（环境科学专业论文）区域水安全系统动力学仿真与评价研究.pdf

r e s e a r c h0 ut h e e v a l u a t i o n s y s t e md y n a m i c ss i m u l a t i o n o fr e g i o n a lw a t e rs e c u r i t y a b s t r a c t w a t e ri sc o m m o n l yc o n s i d e r e da sn o to n l yas t r a t e g i c a l l yb a s i cr e s o u r c et h a t s u p p o r t i n gt h ec o o r d i n a t e da n dh e a l t h i l ys u s t a i n e dd e v e l o p m e n to fr e g i o n a ls o c i e t y a n de c o n o m y ，b u ta s l oaf a c t o rt h a tc o n t a i n i n gt h es u s t a i n a b l eb e n i g nc y c l eb e t w e e n t h e r e g i o n a le c o s y s t e ma n dt h ee n v i r o n m e n t t h er e l a t i o nb e t w e e nr e g i o n a l s o c i o - e c o n o m i ca n dw a t e rs e c u r i t yi sm o r ea n dm o r ec l o s e ，t h ep r o b l e mo fw a t e r s e c u r i t yh a sb e e no n eo ft h em o s ts e r i o u sc h a l l e n g e st ot h es e c u r i t yo fe c o n o m y ， s o c i e t y ，c o u n t r ya n dh u m a n sl i v i n g r e s e a r c ho nh o w b e s tt or e s o l v et h er e g i o n a l d e v e l o p m e n to fv a r i o u st y p e so fw a t e rs e c u r i t y ，i st h em o s ti m p o r t a n c et os u p p o r t a n dg u a r a n t e et h ea l l r o u n d ，c o o r d i n a t e d ，s u s t a i n e da n dh e a l t h yd e v e l o p m e n to ft h e s o c i o e c o n o m i ca n de c o l o g i c a le n v i r o n m e n t o nt h eb a s i so fr e v i e w i n gt h ee v o l u t i o no ft r a d i t i o n a lc o n c e p to fw a t e rs e c u r i t y ， t h i sd i s s e r t a t i o nd e f i n e st h eo w nc o n c e p to fw a t e rs e c u r i t ya n dt h ec o n n o t a t i o na n d s t r u c t u r eo ft h er e g i o n sw a t e rs e c u r i t ys y s t e m ，a n dt h e ne s t a b l i s h st h ef r a m e w o r k f o rt h er e g i o n sw a t e rs e c u r i t y s y s t e m a c c o r d i n g t o a p p l i c a t et h et h e o r ya n d m e t h o d o l o g yo fs y s t e md y n a m i c s ，q u a n t i t a t i v e c h a r a c t e r i z a t et h er e l a t i o no f i n t e r a c t i v ee f f e c t sb e t w e e nt h ed e v e l o p m e n to fr e g i o n a lp o p u l a t i o n ，e c o n o m y ， s o c i e t y ，e c o l o g ya n de n v i r o n m e n ta n dw a t e rs e c u r i t ys y s t e m ，a n de s t a b l i s has y s t e m d y n a m i c ss i m u l a t i o nm o d e lo ft h er e g i o n sw a t e rs e c u r i t y ，w h i c hi n c l u d et h ef o u r s u b - r e g i o n a lw a t e rs e c u r i t ys y s t e mo fw a t e rr e s o u r c e s ，w a t e re c o - e n v i r o n m e n t ， w a t e rd i s a s t e ra n ds o c i o e c o n o m i c b yt h ei m p r o v i n ga n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s m e t h o da n ds e tp a i ra n a l y s i s ，t h ee v a l u a t i o nm o d e l ( c n a m ) o fr e g i o n a lw a t e r s e c u r i t yi sc o n s t r u c t e d ，b a s e do nt h ec o n n e c t i o nn u m b e r f i n a l l y ，a n h u ip r o v i n c ei s c o n s i d e r e da st h ec a s ef o ra ne m p i r i c a ls t u d y a c c o r d i n gt ot h es t u d yo ft h e r e g i o n ss p e c i f i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dc i r c u m s t a n c e s ，t h e d i s s e r t a t i o nd e s i g n5 p r o g r a mf o rm a n a g i n gt h ed e v e l o p m e n to fw a t e rs a f e t y ，r u nt h es y s t e md y n a m i c s s i m u l a t i o nm o d e lo fr e g i o n a lw a t e rs e c u r i t ya n de v a l u a t et h el e v e lo fr e g i o n a lw a t e r s e c u r i t y t h e n ，t h er e g i o n a lw a t e rs y s t e ma n di t ss u b s y s t e ms e c u r i t yt r e n d sa n d d i f f e r e n tp e r i o d so fw a t e rs e c u r i t yc l a s s i f i c a t i o n sa r ec a l c u l a t e do v e rt h en e x t2 3 y e a r s ，a n dt h em e a s u r e si sp r o p o s e dt op r o t e c t ea n dd e v e l o p ew a t e rs e c u r i t yo f a n h u ip r o v i n c e ，b a s e do ns i m u l a t i o na n de v a l u a t i o n k e yw o r d s ：e v a l u a t i o no fw a t e rs e c u r i t y ；s i m u l a t i o n ；s y s t e md y n a m i c s ；s e tp a i r a n a l y s i s ；r e g i o n a ls u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t 插图清单 图i - i 水安全子系统的逻辑结构关系5 图2 - i 水安全系统与社会经济等系统的基本关系1 8 图2 - 2 水安全系统的基本过程1 9 图3 - 1 区域水安全系统基本结构2 5 图3 - 2 水资源子系统主要关系2 6 图3 - 3 水生态环境子系统主要关系2 7 图3 - 4 水灾害子系统主要关系2 7 图3 - 5 社会经济子系统主要关系2 7 图3 - 6 区域水资源子系统流图2 9 图3 - 7 区域水生态环境子系统流图3 0 图3 - 8 区域水灾害子系统流图3 l 图3 - 9 区域社会经济子系统流图3 2 图3 - 1 0 区域水安全系统流图3 3 图4 - 1 区域水安全评价指标体系3 7 图5 - i 安徽省社会经济发展趋势4 9 图5 2 常规发展模式下安徽省水安全和各子系统安全联系数值7 2 表格清单 表4 - i 判断矩阵平均随机一致性指标值4 3 表5 - 1 安徽省水安全s d 模型常量值5 2 表5 - 2 模型仿真结果误差统计5 8 表5 - 3 安徽省水安全管理方案设计5 9 表5 - 4 安徽省水安全指标系统动力学模拟值( 常规发展模式) 6 0 表5 - 5 安徽省水安全指标系统动力学模拟值( 技术革新发展模式) 6 1 表5 - 6 安徽省水安全指标系统动力学模拟值( 调整产业结构发展模式) 6 2 表5 - 7 安徽省水安全指标系统动力学模拟值( 加大水利投资模式) 6 3 表5 - 8 安徽省水安全指标系统动力学模拟值( 综合发展模式) 6 4 表5 - 9 安徽省水安全评价指标体系及其评价等级标准6 5 表5 - 1 0 模糊层次分析法对各指标权重的计算结果6 6 表5 - i1 安徽省水安全系统及各子系统c n a m 模型评价结果( 常规发展模式) 6 7 表5 - 1 2 安徽省水安全系统及各子系统c n - a m 模型评价结果( 技术革新发展模式) 6 8 表5 - 1 3 安徽省水安全系统及各子系统c n a m 模型评价结果( 调整产业结构发展模式) 6 9 表5 - 1 4 安徽省水安全系统及各子系统c n a m 模型评价结果( 加大水利投资模式) 7 0 表5 - 1 5 安徽省水安全系统及各子系统c n - a m 模型评价结果( 综合发展模式) 7 1 表5 - 1 6 安徽省水安全各方案模拟结果比较7 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金g 巴王业太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位敝储糠阜习冷浒字魄冲月埚 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金目曼工些太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者躲辱习氓 签字醐产弓月洳 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师娩芝彳纱 签字日期2 i ，。7 年乡月工驴日 电话： 邮编： 致谢 在论文完成之际，首先感谢合肥工业大学给了我进一步学习和提高的宝贵 机会，特别是导师吴开亚副教授以其丰富的水安全研究理论和经验，在论文开 题、撰完过程中给予的悉心指导，以及在学习和生活上给予的悉心关怀和帮助。 三年来，导师一直十分关心我的学习和研究，并及时加以指导，同时也给了我 很多的实践机会。此外，导师的言传身教也使我在学业和生活上受益匪浅，师 生间建立了非常融洽的关系。在此，谨对导师的辛勤培养和关怀表示衷心的感 谢! 在论文完成过程中，还得到了合肥工业大学土木与水利工程学院金菊良教 授、张礼兵副教授的热心帮助，在此深表感谢! 感谢张乐、乔岩石、刘毅、李 远东、陈干等同学和潘争伟等师弟师妹们在学习、生活和论文完成过程中所给 予的关心和帮助! 感谢我的家人对我无微不至的关怀和支持! 论文有幸得到国家自然科学基金项目( 批准号5 0 5 7 9 0 0 9 ) “流域水安全复 杂系统智能综合评价理论与应用”的资助，作者特表示衷心感谢! 论文中可能还存在这样和那样的问题，对评阅、答辩委员会专家提出的各 种问题和建议，在此先予致谢，并恳请多提宝贵意见。最后，对本论文所引用 文献的作者表示真诚的谢意! 作者：宋润朋 2 0 0 9 年3 月1 日 第1 章绪论 1 1 问题的提出 1 1 1 研究背景 水是区域社会经济协调健康发展的战略性基础资源，也是区域生态环境系 统维持良性循环的控制性要素。伴随着区域社会的发展和经济的增长，水资源 匮乏、水生态环境恶化、水灾害加剧等一系列严峻的水问题已构成社会经济发 展的巨大障碍，是人类生存、生产及发展面临的最严重挑战之一。如何应对区 域水问题的挑战，许多学者分别从各自学科的角度进行了大量研究，并提出了 许多解决区域水问题的建议和措施，但效果并非期望中那么明显，世界各国的 用水越来越紧张，水污染也越来越严重，全球的生态环境总体日趋恶化。传统 的研究方法已不能很好地解决水问题和水引起的社会、经济、生态等相关问题， 于是很多学者和组织转向其他角度或借鉴其他学科来探讨解决这些问题的途 径。在这样的背景下，不少学者和组织开始从安全的角度考虑水问题。如2 0 0 1 年，联合国秘书长安南的世界水日献词是“水安全一一人类的基本需要和权利”； 2 0 0 0 年，海牙世界部长级会议宣言的标题和斯得哥尔摩世界水讨论会的主题都 是“2 l 世纪水安全 ；2 0 0 3 年回良玉副总理也提出：水安全和粮食安全、能源 安全一样是国家安全的重要组成部分。基于此，作者试图从安全的角度研究区 域水安全，提出“区域水安全系统动力学仿真与评价研究肘这一课题，按照科 学发展观的要求，以系统思维的方法和可持续发展的理论为指导，从系统全局 的观点，科学、客观地研究区域水安全，合理评价区域水安全，提出针对性地、 有效地解决区域水安全问题的相关措施，供决策部门参考，最终实现区域水安 全与区域社会经济发展安全协调一致。 水作为国民经济和社会发展的重要能源和原材料来源，是一个非传统( 传统 包括军事、政治、经济等；非传统包括科技、文化、环境等) 的影响国家安全的 重要要素，同时也是影响区域安全的重要要素。水安全在国家和区域安全体系 中举足轻重，是社会经济安全的基础，国家和区域安全的重要组成部分。回顾 人类漫长的发展史，水对人类社会文明的兴衰，起着至关重要的作用：1 ) 以渔 猎和游牧为生的原始社会，人类自我保护能力较弱，经常受到洪水、干旱等自 然灾害的胁迫，人们只能选择“择高丘而处之”等方式躲避安全胁迫；2 ) 以人 力、畜力和土地为主要生产要素的农业经济社会，人类改造自然的能力增强， 采用修堤、筑坝等途径追求水安全，如使曾经旱涝无常的成都平原成为“天府 之国 的成功典范一一中国都江堰水利系统工程，开始有意识地营造人类社会 的安全环境，但是也因此导致了地上悬河和更大的溃堤风险，如古巴比伦王国 覆灭和中国西域楼兰古国成为一片荒漠；3 ) 以资本、资源、机械和技术工人为 主要生产要素的工业经济社会，人类具备了征服与改造自然的欲望和一定的能 力，能够采用各种现代科学技术手段去维护人类的安全，但是也因此造成了日 趋严重的水资源短缺与水污染。可见，人类社会的发展，一方面增强了对保障 水安全的需求；另方面也加大了保障水安全的难度。 2 l 世纪，区域发展中的水安全问题将更加突出，将直接危及人类的食物安 全、经济安全、生态安全、社会安全、国家安全，乃至人类生存安全，并且区 域水安全系统与社会经济以及生态环境系统协调发展的互动影响关系更为密 切。要解决水安全问题和实现区域水安全，以支持和保障区域社会经济的持续 健康发展和区域生态环境系统的良性循环，必须应对以下三个方面的挑战： ( 1 ) 区域水资源匮乏的危机日益严重 水资源是人类生存与发展不可或缺的基础性资源。在工业化进程中，水资 源的不可替代性和稀缺性，将水资源提升到战略性的高度，水资源的安全供给 在保障水安全的同时，也保证了社会经济的可持续发展。联合国在1 9 9 7 年对 世界淡水资源的全面评价报告中指出：“缺水问题将严重地制约2 l 世纪经济 和社会发展，并可能导致国家的冲突 。因此，水资源的供给安全与否，关乎 水安全与否，关乎社会经济可持续发展是否受到威胁，关乎国家安全与否。 2 0 世纪是全球经济和科技高速发展的世纪，特别是人类社会经济的发展， 取得了巨大的成就，人类创造的财富，超过了以前所有世纪的总和。同时，2 0 世纪也是全球历史上人口增长最快的世纪，人口从1 6 x 1 0 9 人增加到6 1 0 9 人。 伴随科学技术进步和生产力水平的提高，人口的急剧增加带来对水资源需求量 的快速增长，人类对水资源和其它资源的开发，达到了前所未有的程度，全球 总用水量从5 7 9 x 1 0 9m 3 增长到3 8 x 1 0 1 2m 3 ，总灌溉面积从4 7 3 x 1 0 7h m 2 增长到 2 3 5 x 1 0 8 h m 2 。 全球淡水资源不仅短缺，且地区分布极不平衡。全球地表河川径流量约为 4 7 x 1 0 1 3 m 3 ，这其中易于被人类开采使用的淡水资源，仅约1 2 5 - - 1 4 5 x 1 0 乃m 3 。 人均约2 0 0 0m 3 淡水资源在空间分布上也极不均匀：巴西、俄罗斯、加拿大、中 国、美国、印度尼西亚、印度、哥伦比亚和刚果等9 个国家的淡水资源，占了 世界淡水资源的6 0 ，约占世界人口总数4 0 的8 0 个国家和地区严重缺水。目 前全球8 0 多个国家的约1 5 亿人口，面临淡水不足，其中2 6 个国家的3 亿人口 完全生活在缺水状态。预计到2 0 2 5 年，全世界将有3 0 亿人口缺水，涉及的国 家和地区达4 0 多个。我国水资源总量为2 8 x 1 0 1 2 m 3 ，占全球水资源的6 ，仅次 于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第4 位，但人均水资源仅为世界人均量的四 分之一，在世界上名列第l1 0 位，是全球1 3 个人均水资源最贫乏的国家之一。 全国6 0 0 多个城市中有一半城市缺水，农村则有7 1 0 7 人口饮水困难。黄河流域 水资源严重短缺，西北内陆河水资源枯竭，这些都严重制约区域社会经济发展， 并导致区域生态环境严重恶化1 2 j j 。 水资源开发、利用、配置、保护和管理的各个环节上，存在的协调性不强 2 和系统的整体功能难以发挥等不合理行为，是造成水资源短缺危机的主要人为 因素。主要表现在：一方面，水资源短缺与用水浪费并存；另一方面，由于受 持续干旱影响、咸潮入侵以及污染造成的水质性缺水，使得一些水资源较为丰 雷的地区，也面临着不可思议的缺水困扰1 4 5j 。 考虑上述影响因素，2 l 世纪的水资源，正在变成一种宝贵的稀缺资源，水 资源问题已不仅仅是资源问题，更成为关系到国家经济、社会可持续发展和长 治久安的重大战略安全问题。 ( 2 ) 区域水生态环境恶化问题 伴随着经济的高速发展，当前的水环境污染己经对世界经济和人民生活构 成很大威胁，区域水生态环境恶化的形势极其严峻。据统计，当前世界的淡水 资源大约有三分之一受到工业和生活污废水的污染。尤其在发展中国家，各类 疾病中有8 是由于使用了不卫生的水而传播的，每年约有2 5 1 0 7 人死于不洁 水中的病原体和污染物造成的疾病，占发展中国家每年死亡总人数的三分之一。 在我国，随着工业化和城市化的发展，目前我国七大江河流域和部分淡水 湖泊的水质均已遭受不同程度的污染，水体功能明显减弱。据统计，2 0 0 0 年中 国废污水总排放量为6 2 x 1 0 1 0 t ，经过集中处理达标的只占2 4 。在全国约 2 o 1 0 5 k m 的水质评价河流中，i v 类以上的污染河流占4 7 。全国城市地区的 地表水和地下水水质严重恶化，尤以辽河流域、海河流域、淮河流域的城市地 表水水质最差。而农村地区，由于乡镇企业发展、农业大量使用化肥农药等产 生的污染，使水质恶化和影响范围不断扩大，农产品受污染，人民疾病发生率 增高，生命健康受到极大危害。除此之外，工业化以来，海洋已经成为人们排 放工农业和生活污废水、废渣等废弃物的污水池和垃圾箱。特别是沿海地区兴 建了大批工厂和大规模开采石油，使含有各种有机物及无机盐类的污染物、金 属和石油大量倾泻入海，全国主要河口、海区、海湾、内海和局部海域的污染 日益严重。根据1 9 8 0 年对全国沿海污染源的调查结果，全国每年排入近海的工 业和生活污水达6 6 5 x 1 0 6 t ，大量有毒、有害物质排入近海，这些污染物危害的 范围日益扩大，鱼群大量死亡，生物种类减少，严重影响我国近海生态环境1 6 j 。 2 l 世纪以来，区域水生态环境系统因水质污染退化的现象急速加剧，而人 类对生活质量水平和生存环境条件要求也不断提高，对区域水生态环境系统也 提出更高的要求。因此，无论是内部因素还是外部因素驱动，区域水生态环境 系统的修复和保护等问题都追在眉睫。 ( 3 ) 区域水灾害问题 水灾害是指因水对人类生命财产造成危害的现象，包括因天然降水量过多 引发的洪涝灾害和因天然降水量过少引发的干旱灾害。水旱灾害的影响主要表 现在农业减产导致贫困和饥荒、工矿业资产受损或停产导致城市经济衰退等方 面，造成的破坏和经济损失相当严重。 沿海、河流沿岸及三角洲地区土地肥沃和水资源丰富，有利于农业生产的 发展，有利于人类社会文明进步和繁荣昌盛。以水运为主的商业贸易和工业生 产的发展，进一步使得这些地区的工业化和城市化得以迅速发展。人类在这些 地区的集聚，带来了这些地区的精神文明、社会经济和基础设施等的良性循环 发展，从而形成良好的生存发展环境，而良好的生存发展环境，反过来又不断 吸引人们向这些地区集居。目前，在占全球土地1 0 的沿海、河流沿岸及三角 洲地区，生活居住着超过5 0 的世界人口。预测到2 0 2 5 年，7 5 的世界人口将生 活居住在这些地区。因此，一方面，工业化和城市化的快速发展，人口和财富 在流域中下游、沿海及三角洲地区高度聚集，这些地区因洪涝灾害而导致的人 员和财产损失将大幅增加；另一方面，人类的某些非理性行为，诸如侵占行洪 河道、乱砍滥伐等，更加重了洪涝灾害的影响，造成了这些地区在同等洪水规 模下的洪涝灾害损失剧增。 1 1 2 研究的必要性和可行性 1 必要性 区域水安全问题引起的危机，就其成因包含自然因素和社会因素两个方面。 就自然因素而言，水资源量的供需平衡需满足于自然补给，即经济增长、社会 发展和生态环境等决定的需求量需小于或等于自然供给条件决定的可供给量。 否则，将影响用水需求，引发水安全问题，制约社会经济、生态环境等系统的 发展。此外，社会因素方面，在考虑水安全系统是社会、经济、生态环境系统 构成基础的同时，更加注重反作用于水安全系统的诸多系统的影响，随着社会 经济的不断发展，将提供更多的经济和技术用于水安全战略措施的实施，可使 水安全系统向着良性或恶性发展。可见，区域水安全实质上是这两类因素相互 作用的表现。 区域水安全的传统研究，大多数是将水资源安全、水生态环境安全、水灾 害安全分开进行专门研究。虽然简便直观，易于为分析者接受，但是不能系统 全面地考虑影响区域水安全的要素及层次，及其相互制约和相互作用机制；不 能将水资源、水生态环境、水灾害安全与社会、经济和生态环境系统作为一个 有机联系的整体进行研究。所以，得到的研究结果往往不能真实反映区域水安 全的实际状况。例如，水资源安全的研究，其主要是根据某地区的水资源状况 和特点以及社会经济发展的战略目标，来预计未来水资源可供应量和需水量， 然后反复进行供需平衡分析，确定该地区的水资源的安全现状和对应的开发利 用措施，而不能对水安全的水生态环境、水灾害等方面进行描述和研究。 水安全系统涉及到自然、技术、经济和社会等各个方面，与社会系统、经 济系统、生态环境系统，通过系统中各种因素输出输入各自的信息( 水量、水 质、水生态环境和投资等) 相互联系、相互作用、相互制约、相互交织而构成一 个复杂时变的复合大系统。这个大系统中，社会、经济和生态环境子系统紧紧 4 围绕着水安全这一核心子系统，形成支撑水安全发展的“三角”，整体表现出 类似“方向盘”的逻辑结构关系，如图1 - 1 所示。 人均产值、就业率 吒磊齐、 社会子系统k 社会发展用水 一经济子系统 丁一可 环境需求 境质量 隔歹 生态环境子系统 励效应 图1 - 1 水安全子系统的逻辑结构关系 f i g 1 - 1t h el o g i c a ls t r u c t u r eo fw a t e rs e c u r i t ys u b s y s t e m 在这个类似“方向盘 的大系统中，一方面，各子系统间这种勾连互动关 系使得整个大系统表现出内部结构的复杂性：另一方面，不同的降水年景、不 同时期的社会经济发展水平等因素，又会使整个大系统在不同的时点表现出不 同的状态，使得整个大系统具有时变特征。显然，用以往孤立、静态的观点进 行水安全系统的分析具有局限性，缺乏对区域水安全系统各关联因素内在影响 的模拟分析，缺乏对区域水安全的可持续性评价，带有盲目性。只有将水安全 问题置于水安全与社会、经济、生态环境融为一体的大系统中进行动态的系统 分析与考察，才能达到水安全与社会经济发展安全协调一致的目标。 2 可行性 2 1 世纪全球迅猛发展的高新技术、计算机技术和信息化技术，为定量化研 究水资源安全、。水生态环境安全、水灾害安全，及其与区域社会、经济发展之 间的互动影响关系，仿真评价区域水安全与区域社会、经济耦合的复杂系统问 题，提供了良好的技术基础条件。 1 1 3 研究的科学意义和实践价值 2 0 世纪以来，一方面全球人口的急剧增长以及人类对物质文化生活与生存 环境质量要求的不断提高，推动了城市化进程和工农业经济的发展；另一方面 伴随科学技术的进步和生产力水平的提高，人类征服自然和改造自然的能力大 大提高，在社会经济发展取得巨大成就的同时，区域发展中人类对水土资源开 发利用的某些非理性行为，进一步加剧了水资源短缺、水生态环境恶化和洪涝 灾害等区域水安全问题。人类在审视近百年来在经济与社会领域内所取得的巨 大成就的同时，也在进行着自我反思。2 0 世纪后期，只有一个地球和增 长的极限的发表为人类敲响了警钟，可持续发展战略成为全人类的共同选择， 水安全问题成为可持续发展的核心问题之一。 进入2 1 世纪，区域社会经济发展与水安全之间的互动影响关系将更为密 切，水安全问题己越来越成为直接危及人类的食物、经济、生态、社会和国家 安全，乃至人类生存安全问题。科学合理地解决水安全问题对促进经济社会全 面协调、持续健康发展，维护生态环境系统的持续良性循环有巨大的促进作用。 相反，则会成为经济社会发展的重要障碍，并破坏生态环境系统的良性循环。 2 1 世纪全球迅猛发展的高新技术和信息化革命浪潮，为区域水安全与区域社会 经济发展的互动关系进行动态研究提供了条件。按照全面协调可持续的科学发 展观要求，运用系统全局的思维方法，科学、客观地研究区域水安全问题，系 统有效地解决区域发展中的各类水安全问题，以支撑和保障经济社会和生态环 境的全面协调和持续健康发展，是一个具有全局性、战略性和基础性的重大课 题，具有重要的科学意义。 目前对南方相对丰水地区河流下游及其三角洲地区水安全问题研究相对较 少，而这些湿润地区是城市化和工业商贸经济高度发展的地区，聚集了大量的 人口和财产，带来了新的区域水安全问题：水质性缺水、废污水排放量大、水 生态环境退化、抗灾能力减弱、水灾害损失增大。因此，本文运用所研究的区 域水安全系统动力学( s y s t e md y n a m i c s ，简称s d ) 仿真模型和基于联系数的区域 水安全评价模型( c o n n e c t i o nn u m b e rb a s e da s s e s s m e n tm o d e lf o rr e g i o n a lw a t e r s e c u r i t y ，简称c n a m ) ，对安徽省水安全进行实证研究，并提出解决该地区水 安全问题的实施建议，对该地区具有重要的现实意义和实践价值。 1 2 水安全研究进展和有待进一步研究的问题 区域水安全涉及人口、资源、社会、经济、文化、科技、生态、环境等要 素，是一个复杂的动态系统。为了解决区域发展中所面l 晦的各类水安全问题， 保障区域水安全，各国政府及专家学者开始研究水资源的基本特性，开展了水 安全方面的广泛研究及实践。 1 2 1 水安全理论研究进展 水安全理论的研究起步于2 0 世纪7 0 年代，但真正把水安全作为一个整体 来认识，还是近几年来的事。联合国在1 9 9 9 年世界水日即将到来的时候发出 警告：除非各国政府采取有力措施，否则到2 0 2 5 年，世界上就将有近三分之 一的人1 2 1 ( 2 3 亿) 无法获得安全的饮用水。并在此后的海牙世界部长级会议、瑞 典斯德哥尔摩世界水讨论会、波恩国际淡水会议等国际大型会议上不断的探讨 6 水安全问题，可见国际组织对水安全的关注程度越来越强烈。 在联合国和世界首脑会议的推动下，自1 9 9 3 年起，每年的3 月2 2 日为“世 界水日 ，并于1 9 9 6 年成立了世界水理事会，决定从1 9 9 7 年开始每隔3 年举行 一次大型国际水会议一一世界水论坛及部长级会议。这是目前关于世界水安全 问题的最高级别会议，表达了各国政府对水安全问题的重视和承诺。如2 0 0 0 年 3 月通过的海牙世界部长级会议宣言的题目也是“2 l 世纪水安全 ，宣言中提 供的水安全含义是：确保淡水、海岸和相关的生态系统受到保护并得到改善， 确保可持续性发展和政治稳定性得以提高，确保人人都能够得到并有能力支付 足够的安全用水以过上健康和幸福的生活，并且确保易受伤害人群能够得到保 护以避免遭受与水有关的灾害威胁，但常规模式不是我们的选择。该宣言将水 安全置于可持续发展和政治稳定的情况下进行概括，将与水有关的灾害作为水 安全的内容之一。同时，该宣言还明确提出了实现水安全面临的挑战为满足基 本需要、保证食物供应、保护生态环境、共享水资源、控制灾害、赋予水以价 值、合理管理水资源等7 大方面【7 1 。 瑞典斯德哥尔摩召开的世界水讨论会主题是“2 1 世纪水安全 ，提出要用 创新思想解决2 l 世纪水安全问题。斯德哥尔摩国际水讨论会从1 9 9 1 年开始每 年举办1 次，到2 0 0 0 年已经举办了l o 次，它已成为世界上有关水资源开发、利 用、节约和保护、管理的最有影响的论坛之一。1 0 次水讨论会的主要贡献是： 逐渐认清了水问题的历史教训，探明了水管理的发展方向。水是社会、经济 发展和提高生活质量的关键因素，要用水资源的可持续利用支撑国民经济的可 持续发展，水量不足和水污染制约着可持续发展。用机能整体性方法管理水 质。由陆地向水体排放有毒物质最小化是水质管理的基本原则，要研究实行各 种措施的主要障碍以及克服各种障碍的有效方法，并逐步实施。水土和生态 系统必须统一管理。用创新和革命的方法求得“2 1 世纪水安全”。从1 0 次 会议主题和贡献看，国际水讨论会对水安全的认识经历了一个不断深化的过程， 即从认识缺水、水污染、水管理演进升华到水安全。 2 0 0 1 年3 月2 2 日联合国秘书长安南在世界水日的献词水安全一一人类 的基本需要和权利中也指出：“水安全是人类的基本需要，因此，也是人类 的基本权利。让我们共同庆祝世界水日，让我们重申我们的承诺：为所有 的人提供清洁、安全和有益健康的水 ，安南的献词强调了水安全的重要性， 把“卫生和“公平分配视为水安全。 2 0 0 1 年波恩国际淡水会议认为：以公平和持续的方式利用和保护世界淡水 资源是各国政策迈向更加安全、公平和繁荣的过程中遇到的重要挑战。扶贫是 实现公平和可持续发展的主要工作，水资源在人的健康、生活、经济增长以及 维持生态系统等方面起到至关重要的作用。这里把水安全与可持续发展联系起 来，把维护水安全与扶贫结合起来，充实了水安全的内涵1 8 j 。 7 在国际机构的不断引导和各国政府的广泛支持下，国内外学者对水安全理 论作了许多深入的研究，主要体现在以下四个方面： ( 1 ) 水资源安全研究。当前人们对水安全方面的认识主要从一种资源安全的 角度进行的，水资源安全问题用通俗的话说就是水多、水少、水脏、水浑的问 题。b r o w nlr 和h a l w e i lb 认为水资源短缺将直接影响到食物或粮食安全【9 】。 夏军认为水安全问题通常是指相对人类社会生存环境和经济发展过程中发生的 水的危害问题，而水资源安全问题是其最为重要的一个方面，把水资源安全定 义为在满足生态用水前提下，以可承受的价格，为居民生活和工业、农业、服 务业生产提供符合水质要求的供水【l 训。2 0 0 2 年在山东举行“水资源及水环境承 载能力 学术研讨会，汇集了中国当时水资源承载力理论和实践方面的许多重 要研究进展【j 。洪阳等学者在水资源承载力的基础上讨论中国的水安全【i 引。 ( 2 ) 水环境安全研究。水不仅仅是一种资源，同时也是环境的重要组成部分。 p e t t sge 注意到随着人类影响的加剧，水污染愈来愈严重，河道生态系统结构 的水体功能、水环境逐渐遭到破坏j 。2 0 世纪9 0 年代以来，黄河断流、1 9 9 8 年洪水、北方地区沙尘暴的肆虐、水污染严重，水利部提出在水资源配置中应 考虑生态环境用水。1 9 8 9 年汤奇成等人1 1 4j 首次提出了生态环境用水的概念。方 子云等学者提出水环境不是只与水有关的水体，而是一个与水、水生生物和污 染等有关的综合体，是储存、传输和提供水资源的水体，也是水生生物生存与 繁衍的空间和各种污染物的最终归宿i l5 。 ( 3 ) 水灾害安全研究。早期f r i e n d ( f l o wr e g i m e sf r o mi n t e r n a t i o n a l e x p e r i m e n t a la n dn e t w o r kd a t e ) 行动计划主要是应用国家流量数据库及不同的 研究方法，预测河流的洪、枯流量，研究集中在应用水力学参数研究洪枯流量 【l6 1 7j 。随后f r i e n d 行动计划开始向横向( 东欧国家) 和纵向( 扩大到尺度问题、 方法问题、水质问题、流域问题等) 的研究方向发展，其研究的深度和广度不断 扩大1 1 扰”j 。其中最新的研究成果有：北欧地区枯水流量与干旱研究；南非区域 水资源和干旱评估方法研究；枯水流量时间系列与断流分析；地域性生态水文 学理论和水资源统一管理的论述等。这些研究内容较系统地体现了洪涝灾害、 干旱缺水等水安全问题产生的内在机理，说明水文循环和水文情势的变化是造 成水安全问题出现的主要成因。近年来人们提出了从可持续发展和人水和谐的 角度，去认识、应对和管理洪水安全这一新的洪水安全策略【2 0 2 1j ，指出洪水安 全管理的主体就是防洪体系。 ( 4 ) 其它研究。m a r kr o s e g r a n t 和r u t h m e i n z e dd i c k 注意到了曼谷、雅加 达等地的水安全问题引起的用水卫生问题和生态环境问题，提出了采用新技术 和利用市场机制保障水安全的办法【22 1 。2 0 世纪9 0 年代后，日本十分重视称之 为“健全的水循环系统”研究，即“以流域为整体以自然变化加健全方式的人 类调控的水循环方式，将用水、防洪、治污目标统一协调，使得水能够达到最 8 佳利用的水循环方式 。t o s h i h a r uk o j i r i 在日本水文学与水资源研究进展 1 2 3 l 中提出了流域水资源统一管理与径流模拟和方法的优化相结合，建立包括洪 水、干旱、河流景观、舒适度等因素的目标函数，用混合优化法与模糊评价和 遗传算法优化相结合的“健全的河流流域”模型，将水的文化价值、环境价值 与水质、水量相提并论，将生态环境纳入水安全的研究范畴，为研究和评价水 安全提供了很好的启示和可供借鉴的途径。 1 2 2 水安全评价研究进展 由于水安全的概念还不够清晰，目前的水安全评价指标体系的建立和评价 的方法多种多样。总结国内水安全评价使用频率较高的大约有3 0 个指标1 2 4 , 2 5 】， 常用的评价方法包括： ( 1 ) 压力指数法。贾绍风等详细阐述了人类对水资源压力大小的指标一一 区域人均水资源量和水资源开发利用程度，并在此基础上从水资源总体安全、 水资源社会安全、水资源经济安全、水资源生态安全四个方面建立区域水资源 安全评价指标体系1 7j 。 ( 2 ) 模糊数学方法。水系统是一个复杂开放的动态巨系统，一方面，水系 统自身具有随机性、模糊性、灰色性等多种不确定性；另一方面，人类的介入 和影响，进一步加大了水系统的模糊性和不确定性。水系统内部因素间层次关 系因为众多因素之间复杂的因果表达关系而表现为不确定，用常规的经典数学 方法对这类系统进行描述往往难以取得较好的效果，而模糊数学方法却能弥补 这一缺陷。目前最常用的方法是采用模糊方法通过隶属函数来定量化处理不确 定性问题。该方法大多以多层次模糊综合评价方法为主，特点是能够将定性、 定量指标进行量化。如韩宇平等将水供需矛盾、生态环境、粮食安全、饮用水 安全、控制灾害、赋予水价值和水资源管理等方面作为水安全的内容，建立具 有层次结构的评价指标体系，利用多层次多目标决策和模糊优选理论，并采用 客观赋权法一一熵值法来计算各目标的权系数，建立了区域水安全评价的模糊 优选模型对区域水安全进行评价1 2 引。 ( 3 ) 属性识别方法。张龙云等应用属性识别理论，建立了水安全评价的属 性识别模型，通过对各方案各指标属性测度的计算，结合熵值法确定权重，为水 安全评价提供了一种行之有效的途径。最后应用山东省的资料对模型应用过程 作了详细说明。结果表明，评价结果符合实际 2 7 j 。 ( 4 ) 物元分析法。李如忠基于水安全概念的模糊性和单项指标评价结果的 不相容性，在物元分析的基础上，结合模糊集理论和欧氏贴近度概念，建立了 区域水安全评价的模糊物元模型，并将该模型用于中国部分省级行政区域的水 安全评价。通过实例研究表明，运用模糊物元模型评价区域水安全状况，方法 是可行的，结论是可靠的1 2 8 1 。 ( 5 ) 集对分析方法。s p a 是2 0 世纪8 0 年代末我国学者赵克勤提出的新的 9 不确定性理论一一集对理论( s e tp a i ra n a l y s i s ，s p a ) ，其核心思想是把被研究的 客观事物的确定与不确定性视作一个确定不确定系统。在这个系统中，确定性 与不确定性互相影响、互相制约，并在一定条件下互相转化，用一个能充分体 现其思想的确定不确定式子( z = 口+ b i + c j ) 来统一地描述各种不确定性，从而 把对不确定性的辩证认识转换成一个具体的数学工具。卢敏等利用集对分析理 论描述水安全系统中存在的不确定性问题，提出了基于集对分析的水安全评价 法。该方法用联系度去描述有关不确定性问题，充分利用研究问题中所包含的 信息，不仅能反映评价区域的水安全趋势，还避免了以往评价需要计算权重的 问题。应用结果表明，该分析方法简单实用，可用于区域水安全的分析评价【2 引。 ( 6 ) 系统动力学方法。系统动力学( s y s t e md y n a m i c s ，简称s d ) 是一种定性 与定量相结合、系统、分析、综合与推理集成的方法，能够全面模拟分析各类 复杂系统的结构与功能的内在关系以及模拟不同决策下的长远动态，擅长处理 高阶、非线性问题，可以较好地把握系统的各种反馈关系，适宜于客观的长期 动态趋势