水资源安全控制面临的困难及优化建议

水资源安全系统的控制就是如何协调现实人类社会与自然的关系问题,是当代国内外科学研究的前沿领域之一。前面我们已经讲过,水资源安全系统是一个复合系统,也就是说从自然的角度看水资源可以作为一种典型的自然流域或区域的自然系统；从经济的角度看,水资源又是组织和管理国民经济,进行自然资源开发的中心区域。因此水资源安全研究不仅把它看成复合系统,而且看成是由自然、社会、经济共同组成的复杂系统,一定程度讲是复合复杂系统。这样的复合复杂系统从总体可以分解为两个二级子系统,即自然系统与社会经济系统。人类活动作为系统中的最基本要素,影响到资源、环境、社会和经济等相关要素。因此,人的作用对两个子系统产生相互耦合的互动作用,从而发生自然系统与社会经济系统的相互作用。这种相互作用的过程主要发生在社会物质产品的生产和消费的过程中,这个过程也是水资源安全系统运行的基本过程。要完成这个过程主要涉及5个环节:

(1)从自然系统获取水资源。

(2)保护被社会生活污染的水资源。

(3)将自然的水资源转化加工成社会产品。

(4)社会产品的消费。

(5)向自然的水资源系统排放废弃物,如图9-1所示。

由此可见,水资源安全系统的运动过程是人口资源、消费水平和结构及科学技术协调控制的过程。协调控制的结构和形式是由人类的价值观念、人类社会系统的制度和社会的组织管理方式决定的。协调控制对科学技术和消费水平有着直接的影响,从而间接地决定水资源安全系统运动的基本过程。

人类从自然界获取的自然资源的种类和获取的方式、自然资源转化成社会产品的加工方式、社会产品的种类、工业生产和消费中产生的废弃物的种类和方式都主要取决于科学技术的水平。消费结构和水平与人口规模和物价高低有关,同时,它又决定了人类从自然界获取的自然资源的总量。科学技术决定了人与自然相互作用的方式,消费水平决定了水资源安全系统中人与自然相互作用的规模或强度。

综上所述,水资源安全系统是 “以人为主体”的、开放的、复杂的巨系统,它的子系统之间相互影响,过程的基本要素之间也相互作用。它的控制过程是一个复杂的系统工程问题,涉及因素繁多,用一般的简单方法已无能为力,必须以控制理论为基础,采用“大系统控制”的新方法才有可能获得满意的方法。

图9-1　水资源安全系统综合集成

大系统规模庞大,结构复杂,功能综合、因素众多。国外的研究起源于20世纪60年代末与70年代初,我国在1976年也开始开展此项研究。由于大系统关系到经济发展、社会进步、人民生活、国家安危、世界稳定、生态环境等方面的大问题,所以国际国内受到广泛的注意与重视。重视的原因在:如果大系统运行的状态好、效益高、稳定、可靠、优化、协调,将有利于国计民生,造福于人类社会；反之,大系统运行状态差、效益低、失稳、故障、劣化、失调,将危害人民的生命财产,破坏社会环境、国家安定乃至国际和平。因此,如何对大系统进行有效的控制与管理,如何对大系统进行分析、预测,改善大系统的运行状态,提高其经济效益,是现代科学技术面临的重大课题。

大系统的问题是多方面的、复杂的。大系统的控制问题主要是从控制论的观点研究大系统的控制问题。对于水资源安全这一复杂大系统的控制研究,目前国内外均是空白,它的研究应该包括:(www.xing528.com)

(1)水资源安全系统的分析问题。如结构、动态、现状、发展等。

(2)水资源安全系统控制模型问题。如线性控制模型问题、非线性控制模型问题、集成模型、黑箱模型、智能模型、变粒度模型等。

(3)水资源安全系统运行决策问题。如协调问题、优化问题、控制问题、管理问题、调度问题等。

但是对于水资源安全的控制,重要的是进行水资源安全系统结构性分析、可协调性分析、稳定性分析等,以实现水资源安全系统的协调控制。

虽然经过近30年的努力,人们在大系统控制理论方面取得了不少进展,但是作为水资源安全系统控制问题,由于其系统大且非常复杂,在理论研究和应用开发方面尚属空白,我们将面临如下一系列困难:

(1)主动性问题。水资源安全系统是 “主动系统”,包含有 “主动环节”—— “人”,在分析和设计中如何考虑人的因素? 如何建立 “人”的数学模型?

(2)不确定性问题。水资源安全系统中有许多不确定因素,例如模糊性、随机性、对象特性漂移等,难以用传统的确定性数学模型进行描述及用常规的方法进行控制。

(3)不确知性问题。水资源安全系统往往是信息不完全,数据不精确,知识不充分的系统,难以建立适用的、准确的数学模型进行精确的定量分析和设计。

(4)维数多问题。大系统的数学模型都是高维的(状态变量的数目甚多)。系统分析和设计的工作量随维数增高而迅速增长,导致所谓 “维数灾”。不仅造成计算机的沉重时空负荷,而且难以满足在线实时控制的需要。

(5)发展中问题。通常水资源安全系统的控制过程较慢,过渡过程时间较长,在控制过程期间,大系统本身也处在发展当中,系统的结构和参数、系统的目标和环境条件、系统特性和功能也处在变化当中,可称之为 “发展中系统”。这种系统难以用常规的方法进行控制。

(6)分散化问题。水资源安全系统包含了许多子系统,而各子系统往往是分散化的,这将导致信息分散、控制分散,使系统具有 “非经典信息模式”。因而,基于“经典信息模式”的控制理论和方法失去了可应用的前提条件。

上述种种面临的困难可能使现有的大系统理论处于困境,面临严峻的挑战,我们还是从原理与理论方法入手进行研究。