基于協同學理論的遼寧省水資源可持續利用評價

田一鵬

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

水資源系統作為社會經濟發展與人類賴以生存的重要基礎受到環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、水資源空間結構分布不均勻等矛盾十分突出，已成為限制水資源生態環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發展戰略產生嚴重威脅。結合水資源開采利用現狀如何促進水資源系統的良性循環和國民經濟的持續健康發展已成為水文水資源研究領域的核心內容。

遼寧省位于我國農業、工業發展的核心區域，其水資源的可持續性將直接影響到我國東北部地區經濟發展的可持續性和生態環境安全。近年來，遼寧省用水需求量隨著城市面積的擴大以及經濟社會的發展而逐漸增加，河道萎縮和水質污染等問題日益顯露并嚴重制約著該區域的可持續發展。韓大軍[1]等以湖州市為例在詳細分析了水資源開采現狀和生態環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利用能力和發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利用現狀相對較少。協同學理論多應用于流域水資源系統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域的水資源可持續能力和發展水平。

1 研究區域概況

1.1 自然地理

遼寧省處于我國農業、工業發展的核心區域，其生態發展的可持續性將直接影響到我國東北部地區經濟發展的可持續性和生態環境安全[3]。遼寧省共轄14個地級市和綏中縣、昌圖縣2個省管縣，其地勢結構由北向南、由東西向中間整體呈降低趨勢；遼東、遼西區域為山地丘陵其海拔高度平均為800m和500m，而中部區域為遼河平原區其海拔高度約200m。境內大小河流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年生產總值較2012年增長約8.7%，為27077億元，其中第一、第二和第三產業年增長率分別為4.8%、8.9%和9.2%；遼寧省作為我國重要的老工業基地之一，在2013年工業增加值相對于2012年增長約9.0%，為12510億元，其中輕工業和重工業增長率分別為10.7%和9.4%，境內原材料工業和裝備制造業較為發達[4]。

1.2 水文氣象

研究區域屬于溫帶大陸性季風氣候，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 水資源開發現狀

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、三產業用水量分別為88.76億、23.43億、5.52億m3，城鎮居民和生態環境補水量分別為14.72億、5.62億m3，總耗水率達66.0%[5]。

2 協同學理論

2.1 理論概述

在一定條件下任意開放系統均可成為協同學研究的內容并可呈現出非平衡的有序結構。將已有的研究成果利用協同學理論方法可拓寬于其他學科并對影響系統變化的主要因素進行提取，以此更加有利于系統內部各子系統之間的相互協調作用。

子系統對協同運動的貢獻率之和即為序參量是表征系統類型和有序結構的重要參數和基本概念之一。合理的選取序參量不僅可對子系統的行為發揮良好支配作用而且可有助于提成系統處理問題的能力和簡便性。

2.2 理論分析

水資源可持續利用評價的主要目標是如何通過子系統的協同作用而實現系統的有序演化。因此，對水資源系統采用協同學理論具有科學性與合理性。對各子系統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、協調度、公平度以及可持續度評價模型并采用模型評價遼寧省水資源可持續利用水平。

狀態函數即為有序度，它是反映系統混亂或有序的重要參數指標。首先利用模糊數學隸屬度求得各子系統的測量度，并對簡單系統熵采用下述進行確定；然后經過轉化可確定有序度。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Sj的測量度采用模糊數學隸屬度原理進行確定并記為ξj=(ξj1,ξj2,，ξjNj);0≤ξji≤1，系統熵計算方法如下：

(1)

式中，H(Sj)—子系統Sj熵值。定義H(Sj)為最大熵值則相應系統為最無序狀態，因此可采用有序度代表子系統的有序性，表達式如下：

(2)

(3)

式中，μj—子系統的有序度，其值的大小代表系統的有序程度的高低；μ(t)—在t時段系統的有序度；λj—權重系數。

在系統發展演化過程各子系統或組成要素之間的和諧一致程度即為系統協同度，而系統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時段系統的協調度，其值的大小代表系統協調程度的高低。

結合有資源系統有序度概念和Matheson公平模型可構建模型為：系統的公平性權重為ωj，則系統應獲得和滿足發展需求的有序度分別為Aj(ej)、Zj(ej)，系統的公正、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)

水資源可持續評價模型其表達公式如下：

(10)

式中，λj—系統公平度、協調度、有序度的權系數，代表維持系統平衡所處的地位或發揮的作用；θ(t)—在t時段內水資源系統的可持續度，取值范圍0～1，值越趨近于1則可持續程度越高，值越趨近于0則可持續程度越低。

3 實例應用

3.1 選取序參量

構建協同學理論評價模型應首先對水資源系統的序參量即水資源、社會經濟和生態環境子系統的序參量確定，其中序參量控制著水資源開發利用現狀以及水文循環規律，可分別從開發利用程度、實際開采現狀、研究區域資料獲取難以程度以及水資源利用率等方面考慮；而社會經濟增長和社會公共福利的提高為社會經濟子系統的發展的主要方面，針對水資源系統社會經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的天然循環并降低洪澇干旱等災害；其他子系統賴以存在和發展的重要基礎為生態環境子系統，其有序程度不僅是反映生態環境、水環境變化的重要參數，而且是體現人類采取環境保護措施和治理手段的重要體現。水資源、社會經濟以及生態環境子系統序參量的選取及其內涵見表1。

表1中x1～x4分別代表水資源人均占有量、開發利用率、管概率和工業用水重復率；x5～x8分別為人口密度、經濟增長率、年人均GDP和萬元GDP用水量；x9～x12分別代表水功能區達標比例、廢污水處理率、生態環境供水保證率和生態環境用水量。

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，并對子系統的序參量隸屬度采用模糊數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果可依次構建有序度、協調度和公平度評價模型，進而可建立基于協同學理論評價模型[7]。為突出強調生活環境需水量的重要性可在協調度評價模型中選取2∶2∶3作為水資源、社會經濟和生態環境的發展決策偏好程度。各子系統以及復合系統的有序度、公平度等綜合計算結果見表3—4。

表1 水資源系統序參量指標及其內涵

表2 各序參量隸屬度計算結果

表3 2015—2017年各子系統有序度

表4 2015—2017年復合系統綜合計算結果

子系統有序度計算結果顯示，2015—2017年水資源子系統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%；社會經濟子系統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；而生態環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分別為生態環境和社會經濟，而水資源子系統的有序度處于中等水平[8]。

由復合系統計算結果可知，有序度和協調度最大值分別為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。可持續度計算結果最大和次大值分別為2017年和2016年。評價標準選取可持續度最為判定依據，由此可知水資源可持續度最高值為0.7360，出現在2017年。依據各子系統序參量結果對模型表征，表明單一序參量的優劣不能決定復合系統以及各子系統的有序度和可持續發展程度[9-11]。

4 結語

(1)本文通過分析協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展以及可持續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利用平均有序度最大和最低子系統分別為生態環境和社會經濟，而水資源子系統的有序度處于中等水平；評價標準選取可持續度最為判定依據，由此可知水資源可持續度最高值為0.7360，出現在2017年。

(3)單一序參量的優劣不能決定復合系統以及各子系統的有序度和可持續發展程度。針對水資源可持續利用現狀如何依據協同學評價結果進行更加深入、詳細的研究仍是未來研究的主要問題。