基于集对分析的区域水利高质量发展评价方法

基于发展目标、发展途径、发展条件相作用形成的区域水利高质量发展系统结构和相对联系数的指标体系筛选方法,构建了由59个评价指标、11个发展方面、3个发展子系统组成的区域水利高质量发展评价指标体系;利用专家咨询和遗传层次分析法确定各指标权重,采用集对分析计算指标、方面、子系统和样本4个层次与区域水利高质量发展评价标准集对间的联系数,应用减法集对势判断4个层次区域水利高质量发展状态,建立了基于集对分析的区域水利高质量发展评价方法(SPA-HDEM),并将其应用于陕西省2020年10个地市的水利高质量发展评价中。结果表明:西安水利高质量发展状态处于中等偏较高等级,咸阳、汉中、渭南、安康、宝鸡、榆林均处于中等等级,延安、商洛、铜川均处于较低偏中等等级;非陕南的7个地市的发展条件均不佳,10个地市的发展途径均相对较低;各地市处于反势的指标中,西安有“人均水资源量”等11个、铜川有“防洪堤防达标率”等32个、宝鸡有“水利投资占GDP比重”等16个、咸阳有“人均生活用水量”等14个、渭南有“水资源开发利用率”等19个、延安有“供水模数”等21个、榆林有“供水模数”等22个、汉中有“防洪堤防达标率”等15个、安康有“防洪堤防达标率”等21个、商洛有“人均工资”等25个,重点调控这些反势指标是全省水利高质量发展工作中的重要任务。SPA-HDEM适用性强,在已知评价等级标准的实际区域水利高质量发展评价问题中具有应用前景。

基于热传递减法集对势的区域水资源承载力评价

为有效评估区域水资源承载力系统演变特征并诊断脆弱性影响因素,引入物理学热传递思想,在集对分析传统减法集对势基础上进一步深化确定性项和不确定项之间的势差概念,构建了基于热传递减法集对势的区域水资源承载力评价方法,并应用于安徽省江淮丘陵区。结果表明:2011—2018年安徽省江淮丘陵区除合肥市外,其余地市水资源承载力水平整体有所改善,合肥市水资源承载力等级较低;人均水资源量、产水模数、生态用水率等因素是影响安徽省江淮丘陵区水资源承载力变化的重要脆弱性因素。整体而言,本文计算分析结果与传统减法集对势及半偏减法集对势计算结果基本一致,这表明构建的基于热传递减法集对势的水资源承载力评价方法计算结果合理有效,且丰富和发展了集对势的内涵,可为开展区域水资源承载力评价及脆弱性因素识别提供新的研究途径。

动态差异度系数在淮北平原水资源承载力评价中的应用

为科学有效地评价区域水资源承载力,基于现有动态差异度系数的相关研究,充分挖掘评价样本与等级标准之间的不确定性信息,推导出随样本值变化而变化的差异度系数计算式,构建了基于动态差异度系数的四元联系数值法的区域水资源承载力定量评价方法。该方法在安徽省淮北平原的应用结果表明:2015—2019年安徽省淮北平原六市水资源承载状况均处于2级临界可载与3级临界超载之间,说明水资源承载状况较差;联系数值法得出的评价结果与级别特征值法、四元减法集对势基本相同,联系数值法较其他两种方法更客观,灵敏度更高;联系数值法可准确判断集对系统的发展趋势,为解决水资源、水环境等领域类似评价提供参考。

基于组合赋权-集对分析的城市供水安全评价

为更精准地评价城市供水安全,将集对分析法与主客观组合赋权法相结合,建立区域城市供水安全评价模型,即用最小相对信息熵原理确定指标综合权重并耦合到指标联系度中,构建出城市供水安全的组合赋权-集对分析的评价体系,通过五元减法集对势确定城市供水安全等级,并对昆明市2011~2020年的供水安全评价划分安全等级。结果表明,2011~2013年昆明市供水处于安全等级,其中2011、2012年更倾向于基本安全等级;2014~2020年昆明市供水处于非常安全等级但更倾向于安全等级,供水状态相对安全和稳定。所提方法一定程度上解决了城市供水安全评价等级中的不确定性和多指标性问题,为城市供水安全评价提供了一种新思路。

基于集对云模型和减法集对势的河南省水资源脆弱性评价

开展水资源脆弱性评价是加强水资源管理的有效途径。针对于集对分析中联系数的线性表达不能兼顾水资源评价系统中存在的模糊性以及随机性问题,引入云模型改进集对分析中联系数的计算,并通过方差最大化原则耦合层次分析法以及熵权法计算得到评价指标的综合权重,建立了融合权重的集对云模型,对2010-2019年河南省各地级市的水资源脆弱性开展评价。同时,引进五元减法集对势对各城市水资源脆弱性的发展趋势进行分析。结果表明:河南省水资源呈现轻度脆弱、中度脆弱、重度脆弱3个等级,分布上呈现南部、西部的城市整体水资源脆弱性较低,北部、中部的城市整体水资源脆弱性较高,主要是水资源自然禀赋的不足以及开发利用程度高所致;信阳、三门峡、驻马店系统态势多数年份处于均势或偏同势,水资源脆弱性状况较其余城市更好,发展形势健康;郑州、焦作、开封等城市系统态势所有年份均处于反势或偏反势,发展形势严峻,属于水资源脆弱性重点调控的地区;河南省最严格水资源管理制度的实行以及南水北调中线工程的供水缓解了水资源短缺的压力,水资源脆弱性自2014年起呈现下降趋势,符合河南省的实际情况。研究结果可为河南省水资源合理开发利用以及水资源~社会经济~生态环境的协调发展提供决策依据。

基于修正四元半偏减法集对势的区域农业旱灾脆弱性评估

为增强旱灾脆弱性评估结果的可靠性和合理性,从微观层次挖掘联系数系统结构中各分量之间的迁移运动信息,根据半偏联系数思想构建了四元联系数的迁移率矩阵,以此实现了联系数系统内相邻、相隔分量的转化,将修正后的联系数分量代入四元半偏减法集对势中,得到修正后的四元半偏减法集对势,并将其应用于蚌埠市农业旱灾脆弱性评估中。结果表明:修正前后的四元半偏减法集对势值对蚌埠市农业旱灾脆弱性及其子系统的评估结果是一致的;修正后的四元半偏减法集对势值变化范围更小、敏感度更高,结果更为稳健,对脆弱性评估集对系统变化趋势的反映更加准确可靠,具有推广应用前景。

基于子区域基尼匹配系数与减法集对势的水资源空间均衡评价方法

为合理评价区域水资源分布与经济社会发展的空间均衡问题,在已有方法的基础上,提出了子区域基尼匹配系数与减法集对势相结合的水资源空间均衡评价模型。以水资源总量为基础,与人口数量、第二产业GDP和耕地面积3项指标构建一一对应的匹配关系,利用洛伦兹曲线围成的单个子区域面积比来计算子区域基尼匹配系数,进而计算五元减法集对势,最终得到相应的评价等级,并对安徽省2011—2018年16个地级市的水资源空间均衡状态进行了评价。结果表明:在3组匹配关系中,空间均衡状态最好的为水资源总量-耕地面积,次之为水资源总量-人口数量,最差的一组为水资源总量-第二产业GDP;3对匹配关系空间均衡等级的多年均值表现为Ⅴ(反势)级,其中2012年和2015年的空间均衡状态最差,2018年的空间均衡状态最佳。

基于五元半偏减法集对势模糊数随机模拟方法的旱灾风险评估

为准确客观地评估旱灾风险等级,应用集对分析半偏减法集对势和三角模糊数随机模拟方法确定差异度系数,得到评估样本联系数在显著性水平下的置信区间,由联系数值与评价等级间的关系建立映射函数确定评价样本等级区间,构建了基于五元半偏减法集对势模糊数随机模拟的旱灾风险评估方法,并应用于江淮分水岭地区旱灾风险评估实际问题中。结果表明:在时间变化方面,2008—2017年六安市旱灾风险等级呈先上升后降低的趋势,合肥、淮南和滁州三市都处于波动状态,10年间旱灾风险等级总体呈下降趋势;在空间变化方面,江淮分水岭地区旱灾风险北部高于南部、东部高于西部,淮南市旱灾风险等级最高,六安市最低。基于五元半偏减法集对势模糊数随机模拟的旱灾风险评估方法的计算结果范围包含五元半偏减法集对势方法的计算结果,进一步验证了五元半偏减法集对势法评价结果的可靠性。

基于连续演化半偏减法集对势的区域旱灾风险评估方法

为增强旱灾风险评估的可靠性,从微观层次考虑联系数分量的迁移转化过程,更细致地刻画连续半偏减法集对势中确定性与不确定性之间的关系,修正偏同势和偏反势转移信息,提出一种演化半偏联系数,构建了基于连续演化半偏减法集对势的区域旱灾风险评估模型,并应用于济南市旱灾风险评估。结果表明:修正后的连续半偏减法集对势与五元减法集对势对济南市旱灾风险和各子系统评估结果的变化趋势均一致;与五元减法集对势相比,连续演化半偏减法集对势变化较为缓和,计算出的各子系统指标值集对势变化趋势差异更为显著,便于识别影响子系统风险发展趋势的关键因子。

基于减法集对势的漳河上游水资源冲突风险评价与态势分析研究

为有效预防漳河上游水资源冲突,积极维护地区水安全,科学合理地评价水资源冲突风险和预测风险态势演化尤为重要。基于水量、用水效率、水质、生态环境和社会经济等5个维度构建了水资源冲突风险评价及态势分析框架,运用熵权法和集对分析理论构建了基于减法集对势的水资源冲突风险评价及态势分析模型,对漳河上游2011-2020年的水资源冲突风险进行评价,通过五元减法集对势动态分析风险发展态势。结果表明:漳河上游水资源冲突风险水平较低且呈现下降的态势;3个省份水资源冲突风险等级由高到低依次为山西省、河北省、河南省。从水资源冲突的5个维度来看,河北省需重点关注水量和用水效率引起的冲突风险,河南省整体情况较好,山西省则需重点关注水量、水质和社会经济引起的冲突风险。研究结果对识别漳河上游水资源冲突风险、缓解水事纠纷和维护地区稳定具有重要的现实意义。

农村河流健康状况评价指标体系构建及应用

【目的】河流健康评价是河流管护的重要内容。为科学评价农村河流健康状况,【方法】立足于农村河流的现状与特点,在阐明农村河流健康内涵的基础上,从河流形态结构、河岸带、水文水质、水生生物、社会服务功能、河流管护6个方面,构建适用于农村地区的河流健康状况评价指标体系;确立非常健康、健康、亚健康、不健康、劣态5个评价等级及对应的评分标准。以典型农村河流--沿六河为研究对象,采用基于博弈论的组合赋权法确定各指标权重,基于集对分析法评价其健康状况,运用减法集对势确定导致河流健康状况不佳的主要因素。【结果】结果显示:沿六河的健康状况等级联系数为0.025+0.104I_(1)+0.261I_(2)+0.377I_(3)+0.232J,评价等级为不健康,与实际情况相符;河流纵向连通性、流速、水生植物多样性、水生动物多样性、供水保证率等14项指标恶化是导致沿六河健康状况不佳的主要因素。【结论】该评价体系充分体现了农村河流健康的概念内涵,能够科学评价农村河流健康状况,并辨析农村河流健康状况不佳的主要原因。以典型农村河流沿六河为例开展河流健康状况评价的实例应用,较好地诊断了沿六河健康存在的主要问题,说明该评价体系具备较好的科学性与实用性。研究成果可为农村地区河流健康评价提供一定的理论依据。

基于模糊集对分析的新疆水资源脆弱性评价

为科学评价新疆维吾尔自治区的水资源脆弱性状况,基于自然、人为和承载力3个子系统构建水资源脆弱性评价指标体系,通过模糊集对分析模型从时空维度对新疆15个地区(州、市)的水资源脆弱性进行评价,并利用五元引力减法集对势识别其目标层发展趋势。结果表明:空间分布上,水资源脆弱性呈现出东疆较强、南疆次之、北疆较弱的规律;时间趋势上,19.03%的地区脆弱性等级呈上升趋势,18.88%的地区较为稳定,62.09%的地区呈下降趋势,总体上脆弱性状况有所改善,但需对水资源脆弱性状况发展态势恒为偏反势的乌鲁木齐市、哈密市和昌吉回族自治州以及出现反势态势的喀什地区给予密切关注和调控。研究结果可为新疆水资源的高效利用和优化管理提供理论依据。

基于四元效应全偏联系数的区域水资源承载力评价

为准确进行区域水资源承载力评价,并识别出影响水资源承载力的主要因素,基于三元效应全偏联系数,类比推导出四元效应全偏联系数公式,解释其中的内在机理,将其与四元减法集对势、四元半偏减法集对势进行对比,并运用到淮北平原水资源承载力评价中。结果表明:2011—2019年,淮北平原水资源承载力基本在2级(临界可载)到3级(临界超载)之间,说明其水资源承载力总体较差。四元效应全偏联系数与四元减法集对势、四元半偏减法集对势方法的计算结果一致,但四元效应全偏联系数方法较其他两种方法计算过程更合理、评价方法更有说服力。四元效应全偏联系数方法能较好地判断集对系统的发展趋势,为解决集对系统确定性和不确定性给出了一种新的判断方法。

基于集对分析的江淮丘陵区农业水土资源匹配分析

将水土资源自然本底量与农业用水用地量相结合,采用集对分析重建农业水土资源匹配指标,并构建七元半偏减法集对势,对江淮丘陵区2005—2019年农业水土资源匹配进行分析。结果表明:2005—2019年江淮丘陵区广义农业水土资源配比度基本呈现下降态势,但高于水土资源自然配比度;单位耕地用水量有减少趋势,但超出区域本底自然供水量,处于相对缺水状态;狭义农业水土资源配比度与水土资源自然配比度呈现交叉波动,并存在一定程度反相关,降水量的增加会相对减少农业灌溉用水量;2005—2010年和2011—2019年两时段江淮丘陵区广义农业水土资源均处于高度不匹配状态,合肥、滁州不匹配程度最高,安庆最低;两时段农业水土资源匹配集对势均为反势,匹配状态较差,但后期均有所提升,有向好发展趋势,安庆和六安变化程度最为明显;江淮丘陵区降水量年际变化较大,水资源总量变幅明显高于农业用水用地量波动,导致农业用水用地量与水资源总量变化不同步,这是水土资源匹配波动的主要原因。

旱灾风险评估的减法集对势梯形模糊数随机模拟方法

定量评估旱灾风险对经济社会的防控管理具有重要意义。针对差异度系数取值具有峰值较宽的分布特征及其随评价样本值变化的动态特性问题,在半偏减法集对势联系分量微观层次迁移的基础上,采用梯形模糊数动态取值表征差异度系数的不确定性和连续变化过程,通过随机模拟方法模拟梯形模糊数,实现以置信区间形式定量描述评价结果,由此构建基于减法集对势梯形模糊数随机模拟的旱灾风险评估模型,并在宿州市进行旱灾风险动态评估的实证研究,与现有方法作对比分析。结果表明:宿州市2007—2010年间旱灾风险负向发展趋势强度增大,2011—2017年间旱灾风险负向发展趋势强度减小,风险等级长期高于2级,处于偏旱状态,2010年为最危险年份;整体波动幅度较小,有向好发展的趋势,判别出危险性子系统和抗旱能力子系统是导致宿州市旱灾风险的主要因素。该方法原理解释性强、结果合理准确,评价结果以置信区间形式表示,为旱灾风险的动态分析和定量评估提供了新途径。

两次半偏减法集对势方法评价水资源承载力

为更好体现水资源承载力变化趋势及其所处等级,应用偏联系数和减法集对势原理,从事物的普遍联系角度出发,对五元联系数中的差异项进行两次半偏处理。构建了两次半偏减法集对势方法,该方法减小了五元减法集对势中差异项的剩余量并避免了在计算中存在人为设定系数0.5的情况。该方法在淮北平原的应用表明:2015—2019年,淮北平原6个地市的水资源承载力大多为3~4级,仅2018年宿州、蚌埠和淮南市水资源承载力为2~3级,且2015—2019年淮北平原6个地市的水资源承载未出现偏同势、同势,这说明淮北平原整体水资源承载能力较弱。两次半偏减法集对势法拓宽了水资源承载力的分析评价思路。

基于半偏减法集对势三角模糊数随机模拟方法的水资源承载力评价

为深入挖掘三元联系数所蕴含的不确定性信息,基于三元半偏减法集对势并充分考虑各联系数分量间的相互转化,二次构造三元联系数,再依据三角模糊数和偏联系数理论确定联系数分量的取值区间,采用随机模拟法计算一定置信水平下的联系数值区间,由此构建基于半偏减法集对势三角模糊数随机模拟方法的水资源承载力评价模型(WRCC-SPSS),并应用于江淮丘陵区水资源承载力评价中,同时与现有常用方法进行对比分析。结果表明:2011—2018年江淮丘陵区域水资源承载力状态稳步提升,其中合肥市承载力水平最差;在二次构造联系数时,对不确定项作进一步划分,从而降低了联系数分量的不确定性,同时采用三角模糊数和随机模拟法确定联系数分量,可获得联系数的置信取值区间,所得结果更为可靠;实例应用结果与现有研究方法评价结果总体一致,WRCC-SPSS方法聚焦不确定性,物理内涵丰富,可实现承载力水平的动态评价。

新疆水资源空间均衡评价

为弥补单一基尼系数法在新疆水资源空间均衡评价上的不足,需系统评价水资源与社会发展的匹配关系。选取新疆耕地面积、人口数量、工农业产值、生产总值作为影响水资源承载力的指标,采用联系数法与洛伦兹曲线相结合的方法定量分析区域水资源及子区域水资源与各指标间的均衡性,结合五元减法集对势识别子区域水资源均衡性发展态势。结果表明,2011~2018年新疆整体水资源均衡性呈先升后降趋势,且年际间均处于不均衡状态;从各指标分析可知水资源均衡性在较不均衡与不均衡间波动;从子区域水资源均衡性与态势分析可知大部分地区处于不均衡、反(偏反)势状态,加剧了水资源的不均衡性,明确了需进行水资源均衡调控的对象,为合理改善水资源均衡性指明了方向。

半偏减法集对势在引黄灌区水资源承载力动态评价中的应用

为有效处理、充分挖掘水资源承载力动态评价中评价样本与评价标准之间的不确定性,分析识别区域水资源承载状态及其变化的物理机制,构建了引黄灌区水资源承载力动态评价的半偏减法集对势方法(SSSPP)。SSSPP在河南省大功灌区的应用结果表明:从承载力系统角度看,灌区总体承载状态得到改善,且从2013年起更为明显,2017年灌区5县均为水资源临界超载,其中距离黄河干流越远的县承载状态越差;从承载力子系统角度看,各县的承载支撑力均呈小幅恶化态势,这是限制灌区承载力提升的主要原因,承载压力在波动中减小、承载调控力显著增强;从承载力评价指标角度看,各县的支撑力指标人均水资源可利用量、水资源开发利用率长期处于反势,压力指标人均GDP、缺水率长期处于反势或偏反势,这些均是灌区承载力调控的重点对象,而部分县调控力指标灌溉水有效利用系数、生态环境用水率由反势逐步发展为偏同势或同势,这是承载力提升的重要原因,反映其对农业和生态用水的管控。可见,SSSPP可分别从承载力系统、子系统和评价指标三个层次定量解析引黄灌区水资源承载状态及其演变特点,既可测度灌区承载力的强弱,又可诊断影响承载力的重要子系统和关键指标。半偏减法集对势的内涵更具解释性、方法直观、计算简便,是减法集对势与一阶效应全偏联系数相结合的一种改进减法集对势,为准确判别资源、环境、生态承载力动态评价等集对系统所处状态及其发展趋势提供了新的有效途径。

半偏减法集对势在区域旱灾风险评估中的应用

为深入挖掘旱灾风险动态评估中评价样本与评价标准之间存在的不确定性问题,提出用半偏减法集对势这一新的联系数伴随函数,建立区域旱灾风险动态评估的半偏减法集对势方法(SSSPP),并应用于宿州市2007—2017年旱灾风险动态评估和风险脆弱性因子识别研究。结果表明:宿州市旱灾风险综合等级基本在2级以上,处于偏危险状态,通过半偏减法集对势值可判别2009、2010及2011年处于偏反势,为高危险年份。通过半偏减法集对势方法识别出了宿州市旱灾风险脆弱性指标有:相对湿润度指数、土壤相对湿度、土壤类型、单位面积水资源量、耕地率、农业人口比例、水库调蓄率、单位面积现状供水能力、单位面积应急浇水能力、灌溉指数、节水灌溉率,这11个指标是宿州市降低旱灾风险等级进一步需要调控的对象。