基于混沌理论的建三江分局水土资源复杂性研究

摘要

建三江分局是我国重要的商品粮和绿色有机食品基地，对保证我国粮食安全发挥了重要作用。近年来，伴随着区域经济的发展、人口规模的增加以及水田面积规模扩大带来的用水紧张，使得地下水水位持续下降、水土资源配置不合理等问题日益凸显，这些都日益成为地区农业经济社会发展的制约因素，实现有限水土资源的合理调配及可持续利用已成为促进本地区农业可持续发展的研究焦点。从保证农业可持续发展的角度出发，运用混沌理论对建三江分局水土资源复杂性进行分析测度，确定区域内水土资源复合系统的复杂性空间分布，并在此基础上实现复杂性视角下的水土资源合理优化配置，对于指导区域农业水土资源的合理有效利用及社会、经济、生态的协调发展具有重要的研究意义，同时可以为建三江分局水土资源合理调配及管理提供科学的参考依据。
　　 本文针对建三江分局水土资源开发利用中存在的问题，对区域水土资源系统要素复杂性进行测度分析，并在此基础上探讨了复杂性视角下的水土资源优化配置问题，对2015年、2020年建三江分局的水土资源进行了优化配置研究。主要内容及结论如下:
　　 (1)根据建三江分局水土资源实际利用情况，考虑资料数据的可获取性及科学性原则，选取月降水量、逐月地下水埋深、粮豆作物单产、农药、化肥施用量作为水土资源系统分析要素，分别采用功率谱法、主分量分析法、饱和关联维数法、最大Lyapunov指数法和Kolmogorov熵法对各要素复杂性进行了定性定量分析，得出各要素序列均具有混沌复杂性特征，并计算得到其复杂性测度结果，结合算法稳定性分析理论筛选得出月降水量序列、逐月地下水埋深序列、粮豆作物单产序列及化肥施用量序列均为基于最大Lyapunov指数的复杂性测度结果最优，而农药施用量序列则是基于Kolmogorov熵的复杂性测度结果最优。
　　 (2)结合水土资源系统各系统要素的复杂性测度结果，采用熵权法确定了各要素权重，在此基础上对建三江分局水土资源复合系统的复杂度进行了计算，并结合GIS技术的可视化功能，绘制了各农场及各分区水土资源复杂性空间分布图，结果表明:建三江分局水土资源系统具有明显的区域性差异，其中北区复杂性程度最高，南区次之，中区复杂性程度最低，各分区水土资源的复杂性差异主要受区域环境及人为因素的共同影响。
　　 (3)基于建三江分局水土资源复杂性测度结果，引入相对复杂度的概念来表征水资源与土地资源的发展协调程度，对区域内水资源与土地资源的空间匹配状况进行了分析，结果表明:建三江分局各农场水资源与土地资源的空间匹配状况呈现出一定的地区性差异，不同农场水土资源的空间错位程度不同，需采取一定的措施因势利导进行治理。
　　 (4)在对建三江分局水土资源系统进行复杂测度的基础上，引入EMD-RBF神经网络模型，分析讨论了复杂度与模型预测精度之间的相关性，结果表明:系统复杂性与模型预测精度有很大的相关性，其原因可能在于复杂性的各驱动因子本身是随机多变的、不可预测的，从而导致系统序列不可预测性的增加，使得模型预测精度降低。
　　 (5)以实现建三江分局水土资源系统经济效益、社会效益及生态环境效益最大为目标，以水资源可供水量、需水量、土地总面积、各土地利用类型面积及水土资源相对复杂度为约束条件，建立了建三江分局水土资源系统多目标优化配置模型，对区域内地下水、地表水、过境水的配置及土地利用结构进行了优化，得出建三江分局2015年、2020年水土资源的最优配置。
　　 (6)由建三江分局水土资源优化配置结果的分析得出:模型综合考虑了水土资源的社会效益、经济效益及生态效益，水资源配置及土地利用结构都得到了有效的改善，此优化配置方案是合理可行的。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 立题依据

1．2 研究目的和意义

1．3 国内外研究进展

1．3．1 水土资源复杂性研究进展

1．3．2 混沌理论在水土资源方面的研究进展

1．3．3 水土资源优化配置研究进展

1．4 研究中存在问题

1．5 研究内容与方法

1．5．1 研究内容

1．5．2 研究方法

1．5．3 技术路线

2 区域水土资源系统复杂性研究方法

2．1 构建水土资源结构要素体系

2．2 相空间重构

2．2．1 自相关函数法

2．2．2 Cao方法

2．3 复杂性识别方法

2．3．1 功率谱法

2．3．2 主分量分析(PCA分布)法

2．4 复杂性测度方法

2．4．1 饱和关联维数法

2．4．2 Lyapunov指数法

2．4．3 Kolmogorov熵法

2．5 本章小结

3 基于混沌理论的建三江分局水资源系统复杂性测度分析

3．1 区域概况

3．1．1 地理位置

3．1．2 气候条件

3．1．3 水文地质特征

3．1．4 社会经济状况

3．2 基于混沌理论的降水序列复杂性识别与测度

3．2．1 基本资料

3．2．2 相空间重构

3．2．3 基于功率谱法的降水序列复杂性识别

3．2．4 基于主分量分析的降水序列复杂性识别

3．2．5 基于饱和关联维的降水序列复杂性测度

3．2．6 基于最大Lyapunov指数的降水序列复杂性测度

3．2．7 基于Kolmogorov熵的降水序列复杂性测度

3．2．8 复杂性测度结果的稳定性分析

3．2．9 区域降水复杂性差异分析

3．3 基于混沌理论的地下水埋深序列复杂性识别与测度

3．3．1 基本资料

3．3．2 相空间重构

3．3．3 基于功率谱法的地下水埋深序列复杂性识别

3．3．4 基于主分量分析的地下水埋深序列复杂性识别

3．3．5 基于饱和关联维的地下水埋深序列复杂性测度

3．3．6 基于最大Lyapunov指数的地下水埋深序列复杂性测度

3．3．7 基于Kolmogorov熵的地下水埋深序列复杂性测度

3．3．8 复杂性测度结果的稳定性分析

3．3．9 区域地下水复杂性差异分析

3．4 本章小结

4 基于混沌理论的建三江分局土地资源系统复杂性测度分析

4．1 基于混沌理论的梁豆作物单产序列复杂性识别与测度

4．1．1 基本资料

4．1．2 相空间重构

4．1．3 基于功率谱法的粱豆作物单产序列复杂性识别

4．1．4 基于主分量分析的粱豆作物单产序列复杂性识别

4．1．5 基于饱和关联维的粱豆作物单产序列复杂性测度

4．1．6 基于最大Lyapunov指数的梁豆作物单产序列复杂性测度

4．1．7 基于Kolmogorov熵的粱豆作物单产序列复杂性测度

4．1．8 复杂性测度结果的稳定性分析

4．1．9 区域粮豆作物单产复杂性差异分析

4．2 基于混沌理论的农药施用量序列的复杂性识别与测度

4．2．1 基本资料

4．2．2 相空间重构

4．2．3 基于功率谱法的农药施用量序列复杂性识别

4．2．4 基于主分量分析的农药施用量序列复杂性识别

4．2．5 基于饱和关联维的农药施用量序列复杂性测度

4．2．6 基于最大Lyapunov指数的农药施用量序列复杂性测度

4．2．7 基于Kolmogorov熵的农药施用量序列复杂性测度

4．2．8 复杂性测度结果的稳定性分析

4．2．9 区域农药施用量复杂性差异分析

4．3 基于混沌理论的化肥施用量序列复杂性测度与分析

4．3．1 基本资料

4．3．2 相空间重构

4．3．3 基于功率谱法的化肥施用量序列复杂性识别

4．3．4 基于主分量分析的化肥施用量序列复杂性识别

4．3．5 基于饱和关联维的化肥施用量序列复杂性测度

4．3．6 基于最大Lyapunov指数的化肥施用量序列复杂性测度

4．3．7 基于Kolmogorov熵的化肥施用量序列复杂性测度

4．2．8 复杂性测度结果的稳定性分析

4．2．9 区域化肥施用量复杂性差异分析

4．4 本章小结

5 基于混沌理论的建三江分局水土资源系统复杂性测度分析

5．1 水土资源复合系统的复杂性测度与分析

5．2 基于复杂度的水土资源空间匹配分析

5．3 系统复杂性与模型预测精度相关性分析

5．3．1 EMD-RBF神经网络模型

5．3．2 建模思路

5．3．3 拟合结果及相关分析

5．4 本章小结

6 复杂度视角下的建三江分局水土资源优化配置

6．1 多目标水土资源优化配置模型的建立

6．1．1 决策变量的描述

6．1．2 确定目标函数

6．1．3 约束函数的建立

6．1．4 总目标函数的建立

6．1．5 模型参数的选择

6．2 模型求解

6．2．1 遗传算法

6．2．2 协同进化遗传算法

6．3 建三江分局水土资源优化配置研究

6．3．1 总体建模

6．3．2 模型求解

6．3．3 建三江分局水土资源优化配置结果分析

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文