長江經(jīng)濟(jì)帶水資源- 水環(huán)境- 社會經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)韌性調(diào)控模型及應(yīng)用

趙自陽,王紅瑞,張 力,劉 璇,趙 勇

(1. 北京師范大學(xué)城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875；2. 西安郵電大學(xué)現(xiàn)代郵政學(xué)院,陜西 西安 710061；3.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100038)

韌性(resilience)一詞起源于拉丁文resilio,原意是回彈(原來狀態(tài))[1]。韌性概念最早應(yīng)用于物理學(xué)科,稱之為工程韌性。工程韌性假設(shè)系統(tǒng)具有單一的穩(wěn)定狀態(tài),表示系統(tǒng)受到?jīng)_擊或者擾動時能夠恢復(fù)到之前的狀態(tài),系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能沒有發(fā)生變化[2]。1973年美國生態(tài)學(xué)家Holling[3]將韌性的相關(guān)概念引入到生態(tài)學(xué)這一學(xué)科,提出韌性和穩(wěn)定性2種屬性,將其概念表示為“自然系統(tǒng)應(yīng)對自然或者人為因素變化時的持久性”,強(qiáng)調(diào)韌性是系統(tǒng)改變目前結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)入另一個穩(wěn)定狀態(tài)所能夠承受的最大擾動量級,這個新狀態(tài)可能劣于原先狀態(tài)也可能優(yōu)于原先狀態(tài)。隨著研究的深入,Gunderson等[4]基于適應(yīng)性循環(huán)理論于2000年提出了演化韌性,也被稱之為適應(yīng)韌性,將韌性定義為一個不斷進(jìn)行的過程而非恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài),舍棄了系統(tǒng)對均衡狀態(tài)的追求,演化韌性更加注重系統(tǒng)的演進(jìn)和恢復(fù)。

總體來看,韌性的內(nèi)涵經(jīng)歷了單一平衡—多重平衡—演進(jìn)平衡的演變,在之后20 a的發(fā)展中,眾多學(xué)者先后將韌性理論及應(yīng)用擴(kuò)展到經(jīng)濟(jì)學(xué)、城市規(guī)劃地理學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域,其內(nèi)涵也得到了進(jìn)一步的深化。但韌性的概念由于不同機(jī)構(gòu)和不同學(xué)科的側(cè)重點(diǎn)不同,定義也不相同。經(jīng)過總結(jié)和梳理,發(fā)現(xiàn)大部分定義都認(rèn)為韌性具有多尺度特征,是對特定壓力或擾動的反應(yīng),是抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性的組合,是一種促進(jìn)長期可持續(xù)性的手段。在韌性的實(shí)證研究方面,首先要解決的問題就是韌性的測算,目前關(guān)于韌性的測算主要分為2種。第一種是指標(biāo)體系法,主要是圍繞韌性概念建立指標(biāo)體系,再根據(jù)量化方法(熵權(quán)法、層次分析法、TOPSIS、智能算法等)進(jìn)行綜合評定,例如聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)和奧雅納工程顧問(ARUP)制定的韌性評價指標(biāo)體系分別在農(nóng)業(yè)韌性和城市韌性領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。第二種方法是韌性代理法(resilience surrogates),主要是利用系統(tǒng)中核心變量的變化來間接表征韌性,例如Martin[5]基于英國各區(qū)域9個產(chǎn)業(yè)部門的從業(yè)人口組成來判斷各地區(qū)的經(jīng)濟(jì)韌性。具體到水資源- 水環(huán)境- 社會經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng),眾多學(xué)者往往僅僅關(guān)注單因素的韌性研究。其中,水資源系統(tǒng)韌性評價方面,在國外,Alessa等[6]基于社會生態(tài)系統(tǒng)的觀點(diǎn)建立了北極水資源脆弱性指數(shù)工具,通過脆弱性指數(shù)來表示水資源系統(tǒng)的韌性,并在阿拉斯加的3個流域研究中驗(yàn)證了合理性；Sandoval- Soils等[7]利用可持續(xù)發(fā)展指數(shù),以“赤字”為切入點(diǎn),從可靠性、恢復(fù)性和脆弱性角度建立了水資源可持續(xù)性指標(biāo),對美國和墨西哥的水資源韌性進(jìn)行了研究。在國內(nèi),張曉琦等[8]將經(jīng)濟(jì)學(xué)條件風(fēng)險價值理論引入防洪評價領(lǐng)域,提出了基于CVaR的水庫群防洪庫容協(xié)同作用方法,以此提高了水庫群的韌性；韓宇平等[9]從水資源風(fēng)險的角度,提出了解決水資源短缺實(shí)現(xiàn)水資源安全的最佳方案。對于水環(huán)境系統(tǒng)韌性研究,在國外,Schlüter等[10]基于社會經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和荒漠化的影響,將水環(huán)境流量納入徑流系統(tǒng)韌性評估體系中,對烏茲別克斯坦阿姆達(dá)里亞河三角洲的水系統(tǒng)韌性進(jìn)行評估；Sweya等[11]在考慮水環(huán)境污染、污染水源、處理成本等的基礎(chǔ)上建立了一套評估水資源供給系統(tǒng)韌性的工具,研究了坦桑尼亞地區(qū)水環(huán)境資源敏感性、水環(huán)境容量、自然洪水衰減等方面的因素影響。在國內(nèi),陳燕飛等[12]從水資源開發(fā)程度、環(huán)境容量及納污水平等5個方面建立了水環(huán)境韌性模型體系,量化了漢江中下游水環(huán)境韌性水平；陳天等[13]從生態(tài)韌性的視角構(gòu)建了水環(huán)境導(dǎo)向的城市設(shè)計技術(shù)體系,探索水環(huán)境導(dǎo)向下的城市設(shè)計實(shí)現(xiàn)途徑。對于經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)韌性研究,在國外,Champion等[14]評估了大衰退時期英國9個二級城市地區(qū)產(chǎn)業(yè)部門的就業(yè)結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)二級地市的表現(xiàn)不如全國平均水平；Chapple等[15]分析了美國勞動力市場的發(fā)展趨勢,找出了影響經(jīng)濟(jì)韌性的主要指標(biāo)因子。在國內(nèi),孫慧等[16]定量分析了西部地區(qū)近20 a間經(jīng)濟(jì)韌性與高質(zhì)量發(fā)展的影響機(jī)理。

長江經(jīng)濟(jì)帶作為中國國土開發(fā)與經(jīng)濟(jì)布局“T”字型空間結(jié)構(gòu)宏觀戰(zhàn)略中極其重要的發(fā)展軸,橫跨中國東、中、西三大地帶,不僅是中國國民經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢所在,也是中國重要的生態(tài)保障之一。近年來,受人類活動和氣候變化等影響,長江經(jīng)濟(jì)帶水資源、水環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展不協(xié)調(diào)等問題日趨嚴(yán)重且相互交織,生態(tài)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展矛盾凸顯。因此,明晰三者之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián),對水資源- 水環(huán)境- 社會經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)的韌性能力進(jìn)行評估,是長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)文明建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)展面臨的關(guān)鍵問題。但對長江經(jīng)濟(jì)帶韌性的研究而言,目前僅僅集中在經(jīng)濟(jì)韌性水平測度和城市韌性結(jié)構(gòu)2個方面。李金滟等[17]基于經(jīng)濟(jì)、人口和社區(qū)3個方面構(gòu)建了韌性體系,定量分析了長江經(jīng)濟(jì)帶地級市和城市群的韌性水平；彭翀等[18]基于長江中游城市群31個城市之間的客運(yùn)網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建城市客運(yùn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)韌性模型體系,分析了韌性變化特征及關(guān)鍵調(diào)控因素。

總體來看,長江經(jīng)濟(jì)帶水資源- 水環(huán)境- 社會經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)的韌性評估目前在單因素方面的研究偏少,整體韌性的分析更是處于初步探索階段,需要進(jìn)一步深入的研究。本文在定義韌性的基礎(chǔ)上,構(gòu)建韌性評估指標(biāo)體系,基于微分方程和投影尋蹤的思想,提出一種新的韌性調(diào)控模型,以期為長江經(jīng)濟(jì)帶的高質(zhì)量發(fā)展提供支持。

1 數(shù)據(jù)來源及研究區(qū)概況

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文的研究數(shù)據(jù)主要來源于1999—2018年《中國統(tǒng)計年鑒》《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》《中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》《中國民政統(tǒng)計年鑒》《中國水利統(tǒng)計年鑒》《中國城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計年鑒》和《水資源公報》等。

1.2 研究區(qū)概況

長江經(jīng)濟(jì)帶覆蓋上海、江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重慶、四川、貴州和云南共11個省級行政區(qū)(9省2市)(圖1),國土面積205萬km2,占全國的21%,人口約5.95億人,占全國的40%以上。隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,長江經(jīng)濟(jì)帶也面臨嚴(yán)峻的水資源、水環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)方面的問題,主要表現(xiàn)為：① 水資源過度開發(fā),用水效率不高。長江經(jīng)濟(jì)帶水資源時空分布不均,反映在局部水資源短缺和水質(zhì)型缺水,其中,以2018年為例,畝均灌溉用水量高出全國平均水平的10%,萬元工業(yè)增加值用水量是全國平均水平的1.5倍。② 水環(huán)境污染嚴(yán)重,水生態(tài)系統(tǒng)失衡。2018年長江經(jīng)濟(jì)帶工業(yè)建筑業(yè)、城鎮(zhèn)生活和第三產(chǎn)業(yè)廢污水排放量達(dá)到344億t,占全國廢污水排放量的40%以上,潛在的水環(huán)境風(fēng)險和突發(fā)性水污染形勢嚴(yán)峻。③ 經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)建設(shè)矛盾尖銳。主要表現(xiàn)為長江經(jīng)濟(jì)帶產(chǎn)業(yè)布局不合理,資源環(huán)境面臨較大挑戰(zhàn),其中基礎(chǔ)原材料和能源重化工產(chǎn)業(yè)在成渝和云貴地區(qū)占比超過了60%。

圖1 長江經(jīng)濟(jì)帶空間位置示意Fig.1 Spatial location of the Yangtze River Economic Belt

2 研究方法

2.1 韌性原理及評價指標(biāo)

對于水資源- 水環(huán)境- 社會經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng),主要由水循環(huán)及其伴生的能量循環(huán)、物質(zhì)循環(huán)等循環(huán)關(guān)系組成。在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的前期,影響社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要為水資源可利用量,主要表現(xiàn)為供水能力；當(dāng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展到一定程度,影響因素轉(zhuǎn)化為水資源可利用量和水環(huán)境承載能力,主要表現(xiàn)為生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)。水資源- 水環(huán)境- 社會經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)的韌性具有多尺度特征,是對特定壓力或擾動的反應(yīng)。本研究借鑒Serfilippi等[19]、Constas等[20]和Béné等[21]的思想,將“韌性”定義為：系統(tǒng)受到外來干擾時,維持、恢復(fù)甚至提高自身穩(wěn)定狀態(tài)的能力,是系統(tǒng)面對外來干擾適應(yīng)變化的能力,是抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性的組合,是一種促進(jìn)長期可持續(xù)發(fā)展的手段(圖2)。具體而言,抵抗性是指復(fù)雜系統(tǒng)在受到外來沖擊和擾動時,能夠抵御風(fēng)險的能力。在復(fù)雜系統(tǒng)中,其面臨的潛在風(fēng)險和擾動越大,受到的沖擊和挑戰(zhàn)越多,抵抗性就會越弱,例如,復(fù)雜系統(tǒng)受到區(qū)域水資源可利用量、污水排放和人口壓力等因素的沖擊,復(fù)雜系統(tǒng)的抵抗性就會越差。恢復(fù)性是指復(fù)雜系統(tǒng)受到外來沖擊時,恢復(fù)至沖擊前狀態(tài)的能力。在復(fù)雜系統(tǒng)中,恢復(fù)性主要受水資源開發(fā)利用率、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的影響,例如,水資源開發(fā)利用率影響水資源的供給,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響水環(huán)境承載能力,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)影響用水結(jié)構(gòu)和用水效率。適應(yīng)性是指復(fù)雜系統(tǒng)在受到?jīng)_擊并恢復(fù)后,從中學(xué)到的適應(yīng)能力并達(dá)到更高的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。在復(fù)雜系統(tǒng)中,適應(yīng)性主要受到水資源匹配系數(shù)、生態(tài)環(huán)境投資和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的影響,例如,水資源匹配系數(shù)影響水資源的適配狀態(tài),生態(tài)環(huán)境投資反映了宏觀調(diào)控,經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平反映了科技進(jìn)步。根據(jù)韌性的概念,抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性的構(gòu)建原則和范圍,同時參考楊亞鋒等[22]、孫才志等[23]和孫久文等[24]的相關(guān)研究成果,制定了長江經(jīng)濟(jì)帶水資源- 水環(huán)境- 社會經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)的韌性評估指標(biāo)體系(圖3),用R表示(+表示正向指標(biāo),-表示負(fù)向指標(biāo)),水資源量盈虧表示水資源總量和供水量之間的差值,NANI/NAPI表示人類活動凈氮/磷輸入。

2.2 指標(biāo)的降維處理

由于影響抵抗性(恢復(fù)性/適應(yīng)性)的變量有很多,因此定量分析它們之間的函數(shù)關(guān)系非常困難。本研究借鑒投影尋蹤中降維的思想將多維指標(biāo)轉(zhuǎn)換為一維指標(biāo),從而使進(jìn)一步研究抵抗性(恢復(fù)性/適應(yīng)性)與評價指標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系變得簡單。其基本思想為把高維數(shù)據(jù)投影到一維子空間中,對于投影到的構(gòu)形,采用降維函數(shù)來衡量投影暴露某種結(jié)構(gòu)的可能性大小,尋找出使降維函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差平方達(dá)到最大的值,然后根據(jù)該值來分析高維數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征。需要注意的是,在指標(biāo)降維處理之前,首先要把指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

圖3 復(fù)雜系統(tǒng)韌性評估指標(biāo)體系Fig.3 Index system of resilience evaluation of complex system

2.3 抵抗性(恢復(fù)性/適應(yīng)性)微分方程模型

將多維變量(標(biāo)準(zhǔn)化之后)投影到一維變量x后,可以建立抵抗性(恢復(fù)性/適應(yīng)性)y與投影變量x的微分方程模型。為此,本研究提出如下假設(shè)：

(1) 系統(tǒng)抵抗性(恢復(fù)性/適應(yīng)性)y隨投影變量x的增大而增大,即y是x的增函數(shù)；

(2)y的取值范圍為[0,1],自變量x的取值范圍為[a,b],且y(a)=0,y(b)=1；

(3)y在[a,c]上的增速越來越慢,在[c,b]上的增速越來越快,且c是a和b的中點(diǎn)；

(4)y是光滑函數(shù)。

根據(jù)上面提出的假設(shè)可以構(gòu)建如下的微分方程模型：

(1)

求解方程可得：

(2)

根據(jù)假設(shè)可知方程滿足如下條件：

(3)

(4)

根據(jù)不等式組可以得到參數(shù)α、h和β,進(jìn)而獲得抵抗性(恢復(fù)性/適應(yīng)性)y與投影變量x之間的函數(shù)。

2.4 韌性評估

復(fù)雜系統(tǒng)的發(fā)展過程中,水資源、水環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能各不相同,且彼此間有著復(fù)雜的非線性關(guān)系,所以以往通過3個子系統(tǒng)加權(quán)求取韌性的方法存在著明顯的缺陷,并不能夠反映出子系統(tǒng)之間的動態(tài)平衡關(guān)系。因此,本研究構(gòu)造了長江經(jīng)濟(jì)帶水資源- 水環(huán)境- 社會經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)三維空間矢量模型(圖4)。

圖4 韌性三維空間矢量模型示意Fig.4 Schematic diagram of resilience of three- dimensional space vector model

X軸代表水資源系統(tǒng),Y軸代表水環(huán)境系統(tǒng),Z軸代表社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。在水資源- 水環(huán)境- 社會經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)韌性發(fā)展的立體幾何空間中,O也即原點(diǎn)代表復(fù)雜系統(tǒng)韌性最差、最不理想的狀態(tài),此時復(fù)雜系統(tǒng)的韌性值為0;S是復(fù)雜系統(tǒng)韌性發(fā)展的最高點(diǎn),也即是理想狀態(tài)。因此,OS的方向就代表了復(fù)雜系統(tǒng)韌性能力的最佳發(fā)展軌跡。P(Xt,Yt,Zt)是復(fù)雜系統(tǒng)在t時刻的韌性狀態(tài),其中Xt、Yt、Zt分別為長江經(jīng)濟(jì)帶t時刻水資源系統(tǒng)、水環(huán)境系統(tǒng)和社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的狀態(tài),PP′⊥OS。θ為長江經(jīng)濟(jì)帶韌性發(fā)展軌跡OP與理想路徑OS的偏離度?；诖?本研究定義了韌性發(fā)展度、韌性協(xié)調(diào)度和韌性指數(shù)的概念[25]。

韌性發(fā)展度主要指長江經(jīng)濟(jì)帶水資源- 水環(huán)境- 社會經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)目前所處的韌性狀態(tài),按照水資源系統(tǒng)、水環(huán)境系統(tǒng)和社會經(jīng)濟(jì)三維目標(biāo)最大化的原則,對韌性發(fā)展度的度量定義為OP的長度(LOP)：

(5)

韌性協(xié)調(diào)度主要是指長江經(jīng)濟(jì)帶水資源- 水環(huán)境- 社會經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)際發(fā)展軌跡與理想軌跡之間擬合度的度量,因此,可以用偏離度(θ)來度量,θ值的大小與韌性協(xié)調(diào)度呈負(fù)相關(guān)：

(6)

式中:LOS、LSP分別為OS和SP的長度。

(7)

3 結(jié)果及分析

3.1 長江經(jīng)濟(jì)帶整體韌性

3.1.1 時空趨勢

根據(jù)長江經(jīng)濟(jì)帶水資源- 水環(huán)境- 社會經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)的韌性評估指標(biāo)體系和構(gòu)造的微分方程,經(jīng)過計算分別得到長江經(jīng)濟(jì)帶整體1999—2018年間抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性的內(nèi)部方程關(guān)系(表1)和變化趨勢(圖5(a))。

表1 長江經(jīng)濟(jì)帶整體及省級尺度抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性方程

可以看到,復(fù)雜系統(tǒng)抵抗性的波動趨勢最為明顯,總體呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢,但2018年未達(dá)到1999年的水平。具體而言,水環(huán)境抵抗性一直呈現(xiàn)下降趨勢而社會經(jīng)濟(jì)抵抗性一直處于上升趨勢,但都對復(fù)雜系統(tǒng)抵抗性的影響較小;水資源抵抗性的變化趨勢與復(fù)雜系統(tǒng)抵抗性的變化趨勢基本一致,對復(fù)雜系統(tǒng)抵抗性的影響最大,特別是近些年隨著國家一系列節(jié)水理念和政策法規(guī)的完善,水資源抵抗性逐漸提高。復(fù)雜系統(tǒng)恢復(fù)性的變化趨勢經(jīng)歷了2個階段,1999—2010年屬于波動階段,但變化范圍較??；2011—2018年屬于穩(wěn)步提升階段。具體而言,水資源恢復(fù)性一直呈現(xiàn)下降趨勢,供水量和人均供水量一直減小,但對復(fù)雜系統(tǒng)恢復(fù)性影響較小;隨著國家環(huán)保政策的制定和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,水環(huán)境恢復(fù)性和社會經(jīng)濟(jì)恢復(fù)性一直處于提升狀態(tài),對復(fù)雜系統(tǒng)恢復(fù)性的影響較大;復(fù)雜系統(tǒng)適應(yīng)性表現(xiàn)為逐年穩(wěn)步提升。具體而言,水資源適應(yīng)性由于水資源負(fù)載指數(shù)的逐年下降表現(xiàn)為波動下降趨勢,但對復(fù)雜系統(tǒng)適應(yīng)性的影響較小;隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度加快,政府也對水環(huán)境的改善投入了更多的資金支持,最終水環(huán)境適應(yīng)性和社會經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性逐年穩(wěn)步提升,對復(fù)雜系統(tǒng)適應(yīng)性的影響較大。

3.1.2 調(diào)控因素

在得到復(fù)雜系統(tǒng)的抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性之后,根據(jù)本研究提出的韌性三維空間矢量模型,可以得到復(fù)雜系統(tǒng)韌性的變化趨勢。同恢復(fù)性相似,復(fù)雜系統(tǒng)韌性表現(xiàn)為2個階段:1999—2010年為波動階段,變化范圍較小;2011—2018年逐年提高?？傮w來看,雖然抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性在2010年之前的變化趨勢各不相同,但2011年之后基本保持上升趨勢,這些趨勢也綜合反饋到了復(fù)雜系統(tǒng)的韌性趨勢方面。為了進(jìn)一步分析復(fù)雜系統(tǒng)韌性的內(nèi)部驅(qū)動因素,本研究基于地理探測器模型[26],計算了1999—2018年間復(fù)雜系統(tǒng)韌性的主要影響指標(biāo),并找出各年度影響程度最大的前3位指標(biāo)因子(表2)。對于復(fù)雜系統(tǒng)韌性的調(diào)控因素而言,2007年之前偏向抵抗性指標(biāo),多為R3人均水資源量、R11人口數(shù)、R6廢水排放量和R8氨氮排放量;2011年之后偏向適應(yīng)性指標(biāo),多為水資源匹配(R30、R31)、投資力度(R35、R37)和用水效率(R39、R41)。

表2 不同年份長江經(jīng)濟(jì)帶整體及省級尺度復(fù)雜系統(tǒng)韌性調(diào)控因素

3.2 省級尺度韌性

3.2.1 時空趨勢

同長江經(jīng)濟(jì)帶整體的計算過程一致,可以得到11省市1999—2018年間復(fù)雜系統(tǒng)抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性的內(nèi)部方程關(guān)系(表1)和變化趨勢(圖5(b)—圖5(l))。從空間趨勢來看,對于復(fù)雜系統(tǒng)抵抗性,由大到小的排序?yàn)樵颇?江西>貴州>浙江>重慶>上海>四川>湖南>湖北>安徽>江蘇,表現(xiàn)為由西向東、由南向北逐漸降低的趨勢;對于復(fù)雜系統(tǒng)恢復(fù)性,由大到小的排序?yàn)檎憬?上海>貴州>重慶>安徽>四川>云南>江蘇>湖南>江西>湖北,同復(fù)雜系統(tǒng)抵抗性的趨勢稍有差異,表現(xiàn)為由西向東、由北向南逐漸提高的趨勢;對于復(fù)雜系統(tǒng)適應(yīng)性,由大到小的排序?yàn)檎憬?江蘇>四川>云南>湖南>湖北>安徽>江西>貴州>重慶>上海,沒有明顯規(guī)律,大體上表現(xiàn)為東部>西部>中部的趨勢。從時間趨勢上來看,對于復(fù)雜系統(tǒng)抵抗性,除云南外,都表現(xiàn)為上升趨勢。以抵抗性最差的江蘇為例,水資源抵抗性和水環(huán)境抵抗性都處于下降趨勢,但社會經(jīng)濟(jì)抵抗性逐年穩(wěn)步提升,且對復(fù)雜系統(tǒng)抵抗性的貢獻(xiàn)最大;以抵抗性最優(yōu)的云南為例,水資源抵抗性和水環(huán)境抵抗性都處于緩慢下降趨勢,而社會經(jīng)濟(jì)抵抗性較為穩(wěn)定,最終導(dǎo)致復(fù)雜系統(tǒng)抵抗性的輕微下降。對于復(fù)雜系統(tǒng)恢復(fù)性,除去安徽和湖南以外,都處于上升趨勢。以恢復(fù)性最差的湖北為例,水資源恢復(fù)性一直處于下降狀態(tài),但水環(huán)境恢復(fù)性和社會經(jīng)濟(jì)恢復(fù)性穩(wěn)步上升;以恢復(fù)性最優(yōu)的浙江為例,水資源恢復(fù)性、水環(huán)境恢復(fù)性和社會經(jīng)濟(jì)恢復(fù)性在20 a間上升狀態(tài)極佳;以復(fù)雜系統(tǒng)恢復(fù)性下降的安徽為例,水資源恢復(fù)性處于下降趨勢,而水環(huán)境恢復(fù)性和社會經(jīng)濟(jì)恢復(fù)性都處于上升狀態(tài),但上升趨勢并不明顯。對于復(fù)雜系統(tǒng)適應(yīng)性,11省市的表現(xiàn)基本一致,總體上為提升趨勢。以適應(yīng)性最優(yōu)的浙江為例,在水資源適應(yīng)性稍有下降的情況下,水環(huán)境適用性和社會經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性增速較快;以適應(yīng)性最差的上海為例,具體原因同浙江類似,都表現(xiàn)為水資源適應(yīng)性的下降,而水環(huán)境適用性和社會經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性穩(wěn)步提升,但由于水資源適應(yīng)性和水環(huán)境適應(yīng)性的底子薄基礎(chǔ)差,導(dǎo)致總體復(fù)雜系統(tǒng)適應(yīng)性處于末位。

圖5 長江經(jīng)濟(jì)帶整體及省級尺度復(fù)雜系統(tǒng)抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性趨勢Fig.5 Trend of resistance,restoration and adaptability at the Yangtze River Economic Belt scale and provincial scale

對于11省市水資源- 水環(huán)境- 社會經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)韌性(圖6),在空間上表現(xiàn)為西部>東部>中部、南部>北部,在時間上逐漸轉(zhuǎn)好的趨勢。20 a間平均值由大到小的排序?yàn)檎憬?云南>貴州>四川>江西>上海>重慶>湖南>江蘇>安徽>湖北。平均增速與韌性的趨勢基本相反,由大到小的排序?yàn)榻K>上海>湖北>江西>浙江>安徽>重慶>湖南>貴州>四川>云南。

圖6 長江經(jīng)濟(jì)帶整體及省級尺度復(fù)雜系統(tǒng)韌性變化趨勢Fig.6 Trend of resilience at the Yangtze River Economic Belt scale and provincial scale

具體來講,上海復(fù)雜系統(tǒng)韌性能力提高顯著,韌性能力在11省市中的排位可以分為3個階段,突變點(diǎn)分別為2004年和2014年。2004年之前一直處于低位(9—11位),2005—2014年提高到中等位置(6—8位),2014年之后轉(zhuǎn)優(yōu)為第2位；增速則一直較優(yōu),處于第2位(2.37%)。江蘇韌性能力轉(zhuǎn)折趨勢明顯,韌性能力在11省市中的排位可以分為2個階段,2006年之前基本處于末位(10位和11位),2016年之后提高到中等位置(6—8位)；但江蘇的平均增速最佳,處于首位(2.92%)。浙江韌性能力表現(xiàn)極優(yōu)且非常穩(wěn)定,除了2001年排在2位以外,其他年份均為首位；但浙江韌性能力的增速一般,在11省市中排第5位(1.43%)。

安徽韌性能力不容樂觀,具體可以分為2個階段,2006年之前一直處于中等位置(6—9位),2006年之后基本處于末位(10位和11位),近2 a雖有所好轉(zhuǎn),但仍然形式嚴(yán)峻；與之對應(yīng)的是安徽的韌性增速一直處于中等水平,在11省市中排第6位(1.38%)。江西韌性能力較為穩(wěn)定,在11省市中排位一直處于中等偏上位置,位列3—8位；增速也較為明顯,位列第4位(1.51%)。湖北的韌性表現(xiàn)極端,韌性能力一直較差,在11省市中的排位基本處于末位(9—11位)；與之相反的是增速明顯,位列第3位(1.76%),但總體來說未來的發(fā)展趨勢較好。湖南的韌性能力不僅不佳而且近幾年還處于下降趨勢,2015年以前基本處于中下位置(7—9位),而2015年之后都處于末位(10位)；與之對應(yīng)的是湖南的韌性增速也較差,處于第8位(1.29%)。

重慶和四川的韌性能力趨勢相近,雖然整體呈現(xiàn)上升趨勢,但排位在近些年有所下降,且2014年是個分水嶺。重慶和四川2014年之前的平均位次分別為第6位和第4位,但2014年之后則降到了第9位和第7位,近幾年都分別下降了3位。貴州和云南的韌性能力都較好且穩(wěn)定,平均位次也分別為第4位和第3位;但與之對應(yīng)的是韌性的增速都較慢,分別為1.24%和0.96%,分別位于第9位和第11位。

總的來看,盡管11省市水資源- 水環(huán)境- 社會經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)韌性都表現(xiàn)為穩(wěn)定提升,但內(nèi)在的原因卻各不相同,可以分為3個類別。第1類也是絕大多數(shù)省市,以上海、江蘇、浙江、江西、湖北、重慶、四川和貴州為代表,韌性提升的原因是抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性全部的增強(qiáng)；第2類以安徽和湖南為代表,韌性提升的原因是抵抗性和適應(yīng)性的增強(qiáng),而恢復(fù)性則處于下降狀態(tài)；第3類以云南為代表,韌性提升的原因是恢復(fù)性和適應(yīng)性的增強(qiáng),而抵抗性則處于下降狀態(tài)。

3.2.2 調(diào)控因素

對于11省市水資源- 水環(huán)境- 社會經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)韌性的調(diào)控因素(表2),上海20 a間非常穩(wěn)定,都為供水量、Ⅰ—Ⅲ類水河長占比和第一產(chǎn)業(yè)占比；江蘇分為2個階段,2007年之前基本為水資源開發(fā)利用率、Ⅰ—Ⅲ類水河長占比和變異系數(shù),2007年之后轉(zhuǎn)換為水資源負(fù)載指數(shù)、環(huán)境治理投資(R36、R37)和萬元工業(yè)增加值用水量；浙江經(jīng)歷了3個階段,2011年之前基本為水資源開發(fā)利用率、Ⅰ—Ⅲ類水河長占比和變異系數(shù),2012—2015年轉(zhuǎn)換為水資源負(fù)載指數(shù)、工業(yè)污染治理投資和萬元工業(yè)增加值用水量,但在2015年之后又回到第1階段；安徽2015年之前基本為水資源開發(fā)利用率、Ⅰ—Ⅲ類水河長占比和變異系數(shù),2015年之后轉(zhuǎn)換為水資源負(fù)載指數(shù)、工業(yè)污染治理投資和萬元GDP用水量；江西比較穩(wěn)定,基本為人均水資源量、降水量、NANI和人口數(shù)；湖北2007年之前為水資源開發(fā)利用率、Ⅰ—Ⅲ類水河長占比和變異系數(shù),2007年之后轉(zhuǎn)換為水資源負(fù)載指數(shù)、環(huán)境治理投資(R36、R37)和萬元GDP用水量；湖南2011年之前為水資源開發(fā)利用率、Ⅰ—Ⅲ類水河長占比和變異系數(shù),2011年之后為水資源負(fù)載指數(shù)、環(huán)境治理投資(R36、R37)和萬元GDP用水量；重慶經(jīng)歷了3個階段,2003年之前為供水量、水資源開發(fā)利用率、Ⅰ—Ⅲ類水河長占比和產(chǎn)業(yè)占比,隨后轉(zhuǎn)換為2011年前的人均水資源量盈虧、廢水排放量和人口數(shù),近些年則又同第1階段類似,為水資源開發(fā)利用率、生態(tài)用水量和第一產(chǎn)業(yè)占比；四川2003年之前為水資源量盈虧、NANI和總GDP,隨后轉(zhuǎn)換為水資源負(fù)載指數(shù)、治理廢水投資和萬元工業(yè)增加值用水量；貴州2003年之前為人均水資源量盈虧、廢水排放量和人口數(shù),隨后轉(zhuǎn)換為水資源開發(fā)利用率、Ⅰ—Ⅲ類水河長占比和變異系數(shù)；云南省非常穩(wěn)定,基本為人均水資源量盈虧、NANI和人口數(shù)?？偟膩砜?11省市水資源- 水環(huán)境- 社會經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)韌性的調(diào)控因素可以分為3個類別:江西和云南主要為自然稟賦條件,上海主要為科學(xué)技術(shù)發(fā)展成果和政府宏觀政策調(diào)控,而其他省市則經(jīng)歷了從自然稟賦條件到科學(xué)技術(shù)發(fā)展成果和政府宏觀政策調(diào)控的轉(zhuǎn)變。

4 結(jié) 論

本研究提出了一種新的韌性評估模型,從長江經(jīng)濟(jì)帶整體和省級尺度,分析了水資源- 水環(huán)境- 社會經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)的韌性特征。從水資源、水環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)三者之間的韌性機(jī)理,篩選出指標(biāo)體系；基于提出的微分方程模型和假設(shè),確定了抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性的函數(shù)關(guān)系；借鑒投影尋蹤的降維思想,對韌性進(jìn)行了評估。主要結(jié)論如下：

(1) 長江經(jīng)濟(jì)帶整體的抵抗性表現(xiàn)為先下降后上升,恢復(fù)性表現(xiàn)為先穩(wěn)定波動后逐步提高,適應(yīng)性表現(xiàn)為逐年提升且增加速度加快,韌性表現(xiàn)為先穩(wěn)定波動后逐年提高,四者的轉(zhuǎn)折點(diǎn)都在2011年前后。韌性的調(diào)控因素在2007年之前偏向抵抗性指標(biāo),多為人均水資源量、人口數(shù)、廢水排放量和氨氮排放量；2011年之后偏向適應(yīng)性指標(biāo),多為水資源匹配、投資力度和用水效率。

(2) 從空間趨勢看,11省市的抵抗性表現(xiàn)為由西向東、由南向北逐漸降低的趨勢,恢復(fù)性表現(xiàn)為由西向東、由北向南逐漸提高的趨勢,適應(yīng)性表現(xiàn)為東部>西部>中部的趨勢,抵抗性較優(yōu)的地區(qū)適應(yīng)性同樣較好。從時間趨勢看,11省市的抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性大體上都表現(xiàn)為穩(wěn)步提升。

(3) 對于調(diào)控因素,11省市中,江西和云南主要為自然稟賦條件,上海主要為科學(xué)技術(shù)發(fā)展成果和政府宏觀政策調(diào)控,而其他省市則經(jīng)歷了從自然稟賦條件到科學(xué)技術(shù)發(fā)展成果和政府宏觀政策調(diào)控的轉(zhuǎn)變。整體上,優(yōu)控因素排序?yàn)檫m應(yīng)性>恢復(fù)性>抵抗性,且優(yōu)控因素逐漸從抵抗性轉(zhuǎn)移為適應(yīng)性。