基于DPSIR概念模型的水資源系統脆弱性分析

董四方,董增川,陳康寧

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇南京 210098;2.中國水利水電科學研究院遙感技術應用中心,北京 100044)

水是基礎性的自然資源和戰略性的經濟資源,人類的生產、生活以及所棲息的環境都與水資源息息相關。隨著社會的發展和技術的進步,許多地區水資源開發利用程度不斷提高,自然-人工二元模式下的水資源演化機理日趨復雜[1];加之長距離、跨流域調水工程的大量修建,進一步增加了水資源系統的復雜性。從系統角度、以系統方法研究水資源問題,已成為國內外專家和學者的共識[2]。

1 水資源系統的脆弱性

水資源系統的脆弱性應該是其本質特征的綜合表現,是自然屬性和人類活動(主要以水事活動為主)共同作用的結果。水資源是一個復雜系統,受內、外干擾因素的作用后,使得某一部分(系統)崩潰,由于子系統脆性的關聯性,由此帶來的結果直接或間接地影響其他部分(系統),從而引發了連鎖反應,給系統帶來突發的、沉重的打擊,甚至導致系統的崩潰,從而給經濟、社會、生態帶來嚴重的毀壞[3]。

2 水資源系統脆弱性評價的指標體系構建

2.1 評價指標的選取

為了能夠定量分析水資源系統的脆弱性,本文結合DPSIR(drives-pressures-states-impacts-responses,)概念模型[4],對水資源系統脆弱性進行描述。基于DPSIR的水資源系統廣義脆弱性指標體系由驅動力指標、壓力指標、狀態指標、影響指標和響應指標等5部分構成,它將水資源系統脆弱性的各個方面有機地結合在一起。驅動力指標描述推動水資源發展變化的因素,主要是水資源自然豐枯變化、氣候變化、社會經濟發展方面的指標;壓力指標主要是用來描述社會經濟系統各部門和生態系統對水資源的需求,以及相應對水資源的副作用,如污水排放、點源污染等;狀態指標用來描述水資源系統滿足國民經濟與生活需水、生態環境需水的能力以及水環境狀況;影響指標用來描述自然、人為因素等脅迫下水資源脆弱性對社會經濟發展以及生態系統產生的影響;響應指標描述針對水資源脆弱性所采取的管理措施與工程措施,如節水、水利投資、水污染防治等。綜合考慮指標體系確定的目的性、系統性、科學性、可比性和可操作性原則,結合我國的實際情況及數據的可獲得性,構建基于DPSIR的水資源系統廣義脆弱性指標體系,見表1。

2.2 評價標準的確定

水資源系統脆弱性評價指標確定后,就需要明確各項指標的評價標準,才能對水資源系統的脆弱性狀況進行評價。目前學術界尚沒有統一認可的水資源系統脆弱性標準,筆者按照可持續發展和水資源脆弱性的內涵和要求,建立起一套衡量水資源脆弱性狀況的尺度和標準[5]。

將水資源脆弱性狀態分4個等級,表示如下:

V={Ⅰ級(脆弱性強),Ⅱ級(脆弱性較強),Ⅲ級(脆弱性一般),Ⅳ級(脆弱性弱)}

基于DPSIR的水資源系統廣義脆弱性指標體系及分級標準如表1所示。

表1 基于DPSIR的水資源系統脆弱性指標體系及分級標準

3 水資源系統脆弱性評價方法

投影尋蹤法作為處理高維數據具有可直接由樣本數據驅動來探索數據分析方法的優點,即在評價過程中不必預先給定評價指標的權重可以自行搜索產生,但傳統的投影尋蹤方法,對小樣本易產生誤差,另一方面對于多元復雜數據,往往難以找到其拓撲結構的最優投影方向。鑒于此,本研究利用大樣本數據、投影尋蹤、遺傳算法、插值型曲線,建立了新的評價模型——粒子群投影尋蹤插值模型,直接由樣本數據驅動,客觀決定各評價指標權重,將多因子的評價歸結為單目標決策,以定量數值表示評定結果,從而能較完整地反映水資源系統的脆弱性。

設p為水資源脆弱性評價的指標數目,n為樣本數目,評價指標集V={V1,V2,…,VP}(P=1～5),y(i)及為水資源脆弱性評價標準表

產生的第i個樣本的標準等級及評價指標值,為消除各指標的量綱影響,對各評價指標作以下處理:

若指標Vj∈V越大,水資源系統脆弱性呈越弱型,則

若指標Vj∈V越大,水資源系統脆弱性呈越強型,則

式中:xminj、xmaxj分別為水資源系統脆弱性評價的第j指標中最小值和最大值。

根據投影尋蹤法的原理,將標準化后的p維數據{xij}綜合成以a=(a(1),a(2),…,a(p))為投影方向的一維投影值z(i):

在綜合投影時,要求投影值z(i)應盡可能大地提取{xij}中的變異信息,即z(i)的標準差Sz盡可能大,同時要求z(i)的局部密度Dz盡可能大。這就要求選擇的最佳投影方向a*最大可能暴露高維數據某類特征結構,可以通過求解投影指標函數最大化問題來估計最佳投影方向。建立指標函數:

式中:Sz為投影值z(i)的標準差;Dz為投影值z(i)的局部密度。

4 實例應用

河北省屬于典型的資源型缺水省份,多年平均水資源量205億m3,人均304m3,僅為全國均值的1/7,不及國際上公認的人均1000m3缺水標準的1/3。近年來,隨著經濟的快速發展、人口的增加,水資源供需矛盾日益突出,南水北調工程的實施一定程度上能夠緩解這種矛盾。本文以河北省南水北調工程受水區水資源系統為研究對象進行水資源系統脆弱性分析。

根據表1所列的基于DPSIR的水資源系統脆弱性評價指標體系,從河北省經濟統計年鑒、河北省水資源公報、河北省環境狀況公報以及《河北省水資源綜合規劃報告》、《河北省南水北調城市水資源規劃報告》、《河北省供水區缺水分析及對策》等相關報告獲得驅動力、壓力、狀態、影響和響應5個部分的各個指標數值,規劃水平年指標部分參照《河北省水資源綜合規劃報告》,現狀值(2000年)及規劃水平年(2030年)指標特征值見表2。按照各指標特點分別按公式(1)及公式(2)進行標準化。

用所述方法求解脆弱性因子,對受水區進行水資源系統脆弱性評價,其結果見表3。

表2 受水區2000年及2030年指標特征值

從表3的計算結果可以看出:2000年至2030年,總體上河北省受水區的水資源系統脆弱性有所改觀。這說明南水北調工程、強化本地節水、努力保證生態環境用水等措施的有效實施能緩解水資源系統的脆弱性。

表3 受水區現狀年及規劃水平年指標特征值

5 結 論

本文建立了基于粒子群投影尋蹤插值的水資源系統脆弱性評價模型,通過樣本數據驅動,客觀決定了各評價指標的權重,將多因子的評價歸結為單目標決策,以定量數值表示評定結果。該評價模型不僅可以對某一事物進行等級評定,也可以對處于相同等級狀態下的不同事物進行更細的區別,從而能較完整地反映水資源系統的脆弱性。利用該模型,結合河北省南水北調受水區水資源系統的現狀,從驅動力-壓力-狀態-影響-響應等5個方面分析了該系統的脆弱性。河北省南水北調工程受水區水資源系統脆弱性評價結果表明,該評價模型概念清晰,計算簡便,評價結果可靠,可比性強,評定結果可以直觀地反映出各區域水資源脆弱性,在脆弱性評價中具有較好的應用價值。

[1] 王浩,秦大庸,王建華.流域水資源規劃的系統觀與方法論[J].水利學報,2002(8):1-6.

[2] 李少華,董增川,周毅,等.復雜巨系統視角下的水資源安全及其研究方法[J].水資源保護,2007,23(2):1-3,42.

[3] 劉綠柳.水資源脆弱性及其定量評價[J].水土保持通報,2002,22(2):41-44.

[4] SMEETS E,WETERING R.Environmental indicators:typology and overview[R].Copenhagen:European Environmental Agency,1999.

[5] 宋松柏.區域水資源可持續利用指標體系及評價方法研究[D].楊凌:西北農林科技大學,2003.

[6] KENNEDY J,EBERHAR T R C.Swarm intelligence[M].San Francisco,CA:Morgan Kaufmann Publishers Inc,2001.