大連市水資源開發(fā)利用風險評價

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

水資源過度開發(fā)利用、全球氣候變化異常、水環(huán)境系統(tǒng)破壞以及水體浪費嚴重等使得部分區(qū)域水資源短缺問題日趨突出，目前對于水資源開發(fā)利用風險的研究已成為國內(nèi)水文領(lǐng)域研究的熱點和主要方向之一[1]。許多學者針對水資源利用問題開展了大量研究，并建立了多種理論模型和分析方法，如王穎等[2]歸類總結(jié)了水資源風險的基本內(nèi)涵，并在此基礎(chǔ)上提出了初步的數(shù)學化定義；張建龍等[3]采用B/S系統(tǒng)架構(gòu)和事例推理理論，運用信息實體與事例推理網(wǎng)集合對礦井水資源開發(fā)利用風險進行了分析；周璞等[4]針對我國各省區(qū)的水資源開發(fā)利用合理性，運用模糊綜合法和協(xié)調(diào)度指數(shù)法進行了科學評價；呂寶華等[5]研究認為遼寧省處于嚴重缺水狀態(tài)，水資源供需矛盾緊張且開發(fā)利用程度較高，未來水資源供需矛盾將更加突出。綜上分析，本文結(jié)合相關(guān)資料和區(qū)域水資源狀況，從多個方面建立了評價體系，運用突變理論對大連市水資源開發(fā)利用風險進行科學研究。在進行評價分析時，主要運用歸一化公式中各指標的機制、影響和作用判定其對評價結(jié)果的影響程度，采用定量與定性相結(jié)合的方法，降低人為主觀性的影響并提高風險評價的準確性、合理性與科學性，并且該方法所需要的計算樣本相對較少。

1 大連市區(qū)域概況

大連市是東北地區(qū)沿海城市，面積12573.85km2，位于遼東半島的南端。其地形地貌以山地丘陵為主，地勢結(jié)構(gòu)由北向南整體呈現(xiàn)降低趨勢。全市水資源總量較少并且在時空分布上極不均衡，屬于嚴重缺水型沿海城市；近鄰海洋，海岸線較長，為具有海洋性氣候特點的大陸性季風氣候，全市多年降水量在550～950mm之間，且主要集中在夏季，年均水資源總量為31.09億m3。全市河網(wǎng)發(fā)育水平較高，共有大小河流200多條，主要有莊河、英那河以及碧流河等，水資源總量受季節(jié)性特別是汛期的影響較大。該區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展速度較快，工業(yè)增長穩(wěn)定，人口密集，水資源使用量較大，隨著沿海地區(qū)的不斷開發(fā)建設(shè)，水資源利用問題日趨突出[6]。

2 突變理論簡介

2.1 突變理論

20世紀70年代突變理論被提出，并被用于動態(tài)系統(tǒng)的不連續(xù)現(xiàn)狀分析，它是一種描述連續(xù)性變量跳躍性演變成質(zhì)變的數(shù)學理論[7]。此理論所涉及的數(shù)學基礎(chǔ)知識相對較深，但所應用的數(shù)學計算模型比較簡單，通常所應用的突變理論其本質(zhì)是一種初等的突變理論。在初等突變理論中對于臨界點的分類可根據(jù)勢函數(shù)的變化來確定，并利用不連續(xù)的臨界點特征對相關(guān)數(shù)據(jù)進行深入分析。在勢函數(shù)體系中主要包含控制與狀態(tài)變量，其中反映系統(tǒng)行為狀態(tài)的參數(shù)即為狀態(tài)變量，因此也可稱為行為變量；而控制變量是影響行為狀態(tài)的特征要素?？刂谱兞總€數(shù)不超過4個時，所對應的狀態(tài)變量不超過2個，并且突變類型共有7個。尖點突變、燕尾突變、折疊突變和蝴蝶突變是突變模型中常有的集中形式，各形式特征要素和表達式見表1。

表1 常用的突變模型的特征要素和勢函數(shù)

影響水資源開發(fā)利用風險的因素較多且各因素之間相互影響，用于風險分析的方法與指標參數(shù)存在一定差異，因此準確、客觀地判定系統(tǒng)處于突變狀態(tài)還是連續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)仍存在較大的困難；另外，開發(fā)利用危害與突變理論具有良好的一致性，如果水資源供需差值未落在系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展保障區(qū)域，則很可能產(chǎn)生突變并導致系統(tǒng)狀態(tài)的破壞[8]。所以，在水資源開發(fā)利用風險分析過程中突變理論具有良好的可行性與適用性，許多學者對此進行了大量的分析研究。如李繼清等[9]以長江流域為例，利用突變評價理論建立了流域洪災風險評價指標體系，并評估了1995—2000年該流域的洪災風險狀態(tài)；Chen等[10]以大連市為例，利用突變評價模型客觀、科學地評價了該區(qū)域水資源可持續(xù)利用狀態(tài)。

尖點突變模型在分析評價水資源利用風險以及影響因素之間的響應模式方面，具有廣泛的應用前景并容易被人接受，通過對區(qū)域水資源開發(fā)利用風險的分析能夠為水資源科學管理和可持續(xù)利用提供一定參考依據(jù)。

2.2 尖點突變模型

尖點突變模型主要是由兩個控制變量和一個狀態(tài)變量組成的勢函數(shù)，其表達式為

V(x)=x4+ux2+vx

(1)

式中：x為水資源系統(tǒng)的狀態(tài)變量；u、v分別為水資源系統(tǒng)的主、次控制變量。

該方程的幾何圖形是由勢函數(shù)的臨界點所決定的，結(jié)合上述函數(shù)特征可知，該圖形為一個曲面并稱為平衡超曲面，表達式為

4x3+2ux+v=0

(2)

對勢函數(shù)進行二次求導得到相應的奇點方程，然后聯(lián)立方程消除，從而可得到分歧集方程，表達式為

B=8U3+27V2=0

(3)

分歧集B即為在平面上平衡超曲面的投影，在折疊曲線邊緣位置上平衡超曲面上的點可發(fā)生突跳，平衡超曲面隨著控制變量的變化逐漸出現(xiàn)扭曲并形成折疊。最終，可能在超曲面上形成兩個穩(wěn)定的和一個不穩(wěn)定的平衡位置，穩(wěn)定位置發(fā)生在上、下兩個部分，而中間部分為不穩(wěn)定的突跳位置。系統(tǒng)狀態(tài)在跨越中間折疊線后將出現(xiàn)突變，因此對其是否發(fā)生突變可按照判別公式進行分析，判別公式Δ=8U3+27V2<0時，則可判定系統(tǒng)為突變狀態(tài)。所以，找出突變區(qū)間即為水資源開發(fā)利用風險評價模型的主要內(nèi)容，通過系統(tǒng)管控有效防止水資源系統(tǒng)突變的發(fā)生。

2.3 評價準則

運用突變理論對水資源開發(fā)利用風險進行綜合評價分析時，應結(jié)合區(qū)域水資源實際狀況選擇合適的評價準則：控制變量互補準則，各控制變量如果在系統(tǒng)中可以彌補彼此之間的不足，則可選擇較大x均值，即選擇Xa、Xb、Xc、Xd的平均值分別與控制變量a、b、c、d相對應；控制變量非互補準則，變量在系統(tǒng)中無法達到彼此的互補或者不可相互替代時，應根據(jù)“大中取小”的原則確定相應的值，即系統(tǒng)中x值應選擇突變級數(shù)值最小的控制變量。另外，在假定某一閾值的條件下，變量達到這種狀態(tài)時方可出現(xiàn)互補準則。

3 水資源開發(fā)利用風險評價

3.1 開發(fā)利用風險的概念

水資源的過度開采利用致使生態(tài)環(huán)境與水資源問題更加突出，并且由于水資源管理措施不當、認識深度不夠以及監(jiān)測不到位等，對水環(huán)境質(zhì)量和供需水量造成不利影響，從而使得水源污染、斷流、缺水等水安全事件頻繁發(fā)生[11]。在水資源開發(fā)過程中這些不利后果與影響因素均具有一定的不確定性，因此必須考慮其風險影響作用。水系統(tǒng)是一個涉及生態(tài)、經(jīng)濟、社會及其本身的龐大體系，并且各因素之間相互耦合、互相影響，具有一定的復雜性與結(jié)構(gòu)性特征，外部環(huán)境與系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間時刻存在著信息傳遞、能量傳輸以及物質(zhì)交換等過程，因此其概念內(nèi)涵極其復雜且內(nèi)容豐富。對水資源開發(fā)利用風險可概括為：在指定的時空環(huán)境條件下各種不確定性影響因素對水資源開發(fā)利用活動產(chǎn)生一定的影響作用，并可能發(fā)生不利事件及造成不同程度損失。其中不利事件及其發(fā)生風險的概率、成因?qū)?jīng)濟、社會、生態(tài)以及環(huán)境造成的危害程度和影響作用主要有生態(tài)功能退化、地下水位下降、水資源枯竭、水土流失等[12]。

3.2 構(gòu)建評價體系與分級標準

水資源開發(fā)利用問題是一個涉及生態(tài)、經(jīng)濟與人類活動的多層次復雜問題，因此在選取評價指標時不僅要考慮水資源數(shù)量與社會經(jīng)濟方面的內(nèi)容，而且還涉及水資源開發(fā)利用效率及開發(fā)利用水平等方面的指標。本文結(jié)合已有文獻資料和大連市水資源現(xiàn)狀，在遵循層次性、系統(tǒng)性、代表性、科學性原則的基礎(chǔ)上建立了風險評價體系，見表2。

目前，由于還未形成較為系統(tǒng)、完善的水資源開發(fā)利用風險評價標準，本文將其風險等級劃分為Ⅰ～Ⅴ級5個標準體系，見表3。

表2 大連市水資源開發(fā)利用風險評價體系

表3 大連市水資源開發(fā)利用風險等級標準

3.3 突變級數(shù)轉(zhuǎn)換

根據(jù)大連市2016年水資源公報、政府工作報告、統(tǒng)計年鑒等數(shù)據(jù)資料，對上述各指標初始數(shù)值進行提取，然后結(jié)合各指標基本內(nèi)涵及其屬性分別采用相應公式進行歸一化處理，計算方法如下：

對于正向指標即評價值越大則水資源開發(fā)利用風險越低型指標，其歸一化處理公式為

(4)

對于負向指標即評價值越小則水資源開發(fā)利用風險越低型指標，其歸一化處理公式為

(5)

式中：rij為第j個評價樣本中的第i項評價指標的標準值；(xij)max、(xij)min分別為在不同樣本中同一評價指標xij的最大值和最小值。

對各指標初始值分別運用式(4)、式(5)進行歸一化處理，可得到大連市各分區(qū)水資源開發(fā)利用風險指標的隸屬度，見表4。

3.4 結(jié)果分析

根據(jù)各指標之間的相互關(guān)系和重要性準則，按照從下至上的順序進行遞歸計算，分別得到評價體系各層次的風險程度，結(jié)果見表5。

表4 大連市各行政區(qū)水資源開發(fā)利用風險指標隸屬度

表5 大連市各分區(qū)水資源開發(fā)利用風險值評價結(jié)果

由表5計算結(jié)果可知，評價指標C12在瓦房店市測為0.971，達到極度風險，由此表明該區(qū)域人均水資源量較低，其可開發(fā)利用水平較弱；該指標在其他各分區(qū)范圍處于0.548～0.830，整體處于中等水平；同理，依次分析其他各項指標在各分區(qū)的水平。大連市水資源開發(fā)利用綜合評價結(jié)果顯示：各分區(qū)整體處于0.88～0.91范圍，處于較高的風險狀態(tài)，并以瓦房店市風險水平最為突出，全市風險評價綜合值為0.905，為高度風險。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合相關(guān)資料和區(qū)域水資源狀況，分別從開發(fā)利用狀況、水資源現(xiàn)狀、社會經(jīng)濟水平等方面建立評價體系，運用突變理論對大連市水資源開發(fā)利用風險進行科學研究，得出如下結(jié)論：

a.評價指標C12在瓦房店市測為0.971，達到極度風險，由此表明該區(qū)域人均水資源量較低其可開發(fā)利用水平較弱；該指標在其他各分區(qū)范圍處于0.548～0.830，整體處于中等水平。全市風險評價綜合值為0.905，為高度風險，其他各分區(qū)整體處于0.88～0.91范圍，處于較高的風險狀態(tài)，并以瓦房店市風險水平最為突出。

b.本文所構(gòu)建的評價體系和計算方法具有一定的科學性與合理性，評價結(jié)果與區(qū)域水資源實際狀況基本一致，可為其他區(qū)域水資源開發(fā)利用評價提供一定借鑒。