徐麗娟 趙焱 張文鴿 杜凱 蘇曉慧 張翔宇 郭欣偉
摘要:基于耗散結(jié)構(gòu)理論和熵原理對水資源復(fù)雜系統(tǒng)進行正負墑分析,通過構(gòu)建系統(tǒng)正負墑指標體系,采用改進的灰色聚類白化函數(shù)方法與玻爾茲曼方程計算系統(tǒng)的正負熵值,并引入布魯塞爾器模型,結(jié)合系統(tǒng)正負熵值分析系統(tǒng)的發(fā)展演化機制,對水資源復(fù)雜系統(tǒng)發(fā)展演化的內(nèi)涵及耗散結(jié)構(gòu)特征進行闡述。以滕州市為例,研究結(jié)果表明:通過分析水資源復(fù)雜系統(tǒng)發(fā)展演化機制的動態(tài)特征,能夠客觀揭示系統(tǒng)的演化趨勢。
關(guān)鍵詞:水資源復(fù)雜系統(tǒng);耗散結(jié)構(gòu);墑;白化函數(shù);布魯塞爾器模型
中圖分類號:TV213.4 文獻標志碼:A
水資源復(fù)雜系統(tǒng)是人類活動與外部條件相互作用形成的,具有典型的非平衡性、開放性和自組織性,系統(tǒng)演化呈現(xiàn)非均勻性并伴隨漲落現(xiàn)象,系統(tǒng)的發(fā)展依賴于水資源形勢,并受生態(tài)環(huán)境和社會發(fā)展的雙重影響。科學認識水資源復(fù)雜系統(tǒng)演化機制,掌握系統(tǒng)演化規(guī)律,有利于建立科學合理的水資源調(diào)控措施,促進水資源復(fù)雜系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。
筆者依據(jù)耗散結(jié)構(gòu)與熵理論,分析水資源復(fù)雜系統(tǒng)正負嫡變化,并將可用來衡量系統(tǒng)自組織演變特征的布魯塞爾器模型引入水資源復(fù)雜系統(tǒng)研究中,構(gòu)建系統(tǒng)演化機制研究框架,以期為水資源復(fù)雜系統(tǒng)演化機制研究提供新思路。
1 水資源復(fù)雜系統(tǒng)咖司發(fā)展演化和沛蝴究思路
1.1 系統(tǒng)耗散結(jié)構(gòu)特性分析
耗散結(jié)構(gòu)理論的一個重要應(yīng)用是根據(jù)實際問題建立相應(yīng)的數(shù)學模型,定量分析系統(tǒng)的演化特征,給出系統(tǒng)演化軌跡,并可預(yù)測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。應(yīng)用耗散結(jié)構(gòu)理論來分析水資源復(fù)雜系統(tǒng)的演化特征,有助于深刻認識水資源復(fù)雜系統(tǒng)發(fā)展中存在的問題。耗散結(jié)構(gòu)的形成和維持必須滿足系統(tǒng)是開放系統(tǒng)、遠離平衡、有非線性相互作用和存在漲落4個條件。結(jié)合以上4個條件分析水資源復(fù)雜系統(tǒng)耗散結(jié)構(gòu)特性。
(1)系統(tǒng)開放性。系統(tǒng)成為耗散結(jié)構(gòu)首要條件就是要求系統(tǒng)具有開放性,即系統(tǒng)能夠同外界有物質(zhì)、能量、信息的交換,正是這種交流互通的持續(xù)性,系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)會將輸入轉(zhuǎn)化為輸出,該輸出又會變?yōu)槠渌酉到y(tǒng)的輸入,按照此方式形成系統(tǒng)的活性有序結(jié)構(gòu)[1]。水資源通過人工干預(yù),形成了人工系統(tǒng)和自然系統(tǒng)相耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。為了保證系統(tǒng)整體功能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,必須不斷地給予系統(tǒng)資源、信息等輸入,即通過水資源調(diào)控等手段,形成與外界物質(zhì)、能量、信息傳輸?shù)拈_放性復(fù)雜系統(tǒng)[2]。為避免系統(tǒng)無序演化,實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用,必須從外部獲取信息;同時系統(tǒng)不斷地向外部輸出反饋(如區(qū)域水資源供求狀況等),并與外界在科技、資源、信息等方面存在聯(lián)系和交流[3]。
(2)系統(tǒng)非線性特性。水資源復(fù)雜系統(tǒng)具有明顯的非線性特性,例如:受氣候變化與人類活動的影響,降水、地表水、地下水、土壤水之間的相互轉(zhuǎn)化是復(fù)雜的動態(tài)非線性過程[4],供水價格和行業(yè)耗水量是典型的非線性關(guān)系[5],需水量預(yù)測也是典型非線性行為[6]。
(3)系統(tǒng)遠離平衡態(tài)分析。遠離平衡態(tài)是指系統(tǒng)內(nèi)可測的物理性質(zhì)極不均勻的狀態(tài),系統(tǒng)只有遠離平衡態(tài)才有可能形成新的有序結(jié)構(gòu)。復(fù)雜水資源系統(tǒng)是不斷發(fā)展的動態(tài)系統(tǒng),系統(tǒng)內(nèi)人口分布、產(chǎn)業(yè)布局、水資源分布的不均以及各地區(qū)之間的用水方式、用水效率等的差異是系統(tǒng)內(nèi)部非平衡的顯著表現(xiàn)。根據(jù)信息熵原理,系統(tǒng)內(nèi)個體間差異越顯著、個體特征越不均勻、個體的活躍性越強,系統(tǒng)相對于平衡態(tài)的遠離就越明顯,負熵占據(jù)更大主導(dǎo)引發(fā)系統(tǒng)向遠離平衡態(tài)演化[7]。遠離平衡態(tài)不僅是系統(tǒng)呈有序結(jié)構(gòu)的必要條件,而且與系統(tǒng)的開放性密不可分,隨著水資源管理水平提高、水資源保護力度加大、新技術(shù)應(yīng)用等,系統(tǒng)受外部環(huán)境的影響不斷增強,系統(tǒng)遠離平衡態(tài)的特征將越來越明顯。
(4)系統(tǒng)漲落分析。漲落是系統(tǒng)要素的獨立運動或局部產(chǎn)生的各種運動以及在環(huán)境的干擾下系統(tǒng)狀態(tài)變量偏離平均值的一種隨機現(xiàn)象。水資源復(fù)雜系統(tǒng)不斷受到外界影響而產(chǎn)生無數(shù)“小漲落”,當漲落的影響達到一定程度時,系統(tǒng)產(chǎn)生“巨漲落”并躍到更有序狀態(tài)[4]。水資源復(fù)雜系統(tǒng)中部門用水量的改變、降水的時空變化、節(jié)水技術(shù)的革新等,都會引起系統(tǒng)的漲落。
綜上所述,水資源復(fù)雜系統(tǒng)具有明顯的耗散結(jié)構(gòu)特征,系統(tǒng)演化(見圖1)可利用耗散結(jié)構(gòu)理論進行研究。
1.2 研究思路
選取滕州市為研究區(qū),系統(tǒng)協(xié)同演化研究思路是在構(gòu)建系統(tǒng)熵指標體系及分級標準的基礎(chǔ)上,根據(jù)玻爾茲曼方程計算指標體系熵值,并代入布魯塞爾器模型(該模型用來判斷系統(tǒng)是否為耗散結(jié)構(gòu)),根據(jù)系統(tǒng)熵值變化與布魯塞爾器模型輸出的關(guān)聯(lián)性,分析系統(tǒng)協(xié)同演化機制?;诤纳⒔Y(jié)構(gòu)理論與熵理論的水資源復(fù)雜系統(tǒng)演化規(guī)律研究思路見圖2。
2 水資源復(fù)雜系統(tǒng)正負墑指標體系構(gòu)建
2.1 系統(tǒng)正負熵分析
正熵是對系統(tǒng)無序混亂程度的度量。由人類活動引起的水環(huán)境惡化、用水沖突等問題是水資源復(fù)雜系統(tǒng)正熵產(chǎn)生的原因,各子系統(tǒng)之間用水矛盾的激化使正熵增加,從而導(dǎo)致系統(tǒng)整體效益降低。相關(guān)研究[8-12]表明,水資源系統(tǒng)發(fā)展過程中正熵的產(chǎn)生主要來自系統(tǒng)內(nèi)部。根據(jù)水資源復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征,本文從用水效益、模式、效率3個方面進行系統(tǒng)正熵分析。
負熵是外界物質(zhì)、能量和信息等輸入可使系統(tǒng)有序度增大的熵。水資源復(fù)雜系統(tǒng)在與外部進行能量、物質(zhì)及信息交換時產(chǎn)生的負熵增加效應(yīng)與系統(tǒng)內(nèi)部有序化發(fā)展產(chǎn)生的正熵減少效應(yīng),均會帶來系統(tǒng)有序性的增強,從而帶動系統(tǒng)整體發(fā)展效益提升??紤]到負熵來自系統(tǒng)外部環(huán)境物質(zhì)、能量與信息的輸入,結(jié)合系統(tǒng)協(xié)同機制研究的思想[1],本文從管理、發(fā)展、環(huán)境3個方面(即水資源管理水平、社會經(jīng)濟發(fā)展狀況、生態(tài)環(huán)境發(fā)展狀況)分析水資源系統(tǒng)負熵。
系統(tǒng)中正熵與負熵的變化分別來自系統(tǒng)內(nèi)部與外部,正熵變化會改變系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)展的有序化程度,進而影響系統(tǒng)外部相關(guān)政策調(diào)整、技術(shù)更新、社會發(fā)展狀況、生態(tài)環(huán)境健康狀態(tài)等;而外部變化又會對系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)展造成影響,帶來正熵的變化,水資源復(fù)雜系統(tǒng)就是在正負嫡不斷相互影響并不斷變化的過程中演化。正負熵的邏輯關(guān)系如圖3所示,圖中的箭頭表示正熵與負熵之間的相互影響,正熵的變化影響外部環(huán)境輸入系統(tǒng)的負熵特征,負熵的變化造成系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)整并引起正熵的變化。
2.2 正負熵指標體系構(gòu)建
水資源復(fù)雜系統(tǒng)熵演化特征與社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境等密切相關(guān),熵的動態(tài)性也與社會經(jīng)濟發(fā)展、居民生活條件改善相呼應(yīng),水資源系統(tǒng)熵評價指標必須能夠綜合反映區(qū)域資源、社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境等方面的基本狀況以及水資源規(guī)劃與管理方面的決策信息。參考指標體系建立的相關(guān)研究[1],構(gòu)建水資源復(fù)雜系統(tǒng)熵指標體系,分目標層、要素層、指標層3層。
在正熵指標體系構(gòu)建中,將可描述農(nóng)業(yè)、工業(yè)與城區(qū)用水效率的5個指標放入效率熵要素中;結(jié)合研究區(qū)的水資源管理特點,將地下水開發(fā)利用率作為衡量當?shù)厮Y源開發(fā)與保護模式的指標,將農(nóng)業(yè)用水占總用水量的比例作為衡量產(chǎn)業(yè)用水模式的指標,將城鎮(zhèn)居民生活日用水量與城區(qū)自來水普及率作為衡量居民生活用水模式的指標;將萬元GDP耗水量和單方水糧食產(chǎn)量作為衡量用水效益的指標。
在負熵指標體系構(gòu)建中,將廢污水達標排放率、飲用水源水質(zhì)達標率、水功能區(qū)水質(zhì)達標率、污水處理率等反映水資源管理方面的指標歸類到管理熵要素中,將描述社會經(jīng)濟發(fā)展方面的指標放入發(fā)展熵中,將森林覆蓋率、人均綠地面積、綠化覆蓋率作為系統(tǒng)外部環(huán)境熵指標。
指標值的獲取方式主要有:①實地調(diào)查;②相關(guān)規(guī)劃報告;③相關(guān)研究文獻[13-17];④統(tǒng)計年鑒;⑤地方社會經(jīng)濟發(fā)展統(tǒng)計公報;⑥引用棗莊市或山東省指標值;⑦政府文件;⑧相關(guān)規(guī)范標準;⑨線性插值;⑩BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)插補展延等。指標值與獲取方式見表1與表2。
3 系統(tǒng)正負墑值計算
鑒于水資源復(fù)雜系統(tǒng)存在隨機性與不確定性,借鑒文獻[18-19]的計算方法,通過構(gòu)建指標的等級分類標準,計算各指標的白化函數(shù),將白化函數(shù)代入玻爾茲曼方程計算系統(tǒng)正負嫡值。
3.1 指標評價等級標準確定
將指標評價等級分為優(yōu)、良、中、差4個等級。通過以下幾種方法確定各指標不同評價等級的標準值:①國家標準、規(guī)范;②國內(nèi)外普遍認可的標準;③根據(jù)指標在相關(guān)規(guī)劃報告中的取值,結(jié)合相關(guān)分析確定;④參照相關(guān)研究成果,結(jié)合研究區(qū)實際情況確定。限于篇幅,指標標準從略。
3.2 系統(tǒng)正負嫡值計算
水資源復(fù)雜系統(tǒng)是一個具有模糊性的灰色系統(tǒng)[20],本文引入灰色聚類中白化函數(shù)計算方法,借鑒指數(shù)型白化函數(shù)思想[21],將各指標白化函數(shù)值作為系統(tǒng)模型的輸入。引用文獻[19]的方法計算正負嫡值,2000-2010年研究區(qū)水資源復(fù)雜系統(tǒng)正負嫡變化曲線見圖4、圖5。
從圖4可以看出,研究區(qū)效益熵值在2000-2005年持續(xù)增大,原因是萬元GDP耗水量在該階段一直處于較高態(tài)勢;2000-2010年效率熵值、模式熵值及正熵整體熵值總體呈下降趨勢,反映了系統(tǒng)整體發(fā)展有序程度提高。從圖5可以看出,2000-2010年研究區(qū)管理熵值變化不大,發(fā)展熵與環(huán)境熵的絕對值呈增大趨勢,說明隨著研究區(qū)社會經(jīng)濟的快速發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境的良性發(fā)展,外部環(huán)境對系統(tǒng)的影響使系統(tǒng)朝著良性方向演化。
4 系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展動力機制分析
比利時布魯塞爾學派提出的“布魯塞爾器”(Brusse-lator)模型可作為耗散結(jié)構(gòu)量化分析方法[22]。該模型可用來判斷系統(tǒng)是否具有耗散結(jié)構(gòu)的特征,模型結(jié)果可作為協(xié)同發(fā)展特征的衡量依據(jù)。Brusselator模型方程的表達式[23-25]為式中:A、B分別為系統(tǒng)正、負熵值。
當|B|-(1+A2)<0時,系統(tǒng)以內(nèi)部正熵演變?yōu)橹?,此時|B|-(1+A2)的值越大,表明系統(tǒng)負熵的增大弱化了正熵增大的態(tài)勢,阻止了系統(tǒng)活躍性的減弱。
|B|-(1+A)=0時,系統(tǒng)“漲落”的累積達到了負熵逐漸主導(dǎo)系統(tǒng)演化的臨界狀態(tài)。
|B|-(1+A2)>0時,系統(tǒng)隨著負熵突破臨界狀態(tài)后在新態(tài)勢下演變,內(nèi)部要素沿著新的自組織軌跡,通過相互作用促成了系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展活躍性強的狀態(tài)。
根據(jù)式(1)的推論,可從系統(tǒng)自組織行為的發(fā)展狀況來分析系統(tǒng)演化特征。將正負熵值計算結(jié)果代入式(1),計算|B|-(1+A2)的結(jié)果見表3。
將|B|-(1+A2)的值作為系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展的分析依據(jù),根據(jù)式(1)的描述,當|B|-(1+A2)>0時系統(tǒng)具備耗散結(jié)構(gòu)特征,當|B|-(1+A2)<0時系統(tǒng)未達到自組織行為產(chǎn)生條件[26]。系統(tǒng)的耗散結(jié)構(gòu)特征越明顯,系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展的動力活躍性越強[1]。將表3中系統(tǒng)熵值與|B|-(1+A2)值繪制成系統(tǒng)協(xié)同演化動力分析圖,見圖6。
根據(jù)表3和圖6分析,研究區(qū)2000-2010年|B|-(1+A2)值均小于。,表明水資源復(fù)雜系統(tǒng)演化活躍性處于較弱狀態(tài),但總體上活躍性緩慢增強。系統(tǒng)的正熵值與負熵值變化很小,說明系統(tǒng)在2000-2010年以相對穩(wěn)定的狀態(tài)發(fā)展。系統(tǒng)內(nèi)部效率、效益、模式熵均呈減小趨勢,說明系統(tǒng)內(nèi)部通過用水模式、用水效率、用水效益的優(yōu)化達到了內(nèi)部正熵減小的效果;系統(tǒng)外部發(fā)展、環(huán)境熵絕對值呈增大趨勢,說明社會經(jīng)濟的良性發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的優(yōu)化起到了負熵作用增大的效果。
根據(jù)Brusselator模型計算結(jié)果,研究區(qū)2000-2010年水資源系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展的活躍性處于較弱狀態(tài),說明系統(tǒng)整體以正熵演變?yōu)橹?,而|B|-(1+A2)值不斷增大,表明系統(tǒng)負熵增大弱化了正熵對系統(tǒng)演化的影響,使得系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展的動力持續(xù)增大。模型結(jié)果體現(xiàn)了隨著研究區(qū)節(jié)水型社會建設(shè)的推進,系統(tǒng)內(nèi)部用水效率、效益與模式朝著良性調(diào)整的方向發(fā)展;區(qū)域社會經(jīng)濟的快速發(fā)展、生態(tài)環(huán)境的不斷改善等使系統(tǒng)活躍程度不斷增強。結(jié)合研究區(qū)同期綜合運用經(jīng)濟、技術(shù)、行政、法律等手段推進水資源管理體制和機制改革帶來管理水平提高的實際情況,模型結(jié)果與研究區(qū)水資源復(fù)雜系統(tǒng)發(fā)展狀況較為一致。
5 結(jié)語
本文運用耗散結(jié)構(gòu)與嫡理論對水資源復(fù)雜系統(tǒng)進行正、負嫡分析,采用改進的灰色聚類白化函數(shù)計算系統(tǒng)正負嫡值,根據(jù)系統(tǒng)正負嫡值變化研究系統(tǒng)演化方向,分析系統(tǒng)發(fā)展的動力機制。在分析布魯塞爾器模型在研究水資源復(fù)雜系統(tǒng)演化適用性的基礎(chǔ)上,將布魯塞爾器模型引入系統(tǒng)自組織演化機制研究中,將模型結(jié)果作為分析系統(tǒng)自組織演化活躍性的依據(jù)。根據(jù)模型計算結(jié)果,研究區(qū)水資源復(fù)雜系統(tǒng)的演化活躍性不斷增強,表明研究區(qū)實施水資源一體化管理、節(jié)水型社會建設(shè)等取得了明顯效果,模型結(jié)果與研究區(qū)水資源復(fù)雜系統(tǒng)實際發(fā)展狀況較為一致。本研究基于耗散結(jié)構(gòu)等理論描述系統(tǒng)演化動力機制及演化活躍程度,嘗試引入Brusselator模型對系統(tǒng)演化動力進行分析,旨在為水資源復(fù)雜系統(tǒng)發(fā)展演化研究提供一種新思路。目前耗散結(jié)構(gòu)理論在水資源復(fù)雜系統(tǒng)中的應(yīng)用尚處于探索階段,本文在正負嫡指標體系構(gòu)建以及評價等級標準的劃分中仍存在主觀成分,指標數(shù)量、指標體系結(jié)構(gòu)變化、不同指標標準劃分方法均會對結(jié)果產(chǎn)生影響,今后應(yīng)進一步研究該方法的應(yīng)用范圍,增強其適用性。
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