可持续水资源系统机制研究

第24卷第4期2013年7月水科学进展ADVANCESINWATEＲSCIENCEVol．24，No．4Jul．，2013

可持续水资源系统机制研究

1，231杜朝阳，钟华平，于静洁

（1．中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室，北京100101；

2．中国科学院大学，北京100049；3．南京水利科学研究院，江苏南京210029）

摘要：基于系统与可持续理论，探讨了可持续水资源系统的内涵和特性。剖析了可持续水资源系统，主要由动力机制、阻力机制和协调机制构成，三者相互关联、相互作用，共同维系和制约着可持续水资源系统的演化。运用二次非线性微分方程来描述和分析可持续水资源系统的演化动态过程，指出一个系统演化要经历初始、发展、成熟和稳定4个阶段，之后进入下一个演化周期。以上海市为例，评判了可持续水资源系统状态，拟合了2001—2010年可持续水资源系统的演化曲线，并分析给出了该系统这一时段的演变过程。

关键词：可持续水资源系统；内涵；机制；演化分析；上海市

中图分类号：TV213.4文献标志码：A6791（2013）04-0581-08文章编号：1001-

水资源可持续问题研究始于20世纪90年代。1992年在爱尔兰召开“国际水和环境大会：21世纪的发

，提出了水资源系统与可持续研究问题［1］。1996年在日本召开了“国际水资源及环境研究大会：展与展望”

，讨论了流域尺度可持续水资源系统管理的应用实践、水资源开发利用等问题［2］。面向21世纪的新挑战”

1999年《SustainabilityCriteriaforWaterＲesourceSystems》一书问世，定义了可持续水资源系统，论述了水资源系统中经济、生态环境和社会可持续性及其标准，并将水资源系统可持续定量化，同时还构建了可持续

［3］水资源规划与管理模型。随后，很多学者从物理模型、风险管理、政策制度、生态安全等角度研究水资

［4-7］。国内水利学者从20世纪90年代也开展了源可持续性的定量指标、管理方法、优化配置和发展模式等

水与可持续利用的相关研究。介绍了水资源可持续利用的概念，建立了水资源可持续利用框架，探讨了水资源可持续利用原理，构建了其数学模型，研究了水资源可持续利用模式，提出了流域可持续水资源管理问［8-10］。水科学进展编辑部举办了“水可持续发展：定义与内涵”的笔谈，涉及水与可持续发展的各个方面题

和不同层次，既有关于可持续发展思想的理论探讨，也有关于如何实现可持续发展的精辟见解

还有许多学者从不同的角度，运用不同的方法来研究水资源可持续利用问题。［11］。此外，

目前，对水资源可持续发展问题的研究取得了一些进展，但对水资源可持续发展概念的延伸和具体化、定量化、水可持续过程的内在关系、演变规律和方法论等研究尤为滞后，这些问题直接影响现代水利趋势下水资源可持续利用、规划、管理和保护。本文从可持续发展的角度，将系统理论与可持续理论结合，探讨可持续水资源系统的机制和演化过程。

1可持续水资源系统内涵

随着社会经济发展，水作为资源，除了具有自然属性外，还具有社会属性、经济属性、生态属性和景观属性等，水资源功能更具多元化，用途更广泛。从系统的角度，人们对水资源的研究经历了水—水资源—水资源系统—水资源复合系统这一过程。对水资源认识不断加深，水资源可持续利用与管理的理论、方法及技

08-21；网络出版时间：2013-04-10收稿日期：2012-

网络出版地址：http：//http://wendang.chazidian.com/KCMS/detail/32.1309.P.20130410.1725.017.html

基金项目：水利部中央水资源费专项经费资助项目（1261007606）

mail：chydu@http://wendang.chazidian.com作者简介：杜朝阳（1986－），男，河南兰考人，博士研究生，主要从事水文水资源研究。E-

582水科学进展第24卷术手段更加丰富，为可持续水资源系统研究奠定了理论基础。

1.1可持续水资源系统概念

1997年，Loucks［12］提出了可持续水资源系统（SustainableWaterＲesourceSystem，SWＲS）定义，认为可持续水资源系统在维持生态、环境和水文完整性的同时，尽可能地满足社会各项目标。在此定义下，受环境污染、生态退化、水资源短缺和气候变化等因素影响，使得水资源可持续的政策和管理难以实现。这个定义未将水资源、社会、经济、生态环境各系统耦合为一个整体来研究水资源系统可持续性。本研究在对水资源、社会、经济和生态环境可持续性认识的基础上，讨论可持续水资源系统的内涵、机制构成和演化规律。

可持续水资源系统是以水资源系统为核心和纽带，把社会系统、经济系统、生态环境系统联成一体，彼此相互依赖、相互作用并在时间和空间上能持续演变的复杂耦合系统（图1）。它是以水循环、生态环境为基础，以水利工程、技术及措施为手段，依据与水资源相关的法律和管理制度，通过水资源开发、利用、保护和合理配置与调度，达到人、水、自然和谐相处，使得水资源可持续地维持生态环境平衡和水文过程完整，同时支撑和促进现在和未来社会经济可持续地发展。可持续水资源系统涉及了水循环、生态系统、水利工程、现代水利技术、社会经济、管理体制与标准、法律法规等诸多方面，是一个开放的复杂巨系统。

水资源是整个系统的核心和基础。水资源不仅是生命的源泉，也是现代经济社会的血液，把生态环境与社会、经济紧密地连结融合在一起，共同筑成一个完整的有机系统。水资源影响着全球大气系统、生态系统、海洋系统等各大系统的平衡，也影响着社会经济发展和人类文明的进步。

生态环境是整个系统的活动平台。人类改造自然的一切活动必须在生态环境中进行，生态环境系统为水循环提供了物理基础，也为人类活动提供了丰富资源。相反，生态环境系统恶化会阻碍社会经济的发展，使水资源系统退化，水功能下降，水灾害频发。

社会经济是可持续水资源系统最活跃因素。人类的繁衍活动要依赖于水资源系统和生态环境系统，社会经济的发展需要水资源系统提供用水保障，需要生态系统提供各种资源。同时，社会经济又以反馈的方式影响水资源系统和生态环境系统

。

图1可持续水资源系统各部分相互作用关系

Fig.1InteractionandrelationshipofsubsystemsofSWＲS

1.2可持续水资源系统的特性

可持续水资源系统具有可持续性、整体性、协调性、反馈性和周期性。

（1）可持续性由于可持续水资源系统各子系统之间相互作用，构成子系统的要素之间也相互作用，从而使可持续水资源系统成为结构复杂、功能多而强的系统，越复杂的系统其稳定性和协调性越好，越不易衰退和崩溃，因此，可持续性是可持续水资源系统的显著特征。但由于系统具有非可控发散性，系统也存在

第4期杜朝阳，等：可持续水资源系统机制研究583向恶性方向发展的可能性，也是研究可持续水资源系统机制的重要原因。

（2）整体性可持续水资源系统要求把域内的社会信息、自然地理、资源禀赋、生态格局、经济结构等视为一个整体，进行统一的资源综合规划、开发、利用和保护，维护可持续水资源系统赖以存在的水文循环的完整性和生态系统平衡。

由于可持续水资源系统中各子系统及其各要素具有关联性，生命系统、非生命系统和社

会经济系统之间才能相互作用，相互协调；人与社会、人与自然、代内和代际之间协调，水资源与其他资源协调，同时区域与区域之间也存在关联性，也彼此协调、相互优补。既要取得经济效益，又要兼顾社会效益、生态环境效益；同时还要注重短期效益与长远效益的统一，使社会、经济、生态环境和水资源持续并健

反馈性存在于可持续水资源系统的内外部。可持续水资源系统内部各子系统和各要素之

间进行着物质流通、能量交换和信息传递，同时，系统与外部环境也进行着这一物理过程，二者共同维持着系统的运行。系统内部之间及系统与外界环境之间均存在着系统正负反馈响应，这是系统可持续演化的重要机制。

可持续水资源系统是一个动态系统，有许多输入和输出项，与周围环境密切联系，其影

响因子多具有时效性和周期性，因此可持续水资源系统也呈现出一定的周期性变化。（5）周期性康地发展。（4）反馈性（3）协调性

2可持续水资源系统机制

机制是系统中各具体要素（社会、经济、资源、生态环境）和抽象要素（信息、利益、权力、目标）之间的相互作用，又是联系系统各要素的纽带，没有一定的机制，各子系统和各要素就难以形成一个协调、有序并发挥有效功能的有机整体。

2.1可持续水资源系统的机制构成

可持续水资源系统要持续存在和发展需要有动力支持；当可持续水资源系统发展到一定程度则会衰退，因此有阻碍其发展、促进其衰退的阻力因素；可持续水资源系统具有可持续性，系统必须有协调功能，既能健康地运行又能克服阻力障碍；因此，可持续水资源系统由动力、阻力和协调三大部分共同构成系统运行的三大机制。其动力机制是以持续的方式为系统发展提供驱动力；其阻力机制是以干扰的方式减缓或阻碍系统正常运行；其协调机制则以反馈的方式对系统运行进行导向或修正。这三大机制之间相互联系、相互制约、相互协调，缺一不可。

动力机制、阻力机制和协调机制使可持续水资源系统从不可持续状态向可持续状态转变、从低级状态向高级状态转换。可持续水资源系统的动力机制包括水再生动力机制、社会动力机制、经济动力机制、生态环境动力机制4个方面；可持续水资源系统的阻力机制包括水资源短缺、社会紊乱、经济衰退和生态环境退化4个方面；可持续水资源系统的协调机制包括水资源协调机制、社会经济协调机制、生态平衡机制、社会与资源协调机制、经济与资源协调机制以及人与自然协调机制6个方面，可持续水资源系统的运行机制可用下式表示：

f（i）=f［D（i），Ｒ（i），C（i）］［13］

{D（i）=D［Dw，Ds，De，Dev］

Ｒ（i）=Ｒ［Ｒws，Ｒsd，Ｒeb，Ｒed］

C（i）=C［Cw，Cse，Cec，Csr，Cer，Chn］（1）

式中f（i）为可持续水资源系统的运行机制；D（i）、Ｒ（i）、C（i）分别为动力机制、阻力机制、协调机制；Dw、Ds、De、Dev分别为水再生动力机制、社会动力机制、经济动力机制、生态环境动力机制；Ｒws、Ｒsd、Ｒeb、Ｒed分别为水资源短缺、社会功能紊乱、经济衰退、生态环境退化等机制；Cw、Cse、Cec、Csr、Cer、Chn分别为水资源协调机制、社会经济协调机制、生态平衡机制、社会与资源协调机制、经济与资源协调机制、人与自然协调机制。

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2.2可持续水资源系统演化分析水科学进展第24卷

根据可持续水资源系统的机制构成，其影响因素分为3大类：动力因素、阻力因素和协调因素。在这3类因素相互作用下，在质、量上均不能满足可持续水资源系统无限制地增长，无论外界环境还是自身条件都会使系统发展到一定阶段后稳定在某一水平上。在数学表达上，要有增益和减益的双向作用项及协调作用项。可持续水资源系统是一个多系统、多层次、多变量组成的复杂系统，具有非线性。为了既要满足非线性，又要简化易行，选用二次非线性微分方程来描述可持续水资源系统的机制，分析其演化过程。系统演化非线性微分方程可写成

dx=c1x－c2x2

dt

式中（2）t为时间；c1＞0，c2＞0；x为系统状态变量；c1x为动力因素作用项，－c2x2为阻力因素作用项，c1x－c2x2表征二者协调作用。方程（2）为可持续水资源系统演化的非线性数学模型。令c1=r，c2=r/M，方程（2）可改写为

dx=rx1－x

dtM()（3）

式中r为不受水资源限制条件下的系统演化速度；M为可持续水资源系统发展容许度，即系统临界容量或可承载力，也是个重要变量，它会随系统的状态而发生变化。

发现方程（2）与Logistic曲线方程形式一致。由于可持续水资源系统影响因素多而复杂，问题变得复杂而难以求解，定量化研究需要概化出一个综合指数表征系统综合状况，作为方程中状态变量x。概化综合指数可通过一些方法（综合指标法、主成分分析法、物元分析法等）将诸多系统因素或指标综合归一化。给定初始条件：x（t0）=x0，方程（3）的解为

MMx（t）=C=－1（4）－r（t－t0）x01+Ce

分析可持续水资源系统演化过程，由式（3）知一阶导数，现求x～t的二阶、三阶导数如下：

d2x2xdx2=r1－Mdtdt()（5）

（6）d3xdx6262+13=r2x－dtMdtM()

令式（3）=0，得x=0，M；令式（5）=0，得x=0，M/2，M；令式（6）=0，得x=0，M/2－M/2M/2+M/2M；令a=M/2－M/2b=M/2，c=M/2+M/2d=M；得到a，b，c，d4个点，

利用二次非线性微分方程的一二三阶导数，得到3个特征点A1、A2和A3，将可持续水资源系统的演化过程分为4个阶段：初始阶段、发展阶段、成熟阶段和稳定阶段。在（0，a）区间为初始阶段，可持续水资源系统演化开始，速度较慢，加速度为正，速度和加速度都不断增大；到达A1点，加速度达到最大，速度为rM/6；（a，b）区间为发展阶段，速度仍在增长，而加速在减小；在A2点，加速为0，速度达到最大；（b，c）区间为成熟阶段，加速度为负并不断减小，速度开始减小；在A3点，加速度最小，速度减为rM/6；（c，d）区间为稳定阶段，加速度向0回归，演化速度减缓直到为0。在初始阶段和稳定阶段可持续水资源系统演化的状态变量x增长较小，在发展阶段和成熟阶段可持续水资源系统演化的状态变量x增长较大，这两个时期可看作是可持续发展期，实际中应尽量延长这个时期（见图2～图4和表1）。

在可持续水资源系统发展初期，限制因素作用较小，充足的发展空间和资源条件满足系统快速发展；随着系统规模扩大、资源不断被消耗、系统功能开始衰退，系统发展空间锐减，阻碍系统增长，当系统规模临近容许度时，系统演化趋于停滞，这就是一个单元演化过程。系统要进入下一个演化过程，在分化点M处

［14］要面临多种模式：持续发展、停滞、稳定循环、消亡（图5）。持续发展模式是理想模式，要实现持续性

发展，就要突破限制因素对系统的约束和阻碍，创造新的环境空间，扩大系统容许度。对于可持续水资源系

第4期杜朝阳，等：可持续水资源系统机制研究

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统，要调动社会积极因素、优化经济结构、修复生态环境功能、合理配置水资源，通过对各子系统结构性调整，突破原有系统演化极限、削弱原有阻力、逐渐淘汰旧制约因素、置换新动力，使可持续水资源系统进入一个新的演化过程

。

图2可持续水资源系统演化加速度曲线图3可持续水资源系统演化速度曲线

Fig.2AccelerationcurveofSWＲS

evolutionFig.3SpeedcurveofSWＲS

evolution

图4可持续水资源系统演化曲线图5可持续水资源系统4种选择性演化模式

［14］

Fig.4CurveofSWＲS

evolution

表1

不稳定增长期

0（0，a）0＞00＞0初始点

初始阶段

Fig.5FouralternativeevolutionmodesofSWＲS

可持续水资源系统演化过程

可持续发展期

（a，b）b＞0rM/4＞00

发展阶段鼎盛点（A2）

稳定期

（b，c）＞0＜0成熟阶段

crM/6最小转稳点（A3）

（c，d）＞0＜0稳定阶段

Table1SWＲSevolutionprocess

x增长速度加速度演化阶段

arM/6最大起跃点（A1）

d00分化点

3实例研究

本文选择上海市为研究区域，上海市城市化不断加剧，市区下垫面、水文气象要素、生态环境格局、人类生活方式等都发生了显著变化，导致水资源开发利用程度和方式也发生了变化，其水资源可持续利用问题制约着城市的发展，因此需要开展可持续水资源系统研究。3.1上海市可持续水资源系统机制构成

动力机制：降水丰富、水资源可再生力强、社会节水意识强和措施好，工业产值耗水量低、城市生态建设等。阻力机制：水污染严重、社会各项用水多、工业耗水大、地下水回灌和城市绿化用水增加。协调机制：水污染处理、修建水利工程、产业结构升级、加强水资源管理、提高用水效率等。这3个机制是选取指标和构建评价指标体系的依据。3.2

评价指标体系及评价标准

由于可持续水资源系统由水资源系统、社会系统、经济系统和生态环境系统构成，对应于这4个子系统将