趙自陽(yáng),王紅瑞,張 力,劉 璇,趙 勇

(1. 北京師范大學(xué)城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875；2. 西安郵電大學(xué)現(xiàn)代郵政學(xué)院,陜西 西安 710061；3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100038)

韌性(resilience)一詞起源于拉丁文resilio,原意是回彈(原來(lái)狀態(tài))[1]。韌性概念最早應(yīng)用于物理學(xué)科,稱(chēng)之為工程韌性。工程韌性假設(shè)系統(tǒng)具有單一的穩(wěn)定狀態(tài),表示系統(tǒng)受到?jīng)_擊或者擾動(dòng)時(shí)能夠恢復(fù)到之前的狀態(tài),系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能沒(méi)有發(fā)生變化[2]。1973年美國(guó)生態(tài)學(xué)家Holling[3]將韌性的相關(guān)概念引入到生態(tài)學(xué)這一學(xué)科,提出韌性和穩(wěn)定性2種屬性,將其概念表示為“自然系統(tǒng)應(yīng)對(duì)自然或者人為因素變化時(shí)的持久性”,強(qiáng)調(diào)韌性是系統(tǒng)改變目前結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)入另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)所能夠承受的最大擾動(dòng)量級(jí),這個(gè)新?tīng)顟B(tài)可能劣于原先狀態(tài)也可能優(yōu)于原先狀態(tài)。隨著研究的深入,Gunderson等[4]基于適應(yīng)性循環(huán)理論于2000年提出了演化韌性,也被稱(chēng)之為適應(yīng)韌性,將韌性定義為一個(gè)不斷進(jìn)行的過(guò)程而非恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài),舍棄了系統(tǒng)對(duì)均衡狀態(tài)的追求,演化韌性更加注重系統(tǒng)的演進(jìn)和恢復(fù)。

總體來(lái)看,韌性的內(nèi)涵經(jīng)歷了單一平衡—多重平衡—演進(jìn)平衡的演變,在之后20 a的發(fā)展中,眾多學(xué)者先后將韌性理論及應(yīng)用擴(kuò)展到經(jīng)濟(jì)學(xué)、城市規(guī)劃地理學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域,其內(nèi)涵也得到了進(jìn)一步的深化。但韌性的概念由于不同機(jī)構(gòu)和不同學(xué)科的側(cè)重點(diǎn)不同,定義也不相同。經(jīng)過(guò)總結(jié)和梳理,發(fā)現(xiàn)大部分定義都認(rèn)為韌性具有多尺度特征,是對(duì)特定壓力或擾動(dòng)的反應(yīng),是抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性的組合,是一種促進(jìn)長(zhǎng)期可持續(xù)性的手段。在韌性的實(shí)證研究方面,首先要解決的問(wèn)題就是韌性的測(cè)算,目前關(guān)于韌性的測(cè)算主要分為2種。第一種是指標(biāo)體系法,主要是圍繞韌性概念建立指標(biāo)體系,再根據(jù)量化方法(熵權(quán)法、層次分析法、TOPSIS、智能算法等)進(jìn)行綜合評(píng)定,例如聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)和奧雅納工程顧問(wèn)(ARUP)制定的韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分別在農(nóng)業(yè)韌性和城市韌性領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。第二種方法是韌性代理法(resilience surrogates),主要是利用系統(tǒng)中核心變量的變化來(lái)間接表征韌性,例如Martin[5]基于英國(guó)各區(qū)域9個(gè)產(chǎn)業(yè)部門(mén)的從業(yè)人口組成來(lái)判斷各地區(qū)的經(jīng)濟(jì)韌性。具體到水資源- 水環(huán)境- 社會(huì)經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng),眾多學(xué)者往往僅僅關(guān)注單因素的韌性研究。其中,水資源系統(tǒng)韌性評(píng)價(jià)方面,在國(guó)外,Alessa等[6]基于社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)的觀(guān)點(diǎn)建立了北極水資源脆弱性指數(shù)工具,通過(guò)脆弱性指數(shù)來(lái)表示水資源系統(tǒng)的韌性,并在阿拉斯加的3個(gè)流域研究中驗(yàn)證了合理性；Sandoval- Soils等[7]利用可持續(xù)發(fā)展指數(shù),以“赤字”為切入點(diǎn),從可靠性、恢復(fù)性和脆弱性角度建立了水資源可持續(xù)性指標(biāo),對(duì)美國(guó)和墨西哥的水資源韌性進(jìn)行了研究。在國(guó)內(nèi),張曉琦等[8]將經(jīng)濟(jì)學(xué)條件風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值理論引入防洪評(píng)價(jià)領(lǐng)域,提出了基于CVaR的水庫(kù)群防洪庫(kù)容協(xié)同作用方法,以此提高了水庫(kù)群的韌性；韓宇平等[9]從水資源風(fēng)險(xiǎn)的角度,提出了解決水資源短缺實(shí)現(xiàn)水資源安全的最佳方案。對(duì)于水環(huán)境系統(tǒng)韌性研究,在國(guó)外,Schlüter等[10]基于社會(huì)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和荒漠化的影響,將水環(huán)境流量納入徑流系統(tǒng)韌性評(píng)估體系中,對(duì)烏茲別克斯坦阿姆達(dá)里亞河三角洲的水系統(tǒng)韌性進(jìn)行評(píng)估；Sweya等[11]在考慮水環(huán)境污染、污染水源、處理成本等的基礎(chǔ)上建立了一套評(píng)估水資源供給系統(tǒng)韌性的工具,研究了坦桑尼亞地區(qū)水環(huán)境資源敏感性、水環(huán)境容量、自然洪水衰減等方面的因素影響。在國(guó)內(nèi),陳燕飛等[12]從水資源開(kāi)發(fā)程度、環(huán)境容量及納污水平等5個(gè)方面建立了水環(huán)境韌性模型體系,量化了漢江中下游水環(huán)境韌性水平；陳天等[13]從生態(tài)韌性的視角構(gòu)建了水環(huán)境導(dǎo)向的城市設(shè)計(jì)技術(shù)體系,探索水環(huán)境導(dǎo)向下的城市設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)途徑。對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)韌性研究,在國(guó)外,Champion等[14]評(píng)估了大衰退時(shí)期英國(guó)9個(gè)二級(jí)城市地區(qū)產(chǎn)業(yè)部門(mén)的就業(yè)結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)二級(jí)地市的表現(xiàn)不如全國(guó)平均水平；Chapple等[15]分析了美國(guó)勞動(dòng)力市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì),找出了影響經(jīng)濟(jì)韌性的主要指標(biāo)因子。在國(guó)內(nèi),孫慧等[16]定量分析了西部地區(qū)近20 a間經(jīng)濟(jì)韌性與高質(zhì)量發(fā)展的影響機(jī)理。

長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶作為中國(guó)國(guó)土開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)布局“T”字型空間結(jié)構(gòu)宏觀(guān)戰(zhàn)略中極其重要的發(fā)展軸,橫跨中國(guó)東、中、西三大地帶,不僅是中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)所在,也是中國(guó)重要的生態(tài)保障之一。近年來(lái),受人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化等影響,長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶水資源、水環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不協(xié)調(diào)等問(wèn)題日趨嚴(yán)重且相互交織,生態(tài)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展矛盾凸顯。因此,明晰三者之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián),對(duì)水資源- 水環(huán)境- 社會(huì)經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)的韌性能力進(jìn)行評(píng)估,是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)文明建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)展面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。但對(duì)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶韌性的研究而言,目前僅僅集中在經(jīng)濟(jì)韌性水平測(cè)度和城市韌性結(jié)構(gòu)2個(gè)方面。李金滟等[17]基于經(jīng)濟(jì)、人口和社區(qū)3個(gè)方面構(gòu)建了韌性體系,定量分析了長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶地級(jí)市和城市群的韌性水平；彭翀等[18]基于長(zhǎng)江中游城市群31個(gè)城市之間的客運(yùn)網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建城市客運(yùn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)韌性模型體系,分析了韌性變化特征及關(guān)鍵調(diào)控因素。

總體來(lái)看,長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶水資源- 水環(huán)境- 社會(huì)經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)的韌性評(píng)估目前在單因素方面的研究偏少,整體韌性的分析更是處于初步探索階段,需要進(jìn)一步深入的研究。本文在定義韌性的基礎(chǔ)上,構(gòu)建韌性評(píng)估指標(biāo)體系,基于微分方程和投影尋蹤的思想,提出一種新的韌性調(diào)控模型,以期為長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的高質(zhì)量發(fā)展提供支持。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究區(qū)概況

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文的研究數(shù)據(jù)主要來(lái)源于1999—2018年《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)民政統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)水利統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》和《水資源公報(bào)》等。

1.2 研究區(qū)概況

長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶覆蓋上海、江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重慶、四川、貴州和云南共11個(gè)省級(jí)行政區(qū)(9省2市)(圖1),國(guó)土面積205萬(wàn)km2,占全國(guó)的21%,人口約5.95億人,占全國(guó)的40%以上。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶也面臨嚴(yán)峻的水資源、水環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面的問(wèn)題,主要表現(xiàn)為：① 水資源過(guò)度開(kāi)發(fā),用水效率不高。長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶水資源時(shí)空分布不均,反映在局部水資源短缺和水質(zhì)型缺水,其中,以2018年為例,畝均灌溉用水量高出全國(guó)平均水平的10%,萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量是全國(guó)平均水平的1.5倍。② 水環(huán)境污染嚴(yán)重,水生態(tài)系統(tǒng)失衡。2018年長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶工業(yè)建筑業(yè)、城鎮(zhèn)生活和第三產(chǎn)業(yè)廢污水排放量達(dá)到344億t,占全國(guó)廢污水排放量的40%以上,潛在的水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和突發(fā)性水污染形勢(shì)嚴(yán)峻。③ 經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)建設(shè)矛盾尖銳。主要表現(xiàn)為長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶產(chǎn)業(yè)布局不合理,資源環(huán)境面臨較大挑戰(zhàn),其中基礎(chǔ)原材料和能源重化工產(chǎn)業(yè)在成渝和云貴地區(qū)占比超過(guò)了60%。

圖1 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶空間位置示意Fig.1 Spatial location of the Yangtze River Economic Belt

2 研究方法

2.1 韌性原理及評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)于水資源- 水環(huán)境- 社會(huì)經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng),主要由水循環(huán)及其伴生的能量循環(huán)、物質(zhì)循環(huán)等循環(huán)關(guān)系組成。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的前期,影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要為水資源可利用量,主要表現(xiàn)為供水能力；當(dāng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展到一定程度,影響因素轉(zhuǎn)化為水資源可利用量和水環(huán)境承載能力,主要表現(xiàn)為生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)。水資源- 水環(huán)境- 社會(huì)經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)的韌性具有多尺度特征,是對(duì)特定壓力或擾動(dòng)的反應(yīng)。本研究借鑒Serfilippi等[19]、Constas等[20]和Béné等[21]的思想,將“韌性”定義為：系統(tǒng)受到外來(lái)干擾時(shí),維持、恢復(fù)甚至提高自身穩(wěn)定狀態(tài)的能力,是系統(tǒng)面對(duì)外來(lái)干擾適應(yīng)變化的能力,是抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性的組合,是一種促進(jìn)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展的手段(圖2)。具體而言,抵抗性是指復(fù)雜系統(tǒng)在受到外來(lái)沖擊和擾動(dòng)時(shí),能夠抵御風(fēng)險(xiǎn)的能力。在復(fù)雜系統(tǒng)中,其面臨的潛在風(fēng)險(xiǎn)和擾動(dòng)越大,受到的沖擊和挑戰(zhàn)越多,抵抗性就會(huì)越弱,例如,復(fù)雜系統(tǒng)受到區(qū)域水資源可利用量、污水排放和人口壓力等因素的沖擊,復(fù)雜系統(tǒng)的抵抗性就會(huì)越差。恢復(fù)性是指復(fù)雜系統(tǒng)受到外來(lái)沖擊時(shí),恢復(fù)至沖擊前狀態(tài)的能力。在復(fù)雜系統(tǒng)中,恢復(fù)性主要受水資源開(kāi)發(fā)利用率、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的影響,例如,水資源開(kāi)發(fā)利用率影響水資源的供給,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響水環(huán)境承載能力,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)影響用水結(jié)構(gòu)和用水效率。適應(yīng)性是指復(fù)雜系統(tǒng)在受到?jīng)_擊并恢復(fù)后,從中學(xué)到的適應(yīng)能力并達(dá)到更高的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。在復(fù)雜系統(tǒng)中,適應(yīng)性主要受到水資源匹配系數(shù)、生態(tài)環(huán)境投資和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的影響,例如,水資源匹配系數(shù)影響水資源的適配狀態(tài),生態(tài)環(huán)境投資反映了宏觀(guān)調(diào)控,經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平反映了科技進(jìn)步。根據(jù)韌性的概念,抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性的構(gòu)建原則和范圍,同時(shí)參考楊亞鋒等[22]、孫才志等[23]和孫久文等[24]的相關(guān)研究成果,制定了長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶水資源- 水環(huán)境- 社會(huì)經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)的韌性評(píng)估指標(biāo)體系(圖3),用R表示(+表示正向指標(biāo),-表示負(fù)向指標(biāo)),水資源量盈虧表示水資源總量和供水量之間的差值,NANI/NAPI表示人類(lèi)活動(dòng)凈氮/磷輸入。

2.2 指標(biāo)的降維處理

由于影響抵抗性(恢復(fù)性/適應(yīng)性)的變量有很多,因此定量分析它們之間的函數(shù)關(guān)系非常困難。本研究借鑒投影尋蹤中降維的思想將多維指標(biāo)轉(zhuǎn)換為一維指標(biāo),從而使進(jìn)一步研究抵抗性(恢復(fù)性/適應(yīng)性)與評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系變得簡(jiǎn)單。其基本思想為把高維數(shù)據(jù)投影到一維子空間中,對(duì)于投影到的構(gòu)形,采用降維函數(shù)來(lái)衡量投影暴露某種結(jié)構(gòu)的可能性大小,尋找出使降維函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差平方達(dá)到最大的值,然后根據(jù)該值來(lái)分析高維數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征。需要注意的是,在指標(biāo)降維處理之前,首先要把指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

圖3 復(fù)雜系統(tǒng)韌性評(píng)估指標(biāo)體系Fig.3 Index system of resilience evaluation of complex system

2.3 抵抗性(恢復(fù)性/適應(yīng)性)微分方程模型

將多維變量(標(biāo)準(zhǔn)化之后)投影到一維變量x后,可以建立抵抗性(恢復(fù)性/適應(yīng)性)y與投影變量x的微分方程模型。為此,本研究提出如下假設(shè)：

(1) 系統(tǒng)抵抗性(恢復(fù)性/適應(yīng)性)y隨投影變量x的增大而增大,即y是x的增函數(shù)；

(2)y的取值范圍為[0,1],自變量x的取值范圍為[a,b],且y(a)=0,y(b)=1；

(3)y在[a,c]上的增速越來(lái)越慢,在[c,b]上的增速越來(lái)越快,且c是a和b的中點(diǎn)；

(4)y是光滑函數(shù)。

根據(jù)上面提出的假設(shè)可以構(gòu)建如下的微分方程模型：

(1)

求解方程可得：

(2)

根據(jù)假設(shè)可知方程滿(mǎn)足如下條件：

(3)

(4)

根據(jù)不等式組可以得到參數(shù)α、h和β,進(jìn)而獲得抵抗性(恢復(fù)性/適應(yīng)性)y與投影變量x之間的函數(shù)。

2.4 韌性評(píng)估

復(fù)雜系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中,水資源、水環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能各不相同,且彼此間有著復(fù)雜的非線(xiàn)性關(guān)系,所以以往通過(guò)3個(gè)子系統(tǒng)加權(quán)求取韌性的方法存在著明顯的缺陷,并不能夠反映出子系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系。因此,本研究構(gòu)造了長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶水資源- 水環(huán)境- 社會(huì)經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)三維空間矢量模型(圖4)。

圖4 韌性三維空間矢量模型示意Fig.4 Schematic diagram of resilience of three- dimensional space vector model

X軸代表水資源系統(tǒng),Y軸代表水環(huán)境系統(tǒng),Z軸代表社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。在水資源- 水環(huán)境- 社會(huì)經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)韌性發(fā)展的立體幾何空間中,O也即原點(diǎn)代表復(fù)雜系統(tǒng)韌性最差、最不理想的狀態(tài),此時(shí)復(fù)雜系統(tǒng)的韌性值為0;S是復(fù)雜系統(tǒng)韌性發(fā)展的最高點(diǎn),也即是理想狀態(tài)。因此,OS的方向就代表了復(fù)雜系統(tǒng)韌性能力的最佳發(fā)展軌跡。P(Xt,Yt,Zt)是復(fù)雜系統(tǒng)在t時(shí)刻的韌性狀態(tài),其中Xt、Yt、Zt分別為長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶t時(shí)刻水資源系統(tǒng)、水環(huán)境系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的狀態(tài),PP′⊥OS。θ為長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶韌性發(fā)展軌跡OP與理想路徑OS的偏離度?；诖?本研究定義了韌性發(fā)展度、韌性協(xié)調(diào)度和韌性指數(shù)的概念[25]。

韌性發(fā)展度主要指長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶水資源- 水環(huán)境- 社會(huì)經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)目前所處的韌性狀態(tài),按照水資源系統(tǒng)、水環(huán)境系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)三維目標(biāo)最大化的原則,對(duì)韌性發(fā)展度的度量定義為OP的長(zhǎng)度(LOP)：

(5)

韌性協(xié)調(diào)度主要是指長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶水資源- 水環(huán)境- 社會(huì)經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)際發(fā)展軌跡與理想軌跡之間擬合度的度量,因此,可以用偏離度(θ)來(lái)度量,θ值的大小與韌性協(xié)調(diào)度呈負(fù)相關(guān)：

(6)

式中:LOS、LSP分別為OS和SP的長(zhǎng)度。

(7)

3 結(jié)果及分析

3.1 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶整體韌性

3.1.1 時(shí)空趨勢(shì)

根據(jù)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶水資源- 水環(huán)境- 社會(huì)經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)的韌性評(píng)估指標(biāo)體系和構(gòu)造的微分方程,經(jīng)過(guò)計(jì)算分別得到長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶整體1999—2018年間抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性的內(nèi)部方程關(guān)系(表1)和變化趨勢(shì)(圖5(a))。

表1 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶整體及省級(jí)尺度抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性方程

可以看到,復(fù)雜系統(tǒng)抵抗性的波動(dòng)趨勢(shì)最為明顯,總體呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì),但2018年未達(dá)到1999年的水平。具體而言,水環(huán)境抵抗性一直呈現(xiàn)下降趨勢(shì)而社會(huì)經(jīng)濟(jì)抵抗性一直處于上升趨勢(shì),但都對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)抵抗性的影響較小;水資源抵抗性的變化趨勢(shì)與復(fù)雜系統(tǒng)抵抗性的變化趨勢(shì)基本一致,對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)抵抗性的影響最大,特別是近些年隨著國(guó)家一系列節(jié)水理念和政策法規(guī)的完善,水資源抵抗性逐漸提高。復(fù)雜系統(tǒng)恢復(fù)性的變化趨勢(shì)經(jīng)歷了2個(gè)階段,1999—2010年屬于波動(dòng)階段,但變化范圍較??；2011—2018年屬于穩(wěn)步提升階段。具體而言,水資源恢復(fù)性一直呈現(xiàn)下降趨勢(shì),供水量和人均供水量一直減小,但對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)恢復(fù)性影響較小;隨著國(guó)家環(huán)保政策的制定和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,水環(huán)境恢復(fù)性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)恢復(fù)性一直處于提升狀態(tài),對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)恢復(fù)性的影響較大;復(fù)雜系統(tǒng)適應(yīng)性表現(xiàn)為逐年穩(wěn)步提升。具體而言,水資源適應(yīng)性由于水資源負(fù)載指數(shù)的逐年下降表現(xiàn)為波動(dòng)下降趨勢(shì),但對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)適應(yīng)性的影響較小;隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度加快,政府也對(duì)水環(huán)境的改善投入了更多的資金支持,最終水環(huán)境適應(yīng)性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性逐年穩(wěn)步提升,對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)適應(yīng)性的影響較大。

3.1.2 調(diào)控因素

在得到復(fù)雜系統(tǒng)的抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性之后,根據(jù)本研究提出的韌性三維空間矢量模型,可以得到復(fù)雜系統(tǒng)韌性的變化趨勢(shì)。同恢復(fù)性相似,復(fù)雜系統(tǒng)韌性表現(xiàn)為2個(gè)階段:1999—2010年為波動(dòng)階段,變化范圍較小;2011—2018年逐年提高?？傮w來(lái)看,雖然抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性在2010年之前的變化趨勢(shì)各不相同,但2011年之后基本保持上升趨勢(shì),這些趨勢(shì)也綜合反饋到了復(fù)雜系統(tǒng)的韌性趨勢(shì)方面。為了進(jìn)一步分析復(fù)雜系統(tǒng)韌性的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)因素,本研究基于地理探測(cè)器模型[26],計(jì)算了1999—2018年間復(fù)雜系統(tǒng)韌性的主要影響指標(biāo),并找出各年度影響程度最大的前3位指標(biāo)因子(表2)。對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)韌性的調(diào)控因素而言,2007年之前偏向抵抗性指標(biāo),多為R3人均水資源量、R11人口數(shù)、R6廢水排放量和R8氨氮排放量;2011年之后偏向適應(yīng)性指標(biāo),多為水資源匹配(R30、R31)、投資力度(R35、R37)和用水效率(R39、R41)。

表2 不同年份長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶整體及省級(jí)尺度復(fù)雜系統(tǒng)韌性調(diào)控因素

3.2 省級(jí)尺度韌性

3.2.1 時(shí)空趨勢(shì)

同長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶整體的計(jì)算過(guò)程一致,可以得到11省市1999—2018年間復(fù)雜系統(tǒng)抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性的內(nèi)部方程關(guān)系(表1)和變化趨勢(shì)(圖5(b)—圖5(l))。從空間趨勢(shì)來(lái)看,對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)抵抗性,由大到小的排序?yàn)樵颇?江西>貴州>浙江>重慶>上海>四川>湖南>湖北>安徽>江蘇,表現(xiàn)為由西向東、由南向北逐漸降低的趨勢(shì);對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)恢復(fù)性,由大到小的排序?yàn)檎憬?上海>貴州>重慶>安徽>四川>云南>江蘇>湖南>江西>湖北,同復(fù)雜系統(tǒng)抵抗性的趨勢(shì)稍有差異,表現(xiàn)為由西向東、由北向南逐漸提高的趨勢(shì);對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)適應(yīng)性,由大到小的排序?yàn)檎憬?江蘇>四川>云南>湖南>湖北>安徽>江西>貴州>重慶>上海,沒(méi)有明顯規(guī)律,大體上表現(xiàn)為東部>西部>中部的趨勢(shì)。從時(shí)間趨勢(shì)上來(lái)看,對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)抵抗性,除云南外,都表現(xiàn)為上升趨勢(shì)。以抵抗性最差的江蘇為例,水資源抵抗性和水環(huán)境抵抗性都處于下降趨勢(shì),但社會(huì)經(jīng)濟(jì)抵抗性逐年穩(wěn)步提升,且對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)抵抗性的貢獻(xiàn)最大;以抵抗性最優(yōu)的云南為例,水資源抵抗性和水環(huán)境抵抗性都處于緩慢下降趨勢(shì),而社會(huì)經(jīng)濟(jì)抵抗性較為穩(wěn)定,最終導(dǎo)致復(fù)雜系統(tǒng)抵抗性的輕微下降。對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)恢復(fù)性,除去安徽和湖南以外,都處于上升趨勢(shì)。以恢復(fù)性最差的湖北為例,水資源恢復(fù)性一直處于下降狀態(tài),但水環(huán)境恢復(fù)性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)恢復(fù)性穩(wěn)步上升;以恢復(fù)性最優(yōu)的浙江為例,水資源恢復(fù)性、水環(huán)境恢復(fù)性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)恢復(fù)性在20 a間上升狀態(tài)極佳;以復(fù)雜系統(tǒng)恢復(fù)性下降的安徽為例,水資源恢復(fù)性處于下降趨勢(shì),而水環(huán)境恢復(fù)性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)恢復(fù)性都處于上升狀態(tài),但上升趨勢(shì)并不明顯。對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)適應(yīng)性,11省市的表現(xiàn)基本一致,總體上為提升趨勢(shì)。以適應(yīng)性最優(yōu)的浙江為例,在水資源適應(yīng)性稍有下降的情況下,水環(huán)境適用性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性增速較快;以適應(yīng)性最差的上海為例,具體原因同浙江類(lèi)似,都表現(xiàn)為水資源適應(yīng)性的下降,而水環(huán)境適用性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性穩(wěn)步提升,但由于水資源適應(yīng)性和水環(huán)境適應(yīng)性的底子薄基礎(chǔ)差,導(dǎo)致總體復(fù)雜系統(tǒng)適應(yīng)性處于末位。

圖5 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶整體及省級(jí)尺度復(fù)雜系統(tǒng)抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性趨勢(shì)Fig.5 Trend of resistance,restoration and adaptability at the Yangtze River Economic Belt scale and provincial scale

對(duì)于11省市水資源- 水環(huán)境- 社會(huì)經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)韌性(圖6),在空間上表現(xiàn)為西部>東部>中部、南部>北部,在時(shí)間上逐漸轉(zhuǎn)好的趨勢(shì)。20 a間平均值由大到小的排序?yàn)檎憬?云南>貴州>四川>江西>上海>重慶>湖南>江蘇>安徽>湖北。平均增速與韌性的趨勢(shì)基本相反,由大到小的排序?yàn)榻K>上海>湖北>江西>浙江>安徽>重慶>湖南>貴州>四川>云南。

圖6 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶整體及省級(jí)尺度復(fù)雜系統(tǒng)韌性變化趨勢(shì)Fig.6 Trend of resilience at the Yangtze River Economic Belt scale and provincial scale

具體來(lái)講,上海復(fù)雜系統(tǒng)韌性能力提高顯著,韌性能力在11省市中的排位可以分為3個(gè)階段,突變點(diǎn)分別為2004年和2014年。2004年之前一直處于低位(9—11位),2005—2014年提高到中等位置(6—8位),2014年之后轉(zhuǎn)優(yōu)為第2位；增速則一直較優(yōu),處于第2位(2.37%)。江蘇韌性能力轉(zhuǎn)折趨勢(shì)明顯,韌性能力在11省市中的排位可以分為2個(gè)階段,2006年之前基本處于末位(10位和11位),2016年之后提高到中等位置(6—8位)；但江蘇的平均增速最佳,處于首位(2.92%)。浙江韌性能力表現(xiàn)極優(yōu)且非常穩(wěn)定,除了2001年排在2位以外,其他年份均為首位；但浙江韌性能力的增速一般,在11省市中排第5位(1.43%)。

安徽韌性能力不容樂(lè)觀(guān),具體可以分為2個(gè)階段,2006年之前一直處于中等位置(6—9位),2006年之后基本處于末位(10位和11位),近2 a雖有所好轉(zhuǎn),但仍然形式嚴(yán)峻；與之對(duì)應(yīng)的是安徽的韌性增速一直處于中等水平,在11省市中排第6位(1.38%)。江西韌性能力較為穩(wěn)定,在11省市中排位一直處于中等偏上位置,位列3—8位；增速也較為明顯,位列第4位(1.51%)。湖北的韌性表現(xiàn)極端,韌性能力一直較差,在11省市中的排位基本處于末位(9—11位)；與之相反的是增速明顯,位列第3位(1.76%),但總體來(lái)說(shuō)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)較好。湖南的韌性能力不僅不佳而且近幾年還處于下降趨勢(shì),2015年以前基本處于中下位置(7—9位),而2015年之后都處于末位(10位)；與之對(duì)應(yīng)的是湖南的韌性增速也較差,處于第8位(1.29%)。

重慶和四川的韌性能力趨勢(shì)相近,雖然整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì),但排位在近些年有所下降,且2014年是個(gè)分水嶺。重慶和四川2014年之前的平均位次分別為第6位和第4位,但2014年之后則降到了第9位和第7位,近幾年都分別下降了3位。貴州和云南的韌性能力都較好且穩(wěn)定,平均位次也分別為第4位和第3位;但與之對(duì)應(yīng)的是韌性的增速都較慢,分別為1.24%和0.96%,分別位于第9位和第11位。

總的來(lái)看,盡管11省市水資源- 水環(huán)境- 社會(huì)經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)韌性都表現(xiàn)為穩(wěn)定提升,但內(nèi)在的原因卻各不相同,可以分為3個(gè)類(lèi)別。第1類(lèi)也是絕大多數(shù)省市,以上海、江蘇、浙江、江西、湖北、重慶、四川和貴州為代表,韌性提升的原因是抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性全部的增強(qiáng)；第2類(lèi)以安徽和湖南為代表,韌性提升的原因是抵抗性和適應(yīng)性的增強(qiáng),而恢復(fù)性則處于下降狀態(tài)；第3類(lèi)以云南為代表,韌性提升的原因是恢復(fù)性和適應(yīng)性的增強(qiáng),而抵抗性則處于下降狀態(tài)。

3.2.2 調(diào)控因素

對(duì)于11省市水資源- 水環(huán)境- 社會(huì)經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)韌性的調(diào)控因素(表2),上海20 a間非常穩(wěn)定,都為供水量、Ⅰ—Ⅲ類(lèi)水河長(zhǎng)占比和第一產(chǎn)業(yè)占比；江蘇分為2個(gè)階段,2007年之前基本為水資源開(kāi)發(fā)利用率、Ⅰ—Ⅲ類(lèi)水河長(zhǎng)占比和變異系數(shù),2007年之后轉(zhuǎn)換為水資源負(fù)載指數(shù)、環(huán)境治理投資(R36、R37)和萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量；浙江經(jīng)歷了3個(gè)階段,2011年之前基本為水資源開(kāi)發(fā)利用率、Ⅰ—Ⅲ類(lèi)水河長(zhǎng)占比和變異系數(shù),2012—2015年轉(zhuǎn)換為水資源負(fù)載指數(shù)、工業(yè)污染治理投資和萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量,但在2015年之后又回到第1階段；安徽2015年之前基本為水資源開(kāi)發(fā)利用率、Ⅰ—Ⅲ類(lèi)水河長(zhǎng)占比和變異系數(shù),2015年之后轉(zhuǎn)換為水資源負(fù)載指數(shù)、工業(yè)污染治理投資和萬(wàn)元GDP用水量；江西比較穩(wěn)定,基本為人均水資源量、降水量、NANI和人口數(shù)；湖北2007年之前為水資源開(kāi)發(fā)利用率、Ⅰ—Ⅲ類(lèi)水河長(zhǎng)占比和變異系數(shù),2007年之后轉(zhuǎn)換為水資源負(fù)載指數(shù)、環(huán)境治理投資(R36、R37)和萬(wàn)元GDP用水量；湖南2011年之前為水資源開(kāi)發(fā)利用率、Ⅰ—Ⅲ類(lèi)水河長(zhǎng)占比和變異系數(shù),2011年之后為水資源負(fù)載指數(shù)、環(huán)境治理投資(R36、R37)和萬(wàn)元GDP用水量；重慶經(jīng)歷了3個(gè)階段,2003年之前為供水量、水資源開(kāi)發(fā)利用率、Ⅰ—Ⅲ類(lèi)水河長(zhǎng)占比和產(chǎn)業(yè)占比,隨后轉(zhuǎn)換為2011年前的人均水資源量盈虧、廢水排放量和人口數(shù),近些年則又同第1階段類(lèi)似,為水資源開(kāi)發(fā)利用率、生態(tài)用水量和第一產(chǎn)業(yè)占比；四川2003年之前為水資源量盈虧、NANI和總GDP,隨后轉(zhuǎn)換為水資源負(fù)載指數(shù)、治理廢水投資和萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量；貴州2003年之前為人均水資源量盈虧、廢水排放量和人口數(shù),隨后轉(zhuǎn)換為水資源開(kāi)發(fā)利用率、Ⅰ—Ⅲ類(lèi)水河長(zhǎng)占比和變異系數(shù)；云南省非常穩(wěn)定,基本為人均水資源量盈虧、NANI和人口數(shù)。總的來(lái)看,11省市水資源- 水環(huán)境- 社會(huì)經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)韌性的調(diào)控因素可以分為3個(gè)類(lèi)別:江西和云南主要為自然稟賦條件,上海主要為科學(xué)技術(shù)發(fā)展成果和政府宏觀(guān)政策調(diào)控,而其他省市則經(jīng)歷了從自然稟賦條件到科學(xué)技術(shù)發(fā)展成果和政府宏觀(guān)政策調(diào)控的轉(zhuǎn)變。

4 結(jié) 論

本研究提出了一種新的韌性評(píng)估模型,從長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶整體和省級(jí)尺度,分析了水資源- 水環(huán)境- 社會(huì)經(jīng)濟(jì)復(fù)雜系統(tǒng)的韌性特征。從水資源、水環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)三者之間的韌性機(jī)理,篩選出指標(biāo)體系；基于提出的微分方程模型和假設(shè),確定了抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性的函數(shù)關(guān)系；借鑒投影尋蹤的降維思想,對(duì)韌性進(jìn)行了評(píng)估。主要結(jié)論如下：

(1) 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶整體的抵抗性表現(xiàn)為先下降后上升,恢復(fù)性表現(xiàn)為先穩(wěn)定波動(dòng)后逐步提高,適應(yīng)性表現(xiàn)為逐年提升且增加速度加快,韌性表現(xiàn)為先穩(wěn)定波動(dòng)后逐年提高,四者的轉(zhuǎn)折點(diǎn)都在2011年前后。韌性的調(diào)控因素在2007年之前偏向抵抗性指標(biāo),多為人均水資源量、人口數(shù)、廢水排放量和氨氮排放量；2011年之后偏向適應(yīng)性指標(biāo),多為水資源匹配、投資力度和用水效率。

(2) 從空間趨勢(shì)看,11省市的抵抗性表現(xiàn)為由西向東、由南向北逐漸降低的趨勢(shì),恢復(fù)性表現(xiàn)為由西向東、由北向南逐漸提高的趨勢(shì),適應(yīng)性表現(xiàn)為東部>西部>中部的趨勢(shì),抵抗性較優(yōu)的地區(qū)適應(yīng)性同樣較好。從時(shí)間趨勢(shì)看,11省市的抵抗性、恢復(fù)性和適應(yīng)性大體上都表現(xiàn)為穩(wěn)步提升。

(3) 對(duì)于調(diào)控因素,11省市中,江西和云南主要為自然稟賦條件,上海主要為科學(xué)技術(shù)發(fā)展成果和政府宏觀(guān)政策調(diào)控,而其他省市則經(jīng)歷了從自然稟賦條件到科學(xué)技術(shù)發(fā)展成果和政府宏觀(guān)政策調(diào)控的轉(zhuǎn)變。整體上,優(yōu)控因素排序?yàn)檫m應(yīng)性>恢復(fù)性>抵抗性,且優(yōu)控因素逐漸從抵抗性轉(zhuǎn)移為適應(yīng)性。