基于CAS的区域农业水土资源配置系统复杂适应机理及应用研究—以三江平原为例

针对三江平原农业用水、用地结构不合理、难以发挥系统最大效能问题，运用系统工程思想，将区域农业水、土资源视为一个复合配置系统，对其复杂适应机理进行剖析，以期解决单项资源研究易造成系统超负荷运行的弊端。首先运用CAS理论深入分析区域农业水土资源配置系统的复杂适应性特征、层次结构和演变机理；进而建立区域农业水土资源复杂适应性配置过程动态仿真模型，提出高维非线性仿真模型降维、优化求解新方法；最后通过计算区域农业水土资源适应性配置前后可持续承载能力等级和可持续承载协调度，绘制承载能力和协调度时空变异分区图，提出二者同步提高条件下的区域农业水土资源适应性配置模式。研究成果对于完善与丰富复杂性科学基础理论及其应用研究体系，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基地建设顺利实施以及我国粮食安全具有重大理论与现实意义。

本项目针对区域农业水土资源匹配利用不尽合理、综合利用效率低等诸多制约农业发展问题，以三江平原为研究平台，将区域农业水、土资源视为一个复合配置系统，引入复杂适应系统理论全面完成了预定的区域农业水土资源配置系统复杂适应性解析和系统要素间“流”传递关系、区域农业水土资源复杂适应性配置过程动态仿真模型构建和求解、区域农业水土资源复杂适应性配置模式识别指标及时空变异规律研究等任务。运用复杂适应系统理论全面解析了区域农业水土资源系统的复杂性和CAS特性，从宏观和微观角度全面分析了各系统主体间的利益和能量传递关系，提出了区域农业水土资源复杂适应性配置模型的层次结构和演化机理，构建了系统级、部门级和用户级主体的综合效用函数，并对各级主体的适应性行为进行了全面的解析，解决了区域农业水土资源配置系统不同要素间“流”的传递关系问题；运用信息熵理论，依据主体仿真过程中产生个体的信息量，确定各目标在模型演化过程中的权重，建立了区域农业水土资源复杂适应性配置模型，进而改进现有遗传算法，提出了嵌套多目标优化遗传算法，从理论和应用两个视角对区域农业水土资源复杂适应性配置模型中各级主体的不断适应过程进行了仿真和不同级别主体、不同主体部门间水、土资源之间的“能量”流动进行了优化求解，解决了区域农业水土资源复杂适应性配置过程动态仿真模型构建及优化求解问题；结合系统动力学、DPSIR模型和基于遗传算法、粒子群算法的投影寻踪模型，从宏观和微观角度构建了研究区域农业水土资源承载力评价指标体系和评价模型，对研究区域农业水土资源承载力进行了全面的评价，并采用ArcGIS技术实现了承载力评价的空间可视化，同时，采用云模型和界壳论对区域农业水土资源可持续利用方案进行分析和风险评价，提出了区域农业水土资源最优化配置模式，解决了区域农业水土资源复杂适应性配置模式识别问题。另外，本课题还进行了拓展研究，运用小波多尺度分析理论、小波变换信息量系数法、近似熵、符号动力学等方法，分析了研究区降水资源的时空演变和复杂性特征；运用虚拟水理论构建了研究区农业用水结构调整模型，系统分析了主要农产品虚拟水-农业水资源时空差异和演变特征，解决了区域水资源配置依据不充分的问题。本课题研究成果丰富和完善了复杂性科学基础理论及其应用研究体系，促进了复杂适应系统理论的发展，为研究区及其他类似区域农业水土资源可持续利用提供了科学依据。