大连市水资源开发利用风险评价

(辽宁省大连水文局，辽宁 大连 116023)

水资源过度开发利用、全球气候变化异常、水环境系统破坏以及水体浪费严重等使得部分区域水资源短缺问题日趋突出，目前对于水资源开发利用风险的研究已成为国内水文领域研究的热点和主要方向之一[1]。许多学者针对水资源利用问题开展了大量研究，并建立了多种理论模型和分析方法，如王颖等[2]归类总结了水资源风险的基本内涵，并在此基础上提出了初步的数学化定义；张建龙等[3]采用B/S系统架构和事例推理理论，运用信息实体与事例推理网集合对矿井水资源开发利用风险进行了分析；周璞等[4]针对我国各省区的水资源开发利用合理性，运用模糊综合法和协调度指数法进行了科学评价；吕宝华等[5]研究认为辽宁省处于严重缺水状态，水资源供需矛盾紧张且开发利用程度较高，未来水资源供需矛盾将更加突出。综上分析，本文结合相关资料和区域水资源状况，从多个方面建立了评价体系，运用突变理论对大连市水资源开发利用风险进行科学研究。在进行评价分析时，主要运用归一化公式中各指标的机制、影响和作用判定其对评价结果的影响程度，采用定量与定性相结合的方法，降低人为主观性的影响并提高风险评价的准确性、合理性与科学性，并且该方法所需要的计算样本相对较少。

1 大连市区域概况

大连市是东北地区沿海城市，面积12573.85km2，位于辽东半岛的南端。其地形地貌以山地丘陵为主，地势结构由北向南整体呈现降低趋势。全市水资源总量较少并且在时空分布上极不均衡，属于严重缺水型沿海城市；近邻海洋，海岸线较长，为具有海洋性气候特点的大陆性季风气候，全市多年降水量在550～950mm之间，且主要集中在夏季，年均水资源总量为31.09亿m3。全市河网发育水平较高，共有大小河流200多条，主要有庄河、英那河以及碧流河等，水资源总量受季节性特别是汛期的影响较大。该区域经济发展速度较快，工业增长稳定，人口密集，水资源使用量较大，随着沿海地区的不断开发建设，水资源利用问题日趋突出[6]。

2 突变理论简介

2.1 突变理论

20世纪70年代突变理论被提出，并被用于动态系统的不连续现状分析，它是一种描述连续性变量跳跃性演变成质变的数学理论[7]。此理论所涉及的数学基础知识相对较深，但所应用的数学计算模型比较简单，通常所应用的突变理论其本质是一种初等的突变理论。在初等突变理论中对于临界点的分类可根据势函数的变化来确定，并利用不连续的临界点特征对相关数据进行深入分析。在势函数体系中主要包含控制与状态变量，其中反映系统行为状态的参数即为状态变量，因此也可称为行为变量；而控制变量是影响行为状态的特征要素。控制变量个数不超过4个时，所对应的状态变量不超过2个，并且突变类型共有7个。尖点突变、燕尾突变、折叠突变和蝴蝶突变是突变模型中常有的集中形式，各形式特征要素和表达式见表1。

表1 常用的突变模型的特征要素和势函数

影响水资源开发利用风险的因素较多且各因素之间相互影响，用于风险分析的方法与指标参数存在一定差异，因此准确、客观地判定系统处于突变状态还是连续稳定状态仍存在较大的困难；另外，开发利用危害与突变理论具有良好的一致性，如果水资源供需差值未落在系统的稳定发展保障区域，则很可能产生突变并导致系统状态的破坏[8]。所以，在水资源开发利用风险分析过程中突变理论具有良好的可行性与适用性，许多学者对此进行了大量的分析研究。如李继清等[9]以长江流域为例，利用突变评价理论建立了流域洪灾风险评价指标体系，并评估了1995—2000年该流域的洪灾风险状态；Chen等[10]以大连市为例，利用突变评价模型客观、科学地评价了该区域水资源可持续利用状态。

尖点突变模型在分析评价水资源利用风险以及影响因素之间的响应模式方面，具有广泛的应用前景并容易被人接受，通过对区域水资源开发利用风险的分析能够为水资源科学管理和可持续利用提供一定参考依据。

2.2 尖点突变模型

尖点突变模型主要是由两个控制变量和一个状态变量组成的势函数，其表达式为

V(x)=x4+ux2+vx

(1)

式中：x为水资源系统的状态变量；u、v分别为水资源系统的主、次控制变量。

该方程的几何图形是由势函数的临界点所决定的，结合上述函数特征可知，该图形为一个曲面并称为平衡超曲面，表达式为

4x3+2ux+v=0

(2)

对势函数进行二次求导得到相应的奇点方程，然后联立方程消除，从而可得到分歧集方程，表达式为

B=8U3+27V2=0

(3)

分歧集B即为在平面上平衡超曲面的投影，在折叠曲线边缘位置上平衡超曲面上的点可发生突跳，平衡超曲面随着控制变量的变化逐渐出现扭曲并形成折叠。最终，可能在超曲面上形成两个稳定的和一个不稳定的平衡位置，稳定位置发生在上、下两个部分，而中间部分为不稳定的突跳位置。系统状态在跨越中间折叠线后将出现突变，因此对其是否发生突变可按照判别公式进行分析，判别公式Δ=8U3+27V2<0时，则可判定系统为突变状态。所以，找出突变区间即为水资源开发利用风险评价模型的主要内容，通过系统管控有效防止水资源系统突变的发生。

2.3 评价准则

运用突变理论对水资源开发利用风险进行综合评价分析时，应结合区域水资源实际状况选择合适的评价准则：控制变量互补准则，各控制变量如果在系统中可以弥补彼此之间的不足，则可选择较大x均值，即选择Xa、Xb、Xc、Xd的平均值分别与控制变量a、b、c、d相对应；控制变量非互补准则，变量在系统中无法达到彼此的互补或者不可相互替代时，应根据“大中取小”的原则确定相应的值，即系统中x值应选择突变级数值最小的控制变量。另外，在假定某一阈值的条件下，变量达到这种状态时方可出现互补准则。

3 水资源开发利用风险评价

3.1 开发利用风险的概念

水资源的过度开采利用致使生态环境与水资源问题更加突出，并且由于水资源管理措施不当、认识深度不够以及监测不到位等，对水环境质量和供需水量造成不利影响，从而使得水源污染、断流、缺水等水安全事件频繁发生[11]。在水资源开发过程中这些不利后果与影响因素均具有一定的不确定性，因此必须考虑其风险影响作用。水系统是一个涉及生态、经济、社会及其本身的庞大体系，并且各因素之间相互耦合、互相影响，具有一定的复杂性与结构性特征，外部环境与系统内部各要素之间时刻存在着信息传递、能量传输以及物质交换等过程，因此其概念内涵极其复杂且内容丰富。对水资源开发利用风险可概括为：在指定的时空环境条件下各种不确定性影响因素对水资源开发利用活动产生一定的影响作用，并可能发生不利事件及造成不同程度损失。其中不利事件及其发生风险的概率、成因对经济、社会、生态以及环境造成的危害程度和影响作用主要有生态功能退化、地下水位下降、水资源枯竭、水土流失等[12]。

3.2 构建评价体系与分级标准

水资源开发利用问题是一个涉及生态、经济与人类活动的多层次复杂问题，因此在选取评价指标时不仅要考虑水资源数量与社会经济方面的内容，而且还涉及水资源开发利用效率及开发利用水平等方面的指标。本文结合已有文献资料和大连市水资源现状，在遵循层次性、系统性、代表性、科学性原则的基础上建立了风险评价体系，见表2。

目前，由于还未形成较为系统、完善的水资源开发利用风险评价标准，本文将其风险等级划分为Ⅰ～Ⅴ级5个标准体系，见表3。

表2 大连市水资源开发利用风险评价体系

表3 大连市水资源开发利用风险等级标准

3.3 突变级数转换

根据大连市2016年水资源公报、政府工作报告、统计年鉴等数据资料，对上述各指标初始数值进行提取，然后结合各指标基本内涵及其属性分别采用相应公式进行归一化处理，计算方法如下：

对于正向指标即评价值越大则水资源开发利用风险越低型指标，其归一化处理公式为

(4)

对于负向指标即评价值越小则水资源开发利用风险越低型指标，其归一化处理公式为

(5)

式中：rij为第j个评价样本中的第i项评价指标的标准值；(xij)max、(xij)min分别为在不同样本中同一评价指标xij的最大值和最小值。

对各指标初始值分别运用式(4)、式(5)进行归一化处理，可得到大连市各分区水资源开发利用风险指标的隶属度，见表4。

3.4 结果分析

根据各指标之间的相互关系和重要性准则，按照从下至上的顺序进行递归计算，分别得到评价体系各层次的风险程度，结果见表5。

表4 大连市各行政区水资源开发利用风险指标隶属度

表5 大连市各分区水资源开发利用风险值评价结果

由表5计算结果可知，评价指标C12在瓦房店市测为0.971，达到极度风险，由此表明该区域人均水资源量较低，其可开发利用水平较弱；该指标在其他各分区范围处于0.548～0.830，整体处于中等水平；同理，依次分析其他各项指标在各分区的水平。大连市水资源开发利用综合评价结果显示：各分区整体处于0.88～0.91范围，处于较高的风险状态，并以瓦房店市风险水平最为突出，全市风险评价综合值为0.905，为高度风险。

4 结 论

本文结合相关资料和区域水资源状况，分别从开发利用状况、水资源现状、社会经济水平等方面建立评价体系，运用突变理论对大连市水资源开发利用风险进行科学研究，得出如下结论：

a.评价指标C12在瓦房店市测为0.971，达到极度风险，由此表明该区域人均水资源量较低其可开发利用水平较弱；该指标在其他各分区范围处于0.548～0.830，整体处于中等水平。全市风险评价综合值为0.905，为高度风险，其他各分区整体处于0.88～0.91范围，处于较高的风险状态，并以瓦房店市风险水平最为突出。

b.本文所构建的评价体系和计算方法具有一定的科学性与合理性，评价结果与区域水资源实际状况基本一致，可为其他区域水资源开发利用评价提供一定借鉴。