基于协同学理论的辽宁省水资源可持续利用评价

田一鹏

(辽宁省铁岭水文局，辽宁 铁岭 112000)

水资源系统作为社会经济发展与人类赖以生存的重要基础受到环境与自然资源等多种因素影响，如污染严重、供需矛盾紧张等。目前，水资源紧缺、水体污染严重、水资源空间结构分布不均匀等矛盾十分突出，已成为限制水资源生态环境改善和人们生活水平提高的关键性因素，并对我国对水资源的可持续发展战略产生严重威胁。结合水资源开采利用现状如何促进水资源系统的良性循环和国民经济的持续健康发展已成为水文水资源研究领域的核心内容。

辽宁省位于我国农业、工业发展的核心区域，其水资源的可持续性将直接影响到我国东北部地区经济发展的可持续性和生态环境安全。近年来，辽宁省用水需求量随着城市面积的扩大以及经济社会的发展而逐渐增加，河道萎缩和水质污染等问题日益显露并严重制约着该区域的可持续发展。韩大军[1]等以湖州市为例在详细分析了水资源开采现状和生态环境特征的基础上给出了相应的水资源管理对策和方法；葛永铭[2]等利用能值理论对湖州市水资源可持续利用能力和发展水平进行了科学的评价分析。然而，相关研究对近年来辽宁省水资源可持续利用现状相对较少。协同学理论多应用于流域水资源系统适应性评价及水资源配置模型研究，因此为提高辽宁省水资源承载能力和可持续利用评价的准确性与可靠性，本文采用该理论方法评价了研究区域的水资源可持续能力和发展水平。

1 研究区域概况

1.1 自然地理

辽宁省处于我国农业、工业发展的核心区域，其生态发展的可持续性将直接影响到我国东北部地区经济发展的可持续性和生态环境安全[3]。辽宁省共辖14个地级市和绥中县、昌图县2个省管县，其地势结构由北向南、由东西向中间整体呈降低趋势；辽东、辽西区域为山地丘陵其海拔高度平均为800m和500m，而中部区域为辽河平原区其海拔高度约200m。境内大小河流300多条，主要有饶阳河、大凌河、太子河、辽河等共同组成了辽宁省的河网水系，其中辽河流域面积6.92万km2，全长480km为辽宁省第一大河流。辽宁省2013年生产总值较2012年增长约8.7%，为27077亿元，其中第一、第二和第三产业年增长率分别为4.8%、8.9%和9.2%；辽宁省作为我国重要的老工业基地之一，在2013年工业增加值相对于2012年增长约9.0%，为12510亿元，其中轻工业和重工业增长率分别为10.7%和9.4%，境内原材料工业和装备制造业较为发达[4]。

1.2 水文气象

研究区域属于温带大陆性季风气候，四季分明、日照丰富，冬季寒冷漫长，夏季炎热多雨，全年降雨量为600～1100mm之间，降雨量和径流量分布不均匀。地质类型以丘陵、平原和平地为主；年平均气温7～11℃，无霜期为130～200d，并且由东南向西北方向逐渐降低。

1.3 水资源开发现状

2015年辽宁省全年降水量565.0mm,相对于多年平均值降低16.7%，其中5—8月为降雨集中期占全年的69.7%。全省水资源总量178.96亿m3，其中地表水和地下水分别为152.05亿、83.17亿m3。辽宁省总用水量和供水量大致相同，为140.75亿m3，地表水、地下水和其他供水量分别为78.04亿、58.56亿、4.15亿m3，第一、二、三产业用水量分别为88.76亿、23.43亿、5.52亿m3，城镇居民和生态环境补水量分别为14.72亿、5.62亿m3，总耗水率达66.0%[5]。

2 协同学理论

2.1 理论概述

在一定条件下任意开放系统均可成为协同学研究的内容并可呈现出非平衡的有序结构。将已有的研究成果利用协同学理论方法可拓宽于其他学科并对影响系统变化的主要因素进行提取，以此更加有利于系统内部各子系统之间的相互协调作用。

子系统对协同运动的贡献率之和即为序参量是表征系统类型和有序结构的重要参数和基本概念之一。合理的选取序参量不仅可对子系统的行为发挥良好支配作用而且可有助于提成系统处理问题的能力和简便性。

2.2 理论分析

水资源可持续利用评价的主要目标是如何通过子系统的协同作用而实现系统的有序演化。因此，对水资源系统采用协同学理论具有科学性与合理性。对各子系统有序参量按照其确定原则和是否可支配其他参量行为特性进行选取，然后可分别构建有序度、协调度、公平度以及可持续度评价模型并采用模型评价辽宁省水资源可持续利用水平。

状态函数即为有序度，它是反映系统混乱或有序的重要参数指标。首先利用模糊数学隶属度求得各子系统的测量度，并对简单系统熵采用下述进行确定；然后经过转化可确定有序度。本文序参量分级阀值参考孙远斌[6]等相关研究，对各子系统Sj的测量度采用模糊数学隶属度原理进行确定并记为ξj=(ξj1,ξj2,，ξjNj);0≤ξji≤1，系统熵计算方法如下：

(1)

式中，H(Sj)—子系统Sj熵值。定义H(Sj)为最大熵值则相应系统为最无序状态，因此可采用有序度代表子系统的有序性，表达式如下：

(2)

(3)

式中，μj—子系统的有序度，其值的大小代表系统的有序程度的高低；μ(t)—在t时段系统的有序度；λj—权重系数。

在系统发展演化过程各子系统或组成要素之间的和谐一致程度即为系统协同度，而系统决策偏好与有序度分别为ηi，μj则定义d(t)表达式为：

(4)

(5)

式中，σ(t)—t时段系统的协调度，其值的大小代表系统协调程度的高低。

结合有资源系统有序度概念和Matheson公平模型可构建模型为：系统的公平性权重为ωj，则系统应获得和满足发展需求的有序度分别为Aj(ej)、Zj(ej)，系统的公正、评定以及满足需求度公式分别如下所示：

(6)

(7)

(8)

式中，ρ1、ρ2、ρ3—分别为水资源系统的公正程度、平等程度和满足需求程度。

针对满足需求、平等和公正程度同等重要的情况可采用等权加权法进行水资源公平度的求解和计算，公式如下：

(9)

水资源可持续评价模型其表达公式如下：

(10)

式中，λj—系统公平度、协调度、有序度的权系数，代表维持系统平衡所处的地位或发挥的作用；θ(t)—在t时段内水资源系统的可持续度，取值范围0～1，值越趋近于1则可持续程度越高，值越趋近于0则可持续程度越低。

3 实例应用

3.1 选取序参量

构建协同学理论评价模型应首先对水资源系统的序参量即水资源、社会经济和生态环境子系统的序参量确定，其中序参量控制着水资源开发利用现状以及水文循环规律，可分别从开发利用程度、实际开采现状、研究区域资料获取难以程度以及水资源利用率等方面考虑；而社会经济增长和社会公共福利的提高为社会经济子系统的发展的主要方面，针对水资源系统社会经济不仅要保持水资源代际、年际之间的公平分配而且报保持水资源系统的天然循环并降低洪涝干旱等灾害；其他子系统赖以存在和发展的重要基础为生态环境子系统，其有序程度不仅是反映生态环境、水环境变化的重要参数，而且是体现人类采取环境保护措施和治理手段的重要体现。水资源、社会经济以及生态环境子系统序参量的选取及其内涵见表1。

表1中x1～x4分别代表水资源人均占有量、开发利用率、管概率和工业用水重复率；x5～x8分别为人口密度、经济增长率、年人均GDP和万元GDP用水量；x9～x12分别代表水功能区达标比例、废污水处理率、生态环境供水保证率和生态环境用水量。

3.2 模型分析

本研究序参量分级阀值的选取参考孙远斌指标分级值标准，并对子系统的序参量隶属度采用模糊数学隶属度进行求解见表2。

利用文中所述相关计算公式和序参量的隶属度计算结果可依次构建有序度、协调度和公平度评价模型，进而可建立基于协同学理论评价模型[7]。为突出强调生活环境需水量的重要性可在协调度评价模型中选取2∶2∶3作为水资源、社会经济和生态环境的发展决策偏好程度。各子系统以及复合系统的有序度、公平度等综合计算结果见表3—4。

表1 水资源系统序参量指标及其内涵

表2 各序参量隶属度计算结果

表3 2015—2017年各子系统有序度

表4 2015—2017年复合系统综合计算结果

子系统有序度计算结果显示，2015—2017年水资源子系统有序度呈逐年增大的趋势，由2015年的0.4025增加值2017年的0.4077，年增加率约0.5%；社会经济子系统的有序度呈先下降后上升的趋势，在2016年降低至0.4006然而后增加至0.4030；而生态环境整体呈先增大后降低。综上所述，平均有序度最大和最低的子系统分别为生态环境和社会经济，而水资源子系统的有序度处于中等水平[8]。

由复合系统计算结果可知，有序度和协调度最大值分别为2016年和2017年；公平度在研究期间接近于1且变化幅度较低，因此在本研究中其值均为1。可持续度计算结果最大和次大值分别为2017年和2016年。评价标准选取可持续度最为判定依据，由此可知水资源可持续度最高值为0.7360，出现在2017年。依据各子系统序参量结果对模型表征，表明单一序参量的优劣不能决定复合系统以及各子系统的有序度和可持续发展程度[9-11]。

4 结语

(1)本文通过分析协同学理论建立了评价模型，研究表明该方法理论具有较强的准确性与可靠性，本文研究成果可为水资源发展以及可持续利用评价提供一种新的思路和途径。

(2)辽宁省水资源可持续利用平均有序度最大和最低子系统分别为生态环境和社会经济，而水资源子系统的有序度处于中等水平；评价标准选取可持续度最为判定依据，由此可知水资源可持续度最高值为0.7360，出现在2017年。

(3)单一序参量的优劣不能决定复合系统以及各子系统的有序度和可持续发展程度。针对水资源可持续利用现状如何依据协同学评价结果进行更加深入、详细的研究仍是未来研究的主要问题。