基于水基和復(fù)雜適應(yīng)理論的北方沿海城市水資源可持續(xù)利用研究.pdf

1、水是生命之源，是人類賴以生存的不可替代的資源。城市的快速發(fā)展引起了一系列水問題，特別是北方沿海城市以及一些水污染嚴(yán)重的地方，水資源已經(jīng)成為城市發(fā)展的最大制約因素，而水資源可持續(xù)利用是解決水危機(jī)的唯一方法。本文研究了水基系統(tǒng)的相關(guān)概念和復(fù)雜適應(yīng)理論在城市水資源復(fù)合系統(tǒng)中的應(yīng)用、水資源綜合評(píng)價(jià)技術(shù)、演變控制理論、合理配置模型和管理決策支持系統(tǒng)。全文主要內(nèi)容及結(jié)論如下： (1)將水基和復(fù)雜適應(yīng)理論應(yīng)用到城市水資源復(fù)合系統(tǒng)的研究中。首先

2、，闡述了城市水基系統(tǒng)的內(nèi)涵并分析了其主要特征，城市水基系統(tǒng)與城市水資源系統(tǒng)最重要的區(qū)別表現(xiàn)在系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)上：前者將系統(tǒng)自身看作是大自然和人共同作用的產(chǎn)物，而將水資源管理系統(tǒng)看作是人思維的產(chǎn)物；后者將水資源管理系統(tǒng)看作是自身的一個(gè)子系統(tǒng)。然后，在分析了城市水資源復(fù)合系統(tǒng)復(fù)雜適應(yīng)特征的基礎(chǔ)上，針對(duì)系統(tǒng)中主體和對(duì)象并存、作為主體的人和其它生物并存的特殊現(xiàn)象，分別構(gòu)建了人的刺激—學(xué)習(xí)適應(yīng)—反應(yīng)模型、其它生物的刺激—反應(yīng)模型以及對(duì)象的刺激—反應(yīng)

3、模型，三者構(gòu)成了系統(tǒng)的微觀模型，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了系統(tǒng)的擴(kuò)展ECHO模型。擴(kuò)展ECHO模型的主體可以與其他主體或?qū)ο蠼涣髻Y源。 (2)城市水基系統(tǒng)的健康可以用穩(wěn)定態(tài)、和諧度和演進(jìn)率共同來表征。系統(tǒng)的健康評(píng)價(jià)是考慮其當(dāng)前狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)的綜合評(píng)價(jià)，與傳統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)方法相比，由于將系統(tǒng)的“勢(shì)”細(xì)分為穩(wěn)定態(tài)演進(jìn)率與和諧度演進(jìn)率，因此能為決策者提供更多的信息。本文將穩(wěn)定態(tài)、和諧度、演進(jìn)率和健康狀況進(jìn)一步細(xì)分成四個(gè)等級(jí)，通過綜合穩(wěn)定態(tài)和綜合

4、和諧度來表征系統(tǒng)的健康狀況，其中綜合穩(wěn)定態(tài)又包括穩(wěn)定態(tài)及其演進(jìn)率，綜合和諧度又包括和諧度及其演進(jìn)率，因此與水基系統(tǒng)相關(guān)理論已有的評(píng)價(jià)思路相比，可以為決策者提供更詳細(xì)的過程信息和健康水平信息。權(quán)重對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果有很大影響，從權(quán)重組合可靠性的角度來看，指標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)權(quán)重和數(shù)學(xué)權(quán)重分布越一致，評(píng)價(jià)的可靠性就越高，因此提出了基于可靠性分析的指標(biāo)權(quán)重組合確定方法。通過對(duì)大連市水基系統(tǒng)和煙臺(tái)市水基系統(tǒng)的健康評(píng)價(jià)及對(duì)比分析可知，系統(tǒng)的健康狀況都在水文周期的影

5、響下呈波動(dòng)演化過程，如何減少水文周期對(duì)系統(tǒng)健康狀況的影響，在不犧牲生態(tài)環(huán)境的前提下為城市提供穩(wěn)定的供水保障是大連和煙臺(tái)等北方沿海城市水資源管理的首要問題。 (3)基于Logistic(L)曲線和Gompertz(G)曲線研究了城市水資源復(fù)合系統(tǒng)的演化軌跡，基于組合S型曲線研究了系統(tǒng)的可持續(xù)演化軌跡。對(duì)L曲線和G曲線微分形式的分析表明，L曲線的成長(zhǎng)期和全盛期以及G曲線的成長(zhǎng)期、全盛期和成熟期分別是其可持續(xù)發(fā)展區(qū)，在一個(gè)發(fā)展周期內(nèi)，

6、應(yīng)使系統(tǒng)盡可能地停留在可持續(xù)發(fā)展區(qū)。對(duì)L曲線的差分形式分析表明，適當(dāng)?shù)陌l(fā)展速度是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，應(yīng)盡可能使發(fā)展速度處在最優(yōu)發(fā)展區(qū)間，過低影響當(dāng)代人的發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，過高又會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)演化過程的不穩(wěn)定。城市水資源復(fù)合系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展過程可以用組合S型曲線來描述，組合S型曲線層次間的銜接問題對(duì)探討可持續(xù)發(fā)展是至關(guān)重要的，成熟點(diǎn)是L曲線和G曲線各層銜接的關(guān)鍵點(diǎn)，把第i+1層的起動(dòng)點(diǎn)放在第i層的成熟點(diǎn)上，構(gòu)造了系統(tǒng)的組合S型可持續(xù)發(fā)展軌

7、跡方程和相應(yīng)的軌跡圖。對(duì)大連和煙臺(tái)的實(shí)例分析表明本文構(gòu)造的方法是可行的。 (4)將復(fù)雜適應(yīng)理論應(yīng)用到水資源合理配置的研究中，構(gòu)建了城市水資源配置復(fù)雜適應(yīng)模型。針對(duì)城市用水過程的復(fù)雜適應(yīng)特征，以水資源配置為主線，構(gòu)建了多層次的城市水資源配置復(fù)雜適應(yīng)模型，分析了各級(jí)主體適應(yīng)過程的行為目標(biāo)和通信機(jī)制。與傳統(tǒng)的水資源配置模型相比，基于復(fù)雜適應(yīng)理論的配置模型通過通信機(jī)制將各級(jí)主體聯(lián)系在一起，構(gòu)成水資源配置整體，因此具有較好的系統(tǒng)性、整體性

8、和層次性。從復(fù)雜適應(yīng)理論的角度來看，城市水資源的優(yōu)化配置正是城市水資源復(fù)合系統(tǒng)不同層次上的主體不斷學(xué)習(xí)、適應(yīng)和協(xié)調(diào)的結(jié)果。將城市水資源配置的復(fù)雜適應(yīng)過程在縱向上劃分成系統(tǒng)級(jí)、部門級(jí)和群體級(jí)主體，在橫向上劃分成供需平衡過程和配置適應(yīng)過程，研究了不同中水和海水利用水平下的大連市2010年和2020年水資源配置適應(yīng)過程。 (5)設(shè)計(jì)了城市水資源管理決策支持系統(tǒng)的總體框架，開發(fā)了大連市城市地下水資源管理信息系統(tǒng)。根據(jù)城市水資源管理的業(yè)務(wù)

9、特點(diǎn)，將城市水資源管理決策支持系統(tǒng)分為基礎(chǔ)資料管理、業(yè)務(wù)管理、合理配置、水質(zhì)管理、用水合理性評(píng)價(jià)和信息發(fā)布六個(gè)子系統(tǒng)，其中業(yè)務(wù)管理和信息發(fā)布子系統(tǒng)采用B/S體系結(jié)構(gòu)，其它子系統(tǒng)采用C/S體系結(jié)構(gòu)，建立了基礎(chǔ)資料庫、GIS數(shù)據(jù)庫、模型方法庫和知識(shí)庫。考慮到系統(tǒng)的龐大和復(fù)雜性，研究了集成式的設(shè)計(jì)開發(fā)方法，將GIS組件技術(shù)以及其它工具軟件的功能與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)有效集成，可以縮短開發(fā)周期。根據(jù)大連市城市供水處地下水管理的實(shí)際業(yè)務(wù)需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了