基于CAS范式的水資源系統(tǒng)復(fù)雜性分析

高 飛，甄 禎，何士華，余興奎

（1.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，昆明 650500；2.云南經(jīng)濟(jì)管理職業(yè)學(xué)院工程學(xué)院，昆明 650500）

基于CAS范式的水資源系統(tǒng)復(fù)雜性分析

高 飛1，甄 禎1，何士華2，余興奎1

（1.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，昆明 650500；2.云南經(jīng)濟(jì)管理職業(yè)學(xué)院工程學(xué)院，昆明 650500）

分析了復(fù)雜性定義與特征，揭示復(fù)雜性的主、客體本質(zhì)。指出水資源系統(tǒng)也具有主、客體本質(zhì)，復(fù)雜性是水資源系統(tǒng)的一個(gè)重要特征。結(jié)合復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)涉及到經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、人文和水資源規(guī)劃等多方面的水資源系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。將水資源系統(tǒng)看成是由若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的有適應(yīng)性的個(gè)體所組成的一個(gè)有層次的網(wǎng)絡(luò)體系，用定量與定性相結(jié)合的方式得到系統(tǒng)的演化規(guī)律。建立流域級(jí)的水資源復(fù)雜適應(yīng)性系統(tǒng)模型對(duì)于研究水資源管理和維持生態(tài)平衡等都能起到直接的推動(dòng)作用。

復(fù)雜性；復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)；水資源復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)

1 問(wèn)題的提出

水是地球上一切生物賴以生存的重要元素，是一切物質(zhì)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可替代的寶貴的自然資源。地球上水的總儲(chǔ)量為1 386 000萬(wàn)億m3，我們常說(shuō)的水資源，也就是淡水只占0.9%。而我國(guó)雖然水資源總量十分豐富，但卻是全球幾個(gè)人均水資源貧乏的國(guó)家之一。隨著人口的增長(zhǎng)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，水資源短缺的問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。水資源時(shí)間、空間分布的極度不平均，水污染日趨嚴(yán)重，把水資源現(xiàn)狀與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾推上一個(gè)頂峰。

水資源開(kāi)發(fā)利用，是改造和利用自然的一個(gè)方面。最初開(kāi)發(fā)利用水資源的目標(biāo)比較單一，只是為了發(fā)展經(jīng)濟(jì)。隨著近年來(lái)出現(xiàn)水資源短缺和污染的問(wèn)題，現(xiàn)在各國(guó)都強(qiáng)調(diào)在開(kāi)發(fā)利用水資源時(shí)，必需考慮到經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益等多方面。

水資源開(kāi)發(fā)利用的內(nèi)容很廣，諸如農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水、生活用水、水能、航運(yùn)、港口運(yùn)輸、淡水養(yǎng)殖、城市建設(shè)、旅游等。對(duì)于涉及方面如此廣的一個(gè)問(wèn)題，要建立模型來(lái)研究每個(gè)方面是個(gè)比較困難的事，本文提出結(jié)合復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)（Complex Adaptive System，簡(jiǎn)稱CAS）來(lái)分析水資源系統(tǒng)，可以有效模擬出水資源系統(tǒng)的演化規(guī)律，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的主體行為特征和發(fā)展方向進(jìn)行較準(zhǔn)確的描述。

利用CAS理論做出的水資源系統(tǒng)模型，是以微觀個(gè)體行為做基礎(chǔ)來(lái)研究整個(gè)系統(tǒng)的演化進(jìn)程的，各個(gè)個(gè)體都具有適應(yīng)性和學(xué)習(xí)能力，這些個(gè)體的行為累積最終推動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展，因此系統(tǒng)并不是死板的，不被束縛在某一種狀態(tài)下，這對(duì)于時(shí)刻都在變化著的水資源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是非常適合的。

2 復(fù)雜性與復(fù)雜系統(tǒng)

2.1 復(fù)雜性概念的興起

20世紀(jì)70年代之前，人們認(rèn)為簡(jiǎn)單性是科學(xué)研究的最終目標(biāo)，科學(xué)家們?cè)噲D將對(duì)一切自然現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)歸結(jié)到同一個(gè)本原，如火、水、原子等。然而隨著社會(huì)的發(fā)展，越來(lái)越多的現(xiàn)象再也不能用簡(jiǎn)單性來(lái)解釋了，像社會(huì)經(jīng)濟(jì)、金融系統(tǒng)等。因此，科學(xué)家們提出了另一種思想——復(fù)雜性。將事物通過(guò)分層、分岔和分支構(gòu)成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中各個(gè)部分之間的緊密聯(lián)系和變化，最后得到可以看清事物發(fā)展的結(jié)論。隨著科學(xué)的發(fā)展，越來(lái)越多的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)自己的研究或多或少地可以體現(xiàn)復(fù)雜性特征，因此復(fù)雜性研究也受到更多人的重視。

復(fù)雜性科學(xué)并不是一門具體的學(xué)科，它分散在許多學(xué)科中，從經(jīng)濟(jì)、政治到市場(chǎng)、交通，幾乎存在于人類社會(huì)的每一方面。但學(xué)術(shù)界并未形成一個(gè)公認(rèn)的定義，一般認(rèn)為，復(fù)雜性是混沌性的局部與整體之間的非線性形式，也就是說(shuō)，復(fù)雜性是建立在多樣性、差異性基礎(chǔ)上的，要承認(rèn)不同層次和不同意義存在的復(fù)雜性。

復(fù)雜性的特點(diǎn)表現(xiàn)在其系統(tǒng)單元之間的關(guān)系，層次之間的關(guān)系，學(xué)習(xí)能力、環(huán)境適應(yīng)關(guān)系和動(dòng)態(tài)發(fā)展的關(guān)系上，因此，可以得到復(fù)雜性特征。

（1）變化性：表示包括事物整體或內(nèi)部某一層次整體的變化和事物內(nèi)部或某一層次內(nèi)部或主體的變化，每一個(gè)部分都有發(fā)生突變的可能。突變是造成復(fù)雜性系統(tǒng)演化出現(xiàn)分岔的一個(gè)主要原因，它使事物的復(fù)雜性不斷增加。

（2）約束性：表示事物、層次和主體在發(fā)生突變的時(shí)候，會(huì)受到各層次、因素和各方面的制約。

（3）非線性：表示復(fù)雜性的存在不是由直接的因果關(guān)系造成的，而是在一種隨機(jī)普遍的條件下形成的聯(lián)系。

（4）有序性：表示事物有維持自身發(fā)展秩序的特征，組織效應(yīng)促使各個(gè)主體之間、各個(gè)層次上的有序性不斷增加，也可以幫助促成事物本身有序性的增加。

由復(fù)雜性的特征可見(jiàn)，復(fù)雜性既包括了事物本身的復(fù)雜性，也包括主體對(duì)其認(rèn)識(shí)的復(fù)雜性，這就是復(fù)雜性所具有的主、客體雙重本質(zhì)，也就是本體論和認(rèn)識(shí)論的本質(zhì)。

本體論復(fù)雜性包括系統(tǒng)狀態(tài)復(fù)雜性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和功能復(fù)雜性。結(jié)構(gòu)復(fù)雜性取決于層次和主體的單元數(shù)，功能復(fù)雜性則由系統(tǒng)內(nèi)部平衡被破壞后的恢復(fù)行為所決定；認(rèn)識(shí)論復(fù)雜性由解決問(wèn)題的復(fù)雜性和計(jì)算復(fù)雜性所決定。對(duì)復(fù)雜性的研究，實(shí)際上就是對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的研究［1］。

2.2 復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的概念

20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)杰出科學(xué)家錢學(xué)森綜合人類對(duì)復(fù)雜性研究的成果，提出了系統(tǒng)科學(xué)的完整體系結(jié)構(gòu)，如今復(fù)雜系統(tǒng)的研究理論逐漸完善，總結(jié)其表現(xiàn)特征大體可分如下幾點(diǎn)：

（1）復(fù)雜系統(tǒng)具有多層次、多功能的結(jié)構(gòu)，主體與主體、主體與層次、層次與層次之間的聯(lián)系都非常緊密［2］。

（2）復(fù)雜系統(tǒng)是開(kāi)放的，與環(huán)境密切關(guān)聯(lián)、相互作用，處在一個(gè)不斷發(fā)展變化的狀態(tài)，并且對(duì)其本身的發(fā)展有預(yù)測(cè)能力［3］。

（3）復(fù)雜系統(tǒng)在發(fā)展過(guò)程中，還會(huì)不斷學(xué)習(xí)、改造和完善自身的層次結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)系統(tǒng)是具有適應(yīng)性的［4］。

對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)研究的一般形式見(jiàn)圖1。由復(fù)雜系統(tǒng)的表現(xiàn)特征，可以認(rèn)為復(fù)雜性產(chǎn)生的根本原因是系統(tǒng)各個(gè)組成層次和主體間的相互作用，其多樣性和適應(yīng)性使系統(tǒng)具有復(fù)雜性。

圖1 復(fù)雜系統(tǒng)研究的循環(huán)過(guò)程圖Fig.1 Cycle of the process of complex system research

1994年美國(guó)桑塔費(fèi)研究所霍蘭德教授憑借多年對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的研究提出了關(guān)于復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的比較完整的理論。他把系統(tǒng)中的成員稱為具有適應(yīng)性的主體，簡(jiǎn)稱為主體。主體在主體之間或同環(huán)境交流的過(guò)程中學(xué)習(xí)、完善和改造自身，以致產(chǎn)生新的或聚合成更大的個(gè)體，產(chǎn)生新層次，最后發(fā)生整個(gè)系統(tǒng)的進(jìn)化。

復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)的建模過(guò)程同非線性規(guī)劃的建模過(guò)程相似，包括確定方案、目標(biāo)和價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)，制定限制條件來(lái)得到最優(yōu)解集，為了更好地描述復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的建模過(guò)程，此處提出幾個(gè)概念［5］。

主體：是構(gòu)成系統(tǒng)的最小單位，會(huì)根據(jù)外界狀態(tài)而產(chǎn)生行為，并通過(guò)這種行為彼此聯(lián)系，傳遞物質(zhì)、能量和信息。

規(guī)則：用來(lái)約束主體的行為。

狀態(tài)：是主體在規(guī)則的約束下產(chǎn)生的，決定的是系統(tǒng)演化的各種不同形式。

轉(zhuǎn)換函數(shù)：用來(lái)制定主體和系統(tǒng)向不同狀態(tài)轉(zhuǎn)換的規(guī)則。

具體建模步驟，在下面做具體介紹。

3 應(yīng)用CAS理論研究水資源規(guī)劃管理的復(fù)雜性

3.1 水資源系統(tǒng)的復(fù)雜性

水資源系統(tǒng)不僅僅是研究自然界水循環(huán)、水利工程、城市農(nóng)村用水和排水的系統(tǒng)，它是以水資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用為核心，考慮環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、人為等因素的復(fù)雜系統(tǒng)，其特點(diǎn)包括［6］：

（1）水資源系統(tǒng)具有多層次的特點(diǎn)，涉及范圍十分廣泛，包括生態(tài)、地理、人文、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等諸多層次，每一個(gè)層次又包含多個(gè)主體和低一級(jí)層次。

（2）水資源系統(tǒng)是開(kāi)放性的，水資源本身同環(huán)境的關(guān)系十分密切，水本就是環(huán)境的一部分，環(huán)境的變化對(duì)水資源系統(tǒng)的影響是巨大的。

（3）水資源系統(tǒng)是非線性的，其中任何層次或個(gè)體之間都不以簡(jiǎn)單的線性關(guān)系來(lái)相互作用，如同一個(gè)流域的兩個(gè)灌區(qū)之間、農(nóng)村用水與城市用水之間的關(guān)系，都不是以線性關(guān)系相互影響的。

（4）水資源系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)的，任何自然因素和人文因素的都是一直在變化的，也不會(huì)隨建模者的意愿而變化，其中不確定因素非常多，比如突然的降雨降雪，或者某地供水設(shè)施故障導(dǎo)致的用水?dāng)?shù)據(jù)超常。

（5）水資源系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)眾多，包括經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益、社會(huì)效益等，任何一項(xiàng)或兩項(xiàng)都不能直接代表水資源系統(tǒng)的綜合效益，而要水資源系統(tǒng)的綜合效益達(dá)到最大，需要一系列的計(jì)算和審核，通過(guò)模型和決策者的共同作用才能完成。模型提供的是定量分析的工具，決策者利用人類常年累積的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行定性分析，最終完成整個(gè)研究過(guò)程。

（6）水資源系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)主體的行為表現(xiàn)是無(wú)規(guī)律的，主體行為分布在供水、用水等各個(gè)方面，以個(gè)人行為為核心展開(kāi)，個(gè)體存在或多或少的會(huì)影響到分配的變化。

綜上，（1）、（2）點(diǎn)體現(xiàn)了水資源系統(tǒng)復(fù)雜性的主體本質(zhì)，其內(nèi)部層次越多，相互之間聯(lián)系越緊密，受到環(huán)境影響越多，說(shuō)明它的主體論復(fù)雜性特征越明顯。而（3）、（4）、（5）、（6）點(diǎn)又體現(xiàn)了水資源復(fù)雜系統(tǒng)的客體本質(zhì)，模型求解越復(fù)雜，則水資源復(fù)雜系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)論復(fù)雜性特征越明顯。水資源系統(tǒng)復(fù)雜性關(guān)系圖如圖2。

圖2 水資源系統(tǒng)復(fù)雜關(guān)系圖Fig.2 Comp lex relations of water resources system

從圖2可以看出，人口、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和水資源的錯(cuò)綜復(fù)雜，任何一個(gè)因素的改變都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的平衡，而系統(tǒng)平衡被破壞之后，其他因素又會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)行為盡可能地恢復(fù)平衡。

3.2 基于CAS理論的水資源規(guī)劃管理研究框架

水資源與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展之間是相互制約相互促進(jìn)的十分復(fù)雜的關(guān)系，并且存在著時(shí)空各異的特點(diǎn)，對(duì)于這些關(guān)系的描述是不可量化的定性和定量分析，為了更好地認(rèn)識(shí)水資源復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的特征，以下建立水資源規(guī)劃管理模型［7］。

在建模過(guò)程中，考慮到模型規(guī)模和求解的實(shí)際情況，不能把整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的各個(gè)方面和元素全部納入模型中，因此，需要對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化過(guò)程包括對(duì)主體的簡(jiǎn)化和對(duì)一些相對(duì)復(fù)雜的行為的簡(jiǎn)化，不會(huì)考慮同水資源利用不相關(guān)的主體行為，對(duì)主體的行為和表現(xiàn)進(jìn)行定量的規(guī)劃，必要時(shí)忽略一些實(shí)在難以定量描述的問(wèn)題。

根據(jù)水資源的利用情況，可以將水資源復(fù)雜系統(tǒng)劃分為3個(gè)層次：

（1）流域級(jí)：是由多級(jí)政府組成的一個(gè)流域級(jí)主體，負(fù)責(zé)根據(jù)社會(huì)統(tǒng)計(jì)部門收集的人口、水量、水價(jià)、環(huán)境等因素來(lái)協(xié)調(diào)和制定用水政策。如圖3中的政府以及其包含的各個(gè)相關(guān)部門。

（2）部門級(jí)：各個(gè)利用水資源的具有適應(yīng)性的主體，包括城市家庭主體、農(nóng)村家庭主體、工業(yè)企業(yè)主體、農(nóng)業(yè)主體等，負(fù)責(zé)根據(jù)部門的用水效益來(lái)調(diào)配自身內(nèi)部的水資源使用。這些部門會(huì)收集各自包括各個(gè)個(gè)體的信息，并將其反饋給政府相關(guān)部門，以幫助政府部門制定和修改經(jīng)濟(jì)規(guī)模指標(biāo)和水量分配指標(biāo)。

（3）用戶級(jí)：是各個(gè)部門內(nèi)的各個(gè)個(gè)體，如單個(gè)家庭、單個(gè)企業(yè)等，根據(jù)自身利益來(lái)調(diào)配各自的用水決策，由于涉及龐大，本文篇幅有限，暫略去。

水資源復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3。

圖3 水資源復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of com plex adaptive system of water resources

此簡(jiǎn)化后的模型分2個(gè)層次，上層是流域級(jí)政府，行為是綜合福利最優(yōu)來(lái)制定水量調(diào)度指標(biāo)；下層是各個(gè)具有適應(yīng)性的主體，都有自己的行為、規(guī)則和決策目標(biāo)，決策目標(biāo)都是使各自的效益最大，相互之間的影響和信息交流可以用函數(shù)來(lái)描述。

對(duì)于各個(gè)層次的主體及行為，表1分別進(jìn)行了描述。

表1 水資源復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)主體及行為Table1 Subjects and actions in the com p lex adaptive system of water resources

在水資源適應(yīng)復(fù)雜系統(tǒng)中，高一級(jí)的層次制定政策來(lái)改變下一層主體的規(guī)則，而低層次主體自身根據(jù)使自己效益最大的目標(biāo)發(fā)生行為，并反饋外界環(huán)境和規(guī)則變化。也就是說(shuō)，第二層的主體行為會(huì)使社會(huì)經(jīng)濟(jì)和自然條件發(fā)生變化，而這些變化反饋會(huì)讓第一層主體相應(yīng)做出政策改變，最終使整個(gè)社會(huì)系統(tǒng)綜合福利達(dá)到最大［8］。

3.3 水資源復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

將復(fù)雜性的理論和思想引入到水資源優(yōu)化配置的研究中，是對(duì)解決水資源配置模型的構(gòu)件方法的一個(gè)創(chuàng)新性的突破，其模型理論具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)［9］。

（1）局部與整體相結(jié)合來(lái)描述問(wèn)題：局部是構(gòu)成整體的構(gòu)件，行為受到整體的約束和支配，在水資源復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)模型中，建立起水資源系統(tǒng)中局部與局部、局部與整體之間的聯(lián)系，為全面分析系統(tǒng)的發(fā)展和走向提供了依據(jù)。

（2）定性方法和定量方法相結(jié)合來(lái)研究問(wèn)題：復(fù)雜系統(tǒng)的基本研究方法包括定量與定性相結(jié)合，這對(duì)水資源優(yōu)化配置的研究有很大幫助。在水資源配置系統(tǒng)中，不確定因素相對(duì)很多，需要決策者根據(jù)人類累積的知識(shí)和多年的研究經(jīng)驗(yàn)等來(lái)進(jìn)行定性分析，而模型的建立為定量分析提供了工具，最終完成整個(gè)研究過(guò)程。

（3）充分利用優(yōu)化算法來(lái)加快計(jì)算進(jìn)程：系統(tǒng)中的主體是具有適應(yīng)性的，這種適應(yīng)性可以用很多種方法來(lái)描述，常見(jiàn)的有遺傳算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等，用優(yōu)化算法來(lái)模擬主體的適應(yīng)性，為模型的建立和計(jì)算提供了有效的途徑。

4 結(jié) 語(yǔ)

水資源系統(tǒng)是復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)，建立流域級(jí)的水資源復(fù)雜適應(yīng)性系統(tǒng)模型對(duì)于研究水資源管理、調(diào)度、維持生態(tài)平衡等都能起到直接的推動(dòng)作用。整個(gè)系統(tǒng)涉及到經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、人文和水資源規(guī)劃等多方面，運(yùn)用管理學(xué)、統(tǒng)籌學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、水文學(xué)、生態(tài)學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)，其計(jì)算結(jié)果可以為經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供一個(gè)很好的參考［10］。總的來(lái)說(shuō)，對(duì)水資源的復(fù)雜性的研究為水資源調(diào)度和管理提供了新的研究方法，給水資源可持續(xù)發(fā)展的研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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（編輯：王 慰）

Com p lexity of W ater Resources System Based on CAS Paradigm

GAO Fei1，ZHEN Zhen1，HE Shi-hua2，YU Xing-kui1
（1.Faculty of Electric Power Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China；2.School of Engineering，Yunnan College of Business Management，Kunming 650500，China）

Based on the definition and characteristics of Complexity，it’s revealed that the water resources system，like Complexity，has the subject-object essence.The water resources system in terms of economy，environment，humanity，water planning was analyzed.It is regarded as an hierarchical network consisting independent adaptive individuals.Regularity of the system’s evolution was obtained through quantitative and qualitative approaches.To establish a complex adaptive system（CAS）ofwater resources in a river-basin-levelwill directly promote water resourcesmanagement and eco-balance.

complexity；CAS；CAS of water resources

N949

A

1001－5485（2012）09－0009－05

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.09.003

2011－07－19；

2011－10－24

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51149013）

高 飛（1987－），女，河北遵化人，碩士研究生，主要從事水資源系統(tǒng)分析與可持續(xù)利用的研究，（電話）13518709172（電子信箱）phoebegao0228＠163.com。