董四方,董增川,陳康寧

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院遙感技術(shù)應(yīng)用中心,北京 100044)

水是基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源,人類(lèi)的生產(chǎn)、生活以及所棲息的環(huán)境都與水資源息息相關(guān)。隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步,許多地區(qū)水資源開(kāi)發(fā)利用程度不斷提高,自然-人工二元模式下的水資源演化機(jī)理日趨復(fù)雜[1];加之長(zhǎng)距離、跨流域調(diào)水工程的大量修建,進(jìn)一步增加了水資源系統(tǒng)的復(fù)雜性。從系統(tǒng)角度、以系統(tǒng)方法研究水資源問(wèn)題,已成為國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家和學(xué)者的共識(shí)[2]。

1 水資源系統(tǒng)的脆弱性

水資源系統(tǒng)的脆弱性應(yīng)該是其本質(zhì)特征的綜合表現(xiàn),是自然屬性和人類(lèi)活動(dòng)(主要以水事活動(dòng)為主)共同作用的結(jié)果。水資源是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),受內(nèi)、外干擾因素的作用后,使得某一部分(系統(tǒng))崩潰,由于子系統(tǒng)脆性的關(guān)聯(lián)性,由此帶來(lái)的結(jié)果直接或間接地影響其他部分(系統(tǒng)),從而引發(fā)了連鎖反應(yīng),給系統(tǒng)帶來(lái)突發(fā)的、沉重的打擊,甚至導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰,從而給經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)帶來(lái)嚴(yán)重的毀壞[3]。

2 水資源系統(tǒng)脆弱性評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

為了能夠定量分析水資源系統(tǒng)的脆弱性,本文結(jié)合DPSIR(drives-pressures-states-impacts-responses,)概念模型[4],對(duì)水資源系統(tǒng)脆弱性進(jìn)行描述。基于DPSIR的水資源系統(tǒng)廣義脆弱性指標(biāo)體系由驅(qū)動(dòng)力指標(biāo)、壓力指標(biāo)、狀態(tài)指標(biāo)、影響指標(biāo)和響應(yīng)指標(biāo)等5部分構(gòu)成,它將水資源系統(tǒng)脆弱性的各個(gè)方面有機(jī)地結(jié)合在一起。驅(qū)動(dòng)力指標(biāo)描述推動(dòng)水資源發(fā)展變化的因素,主要是水資源自然豐枯變化、氣候變化、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面的指標(biāo);壓力指標(biāo)主要是用來(lái)描述社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)各部門(mén)和生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水資源的需求,以及相應(yīng)對(duì)水資源的副作用,如污水排放、點(diǎn)源污染等;狀態(tài)指標(biāo)用來(lái)描述水資源系統(tǒng)滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)與生活需水、生態(tài)環(huán)境需水的能力以及水環(huán)境狀況;影響指標(biāo)用來(lái)描述自然、人為因素等脅迫下水資源脆弱性對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響;響應(yīng)指標(biāo)描述針對(duì)水資源脆弱性所采取的管理措施與工程措施,如節(jié)水、水利投資、水污染防治等。綜合考慮指標(biāo)體系確定的目的性、系統(tǒng)性、科學(xué)性、可比性和可操作性原則,結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況及數(shù)據(jù)的可獲得性,構(gòu)建基于DPSIR的水資源系統(tǒng)廣義脆弱性指標(biāo)體系,見(jiàn)表1。

2.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定

水資源系統(tǒng)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)確定后,就需要明確各項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),才能對(duì)水資源系統(tǒng)的脆弱性狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前學(xué)術(shù)界尚沒(méi)有統(tǒng)一認(rèn)可的水資源系統(tǒng)脆弱性標(biāo)準(zhǔn),筆者按照可持續(xù)發(fā)展和水資源脆弱性的內(nèi)涵和要求,建立起一套衡量水資源脆弱性狀況的尺度和標(biāo)準(zhǔn)[5]。

將水資源脆弱性狀態(tài)分4個(gè)等級(jí),表示如下:

V={Ⅰ級(jí)(脆弱性強(qiáng)),Ⅱ級(jí)(脆弱性較強(qiáng)),Ⅲ級(jí)(脆弱性一般),Ⅳ級(jí)(脆弱性弱)}

基于DPSIR的水資源系統(tǒng)廣義脆弱性指標(biāo)體系及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 基于DPSIR的水資源系統(tǒng)脆弱性指標(biāo)體系及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 水資源系統(tǒng)脆弱性評(píng)價(jià)方法

投影尋蹤法作為處理高維數(shù)據(jù)具有可直接由樣本數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)來(lái)探索數(shù)據(jù)分析方法的優(yōu)點(diǎn),即在評(píng)價(jià)過(guò)程中不必預(yù)先給定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重可以自行搜索產(chǎn)生,但傳統(tǒng)的投影尋蹤方法,對(duì)小樣本易產(chǎn)生誤差,另一方面對(duì)于多元復(fù)雜數(shù)據(jù),往往難以找到其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最優(yōu)投影方向。鑒于此,本研究利用大樣本數(shù)據(jù)、投影尋蹤、遺傳算法、插值型曲線,建立了新的評(píng)價(jià)模型——粒子群投影尋蹤插值模型,直接由樣本數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng),客觀決定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,將多因子的評(píng)價(jià)歸結(jié)為單目標(biāo)決策,以定量數(shù)值表示評(píng)定結(jié)果,從而能較完整地反映水資源系統(tǒng)的脆弱性。

設(shè)p為水資源脆弱性評(píng)價(jià)的指標(biāo)數(shù)目,n為樣本數(shù)目,評(píng)價(jià)指標(biāo)集V={V1,V2,…,VP}(P=1～5),y(i)及為水資源脆弱性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表

產(chǎn)生的第i個(gè)樣本的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)及評(píng)價(jià)指標(biāo)值,為消除各指標(biāo)的量綱影響,對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)作以下處理:

若指標(biāo)Vj∈V越大,水資源系統(tǒng)脆弱性呈越弱型,則

若指標(biāo)Vj∈V越大,水資源系統(tǒng)脆弱性呈越強(qiáng)型,則

式中:xminj、xmaxj分別為水資源系統(tǒng)脆弱性評(píng)價(jià)的第j指標(biāo)中最小值和最大值。

根據(jù)投影尋蹤法的原理,將標(biāo)準(zhǔn)化后的p維數(shù)據(jù){xij}綜合成以a=(a(1),a(2),…,a(p))為投影方向的一維投影值z(mì)(i):

在綜合投影時(shí),要求投影值z(mì)(i)應(yīng)盡可能大地提取{xij}中的變異信息,即z(i)的標(biāo)準(zhǔn)差Sz盡可能大,同時(shí)要求z(i)的局部密度Dz盡可能大。這就要求選擇的最佳投影方向a*最大可能暴露高維數(shù)據(jù)某類(lèi)特征結(jié)構(gòu),可以通過(guò)求解投影指標(biāo)函數(shù)最大化問(wèn)題來(lái)估計(jì)最佳投影方向。建立指標(biāo)函數(shù):

式中:Sz為投影值z(mì)(i)的標(biāo)準(zhǔn)差;Dz為投影值z(mì)(i)的局部密度。

4 實(shí)例應(yīng)用

河北省屬于典型的資源型缺水省份,多年平均水資源量205億m3,人均304m3,僅為全國(guó)均值的1/7,不及國(guó)際上公認(rèn)的人均1000m3缺水標(biāo)準(zhǔn)的1/3。近年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人口的增加,水資源供需矛盾日益突出,南水北調(diào)工程的實(shí)施一定程度上能夠緩解這種矛盾。本文以河北省南水北調(diào)工程受水區(qū)水資源系統(tǒng)為研究對(duì)象進(jìn)行水資源系統(tǒng)脆弱性分析。

根據(jù)表1所列的基于DPSIR的水資源系統(tǒng)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,從河北省經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒、河北省水資源公報(bào)、河北省環(huán)境狀況公報(bào)以及《河北省水資源綜合規(guī)劃報(bào)告》、《河北省南水北調(diào)城市水資源規(guī)劃報(bào)告》、《河北省供水區(qū)缺水分析及對(duì)策》等相關(guān)報(bào)告獲得驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)、影響和響應(yīng)5個(gè)部分的各個(gè)指標(biāo)數(shù)值,規(guī)劃水平年指標(biāo)部分參照《河北省水資源綜合規(guī)劃報(bào)告》,現(xiàn)狀值(2000年)及規(guī)劃水平年(2030年)指標(biāo)特征值見(jiàn)表2。按照各指標(biāo)特點(diǎn)分別按公式(1)及公式(2)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

用所述方法求解脆弱性因子,對(duì)受水區(qū)進(jìn)行水資源系統(tǒng)脆弱性評(píng)價(jià),其結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 受水區(qū)2000年及2030年指標(biāo)特征值

從表3的計(jì)算結(jié)果可以看出:2000年至2030年,總體上河北省受水區(qū)的水資源系統(tǒng)脆弱性有所改觀。這說(shuō)明南水北調(diào)工程、強(qiáng)化本地節(jié)水、努力保證生態(tài)環(huán)境用水等措施的有效實(shí)施能緩解水資源系統(tǒng)的脆弱性。

表3 受水區(qū)現(xiàn)狀年及規(guī)劃水平年指標(biāo)特征值

5 結(jié) 論

本文建立了基于粒子群投影尋蹤插值的水資源系統(tǒng)脆弱性評(píng)價(jià)模型,通過(guò)樣本數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng),客觀決定了各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,將多因子的評(píng)價(jià)歸結(jié)為單目標(biāo)決策,以定量數(shù)值表示評(píng)定結(jié)果。該評(píng)價(jià)模型不僅可以對(duì)某一事物進(jìn)行等級(jí)評(píng)定,也可以對(duì)處于相同等級(jí)狀態(tài)下的不同事物進(jìn)行更細(xì)的區(qū)別,從而能較完整地反映水資源系統(tǒng)的脆弱性。利用該模型,結(jié)合河北省南水北調(diào)受水區(qū)水資源系統(tǒng)的現(xiàn)狀,從驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)等5個(gè)方面分析了該系統(tǒng)的脆弱性。河北省南水北調(diào)工程受水區(qū)水資源系統(tǒng)脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果表明,該評(píng)價(jià)模型概念清晰,計(jì)算簡(jiǎn)便,評(píng)價(jià)結(jié)果可靠,可比性強(qiáng),評(píng)定結(jié)果可以直觀地反映出各區(qū)域水資源脆弱性,在脆弱性評(píng)價(jià)中具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 王浩,秦大庸,王建華.流域水資源規(guī)劃的系統(tǒng)觀與方法論[J].水利學(xué)報(bào),2002(8):1-6.

[2] 李少華,董增川,周毅,等.復(fù)雜巨系統(tǒng)視角下的水資源安全及其研究方法[J].水資源保護(hù),2007,23(2):1-3,42.

[3] 劉綠柳.水資源脆弱性及其定量評(píng)價(jià)[J].水土保持通報(bào),2002,22(2):41-44.

[4] SMEETS E,WETERING R.Environmental indicators:typology and overview[R].Copenhagen:European Environmental Agency,1999.

[5] 宋松柏.區(qū)域水資源可持續(xù)利用指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)方法研究[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2003.

[6] KENNEDY J,EBERHAR T R C.Swarm intelligence[M].San Francisco,CA:Morgan Kaufmann Publishers Inc,2001.