資源系統(tǒng)的演變規(guī)律,有必要引入一個(gè)更為靈活的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述其可持續(xù)利用的演變軌跡.這對(duì)區(qū)域水資源的規(guī)劃及可持續(xù)利用預(yù)警與調(diào)控有重要的意義.
基于非線性假設(shè)的 Richards曲線[5、6](以下簡(jiǎn)稱R曲線)由于引入了一個(gè)可變因子,能夠描述各種變化的S形.L曲線、Gompertz曲線(以下簡(jiǎn)稱G曲線)都只是其特殊形式[7].本文嘗試?yán)肦曲線來(lái)描述區(qū)域水資源系統(tǒng)的S形演變過(guò)程,將S形演變劃分為3種模式,并給出不同模式可持續(xù)利用的理想?yún)^(qū)間.進(jìn)一步分析認(rèn)為,水資源系統(tǒng)可持續(xù)利用的長(zhǎng)期演變軌跡應(yīng)該是連續(xù)性漸變和間斷性“漲落”的結(jié)合,只強(qiáng)調(diào)連續(xù)性是片面的.最后,以大連市1980~2007年時(shí)段為例,進(jìn)行定量的應(yīng)用研究.
區(qū)域發(fā)展指數(shù)反映了實(shí)踐主體——人對(duì)區(qū)域發(fā)展?fàn)顩r的價(jià)值判斷[8].為了便于分析,定義區(qū)域水資源系統(tǒng)發(fā)展指數(shù)來(lái)描述人對(duì)區(qū)域水資源系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r的判斷.由于區(qū)域水資源系統(tǒng)可持續(xù)利用演變過(guò)程是利導(dǎo)因子和限制因子共同作用下呈現(xiàn)的S形增長(zhǎng)模式,引入?yún)^(qū)域水資源利導(dǎo)因子及限制因子綜合影響指數(shù)λ來(lái)反映這一動(dòng)態(tài)影響.假定區(qū)域水資源系統(tǒng)一個(gè)發(fā)展周期內(nèi)的發(fā)展指數(shù)隨時(shí)間連續(xù)變化,其發(fā)展速度逐漸減小,相對(duì)發(fā)展速度服從如下非線性函數(shù)關(guān)系:
式中:X為區(qū)域水資源系統(tǒng)發(fā)展指數(shù),反映系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r;t為時(shí)間;r為系統(tǒng)發(fā)展指數(shù)的增長(zhǎng)率;K為系統(tǒng)發(fā)展指數(shù)的閾值,可以用區(qū)域水資源承載力或環(huán)境容量來(lái)表示;dX/dt反映系統(tǒng)的發(fā)展速度;dX/(X·dt)反映系統(tǒng)的相對(duì)發(fā)展速度;λ簡(jiǎn)稱為因子影響指數(shù).可以看出,當(dāng)λ=1時(shí),式(1)即為L(zhǎng)情景.由式(1)可推得R方程的微分形式,即
給定初始條件:X(t0)=X0,得R方程一般形式:
式中:B=λC,C為積分常數(shù).
用R曲線描述區(qū)域水資源系統(tǒng)發(fā)展指數(shù)以及發(fā)展速度變化的多樣性,如圖1、2所示.其中因子影響指數(shù)λ=1時(shí),演變軌跡為對(duì)稱的L模式.
區(qū)域水資源系統(tǒng)演變的多樣性是由于系統(tǒng)利導(dǎo)因子和限制因子相互作用的動(dòng)態(tài)變化引起的.然而不管是利導(dǎo)因子還是限制因子,其影響都不是無(wú)限的.R模型中,隨著影響指數(shù)λ的變化,曲線的形狀變化在一定程度上反映了這一特征.如果利導(dǎo)因子總是占據(jù)絕對(duì)的主導(dǎo)地位,區(qū)域水資源復(fù)合系統(tǒng)的發(fā)展是無(wú)限持續(xù)增長(zhǎng)的.在R方程中,表現(xiàn)為影響指數(shù)過(guò)小的情形,如當(dāng)λ=-1時(shí),R曲線為修正指數(shù)曲線,呈無(wú)限制的J型增長(zhǎng).然而,除非在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi),否則這種J型增長(zhǎng)是不存在的.反之,如果限制因子的作用不可克服,則系統(tǒng)的發(fā)展是不可持續(xù)的.在R方程中表現(xiàn)為影響指數(shù)過(guò)大的情形,此時(shí)曲線增長(zhǎng)十分緩慢,近于“停滯”.可見(jiàn),R模型更加全面地描述了區(qū)域水資源系統(tǒng)的演變模式.
圖1 基于R方程的水資源系統(tǒng)發(fā)展指數(shù)曲線Fig.1 Development index curves of WRCS based on R equation
圖2 基于R方程的水資源系統(tǒng)發(fā)展速度曲線Fig.2 Development speed curves of WRCS based on R equation
對(duì)于不同的水資源稟賦及社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)發(fā)展水平,區(qū)域水資源發(fā)展具有不同的選擇偏好,有可能因?yàn)樽非蠖唐诘目焖侔l(fā)展使得生態(tài)惡化,可持續(xù)程度降低甚至不可持續(xù);也有可能因?yàn)楣悴磺岸O誤發(fā)展時(shí)機(jī).為了更好地認(rèn)識(shí)區(qū)域水資源系統(tǒng)的演變特點(diǎn),根據(jù)區(qū)域水資源系統(tǒng)在不同時(shí)期發(fā)展速度的不同,對(duì)其演變模式進(jìn)行分類.
為了便于演變軌跡的特征描述,在系統(tǒng)具有最大發(fā)展速度的點(diǎn)(A0點(diǎn)),即R方程二階導(dǎo)數(shù)為零的點(diǎn),將區(qū)域水資源復(fù)合系統(tǒng)的演變過(guò)程劃分為發(fā)展前期和發(fā)展后期.
(1)當(dāng)λ=1時(shí),為L(zhǎng)模式.區(qū)域水資源系統(tǒng)發(fā)展前期和發(fā)展后期的發(fā)展速度對(duì)稱變化,歷時(shí)相同,發(fā)展指數(shù)曲線表現(xiàn)為以其拐點(diǎn)(A0)為中心對(duì)稱.這是眾多模式中的一種情況,屬前后相近型.
(2)當(dāng)λ<1時(shí),區(qū)域水資源系統(tǒng)發(fā)展速度峰值出現(xiàn)較早.發(fā)展前期增長(zhǎng)較快,歷時(shí)相對(duì)較短;發(fā)展后期歷時(shí)相對(duì)較長(zhǎng),發(fā)展指數(shù)增量相對(duì)較大.整個(gè)周期呈前快后慢趨勢(shì).發(fā)展指數(shù)曲線表現(xiàn)為拐點(diǎn)(A′0)偏向左下方,此演變模式屬迅速崛起型.
(3)當(dāng)λ>1時(shí),區(qū)域水資源系統(tǒng)發(fā)展速度峰值出現(xiàn)較晚.發(fā)展前期增長(zhǎng)較慢,歷時(shí)相對(duì)較長(zhǎng),發(fā)展指數(shù)增量相對(duì)較大.整個(gè)周期呈前慢后快.發(fā)展指數(shù)曲線表現(xiàn)為拐點(diǎn)(A″0)偏向右上方,此演變模式屬緩慢崛起型.
借鑒目前研究階段論思想,根據(jù)R方程二階導(dǎo)數(shù)和三階導(dǎo)數(shù)為零的點(diǎn)(圖1、2中的A0、A1、A2點(diǎn)),將區(qū)域水資源復(fù)合系統(tǒng)的演變過(guò)程劃分為起步期、成長(zhǎng)期、成熟期和頂峰期4個(gè)階段,見(jiàn)表1.
表1 基于R模型水資源復(fù)合系統(tǒng)演變的階段劃分Tab.1 The division of the evolution stages of water resources complex system based on R model
在L演變模式下,由于L曲線特有的對(duì)稱性,且其成長(zhǎng)期和成熟期的增量達(dá)到了57.74%[4],已有研究[2]取發(fā)展速度較快的成長(zhǎng)期和成熟期作為可持續(xù)利用的理想?yún)^(qū)間是可行的.但在R演變模式下,這種選取是不完全適用的.對(duì)于λ<1的迅速崛起型演變模式,頂峰期發(fā)展指數(shù)增量較大,仍有一定的潛力,如當(dāng)λ→0時(shí),R曲線為G曲線,其起步期增量只占總量的7.30%,頂峰期增量卻達(dá)到31.75%,曲線代表的增長(zhǎng)現(xiàn)象是“老當(dāng)益壯”的[4];對(duì)于λ>1的緩慢崛起型演變模式,起步期發(fā)展指數(shù)增量較大,如λ=5.6時(shí),起步期的增量就達(dá)到了50%.因此,不同的演變模式,可持續(xù)利用理想?yún)^(qū)間所處的階段不同.對(duì)于迅速崛起型演變模式,頂峰期的前期仍具有較快的發(fā)展速度,也應(yīng)為可持續(xù)利用的理想?yún)^(qū)間;對(duì)于緩慢崛起型的演變模式,起步期的后期亦具有較快的發(fā)展速度,也應(yīng)為可持續(xù)利用的理想?yún)^(qū)間.
現(xiàn)有的研究認(rèn)為,區(qū)域水資源可持續(xù)利用長(zhǎng)時(shí)期的演變軌跡是一條連續(xù)的組合S形曲線[2].這一曲線主要強(qiáng)調(diào)了歷史的漸變過(guò)程.然而,區(qū)域水資源系統(tǒng)是一個(gè)耗散結(jié)構(gòu),不斷受到外界的影響而產(chǎn)生無(wú)數(shù)個(gè)“小漲落”,當(dāng)漲落影響的程度達(dá)到一定的結(jié)果時(shí),系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生“巨漲落”,從當(dāng)前的狀態(tài)躍到更有序的狀態(tài),形成新的耗散結(jié)構(gòu),從而不斷地推動(dòng)系統(tǒng)向前發(fā)展[9].所以,區(qū)域水資源復(fù)合系統(tǒng)可持續(xù)利用的演變軌跡不只是簡(jiǎn)單的連續(xù)性演變過(guò)程,而是連續(xù)性漸變和間斷性“漲落”的統(tǒng)一.在其演變的大部分時(shí)間是一個(gè)連續(xù)性的漸進(jìn)過(guò)程,但在某些關(guān)鍵點(diǎn)又會(huì)出現(xiàn)間斷性的“漲落”,如圖3所示.
一個(gè)系統(tǒng)能否高效運(yùn)行,其最基本的條件是內(nèi)部調(diào)節(jié)機(jī)制能否使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),任何系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)其能否實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)至關(guān)重要,而系統(tǒng)演變過(guò)程中的“漲落”對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著重要的影響[10].所以,分析演變過(guò)程中的“漲落”信息,對(duì)于提高水資源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性,實(shí)現(xiàn)水資源系統(tǒng)的可持續(xù)利用有著重要的意義.
大連市位于遼東半島南端,屬資源型缺水地區(qū).分析大連市水資源復(fù)合系統(tǒng)的演化信息,主動(dòng)謀求自然和社會(huì)的協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展,對(duì)于實(shí)現(xiàn)大連市水資源的可持續(xù)利用有著重要意義.本文以大連市1980~2007年的資料為基礎(chǔ),對(duì)大連市水資源系統(tǒng)逐年的利用水平進(jìn)行評(píng)價(jià),并將評(píng)價(jià)結(jié)果作為發(fā)展指數(shù),研究其演化軌跡.
通過(guò)對(duì)區(qū)域水資源可持續(xù)利用影響因素的綜合分析,從水資源系統(tǒng)的供水水平、用水水平、生態(tài)建設(shè)等幾方面構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.在考慮大連市自身特點(diǎn)及發(fā)展目標(biāo)的基礎(chǔ)上,參考相關(guān)規(guī)范[11]以及其他省市的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn),確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值.最后利用層次分析法分別確定準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的權(quán)重[12].大連市水資源系統(tǒng)利用水平評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及標(biāo)準(zhǔn)值與權(quán)重詳見(jiàn)表2.
表2 大連市水資源復(fù)合系統(tǒng)利用水平評(píng)價(jià)系統(tǒng)Tab.2 The evaluation system of utilization level of Dalian water resources complex system
此處,指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值1~4級(jí)依次對(duì)應(yīng)區(qū)域水資源可持續(xù)利用能力較差(維持可持續(xù)利用困難)、一般(基本可持續(xù))、較好(可持續(xù))、好.
水資源系統(tǒng)的復(fù)雜性以及人類認(rèn)識(shí)上的局限性都決定了水資源系統(tǒng)發(fā)展具體指標(biāo)上的模糊性.此處采用模糊識(shí)別模型[13]對(duì)大連市水資源系統(tǒng)的利用水平進(jìn)行評(píng)價(jià).評(píng)價(jià)結(jié)果列于表3.
將表3的級(jí)別特征值作為系統(tǒng)的發(fā)展指數(shù),得到大連市水資源系統(tǒng)1980~2007年的演變過(guò)程如圖4所示.
從圖4所示的演變曲線可以看出,1980~1988年、1990~1998年以及2004~2007年大連市水資源系統(tǒng)演變屬于穩(wěn)定的連續(xù)性漸變過(guò)程,將1980~1988年作為第1層,1990~1998年作為第2層,2004年以后作為第3層.其中,第1層、第2層的演變過(guò)程呈現(xiàn)出了規(guī)則的S形,但在各層的銜接點(diǎn)都存在著“漲落”現(xiàn)象.觀察第1層及第2層S形的演變趨勢(shì),通過(guò)擬合優(yōu)化確定第1層擬合區(qū)間為(1.80,2.05),第2層擬合區(qū)間為(2.02,2.70).以 L擬合得到的參數(shù)值作為初始值,采用序列二次規(guī)劃估計(jì)算法進(jìn)行迭代計(jì)算,各層的L擬合和R擬合的優(yōu)度比較見(jiàn)表4.擬合結(jié)果見(jiàn)表5.
表3 大連市水資源復(fù)合系統(tǒng)利用水平評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.3 The evaluation results of utilization level of Dalian water resources complex system
圖4 大連市水資源復(fù)合系統(tǒng)演變過(guò)程圖Fig.4 The development process of Dalian water resources complex system
表4 大連市水資源復(fù)合系統(tǒng)S形演變的擬合優(yōu)度比較Tab.4 The goodness of fit of the S-type evolution process of Dalian water resources complex system
表5 大連市水資源復(fù)合系統(tǒng)發(fā)展指數(shù)R擬合結(jié)果Tab.5 The results of Richards equation fitting of Dalian water resources complex system
從表4可以看出,R模型較L模型有更好的擬合效果.根據(jù)表5擬合結(jié)果,第1層、第2層的因子影響指數(shù)分別為0.848、0.001,演變類型都為迅速崛起型;整個(gè)1980~2007年的因子影響指數(shù)為4.907,演變類型為緩慢崛起型.
根據(jù)各層擬合曲線的特征點(diǎn)和特征值,計(jì)算出各層演變成長(zhǎng)期、成熟期的發(fā)展指數(shù)區(qū)間,列于表5.結(jié)合表3中各年的評(píng)價(jià)結(jié)果可知:第1層演變中,1980~1983年處于成長(zhǎng)期,1984年處于成熟期,1985~1986年處于頂峰期;第2層演變中,1990年處于起步期,1991~1993年處于成長(zhǎng)期,1994~1996年處于成熟期,1997~1998年處于頂峰期;從1980~2007年的演變過(guò)程看,大連市水資源系統(tǒng)1980~1983年處于起步期,1984~2003年處于成長(zhǎng)期,2004年以后步入了成熟期.從表3的評(píng)價(jià)結(jié)果及圖4的演變趨勢(shì)可以看出,第1層頂峰期的1985~1986年、第2層頂峰期的1997~1998年都具有較快的發(fā)展速度,也是持續(xù)利用的理想?yún)^(qū)間;對(duì)整個(gè)1980~2007年,處于起步期的1980~1983年演變亦穩(wěn)定增長(zhǎng),也屬于持續(xù)利用的理想?yún)^(qū)間.各層演變的成長(zhǎng)期、成熟期及可持續(xù)利用理想?yún)^(qū)間如表6所示.
表6 大連市水資源復(fù)合系統(tǒng)可持續(xù)利用過(guò)程的理想?yún)^(qū)間Tab.6 The sustainable utilization optimum timing of Dalian water resources complex system
結(jié)合水資源系統(tǒng)“天然-人工”的二元特性[14、15],分析大連市水資源系統(tǒng)的演變.從1980~1988年及1990~1998年的漸變過(guò)程可以看出,第二個(gè)S形的年均級(jí)別特征值增速為0.065,較第一個(gè)S形的0.021快.這說(shuō)明社會(huì)經(jīng)濟(jì)及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)大連市水資源系統(tǒng)起到了良性推動(dòng)作用.
從1998年開(kāi)始,大連市作為節(jié)水型社會(huì)建設(shè)的試點(diǎn),水資源系統(tǒng)的可持續(xù)利用能力,特別是用水水平較以往提高顯著.如一直攀升的人均生活用水量在1998年以后控制在了一個(gè)較合理的范圍;一直較低的灌溉水利用系數(shù),隨著資金投入的落實(shí),大型灌區(qū)節(jié)水改造項(xiàng)目的完成,在短時(shí)間內(nèi),從1998年的40%提高到了2007年的85%.在生態(tài)建設(shè)方面,雖然大連市有著較好的基礎(chǔ),但在節(jié)水型社會(huì)建設(shè)的推動(dòng)下,仍較以往有較快發(fā)展,如污水集中處理率在1998~2003年,以年均5%的增速達(dá)到了一個(gè)較高水平.
從1989年、1999年的“漲落”現(xiàn)象看,系統(tǒng)缺乏健全的預(yù)警機(jī)制及水資源保護(hù)措施,逢枯水年時(shí),為了保持經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng),容易過(guò)度開(kāi)發(fā)水資源,給可持續(xù)利用帶來(lái)了較大壓力.如大連市1989年地下水開(kāi)發(fā)利用程度達(dá)到了59.4%,1999年地表水開(kāi)發(fā)利用程度和地下水開(kāi)發(fā)利用程度分別達(dá)到了54.5%和45.7%.
1999~2003年,大連市遭遇了歷史罕見(jiàn)的連續(xù)干旱年.在整個(gè)艱難的抗旱過(guò)程中,一系列的政策及技術(shù)調(diào)控,特別是節(jié)水型社會(huì)建設(shè)的啟動(dòng)使得系統(tǒng)在2000、2001年回到了穩(wěn)定的運(yùn)行軌跡;但在2002年,當(dāng)遭遇連續(xù)4個(gè)枯水年后,大連市供水系統(tǒng)受到極大破壞,如2002、2003年地下水開(kāi)發(fā)利用程度分別達(dá)到了81.2%和65.7%,地表水開(kāi)發(fā)利用程度分別達(dá)到了130.0%和57.3%,系統(tǒng)再次產(chǎn)生大幅的“漲落”.直至“引英入連”工程的緊急啟動(dòng)和后期年份旱情的緩解,大連市水資源系統(tǒng)才重新回到了正常的運(yùn)行軌道.
從整個(gè)演變過(guò)程看,大連市水資源系統(tǒng)在“天然-人工”的二元驅(qū)動(dòng)下,呈現(xiàn)出連續(xù)漸變和間斷漲落的統(tǒng)一.在一系列政策引導(dǎo)及技術(shù)的改進(jìn)下,大連市水資源系統(tǒng)呈良性演變.但在連續(xù)4個(gè)特枯年時(shí),系統(tǒng)可持續(xù)利用受到影響,大連市有必要在提高用水效率的同時(shí),進(jìn)一步提高供水能力,增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力.
(1)利用R曲線描述了區(qū)域水資源復(fù)合系統(tǒng)S形的演變過(guò)程,并對(duì)區(qū)域水資源復(fù)合系統(tǒng)的演變模式進(jìn)行了分類.在此基礎(chǔ)上,通過(guò)分析不同演變模式的特征得出,迅速崛起型演變的頂峰期前期、緩慢崛起型演變的起步期后期也是可持續(xù)利用的理想?yún)^(qū)間.
(2)區(qū)域水資源復(fù)合系統(tǒng)可持續(xù)利用長(zhǎng)期的演變軌跡并非完全的連續(xù)性路徑演化,而是連續(xù)性漸變和間斷性“漲落”的結(jié)合.
(3)對(duì)大連市的應(yīng)用研究表明,1980~1988年、1990~1998年大連市水資源復(fù)合系統(tǒng)的演變軌跡呈規(guī)則的S形,其演變模式都屬于迅速崛起型,各層演變的頂峰期前期都是持續(xù)利用的理想?yún)^(qū)間;整個(gè)1980~2007年的演變軌跡漸變中存在著“漲落”,基本符合S形,屬于緩慢崛起型,處于起步期后期的1980~1983年也是持續(xù)利用的理想?yún)^(qū)間;對(duì)1980~2007年演變過(guò)程“漲落”信息的分析表明,大連市水資源復(fù)合系統(tǒng)的抗干擾水平還需進(jìn)一步提高.
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