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集对分析在水资源不确定性分析中的应用

集对分析在水资源不确定性分析中的应用

作者：蒋尚明合肥工业大学

学位级别：硕士

合理开发、利用、治理、保护、管理水资源是人类作用于自然水系统的理性活动,对水资源进行优化配置是实现水资源在不同区域和用水户的有效公平分配,从而达到水资源可持续利用的重要手段。通过水资源配置可以实现对流域水循环及其影响的... 详细信息

合理开发、利用、治理、保护、管理水资源是人类作用于自然水系统的理性活动,对水资源进行优化配置是实现水资源在不同区域和用水户的有效公平分配,从而达到水资源可持续利用的重要手段。通过水资源配置可以实现对流域水循环及其影响的自然与社会诸因素进行整体调控。受到众多因素的影响,水文水资源现象（径流、洪水等）变化极其复杂,具有很大的不确定性,在对水资源进行优化配置的全过程,包括系统预测、模拟、评价、推理、决策和调控等内容,都存在大量的不确定性。而集对分析（SPA）是中国学者赵克勤先生于1989年基于哲学中的对立统一和普遍联系的原理提出的一种分析不确定性关系的新颖方法。大量应用实践证明,集对分析在水文水资源不确定性分析中表现出描述不确定性更全面、概念清晰、原理简明、计算方便以及结果直观可靠等优点。论文在详细阐述水资源优化配置及其不确定性的基本概念和理论的基础上,论述了集对分析在水文水资源不确定性分析中的研究进展和应用现状,深入探讨集对分析理论在水文水资源不确定性分析研究中可行性、适用性和具体实现途径,并取得如下主要结果: （1）集对分析理论为处理确定、不确定系统提供了新的途径,根据集对分析理论建立起来的预测联系数回归模型可以明显改善回归模型的预测精度。对于预测因子结构具有的动态性,运用数理统计中的近邻估计方法,通过计算各个预测因子的变异系数,来判断预测因子在某次预测中处于强势或者弱势,进而动态地选择预报功能大的强势因子,消除对预报起负面作用的弱势因子的作用,这样很好地体现了预测因子结构中具有的动态性,基于此建立了基于近邻估计的年径流预测动态联系数回归模型。（2）为有效刻画年径流序列的内在分布规律,使区间划分更加合理,应用有序样品聚类方法建立年径流序列丰枯状态的分类标准;针对年径流序列存在相依性、随机性和不确定性的特点,提出基于集对分析原理的集对权重,这比现有的自相关系数权重包含了年径流序列内在的更多不确定性信息,更能合理地表达各滞时步长的马尔可夫链的重要性;基于此建立了基于有序样品聚类的集对权马尔可夫链年径流动态预测模型。（3）针对区间型多属性决策问题中的模糊性和不确定性,用二元联系数原理直观描述决策问题中确定性和不确定性之间的关系;提出二元联系数相离度定义,计算决策方案各决策属性的总偏差,通过构造单目标最优化问题确定各决策属性的最优权重向量;计算决策方案的区间型决策属性值与各决策属性最理想方案的相离度,进而求得各决策方案与最理想方案的加权综合相离度,实现对决策方案的优劣排序,建立了基于二元联系数的水资源区间型多属性决策模型。（4）上述研究结果初步表明:深入开展水文水资源不确定性分析的集对分析方法研究,既可进一步挖掘并客观全面的描述水文水资源不确定性的复杂结构,也有助于丰富、完善和发展水文水资源不确定性分析理论,是水文水资源不确定性分析的新发展方向,具有广泛的应用前景。

关键词：水资源不确定性分析径流预测多属性决策联系数集对分析回归模型马尔可夫链

基于水量供需平衡分析的江淮丘陵区塘坝灌区抗旱能力评价

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水利学报 2013年第5期44卷 534-541页

作者：金菊良原晨阳蒋尚明许浒合肥工业大学土木与水利工程学院安徽合肥230009 合肥工业大学水资源与环境系统工程研究所安徽合肥230009 安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院安徽省水利水资源重点实验室安徽蚌埠233000

综合考虑气象条件、农业种植结构及塘坝建设情况,提出了基于水量供需平衡分析的塘坝灌区抗旱能力概念及其计算模型。应用结果表明:江淮丘陵区5地市及全区塘坝灌区抗旱能力在20世纪60年代达到了历史上较高的水平,此后呈波动下降趋势,至2... 详细信息

综合考虑气象条件、农业种植结构及塘坝建设情况,提出了基于水量供需平衡分析的塘坝灌区抗旱能力概念及其计算模型。应用结果表明:江淮丘陵区5地市及全区塘坝灌区抗旱能力在20世纪60年代达到了历史上较高的水平,此后呈波动下降趋势,至21世纪初又有所提高,客观地反应了50年代至今江淮丘陵区塘坝灌区抗旱能力的历史演变特征;塘坝塘容、作物水旱比和复种指数对塘坝灌区抗旱能力影响较大,建议从增加塘坝蓄水量、调整种植结构合理性两方面采取供需双侧管理措施来进一步提高塘坝灌区抗旱能力。该模型直观,计算结果符合实际情况,可应用于塘坝灌区抗旱能力计算。

关键词：塘坝灌区抗旱能力评价农业灌溉灌溉需水量可供水量江淮丘陵区

基于半偏联系数和动态差异度系数的区域旱灾风险评估方法

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华北水利水电大学学报(自然科学版) 2023年

作者：陈浩金菊良崔毅张诗懿周亮广刘凌蒋尚明安徽省.水利部淮河水利委员会水利科学研究院水利水资源安徽省重点实验室合肥工业大学水资源与环境系统工程研究所合肥工业大学土木与水利工程学院

为客观准确地评估区域旱灾风险，依据半偏联系数思想构建四元联系数的迁移率矩阵，以此来修正四元联系数分量，同时提出随样本指标变化而变化的差异度系数计算方法，计算四元联系数中的差异度系数，构建了基于半偏联系数和动态差异度系... 详细信息

为客观准确地评估区域旱灾风险，依据半偏联系数思想构建四元联系数的迁移率矩阵，以此来修正四元联系数分量，同时提出随样本指标变化而变化的差异度系数计算方法，计算四元联系数中的差异度系数，构建了基于半偏联系数和动态差异度系数的区域旱灾风险评估方法，在亳州市的应用结果表明:2008—2020年亳州市旱灾风险系统中的危险性子系统基本处于轻险和中险两种状态，其中单位面积水资源量占有量和土壤类型是脆弱性指标;2008—2020年暴露性子系统处于轻险和中险两种状态，其中人口密度和耕地率是脆弱性指标;2008—2020年灾损敏感性子系统基本处于微险状态，其中农业人口比例是脆弱性指标;2008—2020年抗旱能力子系统处于中险状态，其中水库调蓄率、单位面积现状供水能力、单位面积应急浇水能力和节水灌溉率是脆弱性指标;2008—2020年亳州市旱灾风险年综合系统处于轻险和中险两种状态，并且整体变化趋势从中险向轻险发展。本文联系数值法和半偏减法集对势方法的评估结果基本一致，并且联系数值法的计算结果更加稳健、可靠，具有推广应用前景。

关键词：旱灾风险评估半偏联系数联系数分量动态差异度系数

受旱试验与相对生长率相结合的小麦旱灾系统敏感性识别与评估

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灌溉排水学报 2021年第8期40卷 66-72页

作者：许浒蒋尚明袁宏伟刘佳金菊良安徽省水利部淮河水利委员会水利科学研究院/水利水资源安徽省重点实验室合肥230088 合肥工业大学土木与水利工程学院合肥230009 合肥工业大学水资源与环境系统工程研究所合肥230009

【目的】揭示小麦不同生长发育过程中干旱致灾因子危险性经承灾体脆弱性转换为旱灾损失的干旱致灾机制。【方法】基于小麦受旱试验,运用相对生长率生长函数,构建了小麦旱灾系统敏感性曲线,据此进行小麦旱灾系统敏感性的定量识别与评估... 详细信息

【目的】揭示小麦不同生长发育过程中干旱致灾因子危险性经承灾体脆弱性转换为旱灾损失的干旱致灾机制。【方法】基于小麦受旱试验,运用相对生长率生长函数,构建了小麦旱灾系统敏感性曲线,据此进行小麦旱灾系统敏感性的定量识别与评估。【结果】小麦分蘖期受旱胁迫均会造成干物质累积总量相对生长率小幅降低(相对无受旱胁迫),但随受旱胁迫度的增加变化幅度并不明显,当期受旱会激发小麦的自适应能力,促进根系纵向生长,从而对后期生长发育有利;小麦拔节孕穗期轻度受旱对生长发育影响较小,但在重度受旱时系统敏感性最大;小麦抽穗开花期系统敏感性较大,轻度受旱即会对小麦生育造成较大影响;小麦灌浆成熟期系统敏感性也较大,轻度受旱就会显著抑制小麦生长发育。【结论】小麦拔节孕穗期轻度受旱胁迫对小麦生长发育影响较小,但在重度受旱时系统敏感性最大,宜保证该生育期土壤含水率高于田间持水率的55%;小麦抽穗开花期和灌浆成熟期系统敏感性均较大,轻度受旱均会对小麦生育造成较大的影响,宜保证这2个生育期土壤含水率高于田间持水率的75%。

关键词：小麦旱灾系统敏感性受旱胁迫相对生长率敏感性函数

基于经验模态分解和集对分析的粮食单产波动影响分析

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农业工程学报 2013年第4期29卷 213-221页

作者：蒋尚明金菊良许浒周玉良王友贞安徽省水利部淮委水利科学研究院安徽省水利水资源重点实验室蚌埠233000 合肥工业大学土木与水利工程学院合肥230009 合肥工业大学水资源与环境系统工程研究所合肥230009

针对江淮分水岭易旱区粮食单产波动的复杂性与非平稳性问题,运用经验模态分解方法对粮食单产及其影响因子进行多层次、多时间尺度分解,并采用集对分析理论分析粮食单产波动分量与其影响因子之间的相关性,从而定量化分析各影响因子对粮... 详细信息

针对江淮分水岭易旱区粮食单产波动的复杂性与非平稳性问题,运用经验模态分解方法对粮食单产及其影响因子进行多层次、多时间尺度分解,并采用集对分析理论分析粮食单产波动分量与其影响因子之间的相关性,从而定量化分析各影响因子对粮食单产波动的综合影响率,得出自然灾害受灾率对粮食单产波动的综合影响率为31.26%,在此基础上,通过分析旱灾和自然灾害对粮食生产的危害程度,求取旱灾对粮食单产波动的综合影响率为17.13%,该研究为该区旱灾综合治理与粮食生产决策提供科学依据。

关键词：干旱粮食数学模型影响因素经验模态分解法集对分析综合影响率

基于大型蒸渗仪和遗传算法的受旱玉米蒸发蒸腾量估算

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农业机械学报 2018年第10期49卷 326-335页

作者：袁宏伟崔毅蒋尚明汤广民袁先江安徽省水利部淮河水利委员会水利科学研究院合肥233088 水利水资源安徽省重点实验室合肥233088 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300072

受旱胁迫下作物蒸发蒸腾量估算重要且复杂,依托新马桥农水综合试验站6台大型称重式蒸渗仪开展玉米受旱胁迫专项试验,对不同受旱胁迫下玉米蒸发蒸腾量特征进行分析,在双作物系数法估算无受旱胁迫下玉米蒸发蒸腾量的基础上,采用遗传算法... 详细信息

受旱胁迫下作物蒸发蒸腾量估算重要且复杂,依托新马桥农水综合试验站6台大型称重式蒸渗仪开展玉米受旱胁迫专项试验,对不同受旱胁迫下玉米蒸发蒸腾量特征进行分析,在双作物系数法估算无受旱胁迫下玉米蒸发蒸腾量的基础上,采用遗传算法优化率定基础作物系数Kcbini、Kcbmid、Kcbend和作物系数上限Kcmax,同时基于试验站实测太阳辐射数据采用遗传算法优化率定了Angstrom公式经验参数a、b,进而优化了参考作物蒸发蒸腾量(ET0)的计算结果,并以此基础运用双作物系数法估算受旱胁迫下玉米蒸发蒸腾量。结果表明:营养生长中前期轻微的水分亏缺可能会刺激玉米适应性机能,复水后各项生理功能恢复正常;水分亏缺加重时不仅会使玉米当期的蒸发蒸腾量减少,而且会产生累积效应,将这种胁迫影响传递到之后的生育阶段;相同受旱胁迫强度对玉米生殖生长阶段影响更为明显,且易造成永久胁迫;Kcbini、Kcbmid、Kcbend、Kcmax的率定结果分别为0.150、1.090、0.152和1.400,在此基础上运用双作物系数法估算无受旱胁迫下玉米全生育期蒸发蒸腾量的均方根误差RMSE和平均绝对误差MAE分别为1.39 mm和0.97 mm,比对应的FAO-56推荐值估算结果小6.74%和8.23%,受旱胁迫下玉米计算的2个处理全生育期RMSE、MAE和MRE均值分别为1.60 mm、1.18 mm和6.73%,整体估算效果虽然没有无受旱胁迫下的好,但仍优于FAO-56推荐值的估算结果。因此,基于双作物系数法和遗传算法的受旱胁迫下玉米蒸发蒸腾量估算合理可靠,该研究可为区域制定适宜灌溉制度和降低农业旱灾损失风险提供理论依据。

关键词：玉米淮北平原蒸发蒸腾量受旱胁迫双作物系数法遗传算法

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水稻的干旱指标与干旱预报

水利水电技术 2011年第8期42卷 54-58页

作者：汤广民蒋尚明安徽省水利部淮河水利委员会水利科学研究院安徽省水利水资源重点实验室安徽蚌埠233000

从作物的干旱机理和水稻节水栽培模式变化的角度,提出并论证了以土壤墒情作为水稻干旱指标的合理性和可行性,并建立了稻田的水分平衡方程与土壤水分消退模型,确定了研究区域以土壤墒情作为水稻干旱指标的指标取值和对应的干旱等级划分;... 详细信息

从作物的干旱机理和水稻节水栽培模式变化的角度,提出并论证了以土壤墒情作为水稻干旱指标的合理性和可行性,并建立了稻田的水分平衡方程与土壤水分消退模型,确定了研究区域以土壤墒情作为水稻干旱指标的指标取值和对应的干旱等级划分;同时,提出了以断水天数为指标的水稻干旱预报新方法。应用表明,该方法适合于安徽江淮丘陵区的自然环境条件和作物生长习性。

关键词：自然灾害干旱指标干旱预报水稻

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水文双变量重现期分析及在干旱中应用

水科学进展 2019年第3期30卷 382-391页

作者：周平周玉良金菊良蒋尚明吴成国合肥工业大学土木与水利工程学院安徽合肥230009 合肥工业大学水资源与环境系统工程研究所安徽合肥230009 安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院安徽蚌埠233000

单变量水文统计中一些广为接受的概念在多变量环境下尚缺乏深入分析,也易被误解,如N年内重现期大于等于T的多变量事件发生的次数与N/T的关系。实践中,多变量联合重现期与其边缘分布变量重现期的一些经验关系被发现并通过了案例验证分析... 详细信息

单变量水文统计中一些广为接受的概念在多变量环境下尚缺乏深入分析,也易被误解,如N年内重现期大于等于T的多变量事件发生的次数与N/T的关系。实践中,多变量联合重现期与其边缘分布变量重现期的一些经验关系被发现并通过了案例验证分析,但缺乏解释和推导。基于GH Copula推导了双变量联合重现期与边缘分布变量重现期的关系以及双变量事件发生次数与其重现期、变量相关程度间的定量关系。以昆明56年的逐月SPI(Standardized Precipitation Index)和SRI(Standardized Runoff Index)识别了干旱事件,采用GH Copula构建了干旱历时和烈度的联合分布函数,验证了双变量联合重现期与边缘分布变量重现期的关系以及多变量事件发生次数与其重现期的定量关系。表明不宜以“and”第1重现期是否接近于比该干旱事件的旱情更重的干旱发生的平均时间间隔来说明干旱特征值重现期分析的合理性。变量的相关性不强时,需谨慎采用边缘分布变量重现期的较大值近似代替“and”事件的第1重现期。

关键词：多变量联合重现期第1重现期第2重现期 Copula函数干旱昆明

基于仿真模拟的江淮丘陵区塘坝灌溉系统水资源优化调控研究

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应用基础与工程科学学报 2019年第3期37卷 520-534页

作者：蒋尚明曹秀清金菊良许浒张礼兵安徽省水利部淮河水利委员会水利科学研究院水利水资源安徽省重点实验室安徽合肥230088 合肥工业大学土木与水利工程学院安徽合肥230009 合肥工业大学水资源与环境系统工程研究所安徽合肥230009

鉴于江淮丘陵区塘坝灌溉系统水资源调控问题的重要性与复杂性,依据系统仿真模拟理论,构建了塘坝灌区水量分配仿真模拟模型;以保障农村生活供水需求下的农业灌溉效益最大为目标,建立了塘坝灌区水资源优化调控模型,形成了基于仿真模拟的... 详细信息

鉴于江淮丘陵区塘坝灌溉系统水资源调控问题的重要性与复杂性,依据系统仿真模拟理论,构建了塘坝灌区水量分配仿真模拟模型;以保障农村生活供水需求下的农业灌溉效益最大为目标,建立了塘坝灌区水资源优化调控模型,形成了基于仿真模拟的塘坝灌溉系统水资源优化调控技术体系,优选了研究区适宜塘坝率为27×10~4m^3/km^2,确定了适宜的节水灌溉模式与灌溉制度,制定了适宜的供水规则,提出了具有可操作性的作物种植结构调整规则,在保障农村生活供水需求下,研究区多年平均总灌溉缺水量减少了3.98×10~4m^3/km^2,多年平均缺水率由19.79%降低至2.95%,多年平均灌溉效益增加了11.71万元/km^2,多年平均增收7.32%.可为江淮丘陵区塘坝综合治理、塘坝灌区水量分配方案与灌溉制度地制定提供理论依据与技术支撑,具有明显的实际指导意义和重要的推广应用价值.

关键词：水资源调控系统仿真节水灌溉模式塘坝灌区江淮丘陵区