基于協(xié)同學(xué)理論的遼寧省水資源可持續(xù)利用評價

田一鵬

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

水資源系統(tǒng)作為社會經(jīng)濟發(fā)展與人類賴以生存的重要基礎(chǔ)受到環(huán)境與自然資源等多種因素影響，如污染嚴(yán)重、供需矛盾緊張等。目前，水資源緊缺、水體污染嚴(yán)重、水資源空間結(jié)構(gòu)分布不均勻等矛盾十分突出，已成為限制水資源生態(tài)環(huán)境改善和人們生活水平提高的關(guān)鍵性因素，并對我國對水資源的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。結(jié)合水資源開采利用現(xiàn)狀如何促進水資源系統(tǒng)的良性循環(huán)和國民經(jīng)濟的持續(xù)健康發(fā)展已成為水文水資源研究領(lǐng)域的核心內(nèi)容。

遼寧省位于我國農(nóng)業(yè)、工業(yè)發(fā)展的核心區(qū)域，其水資源的可持續(xù)性將直接影響到我國東北部地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的可持續(xù)性和生態(tài)環(huán)境安全。近年來，遼寧省用水需求量隨著城市面積的擴大以及經(jīng)濟社會的發(fā)展而逐漸增加，河道萎縮和水質(zhì)污染等問題日益顯露并嚴(yán)重制約著該區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。韓大軍[1]等以湖州市為例在詳細分析了水資源開采現(xiàn)狀和生態(tài)環(huán)境特征的基礎(chǔ)上給出了相應(yīng)的水資源管理對策和方法；葛永銘[2]等利用能值理論對湖州市水資源可持續(xù)利用能力和發(fā)展水平進行了科學(xué)的評價分析。然而，相關(guān)研究對近年來遼寧省水資源可持續(xù)利用現(xiàn)狀相對較少。協(xié)同學(xué)理論多應(yīng)用于流域水資源系統(tǒng)適應(yīng)性評價及水資源配置模型研究，因此為提高遼寧省水資源承載能力和可持續(xù)利用評價的準(zhǔn)確性與可靠性，本文采用該理論方法評價了研究區(qū)域的水資源可持續(xù)能力和發(fā)展水平。

1 研究區(qū)域概況

1.1 自然地理

遼寧省處于我國農(nóng)業(yè)、工業(yè)發(fā)展的核心區(qū)域，其生態(tài)發(fā)展的可持續(xù)性將直接影響到我國東北部地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的可持續(xù)性和生態(tài)環(huán)境安全[3]。遼寧省共轄14個地級市和綏中縣、昌圖縣2個省管縣，其地勢結(jié)構(gòu)由北向南、由東西向中間整體呈降低趨勢；遼東、遼西區(qū)域為山地丘陵其海拔高度平均為800m和500m，而中部區(qū)域為遼河平原區(qū)其海拔高度約200m。境內(nèi)大小河流300多條，主要有饒陽河、大凌河、太子河、遼河等共同組成了遼寧省的河網(wǎng)水系，其中遼河流域面積6.92萬km2，全長480km為遼寧省第一大河流。遼寧省2013年生產(chǎn)總值較2012年增長約8.7%，為27077億元，其中第一、第二和第三產(chǎn)業(yè)年增長率分別為4.8%、8.9%和9.2%；遼寧省作為我國重要的老工業(yè)基地之一，在2013年工業(yè)增加值相對于2012年增長約9.0%，為12510億元，其中輕工業(yè)和重工業(yè)增長率分別為10.7%和9.4%，境內(nèi)原材料工業(yè)和裝備制造業(yè)較為發(fā)達[4]。

1.2 水文氣象

研究區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明、日照豐富，冬季寒冷漫長，夏季炎熱多雨，全年降雨量為600～1100mm之間，降雨量和徑流量分布不均勻。地質(zhì)類型以丘陵、平原和平地為主；年平均氣溫7～11℃，無霜期為130～200d，并且由東南向西北方向逐漸降低。

1.3 水資源開發(fā)現(xiàn)狀

2015年遼寧省全年降水量565.0mm,相對于多年平均值降低16.7%，其中5—8月為降雨集中期占全年的69.7%。全省水資源總量178.96億m3，其中地表水和地下水分別為152.05億、83.17億m3。遼寧省總用水量和供水量大致相同，為140.75億m3，地表水、地下水和其他供水量分別為78.04億、58.56億、4.15億m3，第一、二、三產(chǎn)業(yè)用水量分別為88.76億、23.43億、5.52億m3，城鎮(zhèn)居民和生態(tài)環(huán)境補水量分別為14.72億、5.62億m3，總耗水率達66.0%[5]。

2 協(xié)同學(xué)理論

2.1 理論概述

在一定條件下任意開放系統(tǒng)均可成為協(xié)同學(xué)研究的內(nèi)容并可呈現(xiàn)出非平衡的有序結(jié)構(gòu)。將已有的研究成果利用協(xié)同學(xué)理論方法可拓寬于其他學(xué)科并對影響系統(tǒng)變化的主要因素進行提取，以此更加有利于系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間的相互協(xié)調(diào)作用。

子系統(tǒng)對協(xié)同運動的貢獻率之和即為序參量是表征系統(tǒng)類型和有序結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)和基本概念之一。合理的選取序參量不僅可對子系統(tǒng)的行為發(fā)揮良好支配作用而且可有助于提成系統(tǒng)處理問題的能力和簡便性。

2.2 理論分析

水資源可持續(xù)利用評價的主要目標(biāo)是如何通過子系統(tǒng)的協(xié)同作用而實現(xiàn)系統(tǒng)的有序演化。因此，對水資源系統(tǒng)采用協(xié)同學(xué)理論具有科學(xué)性與合理性。對各子系統(tǒng)有序參量按照其確定原則和是否可支配其他參量行為特性進行選取，然后可分別構(gòu)建有序度、協(xié)調(diào)度、公平度以及可持續(xù)度評價模型并采用模型評價遼寧省水資源可持續(xù)利用水平。

狀態(tài)函數(shù)即為有序度，它是反映系統(tǒng)混亂或有序的重要參數(shù)指標(biāo)。首先利用模糊數(shù)學(xué)隸屬度求得各子系統(tǒng)的測量度，并對簡單系統(tǒng)熵采用下述進行確定；然后經(jīng)過轉(zhuǎn)化可確定有序度。本文序參量分級閥值參考孫遠斌[6]等相關(guān)研究，對各子系統(tǒng)Sj的測量度采用模糊數(shù)學(xué)隸屬度原理進行確定并記為ξj=(ξj1,ξj2,，ξjNj);0≤ξji≤1，系統(tǒng)熵計算方法如下：

(1)

式中，H(Sj)—子系統(tǒng)Sj熵值。定義H(Sj)為最大熵值則相應(yīng)系統(tǒng)為最無序狀態(tài)，因此可采用有序度代表子系統(tǒng)的有序性，表達式如下：

(2)

(3)

式中，μj—子系統(tǒng)的有序度，其值的大小代表系統(tǒng)的有序程度的高低；μ(t)—在t時段系統(tǒng)的有序度；λj—權(quán)重系數(shù)。

在系統(tǒng)發(fā)展演化過程各子系統(tǒng)或組成要素之間的和諧一致程度即為系統(tǒng)協(xié)同度，而系統(tǒng)決策偏好與有序度分別為ηi，μj則定義d(t)表達式為：

(4)

(5)

式中，σ(t)—t時段系統(tǒng)的協(xié)調(diào)度，其值的大小代表系統(tǒng)協(xié)調(diào)程度的高低。

結(jié)合有資源系統(tǒng)有序度概念和Matheson公平模型可構(gòu)建模型為：系統(tǒng)的公平性權(quán)重為ωj，則系統(tǒng)應(yīng)獲得和滿足發(fā)展需求的有序度分別為Aj(ej)、Zj(ej)，系統(tǒng)的公正、評定以及滿足需求度公式分別如下所示：

(6)

(7)

(8)

式中，ρ1、ρ2、ρ3—分別為水資源系統(tǒng)的公正程度、平等程度和滿足需求程度。

針對滿足需求、平等和公正程度同等重要的情況可采用等權(quán)加權(quán)法進行水資源公平度的求解和計算，公式如下：

(9)

水資源可持續(xù)評價模型其表達公式如下：

(10)

式中，λj—系統(tǒng)公平度、協(xié)調(diào)度、有序度的權(quán)系數(shù)，代表維持系統(tǒng)平衡所處的地位或發(fā)揮的作用；θ(t)—在t時段內(nèi)水資源系統(tǒng)的可持續(xù)度，取值范圍0～1，值越趨近于1則可持續(xù)程度越高，值越趨近于0則可持續(xù)程度越低。

3 實例應(yīng)用

3.1 選取序參量

構(gòu)建協(xié)同學(xué)理論評價模型應(yīng)首先對水資源系統(tǒng)的序參量即水資源、社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的序參量確定，其中序參量控制著水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀以及水文循環(huán)規(guī)律，可分別從開發(fā)利用程度、實際開采現(xiàn)狀、研究區(qū)域資料獲取難以程度以及水資源利用率等方面考慮；而社會經(jīng)濟增長和社會公共福利的提高為社會經(jīng)濟子系統(tǒng)的發(fā)展的主要方面，針對水資源系統(tǒng)社會經(jīng)濟不僅要保持水資源代際、年際之間的公平分配而且報保持水資源系統(tǒng)的天然循環(huán)并降低洪澇干旱等災(zāi)害；其他子系統(tǒng)賴以存在和發(fā)展的重要基礎(chǔ)為生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)，其有序程度不僅是反映生態(tài)環(huán)境、水環(huán)境變化的重要參數(shù)，而且是體現(xiàn)人類采取環(huán)境保護措施和治理手段的重要體現(xiàn)。水資源、社會經(jīng)濟以及生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)序參量的選取及其內(nèi)涵見表1。

表1中x1～x4分別代表水資源人均占有量、開發(fā)利用率、管概率和工業(yè)用水重復(fù)率；x5～x8分別為人口密度、經(jīng)濟增長率、年人均GDP和萬元GDP用水量；x9～x12分別代表水功能區(qū)達標(biāo)比例、廢污水處理率、生態(tài)環(huán)境供水保證率和生態(tài)環(huán)境用水量。

3.2 模型分析

本研究序參量分級閥值的選取參考孫遠斌指標(biāo)分級值標(biāo)準(zhǔn)，并對子系統(tǒng)的序參量隸屬度采用模糊數(shù)學(xué)隸屬度進行求解見表2。

利用文中所述相關(guān)計算公式和序參量的隸屬度計算結(jié)果可依次構(gòu)建有序度、協(xié)調(diào)度和公平度評價模型，進而可建立基于協(xié)同學(xué)理論評價模型[7]。為突出強調(diào)生活環(huán)境需水量的重要性可在協(xié)調(diào)度評價模型中選取2∶2∶3作為水資源、社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境的發(fā)展決策偏好程度。各子系統(tǒng)以及復(fù)合系統(tǒng)的有序度、公平度等綜合計算結(jié)果見表3—4。

表1 水資源系統(tǒng)序參量指標(biāo)及其內(nèi)涵

表2 各序參量隸屬度計算結(jié)果

表3 2015—2017年各子系統(tǒng)有序度

表4 2015—2017年復(fù)合系統(tǒng)綜合計算結(jié)果

子系統(tǒng)有序度計算結(jié)果顯示，2015—2017年水資源子系統(tǒng)有序度呈逐年增大的趨勢，由2015年的0.4025增加值2017年的0.4077，年增加率約0.5%；社會經(jīng)濟子系統(tǒng)的有序度呈先下降后上升的趨勢，在2016年降低至0.4006然而后增加至0.4030；而生態(tài)環(huán)境整體呈先增大后降低。綜上所述，平均有序度最大和最低的子系統(tǒng)分別為生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟，而水資源子系統(tǒng)的有序度處于中等水平[8]。

由復(fù)合系統(tǒng)計算結(jié)果可知，有序度和協(xié)調(diào)度最大值分別為2016年和2017年；公平度在研究期間接近于1且變化幅度較低，因此在本研究中其值均為1。可持續(xù)度計算結(jié)果最大和次大值分別為2017年和2016年。評價標(biāo)準(zhǔn)選取可持續(xù)度最為判定依據(jù)，由此可知水資源可持續(xù)度最高值為0.7360，出現(xiàn)在2017年。依據(jù)各子系統(tǒng)序參量結(jié)果對模型表征，表明單一序參量的優(yōu)劣不能決定復(fù)合系統(tǒng)以及各子系統(tǒng)的有序度和可持續(xù)發(fā)展程度[9-11]。

4 結(jié)語

(1)本文通過分析協(xié)同學(xué)理論建立了評價模型，研究表明該方法理論具有較強的準(zhǔn)確性與可靠性，本文研究成果可為水資源發(fā)展以及可持續(xù)利用評價提供一種新的思路和途徑。

(2)遼寧省水資源可持續(xù)利用平均有序度最大和最低子系統(tǒng)分別為生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟，而水資源子系統(tǒng)的有序度處于中等水平；評價標(biāo)準(zhǔn)選取可持續(xù)度最為判定依據(jù)，由此可知水資源可持續(xù)度最高值為0.7360，出現(xiàn)在2017年。

(3)單一序參量的優(yōu)劣不能決定復(fù)合系統(tǒng)以及各子系統(tǒng)的有序度和可持續(xù)發(fā)展程度。針對水資源可持續(xù)利用現(xiàn)狀如何依據(jù)協(xié)同學(xué)評價結(jié)果進行更加深入、詳細的研究仍是未來研究的主要問題。