基于協(xié)同學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受到環(huán)境與自然資源等多種因素影響，如污染嚴重、供需矛盾緊張等。目前，水資源緊缺、水體污染嚴重、水資源空間結(jié)構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)境特征的基礎上給出了相應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)展水平進行了科學的評價分析。然而，相關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)同學理論多應用于流域水資源系統(tǒng)適應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)同學研究的內(nèi)容并可呈現(xiàn)出非平衡的有序結(jié)構。將已有的研究成果利用協(xié)同學理論方法可拓寬于其他學科并對影響系統(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)同學理論具有科學性與合理性。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。首先利用模糊數(shù)學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]等相關研究，對各子系統(tǒng)Sj的測量度采用模糊數(shù)學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公平模型可構建模型為：系統(tǒng)的公平性權重為ωj，則系統(tǒng)應獲得和滿足發(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加權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 實例應用

3.1 選取序參量

構建協(xié)同學理論評價模型應首先對水資源系統(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害；其他子系統(tǒng)賴以存在和發(fā)展的重要基礎為生態(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分級值標準，并對子系統(tǒng)的序參量隸屬度采用模糊數(shù)學隸屬度進行求解見表2。

利用文中所述相關計算公式和序參量的隸屬度計算結(jié)果可依次構建有序度、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。評價標準選取可持續(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)同學理論建立了評價模型，研究表明該方法理論具有較強的準確性與可靠性，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；評價標準選取可持續(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。