协同视角下的北京市水资源系统可持续性评价

　　摘要基于系统协同视角，选择可度量的特征指标构建特征向量描述水资源系统序参量的变化，并应用空间向量的关联度计算方法． 提出了水资源系统序参量在时间序列上的协同度计算模型。计算过程中所有序参量进行了正向处理，序参誊之间的整体协同度越 高。系统的可持续性也就越好。在此基础上，应用社会网络分析方法，基于协同阈值的设置。以各序参量之间的协同度作为权重构建 水资源系统的协同网络，并从社会网络结构的角度考察水资源系统的动态演进。应用上述分析框架，对北京市的水资源系统进行了 实证研究。结果显示：】一北京市自然水系统与其他各子系统一赢处于高度协同的发展状态，并对整体协同起到调节作用。②在 2∞8—2016年期间，2011一二01 2年北京市水资源系统变化的整体协同度最好，水资源系统序参量的直接联系和间接联系都很紧密。 其中水利基础设施子系统的整体协同贡献突出，表明水利基础设施建成投入运营对于促进水资源系统的协同发展具有重要意义。⑧ 与水利基础设施建成对系统协同的贡献作用正好相反，水利建设投资子系统对水资源系统变化的协同贡献程度比较低，表明提升水 利建设投资的效率非常重要。④生产生活供应和从业人员子系统在水资源协同网络中具有较高的网络中心性．这些子系统人为控制 度高，应该加强这些予系统的优化，通过调整序参嚣的变化，促进其对水资源系统的整体协同作用。

　　关键词协同：水资源系统；可持续；评价

　　北京市年人均可用水量为150 m3，远低于国际公认的 人均l 000 m3的缺水警戒线…。长期的水资源供给不足 严重限制北京的发展。在相当长一段时间里，北京一直以 年均不足21亿m3的水资源，力撑36亿m3的用水需 求¨J。2014年南水北调正式运行以来，北京累计接纳南 水超23亿m3，虽未从根本上解决“缺水”问题，但是北京 缺水问题得到有效缓解，地下水位开始上升旧1。南水北调 是人类克服气候变化、自然资源不均衡等不利条件的重要 实践，也是通过人为方式改变区域水资源系统运行的伟大 尝试。为此，深刻认识水资源系统构成要素以及要素之间 的作用关系，对于通过人为方式调节、控制水资源系统，确 保水资源系统在诸如气候变化¨1等不利的自然环境与人 为因素的作用和压力下继续保持可持续性具有重要意义。 基于此，本文将矢量空间的关联度计算方法与社会网络分 析理论相结合，提出一个评价水资源系统要素在时间序列 上的协同演化分析模型，并以北京市水资源系统为例开展 实证研究，以期为北京市水资源系统可持续发展政策的制 定和其他地区的水资源系统可持续性评价提供借鉴。

　　1相关文献综述

　　全民获得安全饮用水、保护和恢复水生态系统是中国 可持续发展的关键目标HJ。水资源作为社会生产生活最 活跃、最复杂的系统，具有明显的动态性、复杂性¨。’，对 社会、经济以及资源环境的可持续性有着绝对性的影 响o“。关于水资源系统可持续性的研究也非常丰富，特别 是在气候变化和社会生产生活对水资源需求不断加大的 背景下，有关水资源的可持续研究更是近年来的研究热 点。从研究内容上看，水资源的可持续研究涉及到了水资 源的数量测算m 91、质量评价¨0】、安全评价㈦¨]、承载能力 评价¨“”1以及涉及到上述多个内容的可持续利用综合评 价¨41等方面。综合上述文献，有关水资源可持续性研究 的差异主要可归结为研究对象的评价视角、评价指标体系的建立方法和设计以及研究方法的应用创新等方面。

　　2水资源子系统序参量选取与量化方法

　　2．1序参量的选取与相互关系识别

　　协同学是一门研究系统从无序到有序转变规律的新 兴学科H“。序参量被用来刻画系统的有序结构和类型， 是所有子系统对协同运动的贡献总和旧“。水资源系统 是典型的复杂系统，正确地划分水资源系统，有助于序参 量的识别和选择。本文从人为和自然两个要素出发，兼 顾可持续发展理论中的社会、经济、环境维度，根据系统 论的方法将某一区域的水资源系统分解为自然水系统、 水利基础设施系统、农业与农林水利系统、生产生活供应 系统、水利建设投资系统和从业人员系统6个子系统，具 体见表1。 序参量不但能够刻画子系统间的协同合作，同时也互 相影响，发挥着支配子系统行为的作用。根据表I的序参 量，水资源系统运行的因果回路图(图1)刻画了序参量在 子系统内外之间的作用关系。图l所示的序参量因果关 系经过了正向化处理，定性地表达了序参量之间直接和间 接的作用关系，并不能反映序参量彼此的依赖程度，因此 有必要对序参量进行进一步细分，选取更准确的量化指标 去刻画序参量变化。

　　2．2序参量量化的特征指标

　　根据水资源系统的子系统划分，每对子系统之间与每 个子系统内部的协同均由不同的序参量之间的相互作用 而完成。而每一个序参量又由一个或多个不同的可量化 特征指标构成。通过系统一子系统一序参量一量化特征 指标的树状分解，参考相关的统计年鉴，刻画水资源系统 序参量的量化特征指标，如表2所示。

　　3测度系统可持续性的序参量协同度模型

　　根据表2，每个序参量都可以用一个或多个可明确量 化的特征指标表达，进而特征向量在时间序列上的变化则 刻画了序参量的变化。为此，参考矢量空间的相关成 果旧1，为了进一步解释序参量之间的协同度，有如下 定义。

　　3．1序参量变化矢量的定义

　　结合表l和表2，定义兀=(t；。，艺．'．“，t≥)和r=(ti， f；，…，t：)分别为水资源系统当前年度和下一年度第￡个 序参量的特征向量。其中z；≥O，‘≥O分别为当前年度和 下一年度第f个序参量特征向量中的第Z个量化维度值，Z =l，2，…，n。同理当前年度和下一年度，第_『个序参量的 特征向量分别为％=(一。，吐．'．”，0)和7，=(‘，吐，…， ‘)。

　　3．2序参量协同关系矩阵的定义

　　根据矢量空间中的单因子耦合度思想旧’，结合前述 Q‘和Q，的定义，将第￡个序参量中第Z个量化指标与第J 个序参量中第蠡个量化指标之问的影响度定义为： 坛=min(g：，矾)／max(g：，矾) (1) 其中影响度满足0≤坛≤l。此时若序参量特征指标 变化率差距越大，那么影响度坛也就越小，表明两个序参 量的对应特征指标的协同度越低。由于一个序参量可能 包含多个特征指标，借鉴矢量空间关联度的计算方法∽J， 构造第z个序参量与第’『个序参量协同关系矩阵碟。。，定 义如下： B：。。 ％％ 6；。吆 6=l屹 …坛 …6‰ …6： (2) 其中，n和，，1分别为第￡个和第．『个序参量中特征向 量维度，表征特征指标的数量。

　　参考文献

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　　[2]北京市水务局．北京史上最严水资源管理发布[N]．北京：北京青 年报，2018—03—24．

　　[3]李峰平，章光新，董李勤．气候变化对水循环与水资源的影响研 究综述[J]．地理科学，2013，33(4)：457—464．

　　[4]周新，冯天天，徐明．基于网络系统的结构分析和统计学方法构 建中国可持续发展目标的关键目标和核心指标[J]．中国科学院 院刊，2018，33(1)：20—29．

　　作者：李玉龙1 韦雅尹1 李桂君1 王文涛2 白振龙1