水资源安全系统具有自组织能力

20世纪70年代以来,当代自然科学前沿出现了一大批像 “耗散结构论”(Dissipative Structure Theory)、“协同学”(Synergetics)、“突变论” (Morphogensis)、“超循环论”(Hypercycle Theory)、“混沌理论”(Chaotic Theory)、“分形理论”(Fractal Theory)以及前面分析的累积效应问题等。这些新兴学科研究的对象尽管不同,但是都具有共同特征,那就是它们都是非线性的复杂系统,或非线性的复杂的自组织形成过程。在这类系统或过程中,颇为引人注目的是自组织系统或自组织过程。所谓自组织系统即指:“无需外界特定指令而能自行组织、自行创生、自行演化,能够自主地从无序走向有序,形成有结构的系统”。或讲:“如果一个体系在获得空间的、时间的或功能的结构过程中,没有外界的特定干涉,我们便说该体系是自组织的。这里‘特定’一词是指那种结构和功能并非外界强加给体系的,而且外界是非特定的方式作用于体系的”。自组织系统和自组织过程其实不仅极为普遍,而且与人类社会关系极为密切。自组织问题就是进化问题,但又不等同于进化问题,它的核心是:为什么在自然界中有大量系统会自发形成具有充分组织性的有序结构,它意味着要对进化的内在机制予以揭示。也就是说自组织理论改变了人们传统科学的思维方式,它强调要从世界的本身去研究世界。

水资源安全系统是水健康循环与运动的系统,前面我们分析过,它包括自然水循环系统与人工水循环系统,是以 “人为主体的复杂系统”,它可以表达为如下形式

式中 Q——广义状态空间；

ξ——序参量空间；

B——广义行为空间；

D——决策空间。

由此看出水资源安全系统不仅包括状态变量,而且还包括行为变量,既有自组织现象,又存在自组织作用。其自组织作用是发生在系统内部,是系统内部人的行为因素来体现的,从这一点看,水资源安全系统完全存在自组织现象,或完全自组织运动。如:水质污染后,系统中的“人”就要采取各种措施消除污染,或把污染与污染损失降到最低程度,同时自然也存在着自净作用。再如水资源的短缺问题,人们感觉到水资源短缺的压力,就要采取节约用水等措施来缓解水资源安全的压力,同时由于人们高强度开发水资源,自然水循环系统也在高强度调整自己,提高其再生能力,地表水与地下水的强烈转换就是很好的佐证。因此,水资源安全系统具有自创生的自组织能力。

系统的自创生(autopoietic)是指在没有特定外力干预下系统从无到有地自我创造、自我产生和自我形成。研究这种系统自创性的理想手段是动力学方法。设有n个系统,各有自己的动力学方程,而且互不耦合。假定从某一时刻起,各系统彼此开始相互作用,每一个的变化都引起其余系统的回应,这种互动互应关系发展到一定程度,总体上可以用一个联立方程组描述。对于水资源安全系统,我们可以用自然循环系统与人工循环系统两个系统进行描述。其水资源安全的动力学方程分别为(www.xing528.com)

由于环境的变迁与自身的演化,二者出现了耦合,运动方程变为

p(X,Y)与q(X,Y)表示水资源自然循环系统与水资源人工循环系统的耦合作用。在数学上,式(5-8)和式(5-9)构成联立方程组就是一个二维系统。广义地说,这就是水资源安全系统的自创生。

对于水资源安全系统自组织性的判据,可以从式(5-1)看出:熵是系统无序程度的度量,即系统内部的物质和能量差异度的度量。只要系统内部存在物理差异,就会有能量迁移、物质扩散或物质和能量的转化现象。组织的建立和瓦解过程都是熵变过程。从无组织到有组织,从低组织度到高组织度,是系统的反熵过程。因此,自组织是系统在无外界干扰下自我反熵过程。系统内部的能量或物质的集中程度和复杂程度的差异较大,则系统内部的熵较小；反之,则熵较大。也就是说系统的熵的改变量,ds＜0 (减熵)表示组织程度增加的变化,系统的安全性提高；ds＞0 (增熵)表示组织程度减小的变化,系统的安全性降低。

在地球不断接受太阳能并将其作各种转化的过程中,地球的熵值不断下降,相应地其间所包括的物质与能量形成具有结构的、非均匀分布的有序状态,形成自然资源；另一方面,人类在自然资源的开发过程中,又不断向环境散热,使熵增加,改变地球物质与能量的结构和有序状态。对于水资源的开发利用,就其本身而言是它的“负熵耗散”,若其负熵的耗散超过来自太阳能的负熵的补充,将使水资源系统走向无序与退化。如水资源的持续浪费；地下水资源的持续超采；工业与城市废污水排放量连年增长等,均使水资源安全系统从有序走向无序,从健康走向退化。当达到和超过某一阈值时,水资源安全系统就会崩溃,见图5-7。图中A、B、C 表示不同时期的水资源开发活动的集合,虚线表示水资源安全阈值,在低破坏发生率的情况下,自组织能力大于破坏能力 (如曲线3)。虽然系统的破坏呈现安全问题的趋势,然而在不超过阈值的情况下,系统最终仍趋向平衡 (如曲线2)。但当复合水资源系统处于过载状况的系统自组织能力,水资源破坏情况严重时,其自组织能力逐渐减弱 (如曲线4),而产生更为复杂的系统行为,其特性异于线性系统,频繁的大强度的水资源开发活动将会导致对水资源安全问题无限制增长(如曲线1),最终超过系统阈值,造成崩溃。

图5-7　水资源安全系统动力学反应

自组织理论是继系统论、信息论、控制论等之后逐步形成和发展起来的系统科学理论。自组织理论综合运用熵、信息熵、涨落等概念进行严密的科学抽象和科学推理,敲开了人类探索自然界复杂性的大门,为当代科学技术的发展提供了新思想、新观点和新方法。需要指出的是成熟的自组织理论应是系统科学的核心部分之一,但是目前还没有建立起这种理论。一方面,各个学派都提出了许多非常深刻而诱人的概念、原理和方法,使人们强烈地意识到自组织理论的辉煌前景。另一方面,不同学派或不同学者的理论都有自己的特殊背景,普遍性不够,各自只给出自组织理论的一些片断,许多提法是含混的,相互之间还有矛盾。要把这些片断整合成一个系统严格的概念体系,给自组织现象以系统的、连贯的、深刻的解释还有很多困难。对于水资源以及水资源安全的自组织系统理论,目前国内外还是空白,如何科学的认识、掌握水资源系统以及水资源安全系统内在的演变机理,将是笔者追求的目标。