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        基于相關(guān)分析與粗糙集理論的區(qū)域水資源承載力評(píng)價(jià)

        2015-12-15 05:18:42劉玉東
        關(guān)鍵詞:承載力優(yōu)化評(píng)價(jià)

        劉玉東

        (新疆塔里木河流域希尼爾水庫管理局,新疆 庫爾勒 841000)

        基于相關(guān)分析與粗糙集理論的區(qū)域水資源承載力評(píng)價(jià)

        劉玉東

        (新疆塔里木河流域希尼爾水庫管理局,新疆 庫爾勒 841000)

        本文圍繞區(qū)域水資源承載力指標(biāo)體系的初始、優(yōu)化和評(píng)價(jià)檢驗(yàn)三個(gè)構(gòu)建過程,針對(duì)構(gòu)建中的指標(biāo)信息重復(fù)和干擾問題,提出基于相關(guān)分析與粗糙集 Horafa屬性約簡(jiǎn)算法相結(jié)合的指標(biāo)體系優(yōu)化,并采用灰色系統(tǒng)理論與粗糙集耦合的評(píng)價(jià)方法對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。以新疆和田地區(qū)為例,從水資源系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)四個(gè)方面,構(gòu)建由 16項(xiàng)指標(biāo)組成的初始水資源承載力評(píng)價(jià)體系,通過篩選得到由 10項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成的優(yōu)化ISAWRCC,進(jìn)而對(duì)這兩套指標(biāo)體系進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明:相關(guān)分析與粗糙集 Horafa屬性約簡(jiǎn)算法相結(jié)合的指標(biāo)信息優(yōu)化方案是可靠的;篩除重復(fù)和干擾指標(biāo)信息,簡(jiǎn)化了繁雜的指標(biāo)體系,降低了后續(xù)評(píng)價(jià)的計(jì)算復(fù)雜度,并且信息篩選后的優(yōu)化水資源承載力評(píng)價(jià)體系比初始體系評(píng)價(jià)結(jié)果更合理。

        水資源;承載力;評(píng)價(jià)體系;分析;灰色系統(tǒng)理論

        水資源承載力是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分,區(qū)域水資源承載力評(píng)價(jià)對(duì)于區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)具有重要意義。水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(Indicators System for Assessment of Water Resources Carrying Capacity,ISAWRCC)的構(gòu)建則是水資源承載力評(píng)價(jià)的核心內(nèi)容之一,但關(guān)于如何構(gòu)建 ISAWRCC尚未形成一致觀點(diǎn)。目前,ISAWRCC構(gòu)建的常見方法大致有:①從理論探討入手構(gòu)建指標(biāo)體系,如基于協(xié)調(diào)論、和諧論和可持續(xù)發(fā)展理論的內(nèi)容,以水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境等系統(tǒng)為準(zhǔn)則層,從水資源可供性、開發(fā)利用效率、合理配置程度和管理能力等方面選擇評(píng)價(jià)因子;②結(jié)合固定模型,劃分體系結(jié)構(gòu)及選取評(píng)價(jià)指標(biāo),如 PSR模型或DPSIR模型;③通過指標(biāo)歸類處理或指標(biāo)使用頻度統(tǒng)計(jì),確定體系準(zhǔn)則,選取高頻指標(biāo)參與評(píng)價(jià),如以總量、比例、強(qiáng)度和效益四類指標(biāo)構(gòu)建ISAWRCC。

        本文基于ISAWRCC構(gòu)建的一般方法與步驟,圍繞初始、優(yōu)化和評(píng)價(jià)檢驗(yàn)三個(gè)過程構(gòu)建ISAWRCC;針對(duì)常用篩選方法的不足,提出相關(guān)分析與粗糙集Horafa屬性約簡(jiǎn)算法相結(jié)合的優(yōu)化方案,進(jìn)行水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)的篩選;并采用灰色系統(tǒng)理論與粗糙集耦合的評(píng)價(jià)方法,對(duì)指標(biāo)篩選后的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。以新疆和田地區(qū) 2005年至2012年8年的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為樣本,進(jìn)行ISAWRCC構(gòu)建研究,以期為 ISAWRCC構(gòu)建提供科學(xué)合理的方法和指導(dǎo)。

        1 水資源承載力指標(biāo)體系的構(gòu)建方法

        1.1 初始ISAW RCC

        依據(jù)理論分析和專家經(jīng)驗(yàn),建立初始ISAWRCC,這一過程主要涉及體系結(jié)構(gòu)確定、指標(biāo)選取和指標(biāo)內(nèi)涵界定三方面內(nèi)容。體系結(jié)構(gòu)確定,即通過理論分析設(shè)計(jì)指標(biāo)體系的層次和準(zhǔn)則,形成構(gòu)建ISAWRCC的結(jié)構(gòu)框架;指標(biāo)選取,是在把握區(qū)域水資源特性及數(shù)據(jù)現(xiàn)實(shí)性的基礎(chǔ)上,依據(jù)相關(guān)理論及專家經(jīng)驗(yàn)選取參評(píng)指標(biāo);指標(biāo)內(nèi)涵界定,指遵循通用性和科學(xué)性原則,對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)所表征的實(shí)際意義給出明確規(guī)定,且界定各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)于評(píng)價(jià)目標(biāo)的“正負(fù)”向類型,即數(shù)據(jù)的方向。

        1.2 優(yōu)化ISAW RCC

        針對(duì)指標(biāo)信息的重復(fù)和干擾,應(yīng)用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法進(jìn)行指標(biāo)篩選,有助于簡(jiǎn)化繁雜的指標(biāo)體系,提高評(píng)價(jià)結(jié)果的精確度。其中,粗糙集可有效處理數(shù)據(jù)不確定性,刪除冗余信息,與數(shù)理統(tǒng)計(jì)法相比,具有魯棒性好、靈活性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),而相關(guān)分析能發(fā)掘數(shù)據(jù)間隱含的線性關(guān)系,揭示重復(fù)指標(biāo)。本文擬將相關(guān)分析與粗糙集屬性約簡(jiǎn)法結(jié)合,應(yīng)用到ISAWRCC構(gòu)建中,以避免信息重復(fù)和干擾。

        1.2.1 相關(guān)分析

        若兩組指標(biāo)數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越大,則它們的相關(guān)程度越高,反之獨(dú)立性越強(qiáng)。設(shè)Rij是第

        i、j項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù),xki為數(shù)據(jù)無量綱化后第k個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的第 i項(xiàng)指標(biāo),且第 i項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)平均值為,則第 i項(xiàng)與第 j項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)表示為:

        相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值|Rij|衡量了第 i項(xiàng)與第 j項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)的線性相關(guān)程度,對(duì)相關(guān)關(guān)系的顯著性檢驗(yàn)通常有臨界值法和方差分析檢驗(yàn)法,這里采用臨界值法,結(jié)合相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)表,確定高度線性相關(guān)的臨界值。臨界值法中,通過比較 |Rij|和臨界值 r(α,n-2)的大小判定線性關(guān)系的顯著性,其中 n為樣本個(gè)數(shù),α為顯著性水平。為在避免指標(biāo)誤刪的前提下發(fā)掘高度相關(guān)的指標(biāo),確定當(dāng)顯著性水平達(dá)0.01,即 |Rij|≥r(0.01,n-2)時(shí),可以判定第 i項(xiàng)與第j項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)高度線性相關(guān)。

        1.2.2 Horafa屬性約簡(jiǎn)算法

        粗糙集理論常利用二維信息表來描述一個(gè)知識(shí)系統(tǒng),描述對(duì)象的指標(biāo)稱為屬性。粗糙集屬性約簡(jiǎn)是在保留關(guān)鍵信息的前提下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行化簡(jiǎn)并求得知識(shí)的最小表達(dá),常見的屬性約簡(jiǎn)法可歸納為:上、下近似集法;區(qū)分矩陣法;屬性重要性法。其中,Horafa算法是基于區(qū)分矩陣并以屬性加權(quán)頻度為啟發(fā)信息的屬性約簡(jiǎn)法。該算法擺脫了對(duì)原數(shù)據(jù)表的依賴,結(jié)合反映區(qū)分矩陣特性的屬性加權(quán)頻度進(jìn)行計(jì)算,使得約簡(jiǎn)更加靈活。此外,Horafa算法以屬性加權(quán)頻度為指標(biāo)選取的第二參考信息,而屬性加權(quán)頻度刻畫了屬性重要性,若屬性重要性越大,則輸出信息越多、作用越顯著,因此該算法優(yōu)先選取重要度大的指標(biāo)參與評(píng)價(jià),在一定程度上確保了參評(píng)指標(biāo)有顯著作用。

        1.2.3 基于相關(guān)分析與粗糙集的ISAWRCC優(yōu)化

        將相關(guān)分析與粗糙集Horafa屬性約簡(jiǎn)算法相結(jié)合,以篩除初始ISAWRCC中的重復(fù)和干擾信息,步驟如下:

        (1)數(shù)據(jù)無量綱化處理。這里采用極值無量綱化法,對(duì)于“正向”類型的指標(biāo)用公式 Yi=(ximin xi)/(max xi-m in xi)進(jìn)行無量綱化,對(duì)于“負(fù)向”類型的指標(biāo)則采用公式Y(jié)i=(max xi-xi)/(max xi-min xi)無量綱化。

        (2)利用相關(guān)分析篩選高度線性相關(guān)指標(biāo)。得到 n項(xiàng)底層指標(biāo)的 n×n階相關(guān)系數(shù)矩陣,依據(jù)相關(guān)系數(shù)顯著性水平α的檢驗(yàn)臨界值,并結(jié)合理論分析篩選重復(fù)指標(biāo),由于無量綱數(shù)據(jù)均已轉(zhuǎn)化為正方向,因此當(dāng)相關(guān)系數(shù)為正時(shí)是真相關(guān)。

        (3)無量綱數(shù)據(jù)離散化處理。采用等距離劃分法將連續(xù)型數(shù)據(jù)化為 n個(gè)等級(jí),如用等級(jí) 1、2、3和 4分別代表[0,0.25)、[0.25,0.5)、[0.5,0.75)和[0.75,1]區(qū)間上的值。

        (4)約簡(jiǎn)冗余性干擾信息。基于離散化數(shù)據(jù)表,構(gòu)造區(qū)分矩陣,結(jié)合粗糙集 Horafa屬性約簡(jiǎn)算法,約簡(jiǎn)冗余指標(biāo),最終得到信息篩選后的優(yōu)化ISAWRCC。

        1.3 評(píng)價(jià)檢驗(yàn)

        指標(biāo)體系優(yōu)化結(jié)果的評(píng)價(jià)檢驗(yàn)是確定優(yōu)化方案是否科學(xué)合理的必要過程?;趦?yōu)化ISAWRCC的指標(biāo)數(shù)量少而初始 ISAWRCC指標(biāo)數(shù)量多的特點(diǎn),并考慮客觀賦予指標(biāo)權(quán)重、避免過多主觀影響的重要性,這要求所采用的評(píng)價(jià)方法必須對(duì)指標(biāo)數(shù)量改變不敏感,且充分滿足指標(biāo)權(quán)重賦予客觀的要求?;疑到y(tǒng)理論的灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)法,不僅適用于大樣本數(shù)據(jù)量,而且適用于小樣本數(shù)據(jù)量,并依據(jù)數(shù)據(jù)變化發(fā)展的狀態(tài)和趨勢(shì)客觀賦權(quán);而粗糙集賦權(quán)法將指標(biāo)權(quán)重轉(zhuǎn)化為屬性重要度,通過屬性重要度的計(jì)算和分析客觀確定指標(biāo)權(quán)重。因此,本文將灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)法與粗糙集的屬性重要度賦權(quán)法耦合,對(duì)初始ISAWRCC和優(yōu)化ISAWRCC兩套指標(biāo)體系進(jìn)行評(píng)價(jià),這避免了由于賦權(quán)主觀或指標(biāo)數(shù)量改變對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果造成的影響,該方法計(jì)算過程如下:

        (1)設(shè)水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)的最優(yōu)參考序列x0={x0i}(i=1,2,…,n),即無量綱化后的分量值均為1,此時(shí)的區(qū)域水資源承載力到理想化的最優(yōu)狀態(tài)。令水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)的比較序列 ui={uij}(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n),即第 i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象第 j項(xiàng)指標(biāo)的無量綱值。

        計(jì)算比較序列與最優(yōu)參考序列的絕對(duì)差列:

        (2)根據(jù)絕對(duì)差列,可得兩級(jí)最大差 Δ(max)為1和兩級(jí)最小差 Δ(min)為 0,取分辨系數(shù)ρ= 0.5(0<ρ<1),則第 i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)參考序列的關(guān)聯(lián)系數(shù)為:

        (3)采用加權(quán)平均法,計(jì)算各評(píng)價(jià)對(duì)象與參考序列的關(guān)聯(lián)度,即第 i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)值,計(jì)算模型為:

        式中:Wk為指標(biāo) k的權(quán)重。

        (4)利用粗糙集屬性重要度賦權(quán)法確定指標(biāo)k的權(quán)重 Wk。粗糙集理論中,知識(shí)是一種對(duì)信息系統(tǒng)的分類能力,其屬性重要度的計(jì)算可依據(jù)屬性依賴性或信息熵,其中基于信息熵的屬性重要度通過從屬性集中去掉一屬性后對(duì)系統(tǒng)分類能力的影響來測(cè)度,定義如下:

        在信息系統(tǒng) S=(U,R)中,U為評(píng)價(jià)對(duì)象組成的論域,R為屬性集合,則知識(shí) Xi輸出的信息熵大小為:

        式中:p(Xi)為區(qū)分矩陣中知識(shí)的概率分布,則對(duì)于信息系統(tǒng) S=(U,R),指標(biāo) r∈R的重要度表示為:

        由此可見,該評(píng)價(jià)方法利用灰色關(guān)聯(lián)度和指標(biāo)屬性重要度組合賦權(quán),計(jì)算簡(jiǎn)單易行,所得評(píng)價(jià)值的大小客觀地反映了水資源承載力的優(yōu)劣。

        2 模型應(yīng)用

        2.1 建立初始ISAWRCC

        根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)資料,新疆和田地區(qū)水資源承載力體系包括 4個(gè)方面、16項(xiàng)指標(biāo)。4個(gè)方面包括水資源系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)。其中水資源系統(tǒng)包括人均水資源量(C1,m3)、水資源開發(fā)利用率(C2,%)、單位面積水資源量(C3,萬m3·km-2)與供水模數(shù)(C4,萬 m3·km-2)這4項(xiàng)指標(biāo);社會(huì)系統(tǒng)包括人口密度(C5,人·km-2)、人口自然增長率(C6,‰)、城鎮(zhèn)化率(C7,%)、農(nóng)村飲用水不安全率(C8,%)4項(xiàng)指標(biāo);經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)包括人均 GDP產(chǎn)值(C9,元)、GDP年增長率(C10,%)、耕地灌溉率(C11,%)與第一產(chǎn)業(yè)占GDP比例(C12,%)這 4項(xiàng)指標(biāo);生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)包括林 草 地 覆蓋 率 (C13,%)、生態(tài) 環(huán)境 用水 率(C14,%)、地下水開采率(C15,%)與工業(yè)廢水處理率(C16,%)這 4項(xiàng)指標(biāo)。和田地區(qū)水資源承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系詳見表1。

        表1 和田地區(qū)水資源承載力評(píng)價(jià)體系

        2.2 優(yōu)化ISAW RCC

        根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)資料,借助 SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件,對(duì)表1中的 16項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析,得到描述各指標(biāo)間相關(guān)程度的 16×16階相關(guān)系數(shù)矩陣。本實(shí)例指標(biāo)的樣本個(gè)數(shù) n=8,當(dāng)顯著性水平 α= 0.01時(shí),顯著性臨界值 r(0.01,6)=0.8343,因此當(dāng)相關(guān)系數(shù) Rij≥0.8343時(shí),判定第 i項(xiàng)指標(biāo)與第 j項(xiàng)指標(biāo)為真高度相關(guān)。根據(jù)相關(guān)系數(shù)法,剔除C1、C2與 C9這3項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

        在相關(guān)分析剔除了 3項(xiàng)重復(fù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上,應(yīng)用Horafa屬性約簡(jiǎn)算法進(jìn)一步優(yōu)化指標(biāo)體系,對(duì)剩余的 13項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行知識(shí)約簡(jiǎn),以篩除冗余性指標(biāo),得到各準(zhǔn)則層信息系統(tǒng)的最小知識(shí)表達(dá),以該最小信息系統(tǒng)反映本準(zhǔn)則層的特征。首先將無量綱數(shù)據(jù)等距離劃為“1,2,3,4”四個(gè)等級(jí),用 Visual C+ +6.0編程實(shí)現(xiàn)區(qū)分矩陣的構(gòu)造算法,依據(jù)所構(gòu)造的區(qū)分矩陣及Horafa算法流程進(jìn)行冗余分析。通過粗糙集的約簡(jiǎn)分析,篩除了 3項(xiàng)冗余性干擾指標(biāo)(C6、C13與 C16),得到如表 2所示的約簡(jiǎn)后保留屬性集結(jié)果。最終,以此約簡(jiǎn)后保留屬性集構(gòu)成新疆和田地區(qū)優(yōu)化ISAWRCC。2.3 評(píng)價(jià)檢驗(yàn)

        表2 約簡(jiǎn)后的和田地區(qū)水資源承載力評(píng)價(jià)體系

        應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度與粗糙集屬性重要度耦合的評(píng)價(jià)方法,分別對(duì)新疆和田地區(qū)初始ISAWRCC和優(yōu)化ISAWRCC這兩套指標(biāo)體系進(jìn)行水資源承載力評(píng)價(jià),以檢驗(yàn)和分析該指標(biāo)優(yōu)化結(jié)果是否科學(xué)合理,評(píng)價(jià)結(jié)果如表 3所示。

        2.4 結(jié)果分析

        從表 3可知,不同年份研究區(qū)水資源承載力均穩(wěn)定在Ⅱ級(jí),兩套指標(biāo)體系評(píng)價(jià)結(jié)果基本吻合。對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果橫向?qū)Ρ瓤芍?,與初始 ISAWRCC相比,優(yōu)化ISAWRCC中的指標(biāo)不存在高度相關(guān)指標(biāo)和冗余指標(biāo)。高度相關(guān)指標(biāo)重復(fù)反映了評(píng)價(jià)信息,使同一指標(biāo)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)在綜合評(píng)價(jià)結(jié)果中得到線性增強(qiáng)或減弱,而通過優(yōu)化的指標(biāo)體系,確保了指標(biāo)獨(dú)立性,避免了重復(fù)信息參評(píng)。此外,優(yōu)化ISAWRCC剔除了冗余指標(biāo),這改變了權(quán)重的賦予狀況,使重要指標(biāo)獲得了更大權(quán)重。

        表3 和田地區(qū)初始ISAWRCC和優(yōu)化ISAWRCC評(píng)價(jià)結(jié)果

        因此,可以確定和田地區(qū)優(yōu)化 ISAWRCC比初始ISAWRCC評(píng)價(jià)結(jié)果更加合理,這說明通過相關(guān)分析和粗糙集進(jìn)行指標(biāo)體系的優(yōu)化,篩除重復(fù)和干擾信息,既減少了參評(píng)指標(biāo),又得到了更合理的結(jié)果。

        3 結(jié)論

        (1)將定性與定量分析有機(jī)結(jié)合,提出了圍繞初始、優(yōu)化和評(píng)價(jià)檢驗(yàn)三個(gè)過程進(jìn)行 ISAWRCC構(gòu)建的方法。

        (2)提出了相關(guān)分析與粗糙集屬性約簡(jiǎn)法相結(jié)合的方法,篩除指標(biāo)體系中的重復(fù)和干擾信息,實(shí)現(xiàn)了 ISAWRCC的優(yōu)化。其中,基于相關(guān)分析剔除了高度線性相關(guān)的重復(fù)指標(biāo),通過粗糙集Horafa算法進(jìn)一步約簡(jiǎn)冗 余性干 擾信息,并 一定程度上確保了參評(píng)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果有顯著作用,解決了指標(biāo)信息重復(fù)和干擾問題;在此基礎(chǔ)上,基于對(duì)指標(biāo)數(shù)量改變不敏感,及對(duì)指標(biāo)賦權(quán)客觀的需求,采用了灰色關(guān)聯(lián)度與粗糙集屬性重要度耦合的評(píng)價(jià)方法,進(jìn)行優(yōu)化結(jié)果的評(píng)價(jià)檢驗(yàn),為ISAWRCC的構(gòu)建提供了科學(xué)合理的方法和指導(dǎo)。

        (3)通過新疆和田地區(qū)的實(shí)例研究表明,基于相關(guān)分析與粗糙集 Horafa屬性約簡(jiǎn)算法相結(jié)合的指標(biāo)信息優(yōu)化方案是可靠的,篩除重復(fù)和干擾信息,簡(jiǎn)化了繁雜的指標(biāo)體系,降低了后續(xù)評(píng)價(jià)的計(jì)算復(fù)雜度,并且信息篩選后的優(yōu)化 ISAWRCC比初始ISAWRCC評(píng)價(jià)結(jié)果更合理。 參考文獻(xiàn)

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        TV211.1

        A

        1672-2469(2015)08-0057-04

        DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2015.08.019

        劉玉東(1974年—)男,技術(shù)員。

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