基于复杂适应系统理论的农业水土资源优化配置研究

论文摘要

随着人口增加和经济的快速发展,水土资源的供需矛盾日益尖锐,诸多生态环境问题也不断加剧。农业作为用水用地的大户,其水土资源利用合理与否,不仅关系到社会经济的发展,而且影响着生态环境恢复与重建的进程。然而,已有研究多是单纯优化水资源或土地利用结构,只考虑土地结构优化调整,将水资源只作为一种约束条件而不加优化配置;或者只对水资源根据预测需求进行优化配置而不考虑土地资源的利用情况。这种将水土资源视为独立系统分别进行研究的思想阻碍了区域水土资源系统整体效能的充分发挥,容易导致系统超负荷运行的弊端。水资源和土地资源作为自然地理系统的重要组成因子,彼此之间相互联系、相互渗透、相互制约,水资源利用合理与否,直接影响到土地资源的生产效率;而土地资源的利用程度也制约着水资源的开发与利用。尽管人们已经在水土资源调查、评价、规划,以及以水土资源综合利用为核心的区域经济、社会、生态环境协调发展等方面开展了大量工作,但总体而言,目前将两类资源结合起来所做的研究还比较少,已有研究也多偏重于水资源的配置,与土地资源的结合不够,缺乏建立适于科学分析高度复杂的水土资源系统演化和运行机理的理论体系和方法体系。因此要将水土资源视为一个统一系统进行研究,以提高区域水土资源利用效率,维持系统的相对平衡。随着农业水土资源相关理论研究的不断深入,水土资源的大系统、多目标、非线性等复杂系统的特点越来越明显。要解决这样的复杂性问题就要在复杂性科学中寻求答案,而复杂适应系统(Complex Adaptive System,CAS)理论为我们提供了一种全新的思路,本文将复杂适应系统理论引入到区域农业水土资源配置当中,着重从个体的主动适应性角度研究系统的复杂行为。详尽分析了该系统的CAS特性,包括基本特征和机制及演化机理,并对其结构进行解析。在此基础上结合三江平原实际特点,建立了基于复杂适应系统理论的区域农业水土资源优化配置仿真模型,针对当地水土资源利用现状进行了仿真优化。得到了不同地下水开采强度下的水土资源利用方案,结果表明:社会、经济、生态子系统对水量变化的敏感程度和变化趋势各有不同,表现出不同的适应性,同时水资源已经成为制约当地社会—经济—生态协调发展及土地资源合理高效利用的主要因素,合理高效的利用地下水,大力开发地表水资源,成为当地亟待解决的问题。针对复杂系统的多层次、非线性等特点,加之含有大量随机不确定因素,给系统的演化仿真工作带来巨大的困难。本文提出基于实数编码的多目标嵌套加速遗传算法(RMONAGA)来对复杂系统进行演化仿真,利用复杂适应系统自身特点与遗传算法特点的相似性,采用嵌套、多目标等方法较好的解决了复杂系统中不同层次交互、不同部门间适应性矛盾等题。将该方法应用于三江平原区域农业水土资源复杂适应性优化配置演化研究中,验证了该方法的科学合理性,对CAS理论在各领域的建模仿真工作提供了一定的帮助。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 研究意义
• 1.3 国内外研究动态
• 1.3.1 水土资源优化配置理论与模型研究
• 1.3.2 复杂适应系统理论及其在水土资源系统分析中的应用研究
• 1.4 研究内容、方法和技术路线
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究方法
• 1.4.3 技术路线
• 1.5 创新点
• 2 区域农业水土资源复杂适应系统理论及解析
• 2.1 复杂适应系统基本理论
• 2.1.1 复杂适应系统理论基本概念——具有适应能力的主体
• 2.1.2 复杂适应系统理论核心思想——适应性造就复杂性
• 2.1.3 复杂适应系统理论基本特性和机制
• 2.1.4 复杂适应系统理论特点
• 2.1.5 从微观到宏观——ECHO 模型的建立
• 2.2 区域农业水土资源复杂适应系统分析
• 2.2.1 水土资源系统复杂性
• 2.2.2 区域农业水土资源配置系统的CAS 特性分析
• 2.2.3 区域农业水土资源复杂适应性配置研究方法
• 2.3 本章小结
• 3 基于CAS 理论的区域农业水土资源优化配置整体模型
• 3.1 基于复杂适应系统理论的水土资源系统解析
• 3.1.1 水土资源系统组成与层次划分
• 3.1.2 水土资源配置的动力分析
• 3.2 模型的整体框架
• 3.2.1 主体的分类
• 3.2.2 主体适应性的描述
• 3.2.3 模型的框架结构
• 3.2.4 模型结构与关键算法
• 3.3 本章小结
• 4 区域农业水土资源复杂适应系统优化配置模型求解方法研究
• 4.1 遗传算法及其运行过程分析
• 4.2 基于实数编码的加速遗传算法——RAGA
• 4.3 多目标遗传算法——MOGA
• 4.4 嵌套遗传算法——NGA
• 4.5 基于实数编码的多目标嵌套加速遗传算法——RMONAGA
• 4.6 本章小结
• 5 实例研究——三江平原农业水土资源复杂适应系统配置研究
• 5.1 研究区域概况
• 5.2 水土资源现状
• 5.3 主体分类及适应性描述
• 5.3.1 政府主体
• 5.3.2 农业生产主体
• 5.3.3 生态主体
• 5.4 模型框架
• 5.5 模型初始化及约束条件确定
• 5.6 模型运行
• 5.7 结果分析
• 5.8 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 成果与结论
• 6.2 创新点
• 6.3 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文