水资源集对系统中的对立关系分析

水资源集对系统中同一项和对立项构成的对立关系是水资源集对分析辩证思维的集中体现,是构建集对系统联系数的基石。通过五种常见对立关系类型的概念解析与其应用之间对应关系的分析,以及面向五类对立关系的水资源集对系统差异项不确定性分析,在对立关系复杂、深刻的涵义方面取得了一些新的认识:在水资源集对系统中常见的反比型、互斥型、正负型、互补型和虚实型对立关系可分别由模糊、随机、涨落、分配和存在型不确定性对应产生并进行分析计算;在集对系统中最基本的对立关系是反比型、互斥型对立关系,对应的模糊性、随机性是事件发生的内容性质、事件发生的结果数量方面的不确定性;差异项不确定性的变化是导致联系数中同异反三类关系变化的原因,是“一分为三”辩证思维的一种典型展开,反映了量变到质变的转化规律;在差异项表征的五类不确定性中最常见的是模糊不确定性,模糊不确定性变量的运算可通过随机模拟技术转化为随机不确定性变量的运算。模糊和随机的不确定性分析分别注重物理内涵解析和数学定量计算,这反映了水资源集对分析学科属于计算思维领域,对进一步推动模糊水文学、随机水文学、水资源集对分析、结构水资源学等学科发展无疑具有明显的启发作用和指导意义。

基于外调水调控的水资源承载力空间优化

为解决黄河流域下游城市水资源供需矛盾,实现水资源空间均衡利用,以聊城市为研究对象,引入外调水指标构建水资源承载力评价体系进行现状评价,通过障碍度模型分析区域空间差异形成原因,提出基于外调水调控的水资源承载力空间均衡策略,评估2035年不同来水频率下的水资源承载力。结果表明:聊城市水资源承载力空间差异明显,呈现东高西低的分布态势。水资源子系统是空间差异形成的主要原因;经济子系统中的人均GDP、社会子系统中的城镇化率、生态子系统中的生态环境用水率和地下水开采系数也是重要影响因素。从供需两端进行调控,加强节水并高效利用外调水,对2035年水资源承载力的空间差异有明显均衡优化效果。研究成果可为区域水资源优化配置提供参考。

基于水库旱限水位的大型灌区水资源空间均衡优化调控

由于自然地理特征和经济社会活动的差异,大型灌区水资源分布和利用在时空上是不平衡的,尤其是受水文气象波动影响的农业灌溉供水,需要借助水利工程进行水资源空间均衡调控。目前按典型水平年制订的常规调配水方案无法展现水资源空间均衡状态在年内的变化响应过程,也无法考虑水资源在年际间调配的需求。鉴此,本文基于灌区水资源系统空间均衡评价模型和半分布式水资源系统模拟模型,以干旱年缺水时段平均水资源系统空间均衡度最大为目标,以骨干水库分期分级旱限水位和灌区分单元分用水户限供比例为调控变量,运用遗传算法开展大型灌区水资源系统空间均衡优化调控研究。淠河灌区应用结果显示:骨干水库的分级分期旱限水位能够实现水资源在年内和年际时间上的均衡调节,而分单元分用水户的限制供水措施能够使水资源在空间上得到合理配置。二者共同作用能更好地协调灌区供需水在时程分布和空间均衡间的关系,相较于运行现状能大幅提升水资源系统空间均衡度,增强灌区的可持续发展能力,为基于旱限水位的复杂水资源系统管理和应用提供新的思路。

推动长江经济带高质量发展 为更好支撑和服务中国式现代化提供坚实水安全保障

长江经济带是我国重要的内河经济带,它横跨我国东中西三大区域,覆盖11个省市,是我国经济、人口、资源的重要聚集区,也是带动中国经济发展的重要引擎。长江经济带作为我国重要水资源配置战略水源地,为更好支撑和服务中国式现代化提供坚实水安全保障。文章系统梳理了长江流域落实水利高质量发展主要成效,总结了长江经济带在当前我国水资源配置格局中的重要地位,分析阐述长江经济带在未来国家水资源空间均衡和骨干水网建设中的重要作用,并围绕长江经济带高质量发展作为关系国家发展全局的重大战略,对推进中国式现代化、实现中华民族伟大复兴中国梦重要意义进行探讨。

基于联系数和耦合协调度的水资源空间均衡评价方法

为定量分析评价水资源空间均衡状况和空间差异,采用联系数和耦合协调度相结合的方法对区域水资源空间均衡进行评价。综合考虑水资源-经济社会-生态环境的复合关系,构建了由水资源承载支撑力和承载压力2个系统、15个评价指标组成的水资源空间均衡评价指标体系,并采用基于加速遗传算法的模糊层次分析法计算了评价指标权重,提出了基于联系数和耦合协调度的水资源空间均衡评价方法。以安徽省为实例进行了验证,结果表明:该评价方法应用于水资源空间均衡评价较为合理,能弥补传统耦合协调度无法体现不确定性问题的缺陷,准确反映系统间的协调作用和整体发展水平。

基于联系数和洛伦兹曲线的水资源空间均衡评价方法

为充分体现评价过程中各子区域对整个区域水资源空间均衡状况的定量影响,提出了基于联系数和洛伦兹曲线的评价方法。分别构建水资源总量与耕地面积、人口数量、第二产业GDP 3对匹配关系的洛伦兹曲线,计算基于纵向距离的评价样本值;应用集对分析理论计算样本值联系数并确定均衡等级,同时与基尼系数法对比。安徽省的实证研究结果表明:安徽省2011—2018年水资源总量—耕地面积、水资源总量—人口数量、水资源总量—第二产业GDP均总体呈现空间不均衡状态;水资源总量—耕地面积、水资源总量—人口数量的均衡程度有所改善,而水资源总量—第二产业GDP均衡形势仍较为严峻,亟需改善。该研究为区域水资源空间均衡定量评价提供了新的有效途径。

基于联系数的区域水资源承载力评价与诊断分析方法

为在随机、模糊、未确知等不确定性条件下定量评判和诊断分析区域水资源承载力系统的总体状况和发展趋势,用联系数有效处理水资源承载力评价指标与评价标准间的不确定性,提出用最小相对熵原理综合评价样本联系数和评价指标值联系数,构造了减法集对势这一新的集对势函数,并用于测度区域水资源承载力系统在当前宏观期望层次上所处的确定性状态和发展趋势、诊断识别水资源承载力的脆弱性指标,进而建立了基于联系数的区域水资源承载力评价与诊断分析的一套方法(CNAD)。CNAD在安徽省淮北地区的应用结果表明:淮北地区2004、2010、2020年的水资源承载力等级均介于承载力一般等级与较弱等级之间;这3 a的评价样本联系数、评价指标值联系数、平均联系数值中只有2020年的评价指标值联系数处于偏反势(接近反势的临界值),其余联系数均处于反势,说明该地区水资源承载力的综合发展趋势为负向发展,水资源承载状态十分严峻。CNAD充分挖掘了水资源承载力评价标准等级与评价指标样本值之间各单指标联系数的评价信息,评价和诊断的结果可靠、合理,方法直观、简便、通用性强,在各种实际资源环境承载力评价和诊断分析中具有重要的推广应用价值。

面向关系结构的水资源集对分析研究进展

水资源-经济社会-生态环境复杂系统的智能分析是水利科学发展和经济社会发展的重要研究,面向关系结构的集对分析从确定性不确定性的联系和转换的角度提供了一种全面、细致、动态分析该复杂系统的基本途径,对定量处理水资源复杂系统确定性不确定性问题具有重要意义。基于文献计量方法分析指出水资源集对分析研究正发展为一个新兴领域,主要研究成果集中于水利工程、土木工程和资源科学领域,研究热点主要有集对分析中的联系度和联系数方法、水资源分析预测与评价方法及其在水资源承载力、水资源可持续利用、水安全、水资源-经济社会协调发展中的应用。基于上述研究热点,在阐述水资源集对分析的关系结构特征基础上,重点综述了水资源集对关系结构分析、水资源集对预测、水资源集对评价、水资源集对决策调控4个方向的研究进展,并展望了水资源集对分析研究的未来发展趋势,以期进一步推动水资源集对分析的发展,为水资源复杂系统分析管控提供重要理论支撑。

基于联系数的安徽省水资源承载力评价及空间差异诊断分析

为定量评价安徽省水资源承载力的整体状况,诊断分析导致水资源承载力空间差异的主要因素,采用集对分析理论中的联系数方法诊断评价安徽省水资源承载现状,并利用减法集对势识别导致水资源承载力空间差异的主要因素。结果表明,安徽省江南地区水资源承载力最好,皖中地区次之,淮北地区的水资源承载力最差;从子系统层面分析,江南地区水资源承载支撑力子系统最好,皖中地区次之,淮北地区最差,但淮北地区水资源承载压力最小;从指标层面诊断分析,人均水资源量是导致安徽省各市水资源承载状况存在空间差异的最主要因素。研究成果可为安徽省水资源合理配置与调控提供技术支持。

水资源集对分析理论与应用研究进展

集对分析是利用结构式的联系数描述和处理系统不确定性问题的一类智能计算的新理论和新方法,基于处理不确定性问题的显著特点,开始被广泛应用于许多学科领域。水资源系统包含了随机性、模糊性等多种不确定性,集对分析是处理水资源确定不确定系统问题的理想的系统分析方法。从理论和应用研究方面对水资源集对分析进行了系统的综述,结果表明:联系数结构式是集对分析方法的重要创新,但其差异度系数的不确定性造成联系数运算的不确定性和复杂性,在一定程度上限制了集对分析理论体系的建立和发展,需要进一步加强水资源集对分析的理论基础研究,不断加深、拓宽和完善集对分析的理论体系。

基于基尼系数和联系数的区域水资源空间均衡评价模型

为定量评价研究区及其子区域的水资源空间均衡程度、分析水资源空间均衡的分布特征,针对基尼系数无法单独评价子区域均衡性的问题,提出基尼系数和联系数相结合的水资源空间均衡评价模型。该模型在应用洛伦兹曲线计算得到基尼系数的基础上,通过分级分区,采用联系数计算反映研究区隶属于均衡、临界均衡、不均衡3个不同空间均衡等级的隶属度,再结合减法集对势对脆弱性子区域进行诊断识别。将该模型应用于安徽省水资源空间均衡评价中,分别对16个地市的人口与水资源、GDP与水资源的空间均衡状况进行差异性分析。结果表明:安徽省2011—2018年人口、GDP与水资源量的基尼系数高于国际警戒线0.4,长期处于较不均衡和不均衡状态;水资源空间均衡状况从南向北逐渐变差;2018年安徽省水资源空间均衡脆弱性区域有合肥、淮北、亳州、宿州、蚌埠、阜阳、淮南、马鞍山、芜湖、铜陵10个地市,这些地市应作为水资源空间均衡的主要调控对象。

基于联系数的大型灌区水资源空间均衡评价与优化调控

区域水资源空间均衡评价与调控是水资源开发利用与经济社会协调发展的重要技术基础和科学管理手段。可供水量与需水量是区域自然资源条件和经济社会活动对水资源系统的综合体现指标,二者之间的平衡关系可以直观地揭示水资源系统的单元供需均衡和空间均衡程度。针对水资源空间均衡研究现状,首先以供需差占供需总量比定义并计算水资源系统的单元供需均衡度;再以各单元面积、人口和经济占比确定单元的系统权重,并运用七元联系数将各单元均衡度综合为系统空间均衡等级并识别均衡状态;以淠河灌区现状及远景规划年为例,对有无水量调配下水资源空间均衡状态开展评价计算与对比分析,最后针对性地提出提高灌区水资源空间均衡状态的优化调控方案。研究结果表明:现状水平年灌区水资源空间均衡状态经系统内水资源调配后有明显提升;远景规划年不同来水情景下,水资源供需矛盾较为尖锐,只有在充分节水基础上借助系统内、外多水源调配方能使灌区水资源系统达到基本均衡;单元供需均衡度能同时表达缺水型失衡和余水型失衡而更有普适性;改进的七元联系数评价模型可更加细致地刻画复杂水资源系统的不确定性,为准确判别区域水资源系统所处空间均衡状态提供了新思路新途径;大型灌区内部由于县市之间自然禀赋和经济社会不同导致水资源均衡度差异明显,而通过系统内单元间水资源优化调配以及系统外多水源调配能有效改善区域单元供需均衡度和空间均衡状态,对促进水资源与经济社会环境协调发展、保障区域远景规划的顺利实施具有重要的支撑作用。

联系熵方法在水资源承载力评价中的应用

为准确描述联系熵的概念内涵和数学表达形式,反映联系熵的意义,采用联系数与信息熵、联系熵相结合分析的方法,提出了反映集对事件的内部不确定性状态和有序性发展的改进的联系熵,并通过安徽省水资源承载力评价实例与现有的联系熵计算方法进行对比分析,结果表明:改进的联系熵方法计算的各年份安徽省水资源承载力的等级评价结果与平均联系数评价、减法集对势、效应全偏联系数比较分析结果一致,相关系数非常接近1.0;改进的联系熵计算简便、适用性强、结果合理,可为集对事件的有序性发展提供新的判断方法。

水资源可再生能力评价的集对分析方法

针对传统水资源可再生能力评价方法所得评价结果多为离散等级、不能精确反映实际水资源可再生能力等级,分析了集对的同异反层次结构,提出了确定联系数的同异反层次法,据此建立了水资源可再生能力评价的集对分析模型并应用于黄河流域。结果表明,该方法原理简单、计算简便、评价结果精确,具有推广应用价值。

基于联系数的安徽省水资源承载力动态诊断评价研究

为定量评价安徽省水资源承载力的整体状况和发展趋势、识别引起水资源承载力不安全的主要因素,采用"评价-诊断-调控-再评价"的研究思路,构建了基于联系数的区域水资源承载力诊断评价模型,对安徽省水资源承载力进行了动态诊断评价研究,并利用减法集对势识别水资源承载力的脆弱性指标。结果表明:安徽省2005-2015年的水资源承载力综合评价等级值均处于2级临界超载附近,虽存在缓慢改善的趋势、但承载状况不理想;将诊断识别出引起水资源承载状况不安全的主要指标进行调控后,再次对水资源承载力的总体安全状况进行综合评价,调控后再评价的承载状况结果得到明显改善;上述所采用的诊断评价方法及研究思路可为安徽省水资源合理配置与调控提供技术支持。

基于集对指数势的流域水资源系统脆弱性影响因子分析

针对传统集对势定义的必要条件为对立度不等于零(不具有一般性)的问题,利用指数函数改进传统集对势,提出集对指数势的定义,建立基于集对指数势的流域水资源系统脆弱性影响因子分析方法,并对巢湖流域水资源系统脆弱性影响因子进行分析。结果表明,巢湖流域水资源系统脆弱性的影响因子主要包括水资源模数、水资源利用率、人均水资源量、工业废水处理率、人口密度、干旱受灾率、水利工程投资占GDP比例,可见利用集对指数势进行流域水资源系统脆弱性影响因子分析具有可行性。

基于动态差异度系数的区域水资源承载力评价与诊断

为定量识别区域水资源承载状态及其障碍因子,充分挖掘评价样本与等级标准之间的微观不确定性,提出了随实际样本值连续变化的动态差异度系数计算方法,构建了基于联系数值的区域水资源承载力评价与诊断模型,并在安徽省各市进行了实证研究。结果表明:安徽省水资源承载力联系数值由2011年的-0.171逐步增长至2018年的0.067,说明近年来安徽省水资源承载形势仍相当严峻,但各市均已向良好态势发展,且2013年后趋势更为显著;皖北、皖中和皖南地区2011-2018年的联系数均值分别为-0.235、0.071、0.114,说明安徽省不同地区水资源承载状态差异明显,呈皖南优于皖中、皖北较差的空间分布;补充水资源量、提高植被覆盖、控制水资源开发、增加生态用水和发展节水灌溉是改善安徽省水资源承载形势的有效手段;基于动态差异度系数的区域水资源承载力评价与诊断模型应用结果合理,为保障区域水安全提供了决策支撑。

基于水资源承载力动态评价的五元引力减法集对势方法

【目的】动态评价区域水资源承载状态及变化趋势,识别、诊断水资源承载力脆弱性子系统和指标。【方法】综合考虑五元联系数分量的物理意义及对所论集对系统态势影响程度的差异性,借鉴万有引力和阻尼的思想,构建了基于联系数的五元引力减法集对势。将五元引力减法集对势应用于四川省、黑龙江省水资源承载力动态评价和变化趋势分析中,并与现有的五元减法集对势进行对比分析。【结果】四川省水资源承载力总体态势向好发展,评价指标体系中各子系统对四川省水资源承载力的影响程度从大到小排序为:生态环境子系统>社会经济子系统>水资源子系统,其中连续处于反势、偏反势的生态环境子系统是脆弱性子系统,相关指标是需要密切关注和调控的;黑龙江省水资源承载状况整体较好,可以支撑承载客体,其中指标“降水量”“第三产业占比”处于反势,“产水能力”“人口密度”“第一产业占比”处于偏反势,是需要调控的指标,五元引力减法集对势判别的系统集对势值和态势与五元减法集对势计算结果基本一致,且在诊断、识别脆弱性子系统和指标上更为敏感、有效。【结论】所构建的五元引力减法集对势的计算结果与实际物理意义更为符合,且计算简单、解释性强,为多等级集对系统动态分析评价提供了一种新的集对势方法。

联系数随机模拟模型在区域水资源承载力评价中的应用

为定量分析区域水资源承载力的整体状况及发展趋势,建立关于水资源承载力评价的联系数与三角模糊数随机模拟耦合模型,使用趋势指数定量刻画各相邻年份水资源承载力的变化趋势。将此联系数随机模拟模型与截集三角模糊数计算方法进行实例对比分析,结果表明:在一定的显著性水平和截集水平下,两种计算方法求得的2006年山东省水资源承载力评价结果、长沙市涝灾影响综合评价结果均基本一致,说明联系数随机模拟模型计算方法的可行性,且为置信区间的确定提供了一种可能性。将联系数随机模拟模型应用于安徽省水资源承载力评价中,结果表明:安徽省2005—2018年水资源承载力整体发展趋势逐年缓慢变好;2006年、2011年、2013年和2017年的变化趋势处于恶化状态,其他年份的变化趋势处于改善状态;2010年和2016年的变化趋势呈显著改善,2011年和2017年的变化趋势呈显著恶化。上述评价方法的计算结果合理可靠,说明联系数随机模拟模型在水资源承载力评价中具有推广应用价值。

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。