CN110738353A - 基于人水耦合互馈系统动力学演化模型的预测方法和系统 - Google Patents
基于人水耦合互馈系统动力学演化模型的预测方法和系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110738353A CN110738353A CN201910874751.9A CN201910874751A CN110738353A CN 110738353 A CN110738353 A CN 110738353A CN 201910874751 A CN201910874751 A CN 201910874751A CN 110738353 A CN110738353 A CN 110738353A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- water
- population
- equation
- water storage
- human
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 287
- 230000008878 coupling Effects 0.000 title claims abstract description 30
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 78
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims description 50
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 claims description 40
- 238000013508 migration Methods 0.000 claims description 34
- 230000005012 migration Effects 0.000 claims description 33
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 25
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 claims description 24
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 8
- 238000011160 research Methods 0.000 description 19
- 238000011161 development Methods 0.000 description 18
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 18
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 11
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 7
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 7
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 5
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 239000008235 industrial water Substances 0.000 description 3
- 238000003973 irrigation Methods 0.000 description 3
- 230000002262 irrigation Effects 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 241000282376 Panthera tigris Species 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 238000012271 agricultural production Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000001174 ascending effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000008676 import Effects 0.000 description 1
- 239000003621 irrigation water Substances 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q10/00—Administration; Management
- G06Q10/04—Forecasting or optimisation specially adapted for administrative or management purposes, e.g. linear programming or "cutting stock problem"
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
- Y02A20/152—Water filtration
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Business, Economics & Management (AREA)
- Human Resources & Organizations (AREA)
- Economics (AREA)
- Strategic Management (AREA)
- Marketing (AREA)
- Game Theory and Decision Science (AREA)
- Entrepreneurship & Innovation (AREA)
- Development Economics (AREA)
- Operations Research (AREA)
- Quality & Reliability (AREA)
- Tourism & Hospitality (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Business, Economics & Management (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于人水耦合互馈系统动力学演化模型的预测方法和系统，属于社会水文学技术领域，其中方法包括：根据流域间人口规模、相对吸引力水平和环境因素，建立人口方程；考虑蓄水工程情况下的地区净蓄水量，建立水量平衡方程；根据环境污染水平和社会经济水平，建立生态环境方程；通过计算区域科技进步贡献率，建立科学技术革新方程；联合人口方程、水量平衡方程、生态环境方程和科学技术革新方程，构建人水耦合互馈系统动力学演化模型；利用人水耦合互馈系统动力学演化模型预测流域需水。本发明方法综合考虑人口、水资源、技术、环境之间的协同演化关系，预测结果更准确。
Description
技术领域
本发明属于社会水文学技术领域，更具体地，涉及一种基于人水耦合互馈系统动力学演化模型的预测方法和系统。
背景技术
针对二元水循环问题，我国学者开展了水资源、水环境和水生态评价与管理研究，研究过程中涉及到的数学模型，涵盖了气候、资源、生态、经济、环境与社会等诸多因素，目前研究中，学者们主要集中考虑人类社会对二元水循环的驱动作用，但现阶段，二元水循环系统的演化对人类行为模式和社会经济模式和过程影响也越来越大，因此有必要考虑自然-社会系统的协同演变规律；此外对二元水循环的研究工作涉及各个学科，需要将各学科知识综合运用。
然而，现有技术存在需水预测不准确的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于人水耦合互馈系统动力学演化模型的预测方法和系统，由此解决需水预测不准确的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于人水耦合互馈系统动力学演化模型的预测方法，包括如下步骤：
根据流域间人口规模、相对吸引力水平和环境因素，建立人口方程；
考虑蓄水工程情况下的地区净蓄水量，建立水量平衡方程；
根据环境污染水平和社会经济水平，建立生态环境方程；
通过计算区域科技进步贡献率，建立科学技术革新方程；
联合人口方程、水量平衡方程、生态环境方程和科学技术革新方程，构建人水耦合互馈系统动力学演化模型；
利用人水耦合互馈系统动力学演化模型预测流域需水。
进一步地，人口方程的建立包括：
将流域分为多个分区，利用相对吸引力水平计算每个分区的人口自然增长率，利用环境因素和每个分区的人口自然增长率计算流域内部人口从一个分区迁移到另一个分区的迁移率，根据每个分区的人口规模、人口自然增长率以及流域内部人口从一个分区迁移到另一个分区的迁移率建立每个分区的人口规模随时间变化的函数，即人口方程。
进一步地，人口方程为：
其中，ψi代表i区的人口自然增长率，ψrij代表流域内部人口从i区迁移到j区的迁移率，i≠j，TPi-1、TPi、TPi+1分别表示i-1区、i区、i+1区的人口，t表示时间。
进一步地，水量平衡方程为：
其中，
代表考虑蓄水工程情况下的地区净蓄水量，
代表不考虑蓄水工程情况下的地区净蓄水量，W可供代表蓄水工程可供水量。
进一步地，生态环境方程为：
E(C，Z)＝a3×Cm+b3×Zn
其中，C为社会经济水平，m为C的幂，Z为环境污染水平，n为Z的幂，a3和b3代表常数，a3＞0，b3＜0，m代表社会经济水平影响系数，0＜m＜1；n代表环境污染水平影响系数，n＞1，E(C，Z)为环境因素。
进一步地，科学技术革新方程为：
F＝A0eptKαLβ
其中，F代表产出，K代表资本投入，L代表劳动投入，α、β分别代表资本弹性、劳动弹性；A0为基期的技术水平，p为科技进步系数或技术进步率。
进一步地，预测流域需水的具体实现方式为：
将社会经济水平和环境污染水平代入生态环境方程，得到环境因素；
将流域间人口规模、相对吸引力水平和环境因素代入人口方程，得到人口随时间变化曲线；
将不考虑蓄水工程情况下的地区净蓄水量和蓄水工程可供水量代入水量平衡方程，得到考虑蓄水工程情况下的地区净蓄水量，进而绘制需水随蓄水变化的曲线；
将资本投入、劳动投入和基期的技术水平代入科学技术革新方程，得到产出；
利用人口随时间变化曲线和产出建立需水相关方程，利用需水随蓄水变化的曲线预测流域需水，通过比较预测的流域需水和需水相关方程计算的流域需水，得到最终预测的流域需水。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于人水耦合互馈系统动力学演化模型的预测系统，包括：
人口方程建立模块，用于根据流域间人口规模、相对吸引力水平和环境因素，建立人口方程；
水量平衡方程建立模块，用于考虑蓄水工程情况下的地区净蓄水量，建立水量平衡方程；
生态环境方程建立模块，用于根据环境污染水平和社会经济水平，建立生态环境方程；
科学技术革新方程建立模块，用于通过计算区域科技进步贡献率，建立科学技术革新方程；
演化模型建立模块，用于联合人口方程、水量平衡方程、生态环境方程和科学技术革新方程，构建人水耦合互馈系统动力学演化模型；
预测模块，用于利用人水耦合互馈系统动力学演化模型预测流域需水。
进一步地，人口方程建立模块包括：
将流域分为多个分区，利用相对吸引力水平计算每个分区的人口自然增长率，利用环境因素和每个分区的人口自然增长率计算流域内部人口从一个分区迁移到另一个分区的迁移率，根据每个分区的人口规模、人口自然增长率以及流域内部人口从一个分区迁移到另一个分区的迁移率建立每个分区的人口规模随时间变化的函数，即人口方程。
进一步地，预测模块包括：
第一模块，用于将社会经济水平和环境污染水平代入生态环境方程，得到环境因素；
第二模块，用于将流域间人口规模、相对吸引力水平和环境因素代入人口方程，得到人口随时间变化曲线；
第三模块，用于将不考虑蓄水工程情况下的地区净蓄水量和蓄水工程可供水量代入水量平衡方程，得到考虑蓄水工程情况下的地区净蓄水量，进而绘制需水随蓄水变化的曲线；
第四模块，用于将资本投入、劳动投入和基期的技术水平代入科学技术革新方程，得到产出；
第五模块，用于利用人口随时间变化曲线和产出建立需水相关方程，利用需水随蓄水变化的曲线预测流域需水，通过比较预测的流域需水和需水相关方程计算的流域需水，得到最终预测的流域需水。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明解析社会自然环境耦合作用下的人口、水资源、技术、环境的协同演化关系，可反映变化环境下，不同发展阶段系统因子间的双向变化规律，进而使得需水的预测结果更准确。
(2)本发明考虑地区间相对吸引力预测研究区域人口变化，能更加清楚的表明流域人口流动情况，从而解释区域间用水变化原因。
(3)本发明将环境影响因子和产出水平应用于计算流域需水，可得到更加准确的需水预测结果。
(4)本发明分析了多种社会自然因子和需水变化之间的反馈关系，为进行需水预测提供了更多可选择因子。
附图说明
图1是本发明实施例提供的方法流程图；
图2是本发明实施例提供的研究区域分区图；
图3是本发明实施例提供的人-水耦合太极图；
图4是本发明实施例提供的人-水耦合互馈系统概念模型图；
图5是本发明实施例提供的珠江上中游人口迁移简化模型图；
图6(a)是本发明实施例提供的2017年珠江上中游各用水部门占比图；
图6(b)是本发明实施例提供的2007年珠江上中游各用水部门占比图；
图7是本发明实施例提供的人口互馈协变关系图；
图8是本发明实施例提供的技术互馈协变关系图；
图9是本发明实施例提供的水资源互馈协变关系图；
图10是本发明实施例提供的生态环境互馈协变关系图；
图11是本发明实施例提供的需水预测图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提出了一种社会自然变化环境下的人-水耦合互馈系统动力学演化模型，综合考虑社会、自然、科学、环境等因素，采用多种模型模拟相关因子未来的演化趋势，在传统研究的基础上，模拟了研究区未来变量间的互馈演变关系，既能体现人类社会对自然界的驱动作用，也能反映自然对人类行为和社会经济的作用机理。
如图1所示，一种基于人水耦合互馈系统动力学演化模型的预测方法，包括如下步骤：
根据流域间人口规模、相对吸引力水平和环境因素，建立人口方程；
考虑蓄水工程情况下的地区净蓄水量，建立水量平衡方程；
根据环境污染水平和社会经济水平，建立生态环境方程；
通过计算区域科技进步贡献率，建立科学技术革新方程；
联合人口方程、水量平衡方程、生态环境方程和科学技术革新方程，构建人水耦合互馈系统动力学演化模型；
利用人水耦合互馈系统动力学演化模型预测流域需水。
进一步地，人口方程的建立包括：
考虑区域人口规模变化的三个主要因素，人口自然增长率、区域外部人口迁移率、区域内部人口迁移率，其中区域外部人口迁移指研究区域人口向研究区域外发生的迁移行为，区域内部人口迁移指研究区域人口从一个分区向另一个毗邻分区发生的迁移行为，借鉴J.Kandasamy在研究Murrumbidgee流域农田灌溉面积变化取得的成果，假设区域外部人口迁移行为只发生在研究区域的一个分区，即除该分区外的其他分区只发生内部人口迁移，综上，考虑地区间人口规模、相对吸引力水平、环境因素建立人口方程。
具体地，将流域分为多个分区，利用相对吸引力水平计算每个分区的人口自然增长率，利用环境因素和每个分区的人口自然增长率计算流域内部人口从一个分区迁移到另一个分区的迁移率，根据每个分区的人口规模、人口自然增长率以及流域内部人口从一个分区迁移到另一个分区的迁移率建立每个分区的人口规模随时间变化的函数，即人口方程。
进一步地，人口方程为：
其中，ψi代表i区的人口自然增长率，ψrij代表流域内部人口从i区迁移到j区的迁移率，i≠j，TPi-1、TPi、TPi+1分别表示i-1区、i区、i+1区的人口，t表示时间。
具体地，人口方程的建立包括：
(1)地区相对吸引力：假设人口发生迁移的行为是获得更高收入，提高经济收入是研究区域发生人口迁移的主要原因，该行为使人们从经济发展较差的地区向发展较好的地区进行迁移，以地区人均工业产值表征地区间相对吸引力，建立如下函数表达式：
式中，
代表某地区相对吸引力水平；
代表该地区的人均工业产值理论最大值；Ik代表该地区的人均工业产值。
(2)自然环境影响：研究表明，生态环境优劣是人口发生迁移行为另一重要因素，环境在多大程度上影响人口的迁移决策，与环境恶化程度和人们的环境意识有关，考虑环境意识后的区域内部人口迁移率表达式如下：
式中，a和b是常数；
代表人口迁入地的相对吸引力水平；
代表人口迁出地的相对吸引力水平；E代表迁移人口的环境意识。当ψrij＞0时，人口迁移方向从地区i到j；当ψrij＜0时，人口迁移方向从地区j到i。
(3)人口方程：假设一地区有三个分区，从上游到下游依次编号为1区、2区、3区，则该区域人口动态变化函数表达式如下：
式中，ψn代表人口自然增长率，为常数；ψm代表区域外部人口迁移率；ψrij代表区域内部人口从i区迁移到j区迁移率；
代表地区相对吸引力水平。在上式，
表示在地区相对吸引力水平为
下的区域外部人口迁移率ψm；TP2×ψr21表示区域内部人口从2区迁移到1区；相应地，TP1×ψr12表示区域内部人口从1区迁移到2区，其他意义同上。
进一步地，水量平衡方程为：
其中，
代表考虑蓄水工程情况下的地区净蓄水量，
代表不考虑蓄水工程情况下的地区净蓄水量，W可供代表蓄水工程可供水量。
具体地，水量平衡方程的建立包括：
水资源方程，即水量平衡方程，研究区域内任一分区内的净输入水量简化为从上游流入本地区的河流径流量，加上由于天然降水形成的地表径流量；其净输出水量可以简化为从下游流出本地区的河流径流量，加上被各用水部门消耗的水量。
(1)不考虑研究区域蓄水工程情形下，改进后水量平衡方程如下：
式中，S′i代表不考虑蓄水工程情况下的地区净蓄水量；
代表上游河流入流量；
代表下游河流出流量；
代表汇水面积；
代表径流系数，为常数；pi代表降水强度；D代表有效灌溉面积；AWD(T)代表农作物需水量；IWD(T)代表工业需水量；DWD(T)代表生活需水量；
描述的是研究区域内部降水量与径流量的关系。在降水过程中，研究区域内的农作物的部分需水量可以从自然降水中得到补充，当自然降水不能满足农作物需水量时，需要从河流提水补充缺额；当自然降水可以满足农作物需水量时，河流提水量为0，AWD(T)、IWD(T)和DWD(T)均是受科学技术发展影响的要素。
(2)考虑大型蓄水工程情形下，水量平衡方程如下：
式中：
代表考虑蓄水工程情况下的地区净蓄水量；
代表不考虑蓄水工程情况下的地区净蓄水量；W可供代表蓄水工程可供水量。
其中，可供水量表达式如下：
当蓄水工程来水量和蓄水工程原有的蓄水量的总水量大于需水量，此时“以需定供”，供水量可以满足地区需水量；当蓄水工程来水量大于需水量，此时对一部分水量进行内部调蓄或者弃水处理之后，满足地区需水量；当蓄水工程来水量不能满足需水量，此时“以供定需”。式中，W可供代表蓄水工程可供水量；W入代表蓄水工程来量水；W0代表时段初蓄水工程蓄水量；M′代表调蓄或者弃水后的需水量；M代表需水量。
进一步地，生态环境方程为：
E(C，Z)＝a3×Cm+b3×Zn
其中，C为社会经济水平，m为C的幂，Z为环境污染水平，n为Z的幂，a3和b3代表常数，a3＞0，b3＜0，m代表社会经济水平影响系数，0＜m＜1；n代表环境污染水平影响系数，n＞1，E(C，Z)为环境因素。
具体地，生态环境方程的建立包括：
生态环境与经济生产间的关系是非线性的，为准确刻画经济-生态系统之间的耦合关系，引入环境影响因子函数，记为E(C，Z)，该函数反映环境污染水平对社会经济水平的影响程度，函数值取决于环境污染水平Z和社会经济水平C。
为保证引入函数模型的可靠性，函数满足如下性质：
基于上述性质，所提函数模型形式如下：
E(C，Z)＝a3×Cm+b3×Zn (7)
为确定各系数之间的关系，进行如下假设：
(1)假设社会经济水平C和环境污染水平Z均大于0，即C＞0，Z＞0；
(2)假设在推求过程中，社会经济水平C的幂为m，环境污染水平Z的幂为n，且m＞0，n＞0；
综上所述，对于环境影响因子函数关系式，满足E(C，Z)＝a3×Cm+b3×Zn，a3＞0、b3＜0代表常数；m代表社会经济水平影响系数(0＜m＜1)；n代表环境污染水平影响系数(n＞1)。
进一步地，科学技术革新方程为：
F＝A0eptKαLβ
其中，F代表产出，K代表资本投入，L代表劳动投入，α、β分别代表资本弹性、劳动弹性；A0为基期的技术水平，p为科技进步系数或技术进步率。
具体地，科学技术革新方程的建立包括：
技术革新对人类社会的影响渗透于生产力的诸要素之中，并转换为社会发展的推动力，这种与推动力促使每个单位生产要素改变以往的运行方式。日常生活中，技术革新改变人们的生活习性，进而影响资源消耗，用水量是其中的一种。在工业生产中，技术革新提高生产力，更新工业设备，减少万元单位工业生产值耗水量；在农业生产中，技术革新可提高灌溉效率，有效节约灌溉用水。综上，技术革新影响人类社会经济发展，以下引入索罗模型(Solow)模型测算区域科技进步贡献率。
Dougla函数是索罗中性进步函数的一个特例(徐士元，何宽，樊在虎.对科技进步贡献率测算索罗模型的重新审视[J].统计与决策,2014(04)∶10-14.)，具体表达式如下：
式中，F代表产出；K代表资本投入；L代表劳动投入；α、β为参数，分别代表资本弹性和劳动弹性；At表示t年的技术水平；A0为基期的技术水平，是常量；p为科技进步系数或技术进步率，F、K、L均为时间t的函数。
联合人口方程、水量平衡方程、生态环境方程和科学技术革新方程，构建人水耦合互馈系统动力学演化模型：
进一步地，预测流域需水的具体实现方式为：
将社会经济水平和环境污染水平代入生态环境方程，得到环境因素；
将流域间人口规模、相对吸引力水平和环境因素代入人口方程，得到人口随时间变化曲线；
将不考虑蓄水工程情况下的地区净蓄水量和蓄水工程可供水量代入水量平衡方程，得到考虑蓄水工程情况下的地区净蓄水量，进而绘制需水随蓄水变化的曲线；
将资本投入、劳动投入和基期的技术水平代入科学技术革新方程，得到产出；
利用人口随时间变化曲线和产出建立需水相关方程，利用需水随蓄水变化的曲线预测流域需水，通过比较预测的流域需水和需水相关方程计算的流域需水，得到最终预测的流域需水。
为了更清晰的展现本发明的目的和结构及技术方案，以下以珠江上中游流域为基本研究区域结合附图对本发明进一步详细说明：
步骤1，将研究区域内按省级行政区划分为3个部分，分别为广西、云南、贵州三省，研究区域图如图2所示。模拟时间为2007至2080年，其中2007年至2017年为模型验证阶段，2018年至2080年为模拟预测阶段，搜集历史社会经济数据，包括：历史可供水量、需水量、GDP、人均工业产值、人口、污染水平、技术水平等，确定系统边界后，引入“太极-轮胎”组织框架，如图3(Liu Y，Tian F，Hu H，et al.Socio-hydrologic perspectives of the co-evolution of humans and water in the Tarim River basin，Western China：theTaiji-Tire model[J].Hydrology and Earth System Sciences，2014，18(4)：1289-1303.)，可很好展示该系统演变原因和过程。基于上述分析，搭建本发明概念模型如图4，既体现四个状态变量(人口、水资源、科学技术、环境)之间的反馈关系，也清晰展示与之相关的外部影响因子。
步骤2，根据所建系统控制方程，对珠江上中游地区，进行模型模拟，其中，研究区域人口迁移简化模型如图5所示；改进水资源方程的依据是珠江上中游未来若干年占据绝对优势的农业用水量将保持稳定，而自然降雨的变化直接影响到农业需水量，图6(a)和6(b)展示了2017年和2007年各用水部门用水占比，2017年，生活用水、工业用水和农业用水分别为：10.32％、10.90％和78.78％，2007年，生活用水、工业用水和农业用水分别为：8.68％、13.04％和78.29％。因此，珠江上中游任一内的净输入水量可以简化为从上游流入本地区的河流径流量，加上由于天然降水形成的地表径流量，其净输出水量可以简化为从下游流出本地区的河流径流量，加上被各用水部门消耗的水量；科学技术革新方程和生态环境因子方程根据历史实际数据确定参数。
步骤3，综合以上分析，进行模型模拟，得到各状态变量与辅助变量无量纲状态下的对比结果，图7为人口互馈协变关系图、图8为技术互馈协变关系图、图9为水资源互馈协变关系图、图10为生态环境互馈协变关系图。
起步阶段：对于人口协变互馈关系，由于区域内部发展欠佳，从2007年起，人口向区域外迁出现象严重，趋势有所减慢，但随着区域发展以工业发展为主，政策上对环境保护力度加大，因此，人均工业值和生态环境都呈上升趋势，区域内城市吸引力增强，迁出人口逐年减少；对于技术协变关系，技术水平明显上升，技术水平的提升对劳动力的需求量减少，基于老龄化现象出现，在起步阶段，外出劳动力人口居多，因此，区域内劳动力人口减少；水资源互馈协变关系，蓄水量变化模拟值与实际蓄水量变化趋势一致，需水变化保持稳定；对于生态环境协变互馈关系，工业发展使污染水平呈小幅度上升趋势。但总体上，社会经济大幅度上升。
发展阶段：对于人口协变互馈关系，区域发展有显著进步，人口往区域外迁出现象明显减缓，外迁人口越来越少，从2045年起，区域内已经有人口回流现象，人均工业值进入饱和状态，反映出该区域产业结构升级有明显效果，工业发展占经济占比有所下降，生态环境都呈良性发展，因此区域内城市吸引力显著增强；对于技术协变关系，技术水进平一步提升，因此，区域内劳动力人口减少；水资源互馈协变关系，随着蓄水工程的继续开建，蓄水量有所上升，随着经济的发展，需水量也有上涨趋势，到一定程度后，需水量继续上涨，蓄水量不能满足需求，引起生态环境质量下降，最终导致蓄水量下降；对于生态环境协变互馈关系，随着治理污染技术提高和人的环保意识增强，污染程度已经不会随着社会发展增加，但社会经济会继续增加，在该阶段上升到新顶点。
平衡阶段：对于人口协变互馈关系，区域发展有显著进步，人口迁移频率趋于稳定，限于客观因素，人均工业值没有明显变化，进入新瓶颈，产业结构稳定，生态环境进入新的平衡状态，整体上，区域内发展仍呈上升趋势，城市吸引力继续增强。对于技术协变关系，技术水平仍呈上升趋势，劳动力人口回升的原因可能有以下两种情况：1、出现了新兴产业，而这种产业需要更多的劳动力支持；2、国家二胎政策的实施有效果，总人口数量回升，相应地，劳动力人口增加，呈增加趋势；水资源互馈协变关系，蓄水量在这一阶段保持稳定，需水量出现变小趋势，这是由于农业需水大幅度下降导致；对于生态环境协变互馈关系，随着治理污染技术提高和人的环保意识增强，污染水平下降，在新阶段内，社会经济在调整中，处于新的“上升-下降”动态平衡状态。
步骤4，采用经过检验的需水预测模型对待预测区域进行总需水预测，得到总需水预测结果如图11。预测结果表明，2020年研究区域内总需水量为434.28亿m3，在2020年到2030年间波动不是很大，基本维持在430亿m3到440亿m3之间。由于我国要实现国民经济的持续稳定增长，完成工业化、城镇化任务，同时继续面临人口增长的巨大压力，在未来相当长的时期里，社会经济用水还将持续增长，预计在2050年左右达到用水高峰，其后逐步进入用水“零增长”甚至“负增长”阶段，按照预测模式，2050年左右的确达到用水顶峰，这也是我国双百目标的完成期，国家各地区都将得到极大发展，这样符合国家的发展规划。综合数据应用结果表明，该预测结果可以为研究区域内用水定额管理和用水总量控制、促进水资源合理配置和高效利用提供参考。
本发明公开一种社会自然变化环境下的人-水耦合互馈系统动力学演化模型，可用于评估人类活动影响下的社会-自然互馈系统演化关系。该模型由4个耦合的非线性常微分方程组成，分别描述人口、水资源、技术、环境之间的协同演化关系，将社会自然变化环境下的人-水耦合系统概念化，构建人-水耦合互馈系统仿真模型，然后，针对各因子内在物理机制及其演化特性，综合考虑社会、经济、自然因素，建立了反应各因子未来演化趋势的预测模型，引入地区相对吸引力和环境因子实现地区人口迁移的模拟；考虑各用水部门耗水量及未来降雨量改进了水量平衡方程；提出了基于社会经济水平和污染水平的环境因子函数；推导了基于Solow模型的科学技术革新方程，在此基础上，构建了人-水耦合系统动力学模型。本发明能有效解释未来社会自然会变化环境下不同阶段的自然-社会因子的演化规律，能双向反映自然-社会的竞争制约和协调演化规律，有效避免了传统人-水耦合模型的以人制水的缺陷。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于人水耦合互馈系统动力学演化模型的预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据流域间人口规模、相对吸引力水平和环境因素，建立人口方程；
考虑蓄水工程情况下的地区净蓄水量，建立水量平衡方程；
根据环境污染水平和社会经济水平，建立生态环境方程；
通过计算区域科技进步贡献率，建立科学技术革新方程；
联合人口方程、水量平衡方程、生态环境方程和科学技术革新方程，构建人水耦合互馈系统动力学演化模型；
利用人水耦合互馈系统动力学演化模型预测流域需水。
2.如权利要求1所述的一种基于人水耦合互馈系统动力学演化模型的预测方法，其特征在于，所述人口方程的建立包括：
将流域分为多个分区，利用相对吸引力水平计算每个分区的人口自然增长率，利用环境因素和每个分区的人口自然增长率计算流域内部人口从一个分区迁移到另一个分区的迁移率，根据每个分区的人口规模、人口自然增长率以及流域内部人口从一个分区迁移到另一个分区的迁移率建立每个分区的人口规模随时间变化的函数，即人口方程。
3.如权利要求2所述的一种基于人水耦合互馈系统动力学演化模型的预测方法，其特征在于，所述人口方程为：
其中，ψi代表i区的人口自然增长率，ψrij代表流域内部人口从i区迁移到j区的迁移率，i≠j，TPi-1、TPi、TPi+1分别表示i-1区、i区、i+1区的人口，t表示时间。
4.如权利要求1或2所述的一种基于人水耦合互馈系统动力学演化模型的预测方法，其特征在于，所述水量平衡方程为：
其中，
代表考虑蓄水工程情况下的地区净蓄水量，代表不考虑蓄水工程情况下的地区净蓄水量，W可供代表蓄水工程可供水量。
5.如权利要求1或2所述的一种基于人水耦合互馈系统动力学演化模型的预测方法，其特征在于，所述生态环境方程为：
E(C，Z)＝a3×Cm+b3×Zn
其中，C为社会经济水平，m为C的幂，Z为环境污染水平，n为Z的幂，a3和b3代表常数，a3＞0，b3＜0，m代表社会经济水平影响系数，0＜m＜1；n代表环境污染水平影响系数，n＞1，E(C，Z)为环境因素。
6.如权利要求1或2所述的一种基于人水耦合互馈系统动力学演化模型的预测方法，其特征在于，所述科学技术革新方程为：
F＝A0eptKαLβ
其中，F代表产出，K代表资本投入，L代表劳动投入，α、β分别代表资本弹性、劳动弹性；A0为基期的技术水平，p为科技进步系数或技术进步率。
7.如权利要求1或2所述的一种基于人水耦合互馈系统动力学演化模型的预测方法，其特征在于，所述预测流域需水的具体实现方式为：
将社会经济水平和环境污染水平代入生态环境方程，得到环境因素；
将流域间人口规模、相对吸引力水平和环境因素代入人口方程，得到人口随时间变化曲线；
将不考虑蓄水工程情况下的地区净蓄水量和蓄水工程可供水量代入水量平衡方程，得到考虑蓄水工程情况下的地区净蓄水量，进而绘制需水随蓄水变化的曲线；
将资本投入、劳动投入和基期的技术水平代入科学技术革新方程，得到产出；
利用人口随时间变化曲线和产出建立需水相关方程，利用需水随蓄水变化的曲线预测流域需水，通过比较预测的流域需水和需水相关方程计算的流域需水，得到最终预测的流域需水。
8.一种基于人水耦合互馈系统动力学演化模型的预测系统，其特征在于，包括：
人口方程建立模块，用于根据流域间人口规模、相对吸引力水平和环境因素，建立人口方程；
水量平衡方程建立模块，用于考虑蓄水工程情况下的地区净蓄水量，建立水量平衡方程；
生态环境方程建立模块，用于根据环境污染水平和社会经济水平，建立生态环境方程；
科学技术革新方程建立模块，用于通过计算区域科技进步贡献率，建立科学技术革新方程；
演化模型建立模块，用于联合人口方程、水量平衡方程、生态环境方程和科学技术革新方程，构建人水耦合互馈系统动力学演化模型；
预测模块，用于利用人水耦合互馈系统动力学演化模型预测流域需水。
9.如权利要求8所述的一种基于人水耦合互馈系统动力学演化模型的预测系统，其特征在于，所述人口方程建立模块包括：
将流域分为多个分区，利用相对吸引力水平计算每个分区的人口自然增长率，利用环境因素和每个分区的人口自然增长率计算流域内部人口从一个分区迁移到另一个分区的迁移率，根据每个分区的人口规模、人口自然增长率以及流域内部人口从一个分区迁移到另一个分区的迁移率建立每个分区的人口规模随时间变化的函数，即人口方程。
10.如权利要求8或9所述的一种基于人水耦合互馈系统动力学演化模型的预测系统，其特征在于，所述预测模块包括：
第一模块，用于将社会经济水平和环境污染水平代入生态环境方程，得到环境因素；
第二模块，用于将流域间人口规模、相对吸引力水平和环境因素代入人口方程，得到人口随时间变化曲线；
第三模块，用于将不考虑蓄水工程情况下的地区净蓄水量和蓄水工程可供水量代入水量平衡方程，得到考虑蓄水工程情况下的地区净蓄水量，进而绘制需水随蓄水变化的曲线；
第四模块，用于将资本投入、劳动投入和基期的技术水平代入科学技术革新方程，得到产出；
第五模块，用于利用人口随时间变化曲线和产出建立需水相关方程，利用需水随蓄水变化的曲线预测流域需水，通过比较预测的流域需水和需水相关方程计算的流域需水，得到最终预测的流域需水。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910874751.9A CN110738353B (zh) | 2019-09-16 | 2019-09-16 | 基于人水耦合互馈系统动力学演化模型的预测方法和系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910874751.9A CN110738353B (zh) | 2019-09-16 | 2019-09-16 | 基于人水耦合互馈系统动力学演化模型的预测方法和系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110738353A true CN110738353A (zh) | 2020-01-31 |
| CN110738353B CN110738353B (zh) | 2022-05-20 |
Family
ID=69267963
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910874751.9A Active CN110738353B (zh) | 2019-09-16 | 2019-09-16 | 基于人水耦合互馈系统动力学演化模型的预测方法和系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110738353B (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111612276A (zh) * | 2020-05-29 | 2020-09-01 | 云南电网有限责任公司 | 电力负荷特性指标预测方法及装置 |
| CN113704978A (zh) * | 2021-08-05 | 2021-11-26 | 武汉大学 | 一种基于社会水文学的城市圈人水耦合模拟方法及系统 |
| CN114202245A (zh) * | 2022-01-10 | 2022-03-18 | 天津大学 | 基于格兰杰检验确定水资源和生态环境因果关系的方法 |
| CN117094441A (zh) * | 2023-08-24 | 2023-11-21 | 中水珠江规划勘测设计有限公司 | 供水预测模型建立方法、供水预测方法、装置和电子设备 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20100104118A (ko) * | 2009-03-16 | 2010-09-29 | 주식회사 비츠로시스 | 지엠디에이치 알고리즘을 이용한 물수요 예측방법 |
| CN101901462A (zh) * | 2010-06-30 | 2010-12-01 | 北京师范大学 | 一种城市生态系统承载力的动态分析方法 |
| CN103218536A (zh) * | 2013-04-26 | 2013-07-24 | 珠江水利委员会珠江水利科学研究院 | 跨越式发展地区需水预测方法 |
| CN107908885A (zh) * | 2017-11-20 | 2018-04-13 | 西安理工大学 | 基于动力学方程的流域社会生态水文演化过程模拟方法 |
-
2019
- 2019-09-16 CN CN201910874751.9A patent/CN110738353B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20100104118A (ko) * | 2009-03-16 | 2010-09-29 | 주식회사 비츠로시스 | 지엠디에이치 알고리즘을 이용한 물수요 예측방법 |
| CN101901462A (zh) * | 2010-06-30 | 2010-12-01 | 北京师范大学 | 一种城市生态系统承载力的动态分析方法 |
| CN103218536A (zh) * | 2013-04-26 | 2013-07-24 | 珠江水利委员会珠江水利科学研究院 | 跨越式发展地区需水预测方法 |
| CN107908885A (zh) * | 2017-11-20 | 2018-04-13 | 西安理工大学 | 基于动力学方程的流域社会生态水文演化过程模拟方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 苏伟洲: "水资源承载力与城市经济社会协调发展研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士)工程科技Ⅱ辑》 * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111612276A (zh) * | 2020-05-29 | 2020-09-01 | 云南电网有限责任公司 | 电力负荷特性指标预测方法及装置 |
| CN113704978A (zh) * | 2021-08-05 | 2021-11-26 | 武汉大学 | 一种基于社会水文学的城市圈人水耦合模拟方法及系统 |
| CN113704978B (zh) * | 2021-08-05 | 2023-11-07 | 武汉大学 | 一种基于社会水文学的城市圈人水耦合模拟方法及系统 |
| CN114202245A (zh) * | 2022-01-10 | 2022-03-18 | 天津大学 | 基于格兰杰检验确定水资源和生态环境因果关系的方法 |
| CN117094441A (zh) * | 2023-08-24 | 2023-11-21 | 中水珠江规划勘测设计有限公司 | 供水预测模型建立方法、供水预测方法、装置和电子设备 |
| CN117094441B (zh) * | 2023-08-24 | 2024-04-26 | 中水珠江规划勘测设计有限公司 | 供水预测模型建立方法、供水预测方法、装置和电子设备 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110738353B (zh) | 2022-05-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110738353B (zh) | 基于人水耦合互馈系统动力学演化模型的预测方法和系统 | |
| Zhou et al. | Assessing integrated water use and wastewater treatment systems in China: A mixed network structure two-stage SBM DEA model | |
| CN113379109B (zh) | 一种基于预测模型自适应的径流预报方法 | |
| Wang et al. | Dynamic simulation and comprehensive evaluation of the water resources carrying capacity in Guangzhou city, China | |
| WO2021238170A1 (zh) | 二元水权核算交易方法及系统 | |
| WO2015081660A1 (zh) | 一种居民小区短期负荷预测方法 | |
| CN105389743A (zh) | 一种流域水量-水质联合调控优化方法 | |
| Li et al. | A Novel Grey Model with A Three-parameter Background Value and Its Application in Forecasting Average Annual Water Consumption Per Capita in Urban Areas Along The Yangtze River Basin. | |
| Deng et al. | Modelling the coupling evolution of the water environment and social economic system using PSO-SVM in the Yangtze River Economic Belt, China | |
| Lin et al. | Comparative analysis of environmental carrying capacity of the Bohai Sea Rim area in China | |
| CN111598724A (zh) | 一种中小水库入库流量日前预测的分时段集成方法 | |
| CN107239850A (zh) | 一种基于系统动力学模型的中长期电力负荷预测方法 | |
| CN113592278A (zh) | 考虑非期望产出的sbm水环境承载力评价方法 | |
| CN113344449A (zh) | 一种预测月尺度工业需水量的方法 | |
| Meng et al. | Structure construction, evolution analysis and sustainability evaluation of Water-Ecological-Economic system | |
| Wang et al. | Coupled coordination of water resources–economy–ecosystem complex in the Henan section of the Yellow River basin | |
| CN113379152B (zh) | 基于可调能力的闸坝群低影响中长期联合调度方法 | |
| Wang et al. | Review of evaluation on ecological carrying capacity: The progress and trend of methodology | |
| CN105005623A (zh) | 基于关键词检索指数相关性分析的用电需求预测方法 | |
| CN107103412A (zh) | 一种河流水资源资产负债系统及其计算方法 | |
| Xie et al. | Spatiotemporal analysis of urban water use efficiency of the Yangtze River Economic Zone in China: based on undesirable super-efficiency EBM-DEA model | |
| Wang et al. | Flood season division with an improved fuzzy C-mean clustering method in the Taihu lake basin in China | |
| Zhang et al. | Calculation of the water resources dynamic carrying capacity of Tarim River Basin under climate change | |
| CN113837448A (zh) | 一种虚拟电厂参与农村能源互联网构建的运行优化方法 | |
| Lin et al. | Conception and evaluation methodology of water resources carrying capacity based on three-level analysis |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |