水資源承載力預(yù)警研究進展

劉世玉 李傳江

摘要：隨著社會的發(fā)展，我國的現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展也突飛猛進。針對水資源承載力預(yù)警方法的研究，通過揭示水資源-社會經(jīng)濟-生態(tài)環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)間各要素的相互作用機制，可有效地對水資源承載力的突發(fā)和異常狀況進行事前行為評價和預(yù)警，是資源環(huán)境承載能力預(yù)警研究的關(guān)鍵組成部分。為此，借鑒有關(guān)學(xué)科領(lǐng)域?qū)︻A(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)有的研究成果，立足于水資源承載力預(yù)警系統(tǒng)的概念和機制，從診斷、預(yù)測、評價和調(diào)控方面對水資源承載力預(yù)警的主要方法進行綜述，并提出水資源承載力預(yù)警未來研究重點和主要發(fā)展方面的建議，包括：①進一步完善水資源承載力預(yù)警系統(tǒng)的概念界定；②構(gòu)建水資源承載力預(yù)警指標體系；③深入水資源承載力預(yù)警系統(tǒng)的整體研究；④重視實現(xiàn)水資源承載力預(yù)警動態(tài)性預(yù)測；⑤進一步加強水資源承載力調(diào)控措施方面的研究。

關(guān)鍵詞：水資源；承載力；預(yù)警研究進展

引言

水資源是人類賴以生存和發(fā)展不可或缺的一種寶貴資源，具有多種用途，但水資源量是有限的，因此在一定條件下可能會導(dǎo)致不同用水途徑之間、不同地區(qū)之間為爭水而出現(xiàn)矛盾，以及用水與供水之間出現(xiàn)矛盾。一個地區(qū)或流域的水資源到底能支撐多大的經(jīng)濟社會規(guī)模，一直是水資源研究的核心內(nèi)容之一，也是區(qū)域或流域發(fā)展的重要制約因素。隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，特別是我國自20世紀70年代末期大規(guī)模經(jīng)濟建設(shè)以后，快速的經(jīng)濟增長和社會發(fā)展，帶來了用水量增加、排污量增加、生態(tài)系統(tǒng)受人工干擾強烈的局面，迫使人們不得不認真考慮水資源系統(tǒng)的承載能力。在這一背景下，20世紀80年代末出現(xiàn)了水資源承載力（也稱作“水資源承載能力”）的概念，隨后，我國學(xué)者對此開展了一系列研究工作，到21世紀初基本上形成了相對完善的理論方法及應(yīng)用體系，對支撐我國水資源可持續(xù)利用、人水和諧治水思想的貫徹起到了非常積極的作用。

1水資源承載力預(yù)警系統(tǒng)概念與機制方面的研究進展

1.1預(yù)警的概念內(nèi)涵與工作原理

預(yù)警的科學(xué)內(nèi)涵包括預(yù)警指標、警戒閾值、預(yù)測并評價危害范圍及程度、調(diào)控措施5個方面。預(yù)警的科學(xué)過程就是通過總結(jié)以往系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)律，對已選定的預(yù)警指標劃定一定的警戒閾值；同時在系統(tǒng)變化趨勢預(yù)測基礎(chǔ)上，利用警戒閾值對警情的危害范圍和程度進行判斷，以此向關(guān)聯(lián)方發(fā)出不同的示警信號，為其及時采取調(diào)控措施從而減輕相關(guān)損失提供參考。從預(yù)警過程可看出預(yù)警是一種更高層次意義上的預(yù)測和評價，預(yù)警的目的在于基于預(yù)測的結(jié)果，對其進行價值意義上的評價，相對于預(yù)測對全面宏觀方面的關(guān)注，預(yù)警更傾向于對特定異常不利情況的警示作用。系統(tǒng)科學(xué)是預(yù)警系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，系統(tǒng)工程提供的科學(xué)研究方法自然成為解決預(yù)警相關(guān)問題的重要途徑。從1969年美國Hall提出的系統(tǒng)工程三維結(jié)構(gòu)圖中邏輯維的主要組成要素包括明確警義、尋找警源、分析警兆、預(yù)報警度和排除警患，預(yù)警的工作原理就是在明確警義的基礎(chǔ)上，尋找警源并分析警兆，達到預(yù)報警度最終排除警患的目的。預(yù)警原理中的警義包含警素和警度兩方面的內(nèi)容，警素是指系統(tǒng)發(fā)展過程中出現(xiàn)了哪些警情，在實際研究中可按照警情的來源或者性質(zhì)進行分類；警度是指警情的嚴重程度，通常用等級進行劃分。其中警度是明確警義的重點和難點，重點在于確定警度在實際應(yīng)用中根據(jù)實際情況劃分警限，警限的閾值范圍直接影響到系統(tǒng)的狀態(tài)判別；難點在于警限受制于空間地理位置的不同很難在不同地區(qū)劃定統(tǒng)一標準，同時進行預(yù)警研究需要警限應(yīng)在一定時間范圍內(nèi)保持相對穩(wěn)定，但是實際上客觀的警限隨著時間應(yīng)該是變化發(fā)展的。警源是警情和警患的源頭所在，是對事物發(fā)展造成不良后果的根源，尋找警源是調(diào)控措施能夠治標又治本的關(guān)鍵；警兆是指先于警情發(fā)生的先兆事件，對預(yù)警的前瞻性起著至關(guān)重要的作用，分析警兆的目的在于通過對警兆的挖掘分析選用相較于警情指標在時間上先行的指標作為預(yù)警指標，在此基礎(chǔ)上的預(yù)警才具有預(yù)先于警情的特性。總之，明確警義是預(yù)警研究的前提，尋找警源是排除警患的基礎(chǔ)，分析警兆是預(yù)報警度的關(guān)鍵，預(yù)報警度是排除警患的依據(jù)，排除警患是預(yù)警研究的最終目的。

1.2水資源承載力預(yù)警系統(tǒng)的概念

目前世界性水資源危機已成為各國學(xué)術(shù)界關(guān)注的重要焦點，國內(nèi)外有大量的專家和學(xué)者從水資源監(jiān)測、水循環(huán)轉(zhuǎn)化、水資源配置管理、水資源開發(fā)利用等不同角度對水資源問題展開了研究并取得了大量的研究成果，而針對區(qū)域水資源承載力預(yù)警系統(tǒng)研究則屬較新的課題，雖之前也有涉及到預(yù)警研究，但大多見于如水資源可持續(xù)利用等其他水資源研究問題中，尤其在國外研究中多選用如水資源可持續(xù)利用量、水資源的限制量類似概念表示水資源承載力的內(nèi)涵。對水資源承載力預(yù)警的定義可參考相關(guān)近似研究成果。認為區(qū)域水資源可持續(xù)利用預(yù)警是指對一定區(qū)域范圍內(nèi)的水資源現(xiàn)狀和未來進行測度，預(yù)報不正常狀態(tài)的時空范圍和危害程度，對于已有問題提出解決措施，對于即將出現(xiàn)的問題則給出防范措施的報警和調(diào)控措施。

2防范措施

2.1人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中誤差反向傳播網(wǎng)絡(luò)（Back-PropagationNetwork，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）在不需事先了解輸入輸出變量間關(guān)系規(guī)律的情況下，仍可通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建立系統(tǒng)模型，在水資源系統(tǒng)預(yù)警預(yù)測方面適用性和操作性均較強。運用改進的非線性BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)預(yù)測合肥市水資源承載力，經(jīng)檢驗?zāi)Ｐ途容^高，十分接近實際情況。綜合污染指數(shù)作為評估參數(shù)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模預(yù)測了麗水市內(nèi)河不同方案下水環(huán)境承載力狀況。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對寧夏水資源的時空分布、分配及使用等進行分析，為寧夏水資源的合理使用提供科學(xué)的參考依據(jù)。以喀斯特典型分布區(qū)貴州省為例，建立喀斯特地區(qū)水資源安全評價指標體系，構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對貴州省9個州市進行了水資源安全評價。從方法特點來看，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法擁有很強的適應(yīng)和學(xué)習(xí)能力，在多變量非線性系統(tǒng)的預(yù)測方面通?？扇〉脻M意的結(jié)果。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論為水資源承載力量化研究提供了發(fā)展契機，可望進一步促進水資源承載力預(yù)警研究的發(fā)展。

2.2水資源動態(tài)承載力

受氣候變化、人類活動的影響，水資源系統(tǒng)始終處于變化之中，其承載力也必定隨之變化。此外，伴隨著人類社會的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平、用水效率不斷提升，同樣會促進水資源承載力提升。

結(jié)語：

調(diào)控是預(yù)警達到最終目的的有效手段，因此，能否提出切實可行、實用性強的水資源承載力調(diào)控措施來緩解外界對水資源系統(tǒng)的壓力，是決定水資源承載力預(yù)警系統(tǒng)研究是否具有現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值的關(guān)鍵。今后研究應(yīng)從區(qū)域水資源承載支撐力提升和承載壓力調(diào)控角度，構(gòu)建區(qū)域水資源承載支撐力、承載壓力與承載調(diào)控力之間的定量關(guān)系模型，從優(yōu)化區(qū)域水資源配置、多種水源統(tǒng)籌調(diào)配等方面提出提升區(qū)域水資源承載力的措施建議，并在水資源承載力預(yù)警系統(tǒng)的研究中加入對水資源承載力調(diào)控方案的評價，有利于預(yù)警綜合效益的最大化，促進社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境對水資源的可持續(xù)利用。

參考文獻：

[1]朱一中，夏軍，談戈.關(guān)于水資源承載力理論與方法的研究[J].地理科學(xué)進展，2002，21（3）：180-188.

作者簡介：

第一作者：

劉世玉，男，漢族，學(xué)生，河南省陜縣，單位：鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，專業(yè)：水文與水資源工程

第二作者：

李傳江（1997.4.7），男，漢族，學(xué)生，河南省信陽市商城縣，單位：鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，專業(yè)：水文與水資源工程