流域水环境管理模式及其支持系统，本文主要内容关键词为：流域论文,管理模式论文,支持系统论文,水环境论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 引言
河流的流域，是由山脊分水岭(Watershed)划分开来的独立的区域，尤其对于封闭的流域更是如此。水在流域的上、中、下游之间，河流和地下水之间以及各种用水单元之间进行着复杂的交换，构成了一个网络，任一环节的变化都可能影响整个水系统的状况。另一方面，流域不仅在水环境、水资源方面相互关联，甚至在文化、风俗等社会方面往往具有一定的类似性，E.Odums指出：“流域是一复杂的自然－社会系统(Natural-Societal Systen)，是一最基本的生态单元”。因而水环境管理是一以流域为最大空间单元而展开的复杂的系统工程。
流域水环境管理是考虑水的循环特性，把社会经济发展、水资源开发分配、水的利用、污染控制等各部分视为一有机整体，且主要以流域做为空间边界，同时兼顾位于流域内各具特性的不同区域的战略性的、诱导型的规划、决策过程。作为流域水环境管理的支持系统，需要不断地与外界环境物质、信息和能量的交换。在动态多变的环境下，管理方案的决策要保持有效性和适应性，不仅要适合水环境系统自身的发展变化规律，还要能不断地自我完善，调整水环境系统管理的方式及目标。
2 流域水环境系统管理的特点
2.1 “质”“量”统一性
“量”和“质”是水这一客体的两个方面，撇开质而谈量，或撇开量而谈质都是片面的甚至是毫无意义的，必须把量与质同等看待，统一处理。为此，为了较为合理而完善地解决水资源危机及水污染问题，仅把社会经济发展、水资源开发、水的分配、水的使用、污染控制等各部分进行单独的或部分联合的处理都是片面的，应在水资源开发、分配规划与水污染控制规划的基础上进一步把各部分视为水环境系统这一整体的几个相互联系、相互影响、具有复杂的反馈关系的有机环节，进行综合处理（如图1）。
图1 流域水环境系统结构
2.2 流域管理和区域管理相结合
把流域视为最大空间的单元，并把其做为“均质体”处理，同时考虑位于流域内各具特色的不同区域，是流域水环境管理的基本特点。
一般而言，系统空间边界的确定应考虑以下几个基本原则：(1)存在共同问题的区域。(2)为了实施某些对策、措施必须考虑的区域。(3)对策、措施的效果所波及、影响的区域等。
进行流域水环境管理时，一方面，把流域视为一“均质体”，即不考虑位于流域内的不同区域的差异。这样可以分析整个流域水环境－水资源－社会经济之间相互作用及发展趋势，及一些宏观的对策，为高层管理者提供建议，为流域发展制定基本的方针政策等；另一方面，由于水的需求及污染状况都具有较强的区域性，为了更深刻认识水环境系统的机制，应站在流域水循环的角度，综合考虑位于流域内的各具特性、各具较独立的发展目标的区域，以及区域间的相互影响，相互作用。只有这样，才能使流域水环境管理作到“流域－区域”综合协调，针对性更强，更为具体地指导下一层次的管理。所以，流域水环境管理从空间上而言形成“流域－区域”两个层次的递阶结构。
2.3 流域水环境管理的层次性
相应于管理规划的时间跨度、层次、及处理问题的详细程度，常把管理决策分为战略层、战术层、设施层等过程及形式，这是一从粗到细，从长期到中期、近期逐渐具体化的过程。其中战略层是考虑区域的特性以及约束条件，提出达到战略目标（目的）的具体手段，并对其关联性、规模及实施的顺序进行综合考虑，从而建立管理决策的框架，对进一步的方案决策给予约束和控制，战略层在整个管理决策的过程中是最为重要的一个环节。没有战略层指导的具体规划管理是盲目的，常常会引起局部与整体、近期与长期的矛盾。因而，流域水环境综合管理主要着眼于战略性的规划和管理，诱导整个流域－社会经济稳定持久的发展。
3 流域水环境系统管理的数学描述
根据流域水环境管理的特点，为了制定流域环境规划方案，必须由不同层次、不同部门的利害关系者共同参与。为了进一步理解流域水环境管理的内涵，把其进行如下的数学描述：
3.1 进行流域水环境管理的主体，是由几个不同的社会部门所构成，设其集合为：
I=｛1,2,…n｝
3.2 不同主体，或决策者(Decision Maker)各自具有若干个方案（对策）可供选择。
如：水污染控制方案，用水节水方案，社会经济发展速度等。
设主体i的代替方案的集合为A[i,]=｛a[i,]b[i,]…｝i∈I
3.3 不同主体、各自选择某一方案后，会对整个流域水系统产生一定的影响：
X=｛x,y,……｝即存在映射f。
f:A[1,]×A[2,]×…×A[n,]→X
其影响结果通过流域水环境管理的目标体系E来度量。
E=｛E[1,]E[2,]…E[m,]｝
3.4 不同主体（或决策者），由于其利害关系不同，必然会对方案的后果持不同的态度，即对X有一定的选好关系（或其它顺序关系）。
因此，流域水环境管理可以表示为：
（其中：Sat.表示Satisfaction,Comp.表示Compromise）
流域水环境管理的研究，就是研究如何合理而有效地寻求A[1*,]×A[2*,]×…×A[n*,]及其过程的研究。
4 流域水环境管理支持系统的内涵
流域水环境管理支持系统，是以流域水环境管理的特点为基础，根据决策者的价值观和规划方案的信息，利用现代数学手段和计算机技术开发的辅助决策的支持系统。
正如前述，在动态多变的环境，规划方案要保持有效性和适应性，不仅要适合水环境系统自身的发展变化规律，还要能不断地自我完善，调整水环境系统管理的方式及目标。因此，流域水环境管理支持系统——RWEMSS(River Water Environmtal Management Support System)应具有自组织的能力。这种系统由于具有不可控和不可预测的输入，系统内部变量众多、关联复杂以及包括非结构化的多模式的运动结构，系统的总体宏观性能不完全或不主要取决于各子系统本身的性能。随着水环境系统本身的发展及各种技术的更新，以及外部环境与内部能力的不确定性，系统的空间不断扩大。上述特点会直接或间接地影响到RWEMSS。微观研究、宏观调控是流域水环境系统管理的重要特征，在充分挖掘各子系统在实现水质、水量目标过程中的创造性时，既允许有一定程度的冲突存在，又具有科学而强有力的宏观控制。各子系统及其利益集团竞争、冲突表现为系统的无序，通过协调达到新的更高水平的统一，又表现为有序。这种冲突与统一、无序到有序的过程，反映了流域水环境系统信息流动过程中的矛盾的对立和统一。
RWEMSS的核心任务，是促进上述对立的统一。这里，流域水环境系统决策模式的研究及其RWEMSS的分解与协调是一个关键问题，因为它们是系统管理实施的关键，同时贯穿了M(Management)、S(Support)，S(System)三个方面，是目前MSS技术发展对策的试验性探索。应该指出，系统分解得越细，系统越灵活，维护也方便，但却给协调带来了困难，从而降低了RWEMSS的效益，合理的结构应该权衡上述两方面的关系。
5 流域水环境系统的决策环境模型
根据系统管理的内涵，流域水环境系统管理决策过程为：流域水资源保护领导小组（国家环保部门、国家水利部、国家计委等），面对各种可行方案，选择出一个满意的方案。决策的本质是分配资源，决策的基础是信息，决策的依据是决策者的价值观。RWEMSS的任务是采集、提炼信息，辅助可行方案的制定；根据决策的价值模型，支持决策过程的分析。在流域水环境管理数学描述的基础上，进一步细化后可将流域水环境系统决策描述如下，其概念模型可描述如图2。
图2 流域水环境系统决策环境描述
5.1流域水环境系统决策环境模型描述
RWEMSS可描述为Sd=(U,Y[,I],X[,s],A,G,β,M,D,V)
其中：U
U，U是总外部信息集合，U是同流域水环境活动有关的外部信息集合（包括人口规划信息，经济规划信息等）。
X[,I]U,X[,I]（工业、农业、生活的排污量、需水量等）是U的预测，即β:U→X[,I],X[,I]=β(U)X[,s]是各子系统方案信息集合。A[,m]是协调因子或调整后的子系统目标。M是流域水环境系统管理过程（见图2），它由一些职能部门（如国家环保局、国家计委、水利部、地方政府等）及公众组织组成，M=(F[,i]｜i∈I)，F[,i]是第i个职能部门的功能。
Y[,i]∈Y[,I],Y[,I]是水环境系统内部状态信息集合。如污水处理能力，水资源利用率，供水能力，污水回用水平等。AA是总方案集合，A是可行方案集。G是目标函数，如水质，水量目标及费用最小等，
G:X[,I]×Y[,I]×A→R[1,]V是价值函数，V:Y[,I]→R则决策D为
S[,d]是一个复杂的开放系统，因此，它受Simon的有限合理性约束(Roumded Rationality)，只能求得满意解a[*,]:D(X[,1])=｛a[*,]∈A｜G(a[*,],X[,1])>A(X[,1])｝A(X[,1])是决策者的期望函数。
5.2系统分解
分解指的是对RWEMSS这一复杂的开放系统，在功能逻辑层次上的分解，作为开放系统，首先要争夺和利用外部资源及信息，为此，系统分解应从与水环境系统有关的外部独立信息展开，把独立的外部信息作为系统的输入，即：S=｛(X[,i],S[,i])｜i∈I｝,X[,i]∩X[,j]=φ,i≠j｝
其中：X[,i]为第i类与水环境系统有关的外部信息，如：流域总体规划信息（工业、农业、人口）的需水量（质）、排水量（质）、技术、政策信息等。
S[,i]为与第i类信息有关的子系统，如水污染控制子模块，用水分析子模块，供水能力子模块等。I为整数指标集合。S[,i]仍是变量众多、关联复杂、具有非结构化的复杂系统。因此，对S[,i]需进一步分解，为此，必须进一步研究外部信息X[,i]。
X[,i]是随机变量，定义在概率空间[Ω,P(·)]，设其概率分布函数为P(X[,i])，则X[,i]的信息量I为：I(X[,i])=-∫ΩP(X[,i])logP(X[,i])dx[,i] (1)
现对P(X[,i])在其平均值点X[,i]处按台劳级数展开，并设P(X[,i])各阶导数存在，则有：
对上式取数学期望得：
其中P(X[,i])是平均值。P(X[,i])是协方差及高阶矩之和。将(2)代入(1),化简后得到:
I(X[,i])=I(X[,io])+I(X[,iE])
I(X[,io])、I(X[,iE])的物理意义是：I(X[,io])是外部信息X[,i]中可以预测部分的信息量，例如宏观经济发展信息、人口规划信息等；I(X[,iE])是外部信息X[,i]中不可预测部分的信息量，例如暴雨径流的随机性、突发性污染事故等。它们都是客观存在的。I(X[,io])是Si子系统制定规划的依据，I(X[,iE])则是S[,i]应变能力所应具备的能量。
RWEMSS的主要任务是在系统的空间与时间上最优利用各种资源，这些资源可以分为内部能力资源与外部信息资源。I(X[,io])和I(X[,iE])就是外部信息资源的数学描述，作为开系统，首先应该重视它们。
相应于规划的时间跨度、层次及处理问题的详细程度，我们常可把S[,i]分解成三个层次，即：
S[,i]=｛S[,ip],S[,im]，S[,ie]｝其中，S[,ip]为第i个子系统的战略层。S[,im]为第i个子系统的战术层。S[,ie]为第i个子系统的设施层。
为了进一步分析S[,ip]、S[,im]、S[,ie]，不妨设S[,i]为水污染控制子模块，X[,i]为排污负荷信息、流域水体环境容量信息及用户的水质需求信息之总和，这种假设不失一般性。
5.2.1 战略层S[,ip]
图3 S[,ip]系统状态图
该层主要是依据(X[,io])（流域水环境系统的外部特性以及约束条件）提出达到规划目标的具体手段并对其关联性、规模及实施的顺序进行综合考虑，从而建立规划的框架，对进一步规划给予约束及控制。即：
S[,ip]=｛X[,io],I[,p],β,X[,i1]｝
其中，X[,io]为S[,ip]系统输入信息集合，即排污负荷信息。
X[,io]∈R[3,],X[,io1]为工业排污负荷信息，X[,io2]为生活排污负荷信息，X[,io3]为农业（及畜牧）产污负荷信息。
X[,i1]∈R[3,]为S[,ip]系统输出状态信息集合，亦即治理后的污水排污量（或允许排污负荷），其中X[,i11]为污水处理率，X[,i12]为污水日用水平，X[,i13]为实际排污量。X[,i11]∈R[3,],R[1,]为工业废水,R[2,]为生活污水，R[3,]为农业面源。
X[,i12]∈R[2,],R[1,]为回用于工业,R[2,]为回用于农业。
I[,p]为系统S[,ip]从状态X[,io]→X[,il]变换所需的信息集，如资金筹措信息、目标价值信息、技术能力信息等。
β:X[,io]→X[,i1]系统S[,ip]状态图为图3。S[,ip]初始信息流图如图4所示。
图4 S[,ip]的初始信息流图
5.2.2 战术层S[,im]
该层依据X[,i11]制定各种资源（资金、技术、信息）的利用及分配计划，S[,im]=｛X[,i1],I[,m],M,X[,i2]｝其中，X[,i1]是系统S[,im]的输入，即污水（废水）的处理率的控制水平。
X[,i2]是系统S[,im]的输出状态，这里是为实现X[,i1]所需的各种资源（资金、工艺技术）计划。
M:X[,i1]→X[,i2]
I[,m]为支持变换M的信息集合，如技术能力信息等。
S[,im]之主要功能是水污染控制和计划的进一步分解，前者主要解决外部需求信息、内部能力信息的不确定部分，后者是根据污染控制的手段分解成零部件以便具体执行。具体而言，这一层应落实到污水集中处理规划、工业废水预处理规划、面污染源控制规划及河道就地治理能力规划一级。
5.2.3 执行层（或设施层）S[,ie]
S[,ie]=｛X[,i2],I[,E],C,X[,i3]｝其中，X[,i2]是各种治理策略计划以及资源分配计划。X[,i3]是各种作业指令集合。C:X[,i2]→X[,i3]I[,E]是支持C变换所需信息，这里是执行层的工艺流程、设备状态等。
这层应该根据不同子系统S[,i]的具体操作内容组成基本单元(cell)，这种Cell应有较强的适应外部环境变化的能力。
上述从系统科学角度分析而得的三个层次的结论是与我国水污染控制管理的发展方向是一致的。
5.3 系统的协调
开系统的功能，一定程度上取决于子系统之间的关联。因此，子系统（或子模块）之间的协调是保持RWEMSS总体最优的关键，也是保证规划方案具有适应性、有效性的重要手段，协调指的是，在不同的时空层上的协调，主要是战略层（或计划层）之间的协调，与管理层（即战术层）之间的协调。
5.3.1 战略层之间的协调——多准则综合平衡
各子系统的战略层（或计划层）S[,ip]利用与该子系统有关的外界信息X[,io]来制定计划，这是一项创造性的工作，应保证其可行性及有效性。值得指出的是，在成立了一流域水系统的高层协调机构的前提下，水污染控制规划应由环保部门负责研制，用水规划及供水规划应分别由经济部门及水利部门来作，有关金融投资问题应与财政部门联合来作。这样才可能使可行方案中尽可能不漏掉好方案，同时，也保证了方案的有效性。但是，各个部门以及与方案实施有关的各个团体的目标及价值观是不同的，甚至是相互冲突的。因此，协调是按目标可达性、公平性原则及管理部门最高层的价值观来进行的。设决策机构评价方案优劣的准则集合A=｛A[,i]｜i∈I｝其中，A[,i]为第I个准则，例如：投资费用最小，水满足率最大，水质达标率最大，公平性原则等。一般A是树型结构。A=｛[V[,i],r(V[,i])]｜i∈I｝其中V[,i]为第I个结点，即第I个目标。r(V[,i])为结点I所包含的树枝树，即子目标的数目。设方案集合为P=｛[P[,i],｜i∈I]｝，则有A=F(P)，其效用函数U(A)为U(A)=U[F(P)]则多目标综合平衡为
P为可行方案集合。
5.3.2 管理层（战术层）之间的协调——资源分配过程中的横向协调
所谓资源分配，有两方面的含义，一方面是资金、技术设备的分配，亦即根据区域各自的特点，分清轻重缓急，分配资金和技术；另一方面是可用水资源、污水负荷资源及目标可达性责任的分担，亦即根据流域水循环的特性，以兼顾“公平”和“效益”为原则，在区域内分配水资源和污水负荷等。
资源分配中的横向协调，其目标是JIT(JUST—IN—TIME)，亦即保证在合适的时间有合适的水质、足够的水量满足既定的用途，从而使整个水环境系统运行经济。
6 结语
流域水环境系统是一复合的生态系统，不断地与外界环境进行物质、信息和能量的交换，随机性、动态性、非线性是这一系统的固有特性。对于这样一个多层次、多因素的随机动态的复杂系统，至今还没有形成从微观到宏观的理论，没有从子系统相互作用出发，构筑出来的统计力学理论，以便对流域水环境系统进行综合管理、综合决策。
图5 金字塔式结构 集成化开放结构
微观研究、宏观调控是流域水环境系统管理的重要特征，在充分挖掘各子系统在实现水质、水量目标过程中的创造性时，既允许有一定的程度的冲突存在，又具有科学而强有力的宏观控制。各子系统及其利益集团竞争、冲突表现为系统的无序，通过协调达到新的更高水平的统一，又表现为有序。这种冲突与统一，无序到有序的过程，反映了流域水环境系统信息流动过程中的矛盾的对立和统一。
通过本文的分析确立了水环境管理模式、流域水环境系统决策模式，提出了RWEMSS结构。开系统RWEMSS的结构与传统的金字塔式结构不同，而是如图5所示的系统(INTEGRSTED)的开放式结构。三个子模块、三个层次、二级协调。这种结构既充分发挥了各个体系（子系统）的优越性，通过二级协调又保证了整个流域水环境系统运行经济。