王德維 朱振華 程建敏 聶其勇

（江蘇省水文水資源勘測(cè)局連云港分局 連云港 222004）

1 引言

全球氣候異常和人類對(duì)水資源過(guò)度開(kāi)發(fā)、浪費(fèi)和破壞，導(dǎo)致了部分地區(qū)發(fā)生水資源短缺，水資源開(kāi)發(fā)利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作刻不容緩。針對(duì)水資源開(kāi)發(fā)利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有多位學(xué)者進(jìn)行了研究：王穎等對(duì)水資源風(fēng)險(xiǎn)的定義進(jìn)行歸類總結(jié)，給出了初步數(shù)學(xué)化的定義；韓宇平等對(duì)區(qū)域供水系統(tǒng)供水短缺建立了風(fēng)險(xiǎn)分析模型，利用優(yōu)化調(diào)配水?dāng)?shù)學(xué)模型和水資源系統(tǒng)模擬技術(shù)對(duì)河北省各市供水短缺風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)；周璞等基于協(xié)調(diào)度指數(shù)和模糊綜合評(píng)判法，構(gòu)建了水資源開(kāi)發(fā)利用合理性評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系和模型，并對(duì)我國(guó)各?。▍^(qū)、市）開(kāi)展了實(shí)踐研究；張建龍等以事例推理理論為基本思想，采用B/S系統(tǒng)架構(gòu)，通過(guò)構(gòu)建事例推理網(wǎng)和信息實(shí)體集合，進(jìn)行了礦井水資源開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)險(xiǎn)管理研究；凌子燕等開(kāi)展了基于主成分分析的廣東省區(qū)域水資源緊缺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

本文利用突變理論，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，進(jìn)行水資源開(kāi)發(fā)利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究。基于突變理論的水資源評(píng)價(jià)方法并不采取指標(biāo)權(quán)重計(jì)算，而是依據(jù)各指標(biāo)在歸一化公式中的作用、影響和機(jī)制來(lái)確定各指標(biāo)的重要性，并采取定性與定量相結(jié)合，進(jìn)而減少主觀性，評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀、科學(xué)、準(zhǔn)確，計(jì)算簡(jiǎn)便且不需要樣本數(shù)大于變量數(shù)。

2 研究區(qū)域概況

江蘇省連云港市總面積7615km2，常住總?cè)丝?49.6萬(wàn)，多年平均降雨量904.2mm，多年水面平均蒸發(fā)量為855.1mm。本地水資源短缺，主要依靠調(diào)引江淮水。人口密集，耕地占總土地面積的比率很高，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，工業(yè)穩(wěn)步增長(zhǎng)，供用水量大，水資源開(kāi)發(fā)利用問(wèn)題較為突出。

3 突變理論評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)介

3.1 突變理論

1972年，法國(guó)數(shù)學(xué)家勒內(nèi)·托姆發(fā)表了《結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和形態(tài)發(fā)生學(xué)》，標(biāo)志著突變論的誕生。勒內(nèi)·托姆把系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的整體性突躍稱其為突變，它具有過(guò)程連續(xù)而結(jié)果不連續(xù)的特點(diǎn)。

突變理論主要研究的是從一種穩(wěn)定組態(tài)躍遷到另一種穩(wěn)定組態(tài)的現(xiàn)象與規(guī)律，可以應(yīng)用此理論來(lái)認(rèn)識(shí)和預(yù)測(cè)復(fù)雜的系統(tǒng)行為。該理論指出自然界或人類社會(huì)中的任何一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，都可以分成穩(wěn)定狀態(tài)和非穩(wěn)定狀態(tài)。在微小的偶然擾動(dòng)因素作用下，仍然能夠保持原來(lái)狀態(tài)的稱為穩(wěn)定狀態(tài)；而只要受到微小干擾就快速變化的則稱為非穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定狀態(tài)與非穩(wěn)定狀態(tài)是互相包含，交織在一起的。非線性系統(tǒng)是以突變形式從某一個(gè)穩(wěn)定態(tài)（平衡態(tài)）向另一個(gè)穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)化的。突變?cè)u(píng)價(jià)方法并不采取指標(biāo)權(quán)重計(jì)算，是依據(jù)各指標(biāo)在歸一化公式中的作用、地位和機(jī)制來(lái)確定各指標(biāo)的重要性，并采取定性與定量相結(jié)合，進(jìn)而減少主觀性，變得更加科學(xué)合理，評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀、準(zhǔn)確、計(jì)算簡(jiǎn)便，不需要樣本數(shù)大于變量數(shù)，其應(yīng)用十分廣泛。

3.2 常用的突變理論基本模型

在實(shí)際評(píng)價(jià)中，最常用的初等突變類型是尖點(diǎn)型、燕尾型和蝴蝶型。尖點(diǎn)突變型控制變量個(gè)數(shù)為2個(gè)，勢(shì)函數(shù)和分歧方程分別為：

燕尾突變型控制變量個(gè)數(shù)為3個(gè)，勢(shì)函數(shù)和分歧方程分別為：

蝴蝶突變型控制變量個(gè)數(shù)為4個(gè)，勢(shì)函數(shù)和分歧方程分別為：

根據(jù)分歧方程推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的歸一化公式，通過(guò)歸一化公式，可以推求出系統(tǒng)狀態(tài)特征的突變隸屬函數(shù)值。

燕尾型突變類型歸一公式為：

蝴蝶型突變類型歸一公式為：

經(jīng)過(guò)歸一化處理后，狀態(tài)變量與控制變量的均取0～1之間范圍的值，稱其為突變模糊隸屬度函數(shù)。突變模型中各控制變量對(duì)狀態(tài)變量的作用是由模型本身確定的，主要由突變模型內(nèi)在的矛盾對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系決定的，各控制變量對(duì)狀態(tài)變量的影響作用有主次之分，主要控制變量要排在前，次要控制變量要排在后。依據(jù)評(píng)價(jià)內(nèi)容和指標(biāo)選擇要求，可以對(duì)控制變量維數(shù)進(jìn)行一定的擴(kuò)展，以滿足其評(píng)價(jià)需要。

3.3 突變理論評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

應(yīng)用突變理論作綜合分析與評(píng)價(jià)時(shí)，根據(jù)實(shí)際問(wèn)題性質(zhì)不同而采取3種相應(yīng)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則：

（1）互補(bǔ)準(zhǔn)則。如果系統(tǒng)的各控制變量之間可相互彌補(bǔ)不足時(shí)，可以讓x值達(dá)到較大的平均值，即取控制變量（a，b，c，d）所對(duì)應(yīng)的 xa，xb，xc，xd的平均值。

（2）非互補(bǔ)準(zhǔn)則。如果系統(tǒng)控制變量之間的作用不可相互替代，不可相互彌補(bǔ)其不足時(shí)，則按照“大中取小”原則取值，即從諸控制變量（a，b，c，d）相應(yīng)的突變級(jí)數(shù)值中選取最小值作為系統(tǒng)的 x 值，即 x=min（xa，xb，xc，xd）。

（3）過(guò)閾互補(bǔ)準(zhǔn)則。只有系統(tǒng)的各控制變量達(dá)到某一閾值后才能互補(bǔ)。

4 水資源開(kāi)發(fā)利用風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

4.1 水資源開(kāi)發(fā)利用風(fēng)險(xiǎn)概念與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，大規(guī)模開(kāi)采水資源引發(fā)了一系列的水資源和生態(tài)問(wèn)題。另外，在水資源開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃和管理活動(dòng)中，由于監(jiān)測(cè)不到位、認(rèn)識(shí)不科學(xué)及管理措施不當(dāng)?shù)?，影響到供水水量和水質(zhì)，有可能導(dǎo)致缺水、斷流和水源污染等水安全事故。這些影響因素和不利后果在開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中具有不確定性，需要對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)研究。由于水資源系統(tǒng)不僅涉及系統(tǒng)本身，還涉及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)相互作用、相互耦合構(gòu)成具有一定結(jié)構(gòu)和功能的開(kāi)放性復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間、要素與外部環(huán)境之間不斷地進(jìn)行著物質(zhì)交換、能量傳輸和信息傳遞，所以水資源開(kāi)發(fā)利用風(fēng)險(xiǎn)概念是非常豐富的和復(fù)雜的。從風(fēng)險(xiǎn)內(nèi)涵和構(gòu)成要素的角度，認(rèn)為水資源開(kāi)發(fā)利用風(fēng)險(xiǎn)是指特定時(shí)空環(huán)境條件下，在水資源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中，受各種不確定性因素影響，水資源系統(tǒng)可能產(chǎn)生不利事件造成不確定程度的損失。其研究對(duì)象是風(fēng)險(xiǎn)事件成因和風(fēng)險(xiǎn)事故概率以及事故對(duì)環(huán)境、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)構(gòu)成的不利影響和危害。這些不利事件有水資源枯竭、地下水位下降、水污染、生態(tài)功能退化、水土流失、土地荒漠化等。

水資源開(kāi)發(fā)利用受到各種不確定因素的干擾，可概括為自然不確定性因素和人類活動(dòng)不確定性因素。自然不確定性因素主要指水資源系統(tǒng)外部環(huán)境變化（如氣候變化、太陽(yáng)活動(dòng)）以及系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化所引起的人類無(wú)法控制的自然現(xiàn)象給系統(tǒng)帶來(lái)的不確定性；人類活動(dòng)不確定性因素主要指社會(huì)發(fā)展和人類認(rèn)識(shí)的局限性導(dǎo)致人類認(rèn)識(shí)和解決問(wèn)題的能力受到約束，或者導(dǎo)致人類無(wú)法把握和有效地控制人類社會(huì)的發(fā)展所引起的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、政治的變化對(duì)水資源開(kāi)發(fā)利用造成的影響。不確定性因素較難考慮，然而可以從水資源開(kāi)發(fā)利用的脆弱性、開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀和開(kāi)發(fā)利用導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)生態(tài)環(huán)境等方面來(lái)考慮水資源開(kāi)發(fā)利用風(fēng)險(xiǎn)水平。因此，水資源開(kāi)發(fā)利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)從可操作角度，一般可以從水資源的稟賦條件狀況、水資源開(kāi)發(fā)利用狀況、社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平等方面進(jìn)行指標(biāo)體系構(gòu)建和指標(biāo)選取，然后選取綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)其計(jì)算并進(jìn)行結(jié)果分析。

根據(jù)連云港市水資源開(kāi)發(fā)利用存在的問(wèn)題，從水資源現(xiàn)狀、開(kāi)發(fā)利用狀況、社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平等方面作為準(zhǔn)則層來(lái)構(gòu)建連云港市水資源開(kāi)發(fā)利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。指標(biāo)層選擇具有代表性和易于收集統(tǒng)計(jì)的指標(biāo)。水資源現(xiàn)狀選擇年均降水量、人均水資源量和水資源量模數(shù)等3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)；水資源開(kāi)發(fā)利用水平水資源開(kāi)發(fā)利用程度人均用水量、農(nóng)田均畝灌溉用水量和萬(wàn)元地區(qū)生產(chǎn)總值用水量等4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)；社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平選擇地區(qū)生產(chǎn)總值增長(zhǎng)率和人口增長(zhǎng)率2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。目標(biāo)層中有1個(gè)指標(biāo)，準(zhǔn)則層中有3個(gè)指標(biāo)，指標(biāo)層中有9個(gè)指標(biāo)，形成了金字塔式的指標(biāo)體系如表1所示。選取2016年為現(xiàn)狀年，全市水資源開(kāi)發(fā)利用風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值如表2所示。

表1 連云港市水資源開(kāi)發(fā)利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系表

表2 連云港市水資源開(kāi)發(fā)利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)值表

4.2 指標(biāo)的突變級(jí)數(shù)轉(zhuǎn)換

有些指標(biāo)是正向性的，也有些指標(biāo)是負(fù)向性的。如人均水資源量，其值越大，風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)越??；如人均用水量，其值越小，風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)越小。為了讓各種指標(biāo)可以適合突變?cè)u(píng)價(jià)方法，同時(shí)也為了讓評(píng)價(jià)結(jié)果具有比較性，在應(yīng)用突變歸一化公式之前，依據(jù)綜合判別的要求，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的方法產(chǎn)生一種多維的、取值在[0，1]之間的模糊隸屬函數(shù)值。

對(duì)于正向指標(biāo)，其值越大越好，那么指標(biāo)值的模糊隸屬度為：

對(duì)于負(fù)向指標(biāo)，其值越小越好，那么指標(biāo)值的模糊隸屬度為：

式中，a1，a2為上下界范圍，上下界數(shù)值的確定會(huì)直接影響評(píng)價(jià)的結(jié)果，但實(shí)際操作中，指標(biāo)值也不是非常精準(zhǔn)，很多是采用近似估算的，具有一定的模糊性。本次評(píng)價(jià)中在各指標(biāo)最大（?。┲档幕A(chǔ)上增減其10%后的值作為該指標(biāo)的上（下）界范圍。

本次評(píng)價(jià)利用公式（4）和（5）對(duì)各指標(biāo)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的隸屬度見(jiàn)表3。

4.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算

依據(jù)每層指標(biāo)數(shù)，來(lái)確定其所屬哪種突變類型，然后根據(jù)對(duì)應(yīng)突變類型的歸一公式計(jì)算其突變隸屬度。最后根據(jù)每指標(biāo)間的互相作用和關(guān)系，確定其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，逐步朝上遞歸計(jì)算，直至目標(biāo)層，得到該評(píng)價(jià)體系的結(jié)果，見(jiàn)表4。

4.4 開(kāi)發(fā)利用風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

目前，水資源開(kāi)發(fā)利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)還處于初期探索階段，水資源開(kāi)發(fā)利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)還沒(méi)有等級(jí)和劃分標(biāo)準(zhǔn)。馮利華、任魯川等已經(jīng)對(duì)洪水災(zāi)情等級(jí)劃分進(jìn)行了深入的探索，提出了洪水災(zāi)情等級(jí)劃分公式，而且適用范圍很廣，可以作為水資源開(kāi)發(fā)利用風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表5。

表3 連云港市水資源開(kāi)發(fā)利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度轉(zhuǎn)換值表

表5 水資源開(kāi)發(fā)利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)表

表4 連云港市水資源開(kāi)發(fā)利用風(fēng)險(xiǎn)值成果表

4.5 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

（1）指標(biāo)層評(píng)價(jià)結(jié)果分析。由表4可看出，對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)I11，全市及各縣區(qū)風(fēng)險(xiǎn)值在0.65～0.80之間，屬于中度風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)I12，市區(qū)風(fēng)險(xiǎn)值大于0.95，屬于極度風(fēng)險(xiǎn)，表明人均資源量極少；而其他各縣區(qū)風(fēng)險(xiǎn)值在0.5～0.85之間，屬于中度風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于評(píng)價(jià)I13，灌云縣和市區(qū)風(fēng)險(xiǎn)值在0.85～0.95之間，屬于高度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，因?yàn)檫@些地區(qū)降水量較少；全市及其他各縣區(qū)風(fēng)險(xiǎn)值在0.70～0.85之間，屬于中度風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于指標(biāo)評(píng)價(jià)I21，水資源開(kāi)發(fā)利用程度達(dá)到了134%，市區(qū)屬于高度風(fēng)險(xiǎn)；贛榆區(qū)水資源開(kāi)發(fā)利用程度為96%，而其他各縣區(qū)也都超過(guò)了100%，全部超過(guò)了國(guó)外水資源開(kāi)發(fā)利用警戒值（40%）。

對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)I22，東?？h灌溉用水較多，風(fēng)險(xiǎn)值在0.85～0.95之間，東?？h屬于高度風(fēng)險(xiǎn)。其他各縣區(qū)風(fēng)險(xiǎn)值在0.5～0.85之間，屬于中度風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)I23，市區(qū)主要為水稻和經(jīng)濟(jì)作物，單位農(nóng)田灌溉用水量相對(duì)很大，市區(qū)屬于高度風(fēng)險(xiǎn)；灌南風(fēng)險(xiǎn)值最小。

對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)I24，灌云、東海風(fēng)險(xiǎn)值在0.95以上，屬于極度風(fēng)險(xiǎn)水平；全市經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)較為粗放，生產(chǎn)用水效率一般，全市綜合風(fēng)險(xiǎn)值為0.836，屬于中度風(fēng)險(xiǎn)水平。

對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)I31，全市及各縣區(qū)風(fēng)險(xiǎn)值在0.5～0.85之間，屬于中度風(fēng)險(xiǎn)，表明經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度一般。對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)I33，灌云、灌南屬于高度風(fēng)險(xiǎn)，表明人口增長(zhǎng)速率較高；全市及其他各縣區(qū)屬于中度風(fēng)險(xiǎn)水平，人口增長(zhǎng)速率一般。

（2）準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)結(jié)果分析。對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)C1，市區(qū)風(fēng)險(xiǎn)值最大為0.878，屬于高度風(fēng)險(xiǎn)水平，這是因?yàn)槭袇^(qū)人口集中，人均水資源量較小。對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)C2，全市及各縣區(qū)均屬于中度風(fēng)險(xiǎn)，表明水資源開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度較高，開(kāi)發(fā)潛力較小。對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)C3，全市及各縣區(qū)均屬于中度風(fēng)險(xiǎn)水平，其中市區(qū)最小，因?yàn)檫B云港市地處蘇北地區(qū)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和人口增長(zhǎng)率一般。

（3）目標(biāo)層評(píng)價(jià)結(jié)果分析。全市各縣區(qū)水資源開(kāi)發(fā)利用綜合風(fēng)險(xiǎn)值為0.88～0.94，均屬于高度風(fēng)險(xiǎn)水平，從小到大排序?yàn)椋黑M榆、灌南、東海、市區(qū)、灌云。其中，灌云風(fēng)險(xiǎn)值最高達(dá)0.935，說(shuō)明其水資源開(kāi)發(fā)利用問(wèn)題較突出。全市風(fēng)險(xiǎn)值為0.906，屬于高度風(fēng)險(xiǎn)水平，說(shuō)明連云港市水資源開(kāi)發(fā)利用綜合風(fēng)險(xiǎn)較高。

5 結(jié)論

（1）本文將突變理論應(yīng)用于連云港市水資源開(kāi)發(fā)利用風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)，全市風(fēng)險(xiǎn)值為0.906，屬于高度風(fēng)險(xiǎn)水平。評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合，可作為連云港市水資源開(kāi)發(fā)利用和管理風(fēng)險(xiǎn)決策依據(jù)。

（2）突變理論具有以下優(yōu)點(diǎn)：①指標(biāo)先后排序是根據(jù)各指標(biāo)重要性來(lái)確定的；②計(jì)算方法和過(guò)程簡(jiǎn)單方便；③比較客觀。

（3）應(yīng)用此方法要注意：①指標(biāo)體系中同一層指標(biāo)的重要性判別和排序，會(huì)影響最后評(píng)價(jià)結(jié)果，必須結(jié)合當(dāng)?shù)厮Y源開(kāi)發(fā)利用狀況；②有些指標(biāo)不能單一依靠其風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行比較，還應(yīng)結(jié)合相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)值進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。例如I21（水資源開(kāi)發(fā)利用程度），贛榆區(qū)風(fēng)險(xiǎn)值為0.39，屬于輕度風(fēng)險(xiǎn)，而贛榆區(qū)水資源開(kāi)發(fā)利用程度達(dá)到96%，遠(yuǎn)高于40%，實(shí)際上是高于輕度風(fēng)險(xiǎn)的。今后，還需要進(jìn)一步完善判別標(biāo)準(zhǔn)■