3.4.1.1　可持续性的概念

可持续是对区域水资源系统不断提供一定数量和质量的产品和服务能力的辨识,是特定区域内水资源提供的产品和服务在时间序列上变动的程度和规模的描述。可持续性评价建立在对可持续性不同的理解基础上,这个理解基础就是有关水利的各种理论学说:传统水利、工程水利、资源水利、现代水利和可持续发展水利等。

水资源的持续性,不仅是自然科学的标志,而且是一种评价尺度。它是人类与水生态系统打交道的行为准则,长期保持水资源系统的多种效用以满足当代人和后代人的经济、社会和文化的需要。

可持续发展水利是水利可持续发展的必然要求,它把持续性评价推向一个新的阶段。可持续水利丰富了持续性的内涵,这种持续性强调,在时间尺度上,当代人的需求不能危害和削弱后代人满足其对水资源系统及其产品或服务需求的能力；在空间尺度上,特定区域的需求不能危害和削弱其他区域满足其需求的能力。既满足当代人的需求,又不对后代人满足其需求能力构成危害的水利。确保任何水资源的利用都是可持续的管理。有了可持续发展水利这个理解基础,我们不难归纳出区域水资源可持续发展的定义:区域水资源的可持续发展就是既满足当代人对水资源的要求,又不危害和削弱后代人满足其对水资源的需求；既满足特定区域内的人对水资源的需求,又不危害和削弱其他区域的人对水资源的需求的发展。这就要求我们既考虑局部利益,又兼顾全局利益；既考虑当前利益,又统筹长远利益；也就是说区域水资源在空间上要保持区域与区域之间平等的发展机会,在时间上要保持当代人和后代人之间的公平的发展机会。

3.4.1.2　可持续发展的动态评价

区域水资源可持续利用的测度研究目的还非常薄弱,也就是说从发展可持续性的角度来分析区域水资源总体警素的预警问题还缺少厚实的理论依据和实践基础。但区域水资源的外部环境即整个区域的可持续发展测度研究目前已经广泛开展,已有不少可以借鉴的成果。从定性分析到定量评价,从单一综合指数到多维指标体系,从区域可持续发展测度到特定领域可持续发展评价都有人作过探讨。

目前流行的可持续发展评价指标如协调度 (DH)和可持续发展度 (DSD)等都以静态评价为基础,虽然有人作过动态的预测,但仍停留在静态判断的层面。可持续发展是一个动态的过程,而不是一个状态,十分强调时间序列上的公平和协同,因此静态评价难免就会产生两个问题:

首先,静态评价给出的可持续发展判据缺乏科学的理论依据。可持续发展的静态评价通常采用多层次的多维指标进行综合评定,以0.7作为发展是否可持续的临界值。当所有的评价指标处于理想状态时即当越大越好的指标为1,而越小越好的指标为0时,综合评价指标为0.7。这样看来,任何一个评价对象都不可能持续,因为当所有的指标都处于理想状态时,这种理想状态就不能称其为理想状态,否则可持续发展之时便是发展停止之际。事实上,当某种指标达到理想状态时,人们会提出更高的要求,这就是人类发展的动力,这就是单一的Logistic曲线不足于揭示人类发展规律,而复合的Logistic曲线才表达了人类发展螺旋上升不断开拓的原因。目前,以静态评价为基础的大量可持续发展测度研究中,还未曾有人报导某个评价对象处于可持续发展轨道,这显然不符合实际。

从预警角度看,既然评价之前就已经知道系统处于不可持续的状态即系统的总体警素有警,那么只要作出适当的调整即可,也就没有预警的必要,因此从发展可持续性的角度研究总体警素是不可行的。

另外,静态判断发展是否可持续会引起很大的争议,因为综合评价指标值的大小不仅取决于评价指标的取舍,更取决于参考值的大小。所谓参考值就是指标的合理和理想状态,但是合理和理想大都来自某个定性的结论,比如“十一五计划”、“2020年远景规划”等,总之,它们伴有浓厚的主观色彩。只要人为降低参考值的标准,不可持续就成了可持续；参考值标准的提高又可以使可持续变成不可持续。

区域水资源可持续利用的核心内容是“协同”和 “公平”。根据我们提出的区域水资源系统的“三元论”,这里的协同是指区域水资源系统的社会过程、经济过程和生态过程的紧密耦合,区域水资源系统的社会效益、经济效益和生态效益的协调发挥,区域水资源系统的社会进步目标、经济增长目标和资源保护目标的同步实现,区域水资源系统的结构、功能和效益的密切协同。

18世纪法国哲学家梅利叶指出,不公平是这样一种状况:它使一些人过高,而使一些人过低；一些人所得太多,另一些人一贫如洗；一些人身上集中了一切福利和享受,一切权利甚至游手好闲,另一些人却接受着所有的不安和生活的不快。不公平是人类的一种祸害,它一方面造成骄傲、自大、虚荣和傲慢；另一方面生产着嫉妒、愤恨、报复和埋怨等情感,后来就成了世界的无数罪恶和暴行的源泉与原因。这里的公平内涵更为丰富和广泛,在层次上,既包含人类与其他物种之间的公平,又包含不同人群之间的公平；在时间上,既包含当代人之间(Intra Generation)的公平,又包含当代人与后代人之间 (Inter Generation)的公平；在空间上,既包含区域 (Intra Region)的公平,又包含不同区域之间(Inter Region)的公平；在内容上,既包含水资源经济利用和物质财富分配的公平,又包含水资源外溢的社会效益和生态效益享用的公平等。

区域水资源可持续发展的评价指标体系 (见图3.9)和三个综合评价指标:发展度ID、协调度IH和耦合度IO如图3.9所示,其中,ID主要反映区域水资源系统的发展水平,IH主要反映区域水资源系统三个过程的协调程度,IO主要反映区域水资源系统在一定发展水平上的协调程度,但它们都基于主要反映区域水资源系统经济过程的增长度IE、社会过程的满足度IS和生态过程的持续度IB,只是综合的算法有别。

图3.9　区域水资源可持续利用的评价指标体系

假设反映区域水资源系统经济过程增长情况的状态函数为:E(x1,x2,Λ,xn,λ,t)=E(t),主要反映区域水资源系统社会过程满足情况的状态函数为:

主要反映区域水资源系统生态过程持续情况的状态函数为:

因为经济过程增长度IE社会过程的满足度IS和生态过程的持续度IB都是相应状态函数在某一时间尺度上的累积量,因此有:

其中,xi为经济过程的状态变量；yi为社会过程的状态变量；zi为生态过程的状态变量；λ、μ 和ν 为参数；to为时间尺度的起点；t为评价时点。

在理论上,一旦确定了状态函数:E(x1,x2,Λ,xn,λ,t)、S(y1,y2,Λ,ym,μ,t)和B(z1,z2,Λ,zl,ν,t),即可得到相应的评价指标:IE、IS和IB。但是状态函数具体表达式的确定非常困难,因为它们只是抽象的概念式。一个现实可行的做法是通过一系列的指标来反映IE、IS和IB。

假设有n个指标:IE1,IE2,…,IEn可以衡量IE,则有:

显然有0≤IE≤1,而且IE的值越大,评价系统越理想。

同理,可以得到IS和IB。

为了得到综合指标:发展度ID、协调度IH和耦合度IO,我们首先对区域水资源可持续利用的评判准则进行几何解析如图3.10所示。

图3.10　区域水资源可持续利用评判准则的几何解析示意图

O 表示评价系统在特定时间尺度的起点即tO,S 表示评价系统在特定时间尺度的终点即tS。假设经济过程的增长度IE、社会过程的满足度IS和生态过程的持续度IB同等重要,直线OS 的方程为X=Y=Z,即评价系统的社会过程、经济过程和生态过程完全耦合即同步协调发展。如果评价完全沿直线OS 发展,则表明该系统处于理想的可持续发展轨道,评价系统在t1时刻的状态点为S0,然而现实情况通常如点S1或S2,一般即偏离了理想的可持续发展轨道。如何定量描述这种偏离可持续发展的情况呢?

定量描述模型可以有三类:

(1)向量式:发展度ID=(IE,IS,IB)T,即对IE、IS和IB的评价信息不作任何处理；

(2)直线式:发展度ID=WEIE+WSIS+WBIB,其中,WE是IE的权重,WS是IS的权重,WB是IB的权重,WE+WS+WB=1；

(3)曲线式:发展度这只是曲线式综合的一种数学表达式,还可以是ID= IEISIB等。

显然,我们可以用空间距离来定量描述这种偏离可持续发展轨道的情景。

假设状态点S1的空间坐标为(IE,IS,IB),则:

为了使0≤IH≤1,而且IH的值越大,评价系统越协调,将IH调整为:

t1时刻的耦合度:IO=WDID+WHIH,其中,WD为ID的权重,WH为IH的权重,WD+WH=1,如果ID和IH对于耦合度IO同等重要即WD=WH=0.5,则有:

我们从空间距离的角度得到了发展度ID、协调度IH和耦合度IO简单且科学的算法,但并没有给出可持续发展的判据,至此还是属于静态评价的范畴,所以有必要对区域水资源可持续发展的评判准则作进一步的几何解析。

在图3.9中,如果O 表示评价系统在特定时间尺度的起点即t0,S 表示评价系统在特定时间尺度的终点即ts,S0、S1和S2表示评价系统在时点t1处可能的三种情况。区域水资源系统可持续发展评价的三维空间状态点,从t0到t1的变化情况是相当复杂的,因此OS1S2是一个不规则的曲面。但为了便于说明问题,如果以年度为时间单位,在一个相对较短的时间跨度内,比如从t0到t1只是经历了2年,那么我们可以将OS1S2简单平滑为圆锥体。

如果某一评价对象的三维空间状态点,从t0到t1沿着圆锥体OS1S2的表面前进时,发展度ID不断增大,但协调度IH呈减小趋势,虽然某些时点的耦合度IO不会下降,但仍可以判断系统处于非可持续发展的轨道。状态点从t1到ts沿着圆锥体S1S2S 的表面前进时,发展度ID不断增大,协调度IH不断提高,耦合度IO自然呈增长趋势,这就是典型的可持续发展。

如果S 表示评价系统在特定时间尺度的起点即ts,O 表示评价系统在特定的时间尺度的终点即t0。同理,S1S2S 也可以简单平滑为圆锥体。如果某一评价对象的三维空间状态点,从ts到t1沿着圆锥体S1S2S 的表面前进时,发展度ID不断减小,协调度IH不断下降,耦合度IO自然呈下降趋势,这就是典型的不可持续发展。状态点从t1到t0沿着圆锥体OS1S2的表面前进时,发展度ID不断减小,但协调度IH呈提高趋势,虽然某些时点的耦合度IO不会下降,但仍可以判断系统处于非可持续发展的轨道。

为了把直观的几何解析化作具体的代数判断,我们将发展度ID、协调度IH、耦合度IO作时间序列的拓展。

假设有n个指标:IE1,IE2,…,IEn可以衡量IE,如果t年度的n 个指标值分别为:IE1(t),IE2(t),…,IEn(t),则可得到经济过程的年度(Year)增长度YIE(t):

其中,fi(IEi(t))是关于指标IEi(t)的某种度量,如满意度、关联度或隶属度等,它满足:0≤fi(IEi(t))≤1,i=1,2,…,n；

显然有0≤YIE(t)≤1,而且YIE(t)的值越大,评价系统越理想。

同理,可以得到社会过程的年度满足度YIS(t)和生态过程的年度持续度YIB(t),因此:

年度发展度为:

年度协调度为:

其中

年度耦合度为:(www.daowen.com)

下面给出区域水资源可持续发展的评价准则:

对于特定评价时段内任意t1和t2,t2＞t1,如果被评价系统满足:

则称被评价系统在特定评价时段内处于可持续发展轨道；如果被评价系统满足:

则称被评价系统在评价时点t处于可持续发展轨道。

在可持续发展测度研究中,全球环境、社会与经济研究中心 (CSEPGE)的D.Pearce等人 (1970)提出弱持续性 (Weak Sustainability)和强持续性 (Strong Sustainability)两个发展持续性评价尺度。Amsbery J. (1993)进一步提出 “持续性谱”的概念。持续性谱是指从弱持续性到强持续性的整个谱系,提出这一概念的目的是从弱持续性评价准则不断向强持续性评价准则过渡。因此,我们将上述评价准则称为强持续性评价准则(Strong Sustainability Criteria)。

强持续性评价准则还存在一些问题,首先,强持续性评价准则给出的条件过于苛刻,实际情况允许个别年份的年度发展度YID(t)和年度协调度YIH(t)同时或单独有所下降,年度耦合度YIO(t)也可能暂时下降,这是因为区域水资源可持续发展是一个波动式的动态过程。

其次,Forman (1990)指出,可持续发展的状态变量有些是快速改变的,有些是缓慢改变的,正是缓慢改变的基础变量 (Foundation Variables)在可持续发展的时间框架中具有重要的意义。这与哈肯在其创立的“协同学”中所提出的长寿命系统支配短寿命系统、慢变量支配快变量的“支配原理”相一致,这与法国年鉴学派F.布宛尔对支配历史进程的长时段因子、中时段因子和短时段因子的影响作用、限制性和可控性等的论述也相一致。这些基础变量正是可持续发展评价指标的选择依据,事实上,现有可持续发展评价指标基本上是一些缓慢改变的基础变量。区域水资源可持续发展的评价指标尤其如此,因为周期是区域水资源的一大特点。评价指标变化缓慢,年度变化更是微不足道,源于这些评价指标的年度发展度YID(t)、年度协调度YIH(t)和年度耦合度YIO(t)在年度之间的变化更小,因此强持续评判准则实际操作起来就很困难。

可持续发展的核心内容之一是“公平”,主要强调当代人与后代人之间的公平,为此我们提出世代(Generation)可持续发展评价指标。

世代发展度为:

其中,R 是一个世代所占的时间长度,当然这里是指人的世代,而且还要综合考虑世代的连续性和重叠性、生育年龄和开始工作的时间等。R 的计算公式是:

式中:x 为母亲生育每个女儿时的确切年龄；fx为各年龄组妇女生育率； 为女性生命表中的分年龄生存率。

综合各种因素,R 一般定为25年。

A[YID(t),YID(t-1),Λ,YID(t-R+1)],是一种均值函数,考虑到世代间的公平性,或者认为各世代、各年度同等重要,于是可得:

显然有0≤GID(t)≤1,而且GID(t)的值越大,评价系统越理想即世代发展水平越高。

同理,可以得到世代协调度GIH(t)和世代耦合度GIO(t)。下面给出区域水资源发展弱持续性评判准则(Weak Sustainabiliy Criteria):

对于特定评价时段内任意t1和t2,t2＞t1,如果被评价系统满足:

则称被评价系统在特定评价时段内处于可持续发展轨道:如果被评价系统满足:

即

则称被评价系统在评价时点t处于可持续发展轨道。

弱持续性评判准则也不完美,主要是评判的时间跨度太大,即使评价某个时点的发展是否可持续,也要跨越2个时代。这样就会带来许多不利因素,比如评价指标的指标数据采集就很困难,这是我国的统计现实；确实合理的评价标准也很棘手,这是因为人们的价值观念呈阶段性变化,而评价标准与价值观息息相关；评价指标也不是一成不变的,我们认为评价指标应该是稳定性和动态性的辩证统一,在同一世代保持相对的稳定,在世代之间应作适当的调整。为此,我们提出时段(Interval)可持续发展评价指标。

时段发展度为:

其中,P 是世代的某个时间片段,可以将一个世代划分为5个时段即P=5。我们既有长远规划,又有5年计划；每5年发展就要踏上一个新的台阶,而且作为基础数据之一的水资源连续普查数据每5年也作一次全面的更新；因此P=5较为合理。

A[YID(t),YID(t-1),Λ,YID(t-P+1)]是一种均值函数,考虑到时间的公平性,或者认为各时段、各年度同等重要,于是可得:

显然有0≤IID(t)≤1,而且IID(t)的值越大,评价系统越理想即时段发展水平越高。

同理,可以得到时段协调度IIH(t)和时段耦合度IIO(t)。

下面给出区域水资源发展持续性评判准则(Sustainability Criteriai):

对于特定评价时段内任意t1和t2,t2＞t1,如果被评价系统满足:

则称被评价系统在评价时段内处于可持续发展轨道；如果被评价系统满足:

即

则称被评价系统在被评价时点t处于可持续发展轨道。

3.4.1.3　可持续性的指标预警法

指标预警法是实现预警系统的基本方式之一,它利用预警指标的某种反映警级的指数来进行预警,通过预警指标可以发掘警情和预报警度。区域水资源的每个警素往往可以利用若干个预警指标进行综合预警,这样的指标既可以是综合指数 (Combination Index),也可以是抽象指数(Abstrac Indicator),抑或是先行指标(Leading Indicator)等。

区域水资源可持续利用的动态评价指标是指标预警的基础,有了这个基础就可以得到一系列从区域水资源发展可持续性利用的角度研究总体警素的有关结论。

(1)综合指数预警。区域水资源可持续利用的评价指标体系和三个综合评价指标:耦合度IO、发展度ID和协调度IH,以及它们在时间序列上的拓展,如年度拓展:年度耦合度YIO(t)、年度发展度YID(t)和年度协调度YIH(t),世代拓展:世代耦合度GIO(t)、世代发展度GID(t)和世代协调度GIH(t),时段拓展:时段耦合度IIO(t)、时段发展度IID(t)和时段协调度IIH(t),它们构成了区域水资源可持续利用的动态评价体系。

根据可持续性评判准则,如果t年的三个综合指数——年度耦合度为YIO(t)、年度发展度为YID(t)和年度协调度为YIH(t),那么t年是否有警,以及警度如何即预警判断区间如下:

轻警:YID(t)≤YID(t-5)或YIH(t)＜YIH(t-5),但YIO(t)≥YIO(t-5)；

中警:YID(t)≤YID(t-5)或YIH(t)＜YIH(t-5),且YIO(t)＜YIO(t-5)；

重警:YID(t)≤YID(t-5)且YIH(t)＜YIH(t-5)。

(2)抽象指数预警。区域水资源可持续利用的评价指标体系,具有明确的层次性,由上而下不断分解,直到所有的评价指标可以测量为止；由上而下不断综合,直到某个特定的综合指数。然而,综合指数可以如前所述具有具体数值和判断区间的综合指数,也可以是抽象的综合指数。

抽象的综合指数来自评价指标的向量式综合,比如基于区域水资源系统的社会过程的满足度IS、经济过程的增长度IE和生态过程的持续度IB,既可以得到综合指数——耦合度IO、发展度ID和协调度IH,也可以得到抽象指数——AI=(IE,IS,IB)T,根据抽象指数的时间序列数据,应用因子分析,主成分分析等多元分析手段可以得到抽象的综合指数,根据抽象的综合指数在时间序列上的变动曲线,可以分析和判断区域水资源的总体警素是否有警,利用趋势外推等预测方法可以得到区域水资源总体警素的未来走势。抽象指数预警仅作参考,因为具体警度的确定非常困难。事实上,也不必刻意求解警度,因为我们始终坚持“综合”的观点,这样以综合指数为主线,定出具体的警度,然后用抽象指数作侧面论证和具体分析。

(3)先行指标预警。评价指标和指标体系是对评价对象概念的反映,这种反映效力可以用相关系数来衡量,也就是相关系数越高的指标反映效力越大。警素和评价指标的相关是预警的基础,但是在区域水资源系统的发展过程中,与警素相关的指标不可能都是同步的,一种指标变动通常领先或落后于其他指标的变动,而这种变动又可以通过其他相关的变动来预测。因此,警素的发生、发育和突变可以用其他先行指标的变动来反映,紧紧抓住这些先行指标的变动情况,就可以对警数进行科学的预警。先行指标预警又称先导指标预警就是根据先行指标超前于预警对象即警素的这种规律,对区域水资源进行预警。

区域水资源的评价指标如同预警指标一样在时间运行上也可以划分为三种类型:先行指标(Leading Indicator)、同步指标 (Coincide Indicator)和滞后指标 (Lagging Indicator)。当我们对某一警素进行预警时,就要对先行指标进行分析,按照一定的方法进行预警,然后,利用这一警素的同步指标和滞后指标对预警结果进行验证和补充。

区域水资源总体警素与评价指标之间的先导关系是随处可见的,比如水资源量的提高预示着区域水资源系统的生态过程持续度的提高,也预示着区域生态环境的改善:人均供水量的增加,预示着区域水资源系统的社会过程满足度的提高:水利部门社会总产值增长率的增长,预示着区域水资源系统的经济过程增长度的提高等。

一般而言,评价指标应该是些先导指标,至少是同步指标,因为评价很大程度上是为了及时发现问题,如果选用滞后指标就难以实现这种评价目的。因此,我们在评价区域水资源可持续性时,指出了上述分层的先行指标体系。这样,就可以利用上述区域水资源发展持续性的评价指标即先导指标进行预警。

区域水资源可持续性的先行指标预警,不仅需要利用若干先行指标进行预警,而且需要对这些先行指标进行适当的综合。综合的形式有两种:一是扩散指数 (Diffuse Index),二是合成指数(Composite Index)。扩散指数是指全部先行指标个数中处于上升的先行指标个数所占的比重。当这一指数大于0.5时,表示先行指标中有半数以上处于上升,因而也预示警素指标也将上升；当扩散指数小于0.5时,表示半数以上先行指标下降,因而也预示警素指标也将下降。