区域农业水土资源复合系统复杂性测度方法及应用研究——以三江平原为例

针对以往区域农业水土资源系统分析中忽视系统复杂性、难以真正实现水土资源可持续利用的弊端，以三江平原为研究平台，运用系统工程思想，将农业水、土资源视为一个复合系统，对其复杂性进行整合研究。首先采用主成分分析、模糊综合评价等方法，筛选研究区域农业水土资源复合系统复杂性驱动因子，计算综合驱动力指数，揭示其综合驱动机制；然后采用混沌理论、分形理论、小波理论、GIS技术等方法诊断区域农业水土资源复合系统复杂性，筛选复杂性最优测度方法，绘制复杂性空间变异分区图，进而建立复杂性视角下研究区域农业水土资源优化配置模型，提出高维非线性优化配置模型求解新方法，确定区域农业水土资源优化配置方案。研究成果丰富、完善了系统复杂性测度理论及其应用研究体系，对于实现三江平原农业水土资源可持续利用、促进产业结构调整、保障黑龙江省千亿斤粮食产能工程和三江平原农业综合开发试验区建设顺利实施具有重大理论与现实意义。

作为农业水土工程领域中的研究热点，区域农业水土资源系统复杂性研究是有效管理复杂农业水土资源系统的重要前提。本课题以三江平原为研究平台，将复杂性理论引入到产粮核心区的农业水土资源系统分析中，全面完成了预定的农业水土资源复合系统复杂性驱动机制、复杂性测度及其空间变异规律、复杂性视角下的农业水土资源优化配置模型等预定的研究任务。运用信息熵、因子分析法、灰色关联分析、基于距离分析法的模糊综合评价模型等方法识别出社会经济和自然环境因子是建三江管理局用水、用地结构演变的主要驱动因子，确定了水土资源利用结构复杂性综合驱动力等级，解决了农业水土资源复合系统复杂性驱动机制不清问题；建立了涵盖熵理论、小波理论、分形理论、混沌理论、符号动力学等的农业水土资源系统复杂性测度方法体系，运用人工鱼群算法、粒子群算法率定复杂性测度方法中的关键参数，通过可靠性分析筛选了复杂性最优测度方法，发现分形理论中多时间尺度半方差分维方法稳定性最高，混沌理论中最大Lyapunov指数算法稳定性最高，熵理论中多尺度熵稳定性最高，并运用GIS技术研究了复杂性分区特征，解决了区域农业水资源系统复杂性度量方法薄弱问题；将复杂性诊断结果嵌入到约束条件中，建立了复杂性视角下多目标水土资源优化配置模型，运用粒子群算法、协同进化遗传算法等现代智能优化算法进行模型求解，确定了农业水土资源优化配置方案，解决了传统的优化配置模型约束条件不完善与求解精度不高问题。另外，本课题还进行了拓展研究，运用经验模态分解、人工神经网络、小波分析、基于改进人工鱼群算法的投影寻踪旱情评价模型等方法，分析了复杂农业水文序列的发展态势，评价了区域干旱状况，解决了区域农业水资源系统分析预测精度不高问题；运用物元理论、模糊综合评价、DPSIR-TOPSIS模型等方法评价了区域水资源承载力及水资源系统恢复力，解决了区域农业水资源调控依据不充分问题。本课题研究成果丰富完善了系统复杂性测度应用技术理论体系，为优化配置区域农业水土资源、提高复杂农业水土资源系统运行效益提供了科学依据。