金菊良, 周戎星, 崔毅, 陳夢璐

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 水資源與環(huán)境系統(tǒng)工程研究所,安徽 合肥 230009)

由自然水資源子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)社會子系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)相互作用組成的水資源系統(tǒng),實(shí)際上是地球表層五大圈層中的大氣過程、生態(tài)過程、地球化學(xué)過程、人類活動和水文過程通過水循環(huán)相互連結(jié)起來,在陸面水文過程與大氣過程、地球化學(xué)過程、生態(tài)過程等相互作用下[1]形成的典型復(fù)雜系統(tǒng),例如流域防洪系統(tǒng)[2]、南水北調(diào)系統(tǒng)、水庫群與地下水資源系統(tǒng)[3]等均可看作是具有嚴(yán)格系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體,正如發(fā)源于大河流域的不同人類文明長期關(guān)注人與自然關(guān)系或人與人關(guān)系的不同系統(tǒng),正是不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定了水資源系統(tǒng)的不同功能[4-5]。自然、社會中廣泛存在著各種各樣的系統(tǒng),任何系統(tǒng)必存在其內(nèi)在的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)的組織形式,投影到科學(xué)領(lǐng)域,人們對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)問題的研究也在不斷深化,例如研究不同工程結(jié)構(gòu)承受和傳遞荷載規(guī)律以及如何優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)力學(xué)[6],研究各種生命現(xiàn)象中生物分子結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動規(guī)律的結(jié)構(gòu)生物學(xué)[7-8],研究城市規(guī)模、空間分布、功能結(jié)構(gòu)等的城市結(jié)構(gòu)學(xué)[9]。受自然、社會等眾多不確定性因素綜合作用,水資源系統(tǒng)是典型的復(fù)雜系統(tǒng),具有多層次的結(jié)構(gòu)內(nèi)容[4],組成結(jié)構(gòu)的諸要素之間相互影響、相互作用推動了水資源系統(tǒng)的演變和發(fā)展,迫切需要水資源科學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)、智能科學(xué)進(jìn)行多學(xué)科交叉研究,據(jù)此圍繞不同類型的水資源系統(tǒng)不確定性問題產(chǎn)生了或可望產(chǎn)生水資源學(xué)的一些分支學(xué)科[10],例如模糊水文水資源學(xué)[11]、隨機(jī)水文水資源學(xué)[12]、灰色水文水資源學(xué)[13]、水文水資源集對分析[14],這些新分支學(xué)科有力推動了中國水文水資源科學(xué)步入了與世界同步發(fā)展的階段[15]。這些分支學(xué)科為深入研究水資源系統(tǒng)要素不確定性演變規(guī)律、揭示水資源系統(tǒng)的復(fù)雜性特征創(chuàng)造了重要條件,也為建設(shè)水資源學(xué)新的學(xué)科分支提供了豐富經(jīng)驗。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定系統(tǒng)功能的系統(tǒng)原理看,目前水資源學(xué)的發(fā)展迫切需要深入、系統(tǒng)地研究水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組成識別、性狀評估和優(yōu)化調(diào)控,從而可望形成水資源學(xué)新的分支學(xué)科——結(jié)構(gòu)水資源學(xué),這無疑有助于從一個嶄新的研究視角、嶄新的研究途徑分析和揭示水資源系統(tǒng)的演變規(guī)律,有助于水資源學(xué)理論與實(shí)際水問題更緊密地結(jié)合,有助于為創(chuàng)建結(jié)構(gòu)水資源學(xué)、揭示和利用水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律奠定基礎(chǔ)。然而,至今尚無從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度深入系統(tǒng)地探討水資源學(xué)領(lǐng)域中的各種水資源復(fù)雜系統(tǒng)問題,為此,本文面向水資源系統(tǒng)知行關(guān)系問題,圍繞結(jié)構(gòu)水資源學(xué)這一擬創(chuàng)建的水資源學(xué)新分支學(xué)科的研究內(nèi)容和研究方法問題,采用水資源科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、智能科學(xué)相交叉的研究途徑,對結(jié)構(gòu)水資源學(xué)的基本概念、研究對象、研究內(nèi)容進(jìn)行初步探討,并對水資源隨機(jī)分析、模糊集分析、集對分析、神經(jīng)智能分析、遺傳優(yōu)化分析這些結(jié)構(gòu)水資源學(xué)智能研究方法進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析,為創(chuàng)建結(jié)構(gòu)水資源學(xué)奠定初步基礎(chǔ)。

1 結(jié)構(gòu)水資源學(xué)的研究對象

1.1 結(jié)構(gòu)水資源學(xué)的基本概念

系統(tǒng)系指兩個或兩個以上要素相互作用、產(chǎn)生整體功能的集合體[4]?！敖Y(jié)構(gòu)”一詞的探索源于古代哲學(xué)家和物理學(xué)家對物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的各種猜想。例如商周時期中國已有金、木、水、火、土的“五行說”和“陰陽說”；戰(zhàn)國名家提出“一尺之棰,日取其半,萬世不竭”的物質(zhì)結(jié)構(gòu)無限可分思想；北宋時期發(fā)展出“生物者,氣也”的物質(zhì)不滅思想；人類認(rèn)識連續(xù)或不連續(xù)物質(zhì)形態(tài)下物質(zhì)結(jié)構(gòu)可分的思想[16]。目前，一般認(rèn)為物質(zhì)是由存在一定相互作用力(如化學(xué)鍵)的微粒構(gòu)成,微粒間以一定空間分布和運(yùn)動狀況的形式存在,不同的微觀結(jié)構(gòu)和粒子運(yùn)動分布狀況決定了不同的物質(zhì)形態(tài)[17]。例如水的固、液、氣3種物質(zhì)形態(tài)特征正是由于構(gòu)成水的分子在這3種物態(tài)中運(yùn)動狀況不同造成的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就是系統(tǒng)要素之間作用的各種聯(lián)系形式,反映系統(tǒng)組成形式,例如流域水資源系統(tǒng)具有時空、屬性、復(fù)合、嵌套等結(jié)構(gòu)形式[18]。系統(tǒng)要素集、要素之間的作用是組成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要方式,其中系統(tǒng)要素集稱為系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),系統(tǒng)要素之間的作用稱為系統(tǒng)的關(guān)系結(jié)構(gòu)。例如流域水循環(huán)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)是流域降水量、蒸發(fā)量、入滲量、徑流量等要素的集合,流域降水量扣除蒸發(fā)量、入滲量等于徑流量,就形成了流域水循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)系結(jié)構(gòu)。從系統(tǒng)形成角度看,結(jié)構(gòu)是由要素集發(fā)展為系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),這些要素必須經(jīng)過相互作用形成關(guān)系結(jié)構(gòu),才能被連結(jié)為一個有機(jī)整體、才能具有各單個要素所不具有的系統(tǒng)功能和系統(tǒng)作用[18]。系統(tǒng)要素不同,或者要素相同而要素間的聯(lián)系不同,則系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也會不同，對應(yīng)的系統(tǒng)功能也隨之不同。系統(tǒng)的聯(lián)系是內(nèi)容,結(jié)構(gòu)是形式,結(jié)構(gòu)與聯(lián)系相輔相成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征的各種不確定性是形成系統(tǒng)復(fù)雜性的主要原因,例如系統(tǒng)的涌現(xiàn)性、初值敏感性、系統(tǒng)在時間和空間演化方面的不可逆性等[4,19]。各種事物之間通過普遍聯(lián)系，實(shí)際上一般會存在某些特定的關(guān)系結(jié)構(gòu)特征[10-13]。在水資源系統(tǒng)中，由于水圈與人類圈、生物圈、大氣圈、土壤圈和巖土圈的相互作用[15],形成了水資源-經(jīng)濟(jì)社會-生態(tài)環(huán)境復(fù)雜系統(tǒng)(簡稱水資源系統(tǒng))[20-23],它的復(fù)雜性主要是由于系統(tǒng)中存在著隨機(jī)性、模糊性、灰色關(guān)聯(lián)性等多種不確定性特征。為研究水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本特征、演化規(guī)律、優(yōu)化調(diào)控及其應(yīng)用,綜合采用水資源科學(xué)、智能科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、管理科學(xué)等理論方法[4,10,19],研究水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的識別模擬、評估預(yù)測、優(yōu)化調(diào)控等問題的交叉性學(xué)科，稱為結(jié)構(gòu)水資源學(xué)。結(jié)構(gòu)水資源學(xué)是一門新興的水資源學(xué)分支學(xué)科,按錢學(xué)森現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)體系的學(xué)科分類[19],它屬于技術(shù)科學(xué)層次,涉及水利科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、智能科學(xué)、管理科學(xué)多學(xué)科交叉領(lǐng)域,應(yīng)用背景廣泛。目前，它尚處于初創(chuàng)階段,近年來開始引起關(guān)注和探索。

正是也僅僅是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)把各單個要素連結(jié)成一個整體、構(gòu)成系統(tǒng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定著系統(tǒng)功能。從系統(tǒng)論角度看,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也是系統(tǒng)輸入變換為系統(tǒng)輸出的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。各種水資源系統(tǒng)中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)正是結(jié)構(gòu)水資源學(xué)定量分析的基礎(chǔ)和水資源系統(tǒng)的概化表征。

1.2 結(jié)構(gòu)水資源學(xué)的主要研究對象

連結(jié)海洋、大氣、陸地以及冰雪、湖泊、河流、地下水、生物、人類等地球表層圈層要素的水資源系統(tǒng)，在自然變化和人類社會經(jīng)濟(jì)眾多因子作用下，充滿著隨機(jī)、未確知、灰色、模糊、混沌、分形等多種不確定性[14]。識別、構(gòu)建、評估、調(diào)控水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征的各種不確定性一直是水文水資源不確定性分析的研究前沿和難點(diǎn),近60年來相繼提出了模糊水文學(xué)、隨機(jī)水文學(xué)、灰色系統(tǒng)水文學(xué)以及計算智能、集對分析、地統(tǒng)計學(xué)、未確知數(shù)學(xué)方法、分形與混沌分析、廣義熵方法、屬性識別理論等眾多不確定性分析方法,在水資源管理理論與實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用[20-21]。其中一個重要科學(xué)問題就是如何有效地分析、識別、構(gòu)建和應(yīng)用水資源系統(tǒng)在不確定性環(huán)境下時空演變過程中的各種關(guān)系,這些關(guān)系主要有在時間演變過程中的前后關(guān)系、空間分布上的差異關(guān)系、研究對象與主要影響因素之間的成因關(guān)系[20],通過分析、識別、構(gòu)建這些變量間的各種關(guān)系以實(shí)現(xiàn)水資源系統(tǒng)分析、系統(tǒng)評價、系統(tǒng)預(yù)測和系統(tǒng)調(diào)控。例如:利用流域暴雨-洪水過程關(guān)系開展洪水預(yù)報；利用設(shè)計流域水文變量和參證流域的相似關(guān)系外延設(shè)計流域水文變量的資料序列等[20-21]?？茖W(xué)識別水資源系統(tǒng)中的各種“關(guān)系”,需要分析這些關(guān)系的聯(lián)系形式、性質(zhì)特征和關(guān)系類型。受自然和社會因素的影響,這些關(guān)系可能是線性/非線性、靜態(tài)/動態(tài)、隨機(jī)/模糊、灰色/未確知的,也可能是多種不確定性綜合的[20-21]。水資源系統(tǒng)中的各種關(guān)系結(jié)構(gòu)正是結(jié)構(gòu)水資源學(xué)的主要研究對象,目前主要有水資源系統(tǒng)中各種關(guān)系結(jié)構(gòu)的識別模擬、評估預(yù)測和優(yōu)化調(diào)控問題。

在當(dāng)前不同類型的水安全問題中,無論是水資源短缺、水環(huán)境污染、水生態(tài)失衡還是水災(zāi)害泛濫都直接或間接地涉及到人類社會進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等社會因素以及水資源所依托存在的自然生態(tài)環(huán)境因素[22],水資源系統(tǒng)在自然-社會-經(jīng)濟(jì)復(fù)合系統(tǒng)[23]中起著至關(guān)重要的連結(jié)作用。水資源系統(tǒng)是一個動態(tài)、開放、復(fù)雜的大系統(tǒng),是研究區(qū)域內(nèi)由水循環(huán)連結(jié)起來的各種水利工程措施和非工程措施所構(gòu)成的統(tǒng)一整體。從系統(tǒng)內(nèi)部看,水資源系統(tǒng)的組成元素相互聯(lián)系并按照一定的物理、化學(xué)和生態(tài)規(guī)律相互轉(zhuǎn)化,系統(tǒng)體現(xiàn)出明顯的層次結(jié)構(gòu)和整體功能；從系統(tǒng)外部看,水資源系統(tǒng)與自然資源、人類活動、社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境之間時刻進(jìn)行著各種物質(zhì)、信息和能量的輸入和輸出交換,關(guān)聯(lián)密切。水資源系統(tǒng)包括客觀存在的自然水系及其附屬的各類水利工程,同時也包括以一定調(diào)度和管理結(jié)果為目的的各類決策支持系統(tǒng)和反饋控制系統(tǒng)[24-25],其中最基本和最主要的部分是存在一定演化規(guī)律和作用機(jī)理的自然水系系統(tǒng),該系統(tǒng)也是結(jié)構(gòu)水資源學(xué)的重要研究對象。面對如此龐大且復(fù)雜的水資源系統(tǒng),人們從不同角度對它開展了不同類型的分析研究,產(chǎn)生了工程水文學(xué)、生態(tài)水文學(xué)、應(yīng)用水文學(xué)、水資源管理學(xué)等水文水資源分支學(xué)科。從研究對象來看,它們針對的都是水資源系統(tǒng)及其與外界物質(zhì)循環(huán)的交換過程,相互之間關(guān)聯(lián)緊密、相互補(bǔ)充,只是出發(fā)點(diǎn)和側(cè)重方向不盡相同。從水資源相關(guān)學(xué)科發(fā)展進(jìn)程看,迫切需要對水資源系統(tǒng)的關(guān)系結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)、系統(tǒng)的分析研究,進(jìn)而從結(jié)構(gòu)水資源學(xué)視角認(rèn)識人類對水資源合理利用的可持續(xù)發(fā)展過程。

結(jié)構(gòu)水資源學(xué)將水資源系統(tǒng)看作一個相對獨(dú)立的系統(tǒng),對其構(gòu)成及演化規(guī)律進(jìn)行探究,并從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度定性和定量分析水資源系統(tǒng)內(nèi)部的轉(zhuǎn)換關(guān)系、水資源系統(tǒng)外部的輸入和輸出轉(zhuǎn)換關(guān)系。從水資源系統(tǒng)的整體功能看,水資源系統(tǒng)是由系統(tǒng)要素的單一功能在系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境中通過系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)綜合作用而成,水資源系統(tǒng)通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的作用,將不同的外界環(huán)境對系統(tǒng)的輸入轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的系統(tǒng)對外界環(huán)境的輸出。水資源系統(tǒng)在區(qū)域可持續(xù)發(fā)展中體現(xiàn)出的特定功能是水系統(tǒng)可以直接或間接服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會和生態(tài)環(huán)境特定需要的能力,包括水系統(tǒng)的資源供給功能、生態(tài)支持功能、環(huán)境調(diào)節(jié)功能等,這些功能是通過區(qū)域水資源-經(jīng)濟(jì)社會-生態(tài)環(huán)境復(fù)雜系統(tǒng)的不同組成結(jié)構(gòu)和不同關(guān)系結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的,不同區(qū)域水資源-經(jīng)濟(jì)社會-生態(tài)環(huán)境復(fù)雜系統(tǒng)表現(xiàn)出不同組成結(jié)構(gòu)和不同關(guān)系結(jié)構(gòu),同時也具有不同的系統(tǒng)功能,它們決定了區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的演化趨勢和發(fā)展方向。

2 結(jié)構(gòu)水資源學(xué)的研究內(nèi)容

相對于水資源系統(tǒng)工程學(xué)科關(guān)注處理問題的方法,結(jié)構(gòu)水資源學(xué)聚焦于對各種水資源系統(tǒng)中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)予以研究。一般水資源系統(tǒng)中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)往往具有不確定性、動態(tài)性、適應(yīng)性,結(jié)構(gòu)水資源學(xué)需要在水循環(huán)理論、人水和諧理論、不確定性理論、系統(tǒng)論[10,26-27]的指導(dǎo)下研究水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如何識別模擬、給定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)條件下水資源系統(tǒng)狀態(tài)如何評估預(yù)測、水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如何優(yōu)化調(diào)控問題,這些圍繞識別-評估-調(diào)控的系統(tǒng)知行關(guān)系問題是目前結(jié)構(gòu)水資源學(xué)中亟需深入開展研究的三類典型問題，且富有系統(tǒng)方法論性質(zhì),這些問題的研究構(gòu)成了目前結(jié)構(gòu)水資源學(xué)的主要研究內(nèi)容。

2.1 水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)識別模擬

水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)識別模擬系指分析、確定影響水資源系統(tǒng)的主要因素、確定水資源系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和關(guān)系結(jié)構(gòu)的過程,其研究內(nèi)容主要包括水資源系統(tǒng)因素識別、系統(tǒng)建模、系統(tǒng)模擬。

1)水資源系統(tǒng)因素識別系指確定水資源系統(tǒng)組成要素、分析判定水資源系統(tǒng)主要影響因素的過程,識別的目的是基于特定區(qū)域的自然條件和人文條件進(jìn)行針對性的分析,明確區(qū)域內(nèi)的水資源系統(tǒng)在總體上由哪些基本元素構(gòu)成,從這些元素中識別出對水資源系統(tǒng)功能產(chǎn)生重要作用的系統(tǒng)要素,分析它們各自的屬性、特征、在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的作用和對系統(tǒng)功能的貢獻(xiàn)值大小[28]。由于水資源系統(tǒng)是由相互區(qū)別的不同要素關(guān)聯(lián)組成,水資源系統(tǒng)的各項功能也是由不同要素間協(xié)調(diào)作用共同實(shí)現(xiàn)的。因此,準(zhǔn)確識別出水資源系統(tǒng)組成要素和主要影響因素對于實(shí)現(xiàn)水資源系統(tǒng)的各項功能目標(biāo)至關(guān)重要,對于有效緩解水資源系統(tǒng)功能失效和優(yōu)化水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有重要意義[28]。水資源系統(tǒng)因素識別的主要途徑有:一是通過系統(tǒng)機(jī)理分析,明確水資源系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),例如根據(jù)力的作用機(jī)理將水資源承載力評價系統(tǒng)展開為水資源承載壓力子系統(tǒng)、水資源承載調(diào)控力子系統(tǒng)和水資源承載支撐力子系統(tǒng)[5,29]。二是通過系統(tǒng)分析、專家咨詢等方法,確定水資源系統(tǒng)的組成要素,例如根據(jù)專家意見確定模糊優(yōu)先關(guān)系矩陣,對系統(tǒng)組成要素進(jìn)行篩選[30-31]。三是通過統(tǒng)計分析、集對分析、相關(guān)分析等方法,分析、識別和判斷水資源系統(tǒng)主要影響因素。根據(jù)影響因素對水資源系統(tǒng)的作用方向,可將影響因素分為驅(qū)動因素(正影響因素)與障礙因素(負(fù)影響因素),例如根據(jù)貢獻(xiàn)率的大小來確定能源和水關(guān)系的主要驅(qū)動因素[32]；利用風(fēng)險矩陣和集對分析方法識別水生態(tài)健康障礙因素[33]。

2)水資源系統(tǒng)建模系指在基于系統(tǒng)目的和系統(tǒng)問題條件的系統(tǒng)屬性分析基礎(chǔ)上對所研究系統(tǒng)的各要素之間關(guān)系、或系統(tǒng)輸入和輸出之間關(guān)系的確定過程,這些關(guān)系可以是定性描述、定量表示、定性定量相結(jié)合等表示形式,用以對實(shí)際系統(tǒng)的抽象或模仿,應(yīng)該反映實(shí)際系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和關(guān)系結(jié)構(gòu)[34]。水資源系統(tǒng)建模的核心是確定水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu),即確定如何由系統(tǒng)輸入變換為系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)換關(guān)系,通過系統(tǒng)建?？梢园严到y(tǒng)輸入信息傳遞轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)輸出信息。密切關(guān)聯(lián)地球表層五大圈層的水資源系統(tǒng)蘊(yùn)含諸多不確定性,計算機(jī)程序也是水資源系統(tǒng)建模的重要研究途徑。目前基于實(shí)際水資源系統(tǒng)的定性、定量認(rèn)識程度,水資源系統(tǒng)建模的主要途徑有[34-35]:一是系統(tǒng)經(jīng)驗思維模型,實(shí)際系統(tǒng)問題中的主要特征經(jīng)語言和圖形等定性分析、結(jié)合研究經(jīng)驗?zāi)毘鲆恍└拍?這類模型屬于思維模型,是一些系統(tǒng)化定量化模型的基礎(chǔ),例如流域暴雨洪水隨機(jī)模擬過程可概念化為流域暴雨、流域產(chǎn)匯流過程的隨機(jī)模擬[36]。二是系統(tǒng)關(guān)系結(jié)構(gòu)模型,采用系統(tǒng)要素間物理成因關(guān)系圖、關(guān)聯(lián)矩陣圖等從系統(tǒng)整體層次上反映實(shí)際系統(tǒng)要素間的各種關(guān)系,一般不涉及具體的定量值,例如系統(tǒng)動力學(xué)中的因果關(guān)系回路圖、研究內(nèi)容間的相互關(guān)聯(lián)示意圖等[35,37]。三是系統(tǒng)數(shù)值模型,基于學(xué)科規(guī)律、定律、原理描述實(shí)際系統(tǒng)各要素、參數(shù)、系數(shù)之間的聯(lián)系及其定量關(guān)系,是當(dāng)前水資源學(xué)領(lǐng)域最為常見的一類系統(tǒng)建模方法[35],例如受諸多因素綜合影響的地下水位動態(tài)過程指數(shù)衰減模型[38]。四是系統(tǒng)物理模型,包括現(xiàn)場試驗和室內(nèi)實(shí)驗的水資源系統(tǒng)物理模型,后者是根據(jù)幾何尺度、數(shù)學(xué)物理方程等相似原理對實(shí)際水資源系統(tǒng)進(jìn)行相似模擬并用實(shí)物構(gòu)造的系統(tǒng)模型,例如灌溉試驗站田間水循環(huán)系統(tǒng)試驗?zāi)Ｐ蚚39]。

3)水資源系統(tǒng)模擬系指用其他形式的系統(tǒng)(稱為模型系統(tǒng))來模仿和仿效所研究的實(shí)際水資源系統(tǒng)(稱為原型系統(tǒng)),又稱系統(tǒng)仿真[34],它是用其他系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來近似模擬所研究的實(shí)際水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。目前，根據(jù)對實(shí)際水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能模擬的相似點(diǎn)不同,水資源系統(tǒng)模擬的主要途徑有[34-35]:一是系統(tǒng)宏觀狀態(tài)模擬,主要是模仿原型系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)特征,以便把模型系統(tǒng)的一些主要特征移用到原型系統(tǒng)(例如根據(jù)與歷史樣本相似的日徑流過程模擬模型[40])。二是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模擬,就是用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似的數(shù)學(xué)模型、物理模型等來模擬原有的實(shí)際水資源系統(tǒng)。其中系統(tǒng)物理模型模擬是以幾何關(guān)系相似或物理關(guān)系相似為基礎(chǔ)進(jìn)行模擬的(例如水庫溢洪道進(jìn)口和泄洪洞出口體型方案試驗優(yōu)化設(shè)計方法[41])；系統(tǒng)數(shù)值模型模擬是以數(shù)學(xué)關(guān)系結(jié)構(gòu)相似為基礎(chǔ)進(jìn)行模擬的,可分為確定性系統(tǒng)數(shù)值模型模擬(如基于區(qū)域承載壓力與支撐力作用關(guān)系的湖泊流域水資源承載力系統(tǒng)動力學(xué)模擬[42])和隨機(jī)性系統(tǒng)數(shù)值模型模擬(如暴雨過程隨機(jī)模擬[36])。三是系統(tǒng)功能模擬,就是基于系統(tǒng)功能或系統(tǒng)行為相似的系統(tǒng)模擬,一般也是通過利用不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相似的系統(tǒng)功能來實(shí)現(xiàn)的[35](例如基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的洪災(zāi)水稻易損性模擬就是基于系統(tǒng)輸入輸出之間的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換功能相似來實(shí)現(xiàn)的[43])。四是系統(tǒng)計算機(jī)模擬,即用計算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)以上3類模擬,是目前水資源復(fù)雜系統(tǒng)模擬的重要形式(例如暴雨洪水流域系統(tǒng)隨機(jī)模擬[36])。由于水流域系統(tǒng)的復(fù)雜性和影響的廣泛性,目前以上4類水資源系統(tǒng)模擬途徑相互交叉、融合,有時很難區(qū)分,因此,水資源系統(tǒng)模擬通常是對這4類模擬的總稱[34]。

2.2 水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)評估預(yù)測

水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)評估預(yù)測系指在現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)條件下的水資源系統(tǒng)狀態(tài)及其發(fā)展趨勢評估,用以間接評估現(xiàn)有系統(tǒng)關(guān)系結(jié)構(gòu)的合理性和優(yōu)化特性,其研究內(nèi)容主要包括水資源系統(tǒng)評價、系統(tǒng)預(yù)測。

1)水資源系統(tǒng)評價系指在現(xiàn)有水資源系統(tǒng)關(guān)系結(jié)構(gòu)條件下采用系統(tǒng)工程中的系統(tǒng)綜合評價方法對研究對象在總體上進(jìn)行排序或分類[4,34],包括在給定水資源系統(tǒng)評價標(biāo)準(zhǔn)下的等級評價、在沒有水資源系統(tǒng)評價標(biāo)準(zhǔn)下的聚類評價,例如水資源空間均衡評價[44]、水資源承載力評價[45-46]、天然草地分類[47]。評價對象集生成、評價指標(biāo)集生成、評價指標(biāo)測度、定性指標(biāo)定量化、單指標(biāo)評價(指標(biāo)一致無量綱化函數(shù))、指標(biāo)權(quán)重確定和綜合評價指標(biāo)確定這7個函數(shù)不同的構(gòu)建形式可形成相應(yīng)的水資源系統(tǒng)評價模型[4,48],這也是水資源系統(tǒng)評價的主要研究內(nèi)容。從評價對象的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換角度看,各評價對象是評價指標(biāo)體系構(gòu)成高維空間的一些樣本點(diǎn),水資源系統(tǒng)評價就是把高維空間的評價指標(biāo)體系樣本點(diǎn)轉(zhuǎn)換到低維空間的評價結(jié)果,這種轉(zhuǎn)換要求低維空間中評價結(jié)果的分類排序結(jié)構(gòu)仍能保持[4,49],其中單指標(biāo)評價函數(shù)[50]、指標(biāo)權(quán)重函數(shù)[51]、綜合評價指標(biāo)函數(shù)[52]的合理確定十分關(guān)鍵。

2)水資源系統(tǒng)預(yù)測系指在現(xiàn)有系統(tǒng)關(guān)系結(jié)構(gòu)條件下基于水資源系統(tǒng)的相關(guān)性和相似性等對水資源系統(tǒng)在未來一定時期內(nèi)的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)先評估[53],其主要內(nèi)容是系統(tǒng)狀態(tài)的演變特征分析、系統(tǒng)狀態(tài)的影響因子識別、影響因子與系統(tǒng)狀態(tài)間關(guān)系的構(gòu)建、預(yù)測結(jié)果的處理[54-55]?？蓮念A(yù)測的目標(biāo)、資料條件、預(yù)測方法等不同角度,對現(xiàn)有的水資源系統(tǒng)預(yù)測方法進(jìn)行不同的分類。目前主要是面向預(yù)測方法開展如下方面的水資源系統(tǒng)預(yù)測研究[34]:一是統(tǒng)計預(yù)測,主要是根據(jù)水資源歷史序列及其影響因素歷史序列的相關(guān)分析、譜分析等所揭示的水資源系統(tǒng)統(tǒng)計關(guān)系特征,對水資源系統(tǒng)發(fā)展趨勢進(jìn)行外推,如地下水位門限自回歸預(yù)測模型[53]。二是相似預(yù)測,它是基于原因相似則結(jié)果也相似的原理,從以往樣本集中找出與預(yù)測時刻預(yù)測對象最為相似的一個或幾個以往樣本，以這些以往樣本結(jié)果值的加權(quán)和作為預(yù)測結(jié)果的一類預(yù)測方法,其主要研究內(nèi)容是如何合理確定水資源系統(tǒng)狀態(tài)變化的主要影響因子、如何定量刻畫由這些因子構(gòu)成的歷史樣本之間的相似性[56]。三是因果關(guān)系預(yù)測,它根據(jù)水資源系統(tǒng)狀態(tài)變化存在的因果關(guān)系,通過識別系統(tǒng)狀態(tài)變化的主要影響因子,建立這些因子與系統(tǒng)狀態(tài)之間的數(shù)學(xué)模型,據(jù)此由影響因子的變化預(yù)測系統(tǒng)未來狀態(tài)的變化[34,56-57],如系統(tǒng)動力學(xué)預(yù)測[42]。四是組合預(yù)測,它綜合挖掘各單個預(yù)測模型的計算結(jié)果所含有的互補(bǔ)性預(yù)測信息、進(jìn)行適當(dāng)組合,作為最終預(yù)測結(jié)果,以增強(qiáng)預(yù)測結(jié)果的可靠性[58],其主要研究內(nèi)容是各單個預(yù)測模型的權(quán)重如何合理確定、各單個預(yù)測模型的計算結(jié)果如何適當(dāng)組合。

2.3 水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)控

水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)控系指對現(xiàn)有的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化、優(yōu)選、協(xié)調(diào)等改進(jìn),以改善系統(tǒng)功能、更好地適應(yīng)環(huán)境變化,其研究內(nèi)容主要包括水資源系統(tǒng)優(yōu)化、系統(tǒng)決策分析、系統(tǒng)調(diào)控。

1)水資源系統(tǒng)優(yōu)化系指在給定約束條件下如何確定影響水資源系統(tǒng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的各優(yōu)化變量的某取值組合形式,使得相應(yīng)的水資源系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)化這樣一類問題。其中,目標(biāo)函數(shù)、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)取值的優(yōu)化變量和優(yōu)化變量的約束條件構(gòu)成水資源系統(tǒng)優(yōu)化問題的三要素。這類問題的求解方法稱為水資源系統(tǒng)優(yōu)化方法[4,34]。水資源系統(tǒng)涉及地球表層水圈與其他四大圈層的相互作用,因此水資源系統(tǒng)優(yōu)化問題十分廣泛。水資源系統(tǒng)的識別、規(guī)劃、建立和運(yùn)用中常常蘊(yùn)含著很多非線性目標(biāo)函數(shù)或非線性約束條件的構(gòu)建和應(yīng)用，其中含有許多優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)和約束條件是復(fù)雜的非線性函數(shù),如水資源優(yōu)化配置、水庫優(yōu)化調(diào)度等問題。構(gòu)建水資源系統(tǒng)優(yōu)化問題反映水資源專業(yè)水平,而求解水資源系統(tǒng)優(yōu)化問題則反映應(yīng)用數(shù)學(xué)與本專業(yè)相結(jié)合的水平,可見水資源系統(tǒng)優(yōu)化客觀上需要多學(xué)科交叉,例如陳守煜先生提出的水資源模糊聚類-識別-優(yōu)選問題[11]。水資源系統(tǒng)優(yōu)化是結(jié)構(gòu)水資源學(xué)方法的基礎(chǔ),許多結(jié)構(gòu)水資源學(xué)方法的實(shí)現(xiàn)過程從某種角度均可視為特定的優(yōu)化過程,例如:水資源系統(tǒng)建模過程實(shí)質(zhì)上就是為了系統(tǒng)模型值與系統(tǒng)實(shí)際值之間的誤差最小,系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)形式或模型參數(shù)的取值組合如何優(yōu)化確定；水資源系統(tǒng)評價過程實(shí)質(zhì)上就是如何最佳地把多準(zhǔn)則多指標(biāo)評價對象樣本值轉(zhuǎn)換成單一準(zhǔn)則單一綜合評價指標(biāo)值的過程,在該過程中盡可能保持評價對象分類排序特性和評價者主觀判斷特性,保持這兩類特性的協(xié)調(diào)過程實(shí)際上是一種優(yōu)化過程；以方案優(yōu)選為研究對象的離散型水資源系統(tǒng)決策分析問題實(shí)際上就是以益損值、行動方案、自然狀態(tài)分別為目標(biāo)函數(shù)、優(yōu)化變量、約束條件的一類優(yōu)化問題,其求解過程受決策者價值判斷信息的影響明顯高于一般的水資源系統(tǒng)評價問題,可見水資源系統(tǒng)優(yōu)化是結(jié)構(gòu)水資源學(xué)的核心方法[4,34]。目前，根據(jù)優(yōu)化問題三要素的不同特點(diǎn),水資源系統(tǒng)優(yōu)化的主要研究途徑有[34]:一是水資源系統(tǒng)單層次單目標(biāo)最優(yōu)化方法,簡稱單目標(biāo)最優(yōu)化方法,它是只用一個實(shí)數(shù)變量來表示系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)值的最優(yōu)化方法。水資源系統(tǒng)的自然演化、生態(tài)服務(wù)和社會服務(wù)三類功能[5]如果能用效用函數(shù)予以統(tǒng)一測度,就可轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)優(yōu)化問題。二是水資源系統(tǒng)單層次多目標(biāo)最優(yōu)化方法,它是具有多個目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)化方法。例如在水資源空間均衡規(guī)劃系統(tǒng)中具有經(jīng)濟(jì)社會、生態(tài)環(huán)境等多個效益目標(biāo),這些目標(biāo)中有的不相容，例如發(fā)電與供水等；有的不易公度，例如抗旱規(guī)劃目標(biāo)中經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡減少。三是水資源系統(tǒng)多層次多目標(biāo)最優(yōu)化方法,也稱大系統(tǒng)最優(yōu)化方法。其中不同層次目標(biāo)服務(wù)于系統(tǒng)的不同功能,這些目標(biāo)具有層次結(jié)構(gòu)形式,例如跨流域調(diào)水問題[44]。

2)水資源系統(tǒng)決策分析問題一般指評價對象是優(yōu)選方案的水資源系統(tǒng)評價問題,該類問題可轉(zhuǎn)換為以益損值、備選方案、自然狀態(tài)分別為目標(biāo)函數(shù)、優(yōu)化變量、約束條件的優(yōu)化問題,故可用水資源系統(tǒng)評價方法或水資源系統(tǒng)優(yōu)化方法來處理[34]。決策的本義是選擇最優(yōu)策略,所以還可運(yùn)用多目標(biāo)決策、群體決策、序貫決策、動態(tài)多指標(biāo)決策等決策理論處理水資源方案優(yōu)選問題。目前水資源系統(tǒng)決策分析的主要研究內(nèi)容有[34]:一是確定決策目標(biāo)(決策準(zhǔn)則),這是決策過程的起點(diǎn),其終點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)決策目標(biāo),因此決策目標(biāo)貫穿決策分析的全過程。既可以從主觀要求(如整體效益與局部效益相結(jié)合、長遠(yuǎn)效益與近期效益相結(jié)合、潛在效益與實(shí)際效益相結(jié)合)出發(fā),也可以從待選方案集(如內(nèi)部條件與外部條件相結(jié)合、定量分析計算與定性分析相結(jié)合、相對最優(yōu)方案與相對最劣方案相結(jié)合)出發(fā),確定決策目標(biāo),一般用效益、損失等有序性定量可度量的指標(biāo)集來表示決策目標(biāo)。二是確定多個具有可行性和替代性的行動方案以及度量這些方案效用的評價指標(biāo)集。三是構(gòu)建決策分析方法,從這些方案集中為決策者選擇出相對最佳方案,其中圍繞決策目標(biāo)如何挖掘各方案評價指標(biāo)樣本集中的信息十分重要,例如評價指標(biāo)動態(tài)賦權(quán)問題[52,59]。

3)水資源系統(tǒng)調(diào)控系指為適應(yīng)環(huán)境變化、改進(jìn)系統(tǒng)功能而對水資源系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及關(guān)系結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制,或為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出目標(biāo)而對系統(tǒng)輸入進(jìn)行調(diào)整。例如流域水資源系統(tǒng)調(diào)控,就是研究如何調(diào)節(jié)地面水利工程、地下蓄水空間供水和人類用水行為,使流域水資源量、質(zhì)和時空分布與經(jīng)濟(jì)社會和生態(tài)環(huán)境需求盡可能相均衡的過程,通常包括水資源配置、水利工程調(diào)度、節(jié)水措施等[60]。目前水資源系統(tǒng)調(diào)控的主要研究內(nèi)容有:一是區(qū)域水資源合理配置,它是研究在區(qū)域間和用水部門間如何合理分配有限的水資源,使得水資源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)社會服務(wù)功能、生態(tài)環(huán)境服務(wù)功能和自然演化功能相平衡[5,61]。二是區(qū)域水資源承載力調(diào)控,研究在系統(tǒng)分析、預(yù)測區(qū)域水資源承載壓力、支撐力和調(diào)控力的基礎(chǔ)上如何調(diào)整水資源承載壓力和支撐力，使得區(qū)域水資源承載力處于平衡空間中[42,62]。三是區(qū)域水資源空間均衡調(diào)控,系指提高水資源空間均衡度的各種措施,區(qū)域水資源承載壓力(調(diào)人、調(diào)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化生產(chǎn)力布局,抑制需求)和水資源承載支撐力(調(diào)水,提高供用水效率)是其主要調(diào)控對象[44]。四是區(qū)域水資源系統(tǒng)適應(yīng)性調(diào)控,研究區(qū)域水資源系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)人水和諧目標(biāo)如何調(diào)整其供需要素及相互關(guān)系以適應(yīng)人類活動、水文氣象因素變化的動態(tài)環(huán)境[63]。五是區(qū)域山水林田湖草生命共同體系統(tǒng)治理,研究如何應(yīng)用水資源科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、智能科學(xué)方法協(xié)調(diào)生命共同體中區(qū)域山水林田湖草之間的關(guān)系[64]。

3 結(jié)構(gòu)水資源學(xué)的智能研究方法

隨機(jī)性、模糊性等不確定性是系統(tǒng)復(fù)雜性之源,通過水循環(huán)連結(jié)水圈與大氣圈、生物圈、巖土圈、人類圈相作用的水資源系統(tǒng)蘊(yùn)含諸多不確定性,使得實(shí)際水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般呈現(xiàn)不確定性、動態(tài)性、自適應(yīng)等復(fù)雜特性,現(xiàn)有的常規(guī)水資源學(xué)研究方法存在一定的局限性[4]。面對水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,作為交叉學(xué)科的結(jié)構(gòu)水資源學(xué)迫切需要引用處理系統(tǒng)復(fù)雜性的前沿科學(xué)——系統(tǒng)科學(xué)(Systems Science)、智能科學(xué)(Artificial Intelligence Science)、數(shù)據(jù)科學(xué)(Data Science),進(jìn)而構(gòu)建結(jié)構(gòu)水資源學(xué)的一系列智能研究方法。目前主要有面向概率分布結(jié)構(gòu)的隨機(jī)分析、面向模糊關(guān)系結(jié)構(gòu)的模糊集分析、面向集對關(guān)系結(jié)構(gòu)的集對分析、面向神經(jīng)元輸入輸出關(guān)系結(jié)構(gòu)的神經(jīng)智能分析、面向個體適應(yīng)關(guān)系結(jié)構(gòu)的遺傳優(yōu)化分析五類方法[65],這些智能分析方法有望推動水資源復(fù)雜系統(tǒng)不確定性分析的發(fā)展[10,66-67]。

3.1 面向概率分布結(jié)構(gòu)的隨機(jī)分析

水資源隨機(jī)分析方法在結(jié)構(gòu)水資源學(xué)中具有很強(qiáng)的適用性,這是由于它異于其他分析方法的顯著優(yōu)點(diǎn)決定的[4,12,65]:①隨機(jī)分析的一般過程就是產(chǎn)生均勻隨機(jī)數(shù),經(jīng)面向?qū)嶋H隨機(jī)事件問題的隨機(jī)模型轉(zhuǎn)換成實(shí)際問題的隨機(jī)過程的模擬,根據(jù)這些隨機(jī)過程模擬系列估計實(shí)際隨機(jī)事件的發(fā)生概率。隨機(jī)分析方法適用于廣泛的問題,對研究問題沒有維數(shù)、線性、可微等要求,它處理問題的過程簡便、直觀、通用、深刻,特別適用于處理眾多實(shí)際復(fù)雜性問題。②解析方法越難處理的實(shí)際隨機(jī)復(fù)雜系統(tǒng),往往越需要用隨機(jī)分析方法來處理?，F(xiàn)實(shí)世界中有很多不能用解析方法準(zhǔn)確求解的隨機(jī)復(fù)雜系統(tǒng),特別是與經(jīng)濟(jì)社會有關(guān)的隨機(jī)水資源系統(tǒng),應(yīng)用隨機(jī)分析方法則往往非常有效。應(yīng)用隨機(jī)分析方法有助于獲得實(shí)際復(fù)雜系統(tǒng)客觀、定量的估計概率。流域暴雨洪水等水資源復(fù)雜系統(tǒng)的輸入、轉(zhuǎn)換或輸出都可以應(yīng)用隨機(jī)分析方法實(shí)現(xiàn)隨機(jī)模擬。③隨機(jī)分析方法有助于在可以人為控制的情景模擬條件下分析研究實(shí)際水資源復(fù)雜系統(tǒng)的演變特征,以克服原型試驗可能遇到的種種困難。④隨機(jī)分析方法有助于分析、揭示實(shí)際水資源復(fù)雜系統(tǒng)的功能特性和結(jié)構(gòu)特征。⑤隨機(jī)分析方法有助于實(shí)際水資源系統(tǒng)從規(guī)劃設(shè)計到運(yùn)行管理全過程的模擬分析和優(yōu)化調(diào)控。⑥隨機(jī)分析方法有助于比較、檢驗和優(yōu)選各種實(shí)際水資源方案決策和政策分析。

在各種實(shí)際復(fù)雜系統(tǒng)識別模擬、評估預(yù)測、優(yōu)化調(diào)控中可能因存在隨機(jī)性、科技或認(rèn)識條件的局限性而難于處理[4,12,65],而任何隨機(jī)變量只要確定其概率分布就可實(shí)現(xiàn)其隨機(jī)模擬,當(dāng)隨機(jī)試驗次數(shù)充分多時隨機(jī)變量的發(fā)生頻率在實(shí)用上就等價于隨機(jī)變量概率,這就是隨機(jī)分析方法在水資源復(fù)雜系統(tǒng)問題中可廣泛應(yīng)用的理論依據(jù),尤其是隨機(jī)分析方法在各種水資源風(fēng)險評價[68]和各種水資源系統(tǒng)建模方法的靈敏度分析[69]中具有特別重要的意義。實(shí)際上,結(jié)構(gòu)水資源學(xué)智能分析方法中遺傳算法的選擇雜交變異算子、前向反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過程中的網(wǎng)絡(luò)權(quán)重閾值參數(shù)初始化,以及模糊集分析中的模糊數(shù)、集對分析中的差異度系數(shù)的隨機(jī)模擬、模擬退火算法的退火算子、元胞自動機(jī)的演變、多智能體的分布式尋優(yōu)等諸多智能特征模擬關(guān)鍵環(huán)節(jié)都成功應(yīng)用了隨機(jī)分析方法[65]。換言之,隨機(jī)分析方法實(shí)際上是結(jié)構(gòu)水資源學(xué)許多其他模擬智能分析方法中的最基本組成部分。

3.2 面向模糊關(guān)系結(jié)構(gòu)的模糊集分析

模糊性是因水資源對象特征的過渡性、水資源研究過程的經(jīng)驗性和當(dāng)前科技和社會條件的局限性等而產(chǎn)生不能明確概念外延的不確定性,一般用實(shí)數(shù)區(qū)間[0,1]上取值的隸屬函數(shù)(等價于一維模糊集,也稱普通模糊集；模糊集強(qiáng)調(diào)物理概念,隸屬函數(shù)強(qiáng)調(diào)定量刻畫)表征所討論的概念論域中各元素隸屬這些概念的程度[4,11,20,34,65]；而模糊關(guān)系是定義在所討論的兩個論域中元素之間含有某種關(guān)系所對應(yīng)的二維模糊集,例如母子照片的相像關(guān)系[20,65]。模糊集分析就是應(yīng)用模糊集隸屬函數(shù)特別是模糊關(guān)系及其運(yùn)算進(jìn)行識別、聚類、評判、推理、調(diào)控等模糊思維模擬所形成的一門智能計算分支學(xué)科,各種模糊集分析方法的精髓是定性定量相結(jié)合的研究方法論,各種模糊集分析方法的創(chuàng)新源頭是模糊關(guān)系及其運(yùn)算[65]。目前模糊集分析中的模糊集已從其隸屬函數(shù)定義在[0,1]區(qū)間上的相對隸屬度,經(jīng)定義到[-1,1]區(qū)間上的可變模糊集，發(fā)展到同時用定義到[0,1]、[-1,1]、[-1,0]區(qū)間上的同異反聯(lián)系數(shù)階段,至今仍是計算智能界發(fā)展迅速、繁榮的科學(xué)前沿[11,70]。

在現(xiàn)代科技中，經(jīng)驗、定性因素的通用性定量化處理方法目前依然缺乏,而模糊集分析正是這樣的經(jīng)典方法,目前已在水資源等學(xué)科領(lǐng)域得到了廣泛研究和應(yīng)用。這主要是因為模糊集分析具有如下一些顯著優(yōu)點(diǎn)而在水資源學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用和深入探討[4,11,65]:①模糊集隸屬函數(shù)在[0,1]甚至[-1,1]實(shí)數(shù)區(qū)間上的連續(xù)彈性測度顯著改變了{(lán)0,1}二元邏輯的硬性判別思路,是康托普通集合的推廣,有助于模糊集分析方法推廣應(yīng)用于富含真實(shí)模糊不精確性的各種實(shí)際水資源復(fù)雜系統(tǒng)。模糊集分析方法對這些真實(shí)模糊性的有效處理實(shí)際上就是對實(shí)際水資源系統(tǒng)演變的復(fù)雜性與刻畫的精確性之間的協(xié)調(diào)和平衡,這無疑有助于水資源專家經(jīng)驗信息的定量挖掘和邏輯推演,有助于推進(jìn)水資源學(xué)的專家智能化發(fā)展。②模糊集分析方法有助于借助在已有研究經(jīng)驗基礎(chǔ)上的模糊關(guān)系及其運(yùn)算、甚至有時越過其他數(shù)學(xué)模型[19]而可有效處理高維多層次非線性含有多種不確定性的實(shí)際水資源復(fù)雜系統(tǒng)問題。③模糊集分析方法可以非常方便地吸收、融合和發(fā)展人類自然語言及其邏輯演算方法,這無疑有助于增強(qiáng)處理實(shí)際復(fù)雜問題的穩(wěn)健性、有效性和適用性,有助于推進(jìn)水資源學(xué)的深度智能化發(fā)展。模糊現(xiàn)象存在于許多實(shí)際水資源復(fù)雜系統(tǒng)問題中,而人類大量的水資源研究實(shí)踐說明用模糊集分析方法處理往往卓有成效,這就是模糊集分析方法在結(jié)構(gòu)水資源學(xué)中可廣泛成功應(yīng)用的主要理論依據(jù)[2,4,11,20,34,65]。

3.3 面向集對關(guān)系結(jié)構(gòu)的集對分析

符合事物某特定屬性的全體對象稱為集合、該屬性概念的外延[14,21,70-72]。普通集合是論域中元素是否符合某屬性的一種確定性定量隸屬關(guān)系在{0,1}內(nèi)取值,模糊集是論域中元素符合某屬性程度的一種確定性定量隸屬關(guān)系在[0,1]上取值[14,21,70-72]。根據(jù)普遍聯(lián)系原理,事物間關(guān)系符合某關(guān)聯(lián)屬性的程度一般可用贊同棄權(quán)反對、豐平枯、大中小、同異反、高中低等三分原理來表征[14,21,71-72]。集對分析(Set Pair Analysis,SPA)的基本思想是依據(jù)研究問題確定在某特定屬性方面有關(guān)聯(lián)的兩集合A、B組成集對,集對的關(guān)聯(lián)程度按照三分原理從同一度a、差異度b和對立度c3種模糊關(guān)系展開定量表征、并用集對的同異反聯(lián)系數(shù)u(A,B)=a+bi+cj刻畫集對在某特定屬性下的關(guān)系結(jié)構(gòu)和發(fā)展趨勢,其中:a、b和c統(tǒng)稱為同異反聯(lián)系數(shù)的聯(lián)系分量,j為對立度系數(shù),對正負(fù)對立關(guān)系一般取j=-1；i為差異度系數(shù),參考j而定,對正負(fù)對立關(guān)系i一般在[-1,1]上取值；聯(lián)系項a、bi、cj分別為同一度項、差異度項、對立度項,其中相對確定的是同一度項、對立度項,相對不確定的是差異度項、用以表征隨機(jī)、模糊、中介等不確定性信息,同一度項、差異度項、對立度項這3項構(gòu)成了集對的關(guān)系結(jié)構(gòu),完整地表征了集對在給定屬性上的關(guān)系結(jié)構(gòu),常用的聯(lián)系數(shù)有三元聯(lián)系數(shù)、五元聯(lián)系數(shù)[14,21,71-72]。

反映集對關(guān)系結(jié)構(gòu)的聯(lián)系數(shù)是集對分析對象,聯(lián)系項間的相互作用機(jī)制及其運(yùn)算反映集對分析機(jī)制,集對分析獨(dú)特的研究角度和分析機(jī)制,展示出它在水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析中具有諸多重要意義[14,21,70-72]：①聯(lián)系數(shù)把確定數(shù)a與其所在問題背景的范圍a+b+c聯(lián)系起來。例如0.6與不同范圍[0,1]、[1,10]和[10,100]相聯(lián)系時,表示的聯(lián)系數(shù)分別為0.6+0.4i,0.6+9.4i和0.6+99.4i。②聯(lián)系數(shù)把集對關(guān)系的各聯(lián)系分量相互關(guān)聯(lián)起來,以反映集對關(guān)系的動態(tài)演變特性。即使同一個確定的聯(lián)系分量如a,若聯(lián)系分量b和c取不同值則最終相應(yīng)的同一度項取值也很可能是不同的。③聯(lián)系數(shù)把確定性項a和cj與不確定性項bi相互關(guān)聯(lián)起來、構(gòu)成確定不確定系統(tǒng),以反映集對關(guān)系的確定性不確定性之間的相互轉(zhuǎn)變特性,其中不確定性項bi可表示隨機(jī)、模糊、中介等多種不確定性。④聯(lián)系數(shù)中同一性、差異性和對立性模糊關(guān)系在一定條件下可相互作用和轉(zhuǎn)化,這使得聯(lián)系數(shù)可表達(dá)集對系統(tǒng)豐富的動態(tài)變化信息。

作為一種關(guān)系結(jié)構(gòu)學(xué)的新穎不確定性分析理論,同其他不確定性分析理論研究相比,集對分析具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)[14,21,70-72]:①集對分析揭示事物間的關(guān)系全面。聯(lián)系數(shù)中同、異、反聯(lián)系項可以完全覆蓋事物間關(guān)系的變化范圍,同、異、反聯(lián)系項因處于同一個同、異、反確定不確定系統(tǒng)而相互關(guān)聯(lián)相互影響相互轉(zhuǎn)化,非常適用于涵蓋水資源-經(jīng)濟(jì)社會-生態(tài)環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)等實(shí)際水資源復(fù)雜系統(tǒng)定量分析問題的全面研究。用聯(lián)系數(shù)中同異反聯(lián)系分量的大小關(guān)系可刻畫同、異、反系統(tǒng)狀態(tài)及其態(tài)勢,用各階偏聯(lián)系數(shù)可進(jìn)一步刻畫同、異、反系統(tǒng)發(fā)展趨勢。②集對分析計算事物間的關(guān)系精準(zhǔn)。各聯(lián)系項關(guān)系特別是不確定性差異度項關(guān)系具有層次結(jié)構(gòu)特性,根據(jù)研究問題的需要這些聯(lián)系項可分解為下一個層次上的同一度項、差異度項、對立度項,而且根據(jù)問題需要這種分解可不斷繼續(xù)下去,據(jù)此演化出四元、五元等多元聯(lián)系數(shù)。③集對分析適用領(lǐng)域廣泛?；趦蓚€集合間關(guān)系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的聯(lián)系數(shù)表達(dá)方式,顯然含有比隨機(jī)分析中的相關(guān)系數(shù)、模糊集分析中的模糊關(guān)系、灰色分析中的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)更為豐富的關(guān)系信息,而且聯(lián)系數(shù)因內(nèi)含同、異、反聯(lián)系分量關(guān)系而實(shí)際上組成了一個關(guān)系系統(tǒng),該系統(tǒng)中同、異、反子關(guān)系間具有相互作用相互轉(zhuǎn)化的特性,這使得聯(lián)系數(shù)可以借助關(guān)系間的合成運(yùn)算而具有集對建模、集對模擬、集對評價、集對預(yù)測、集對優(yōu)化、集對決策、集對控制等不確定性分析理論方法創(chuàng)新的廣闊空間,這無疑有助于集對分析在結(jié)構(gòu)水資源學(xué)中的廣泛應(yīng)用,特別是集對分析與隨機(jī)分析、模糊集分析、灰色關(guān)聯(lián)分析等相結(jié)合,無疑會創(chuàng)新出眾多新穎的不確定性分析方法,以適應(yīng)自然演化和人類活動雙重影響下的各種實(shí)際水資源復(fù)雜系統(tǒng)問題。

3.4 面向神經(jīng)元輸入輸出關(guān)系結(jié)構(gòu)的神經(jīng)智能分析

水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能把環(huán)境對系統(tǒng)的輸入作用,轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)對環(huán)境的輸出作用,實(shí)現(xiàn)各種系統(tǒng)功能[4]。其中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)深刻反映了系統(tǒng)輸入與系統(tǒng)輸出之間的關(guān)系,分析、識別、應(yīng)用這種關(guān)系在水資源系統(tǒng)問題研究中十分重要。腦科學(xué)研究表明,神經(jīng)元是人腦思維的最基本單元,若神經(jīng)元收到超過興奮閾值的輸入,則把其輸入到另一神經(jīng)元、產(chǎn)生學(xué)習(xí)行為；眾多神經(jīng)元活動實(shí)質(zhì)上主要就是許多乘法、加法和興奮閾值邏輯判斷運(yùn)算的復(fù)合,神經(jīng)智能分析就是用計算機(jī)技術(shù)模擬人腦神經(jīng)元信息處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能特征的一類大規(guī)模并行處理的非線性動力系統(tǒng),也就是在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)輸入輸出之間關(guān)系的知識和信息的存貯、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和識別表現(xiàn)在相互連結(jié)的神經(jīng)元關(guān)系、神經(jīng)元間連接權(quán)重和神經(jīng)元興奮閾值隨學(xué)習(xí)樣本而動態(tài)調(diào)整的過程中[4,65,73-75]。

與常規(guī)的基于智能功能模擬的符號推理人工智能相比,面向神經(jīng)元輸入輸出關(guān)系結(jié)構(gòu)模擬的神經(jīng)智能分析方法具有以下優(yōu)點(diǎn)[4,65,73-75]:①人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練學(xué)習(xí)和更新預(yù)測是由系統(tǒng)輸入和輸出樣本數(shù)據(jù)直接驅(qū)動的,無需知道系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系結(jié)構(gòu)形式。②人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可隨系統(tǒng)輸入和輸出樣本更新而作自適應(yīng)變化。③人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容錯性能、類比推理能力較強(qiáng)。若某個水資源系統(tǒng)輸入和輸出間確實(shí)存在函數(shù)關(guān)系、且輸入和輸出樣本具有代表性,就可用前向三層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)予以足夠精度地逼近該系統(tǒng)輸入和輸出間的函數(shù)關(guān)系,所以神經(jīng)智能分析在結(jié)構(gòu)水資源學(xué)模型構(gòu)建方面具有廣泛的適用性。

3.5 面向個體適應(yīng)關(guān)系結(jié)構(gòu)的遺傳優(yōu)化分析

生物個體適應(yīng)變化環(huán)境的過程實(shí)質(zhì)上就是生物個體在其生存環(huán)境約束下通過個體競爭性的自然選擇、遺傳適應(yīng)信息交換的個體間雜交、遺傳信息受環(huán)境變化而發(fā)生的個體變異3種主要自然進(jìn)化方式不斷提高個體適應(yīng)變化環(huán)境能力的過程,這種生物適應(yīng)過程顯然也是一類優(yōu)化問題的求解過程[4,34,65,74,76-78]。遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)就是用計算機(jī)程序模擬生物個體集(群體)適應(yīng)變化環(huán)境過程的一類群體直接搜索尋優(yōu)算法,它只需優(yōu)化問題是可計算的(若給定優(yōu)化變量取值,則可得目標(biāo)函數(shù)值)、廣泛適用于復(fù)雜優(yōu)化問題,GA是目前計算智能和遺傳優(yōu)化分析的主要方法之一[4,34,65,74,76]。作為介于確定性優(yōu)化方法與完全隨機(jī)性優(yōu)化方法之間的一類新穎優(yōu)化方法,GA在搜索尋優(yōu)最優(yōu)解過程中把約束條件可行域中一族隨機(jī)可行解的編碼串作為生物進(jìn)化的父代群體,把父代群體的目標(biāo)函數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù)，用于度量作為父代個體適應(yīng)環(huán)境的能力,經(jīng)父代群體的選擇、雜交和變異操作生成子代個體繼而產(chǎn)生新的父代。如此反復(fù)演化迭代,父代群體的目標(biāo)函數(shù)不斷獲得改善,優(yōu)秀個體逐步接近并不斷逼近優(yōu)化問題的最優(yōu)點(diǎn)[76-78]。

GA具有搜索尋優(yōu)的如下主要優(yōu)點(diǎn)[4,34,65,74 ,78]:①適用廣泛。GA適用于可計算的各種優(yōu)化問題,耦合了確定性和隨機(jī)性優(yōu)化尋優(yōu)方法。②全局優(yōu)化。GA是群體尋優(yōu)搜索,優(yōu)秀的個體間交換適應(yīng)目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化的編碼信息,運(yùn)用個體雜交、變異操作和最優(yōu)個體保存策略,理論上二進(jìn)制編碼遺傳算法具有穩(wěn)健的全局優(yōu)化性能,具有很大概率尋找到全局最優(yōu)解或準(zhǔn)全局最優(yōu)解。③實(shí)現(xiàn)簡便通用。GA把連續(xù)、離散和部分連續(xù)部分離散的優(yōu)化變量統(tǒng)一編碼為個體編碼串形式,便于用統(tǒng)一的選擇、雜交、變異操作算子變換個體編碼串,便于廣泛探索優(yōu)化變量多種多樣的取值對目標(biāo)函數(shù)的適應(yīng)情形,在實(shí)際應(yīng)用中僅需改動目標(biāo)函數(shù)的定義方式和遺傳算法控制參數(shù)的設(shè)置,GA的優(yōu)化計算過程實(shí)現(xiàn)簡便、優(yōu)化計算效率高。④啟發(fā)式隨機(jī)尋優(yōu)。GA在選擇概率引導(dǎo)下進(jìn)行雜交、變異操作,引導(dǎo)尋優(yōu)過程向目標(biāo)函數(shù)不斷改善方向搜索,加密搜索解空間中適應(yīng)度函數(shù)值較高的區(qū)域,具有自學(xué)習(xí)能力,顯著提高了隨機(jī)尋優(yōu)的搜索效率。⑤隱含并行搜索。二進(jìn)制編碼遺傳算法是基于個體模式(schema)進(jìn)行搜索的,這使得GA能利用較少的數(shù)字串來搜索可行域中類似模式的大量區(qū)域,搜索效率高?？梢?GA是一類新穎智能優(yōu)化分析通用性方法,它直接面向優(yōu)化問題的復(fù)雜性,提供了可供應(yīng)用者選擇的許多優(yōu)化解；用基于GA的演化建?；虺绦蛟O(shè)計方法,可自動探索實(shí)際水資源系統(tǒng)問題中的最優(yōu)函數(shù)結(jié)構(gòu)形式；所有這些表明GA在結(jié)構(gòu)水資源學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用空間[4,34,65,74,78]。

總之,應(yīng)用隨機(jī)分析、模糊集分析、集對分析、神經(jīng)智能分析、遺傳優(yōu)化分析開展結(jié)構(gòu)水資源學(xué)研究既是必要的也是可行的。從理論角度看,深入系統(tǒng)地開展結(jié)構(gòu)水資源學(xué)的智能分析研究,有助于進(jìn)一步揭示各種實(shí)際水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性特征,更深刻地認(rèn)識水資源系統(tǒng)所蘊(yùn)含的系統(tǒng)本質(zhì)屬性、成因機(jī)制和結(jié)構(gòu)形式；有助于理解、掌握和改進(jìn)各種常規(guī)水資源系統(tǒng)分析方法,探索新的結(jié)構(gòu)水資源學(xué)理論體系及應(yīng)用模式體系；有助于探索水資源復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)控方案。從實(shí)踐角度看,迄今為止的許多結(jié)構(gòu)水資源學(xué)的智能分析方法,大多是由耕耘在各行各業(yè)工程和科技前沿的專業(yè)領(lǐng)域科學(xué)家和工程技術(shù)人員首先提出和實(shí)現(xiàn)的。這些智能分析方法本身就直接發(fā)源于集合論和邏輯學(xué),他們集結(jié)有待繼續(xù)發(fā)展和完善的先進(jìn)數(shù)學(xué)方法和專業(yè)基礎(chǔ)于一身。因此，深入而系統(tǒng)地開展這類應(yīng)用基礎(chǔ)研究,也可以對人工智能學(xué)科，特別是用于研究自然智能系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)問題的數(shù)學(xué)理論、數(shù)學(xué)方法、數(shù)學(xué)模型體系的智能數(shù)學(xué),做出新的重要貢獻(xiàn)[74]。顯然,結(jié)構(gòu)水資源學(xué)中這類應(yīng)用基礎(chǔ)研究無疑是一個理論研究與應(yīng)用研究領(lǐng)域緊密結(jié)合、智能分析方法與一般系統(tǒng)分析方法深度融合、專業(yè)知識與計算技術(shù)密集交叉的前沿研究,具有計算性、實(shí)用性、構(gòu)造性的研究特征。中國近3 000年來的自然科學(xué)研究歷程表明,中國這方面的科學(xué)研究有明顯殊于西方科學(xué)研究的特點(diǎn)和長處[4,19,34,74,79-80]。

4 結(jié)論

1)各種實(shí)際水資源系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(簡稱水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu))反映水資源、經(jīng)濟(jì)社會、生態(tài)環(huán)境三大子系統(tǒng)的互饋?zhàn)饔脵C(jī)理,決定著水資源系統(tǒng)的功能作用,在水資源學(xué)研究中具有重要科學(xué)意義。結(jié)構(gòu)水資源學(xué)就是以水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為研究對象,研究如何識別、評估、優(yōu)化調(diào)控水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一門面向水資源系統(tǒng)知行關(guān)系的水資源學(xué)新興分支學(xué)科。

2)提出了面向?qū)嶋H水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不確定性、動態(tài)性、適應(yīng)性,在水循環(huán)理論、人水和諧理論、系統(tǒng)不確定性理論、系統(tǒng)理論等基礎(chǔ)理論指導(dǎo)下,結(jié)構(gòu)水資源學(xué)目前主要研究水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如何識別模擬、給定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)條件下水資源系統(tǒng)狀態(tài)如何評估預(yù)測、水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如何優(yōu)化調(diào)控這三類系統(tǒng)知行關(guān)系問題,這些問題研究構(gòu)成了目前結(jié)構(gòu)水資源學(xué)的主要研究內(nèi)容。

3)提出了圍繞水資源系統(tǒng)知行關(guān)系問題,用系統(tǒng)科學(xué)中的系統(tǒng)識別、系統(tǒng)建模、系統(tǒng)模擬進(jìn)行水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的識別模擬,用系統(tǒng)評價、系統(tǒng)預(yù)測進(jìn)行水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的評估預(yù)測,用系統(tǒng)優(yōu)化、系統(tǒng)決策分析、系統(tǒng)調(diào)控進(jìn)行水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)控，這些研究體系構(gòu)成了結(jié)構(gòu)水資源學(xué)研究內(nèi)容體系框架。可見，結(jié)構(gòu)水資源學(xué)與水資源系統(tǒng)工程之間具有明顯的對偶性。

4)面向水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的各種復(fù)雜性特別是半結(jié)構(gòu)性、非結(jié)構(gòu)性,提出了迫切需要繼續(xù)深入開展由面向概率分布結(jié)構(gòu)的隨機(jī)分析、面向模糊關(guān)系結(jié)構(gòu)的模糊集分析、面向集對關(guān)系結(jié)構(gòu)的集對分析、面向神經(jīng)元輸入輸出關(guān)系結(jié)構(gòu)的神經(jīng)智能分析、面向個體適應(yīng)關(guān)系結(jié)構(gòu)的遺傳優(yōu)化分析構(gòu)成的結(jié)構(gòu)水資源學(xué)的智能研究方法。

5)今后應(yīng)重點(diǎn)研究如何進(jìn)一步加快建設(shè)結(jié)構(gòu)水資源學(xué)、拓展和深化結(jié)構(gòu)水資源學(xué)的研究內(nèi)容、拓展和深化對水資源系統(tǒng)知行關(guān)系的認(rèn)識、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)水資源學(xué)的研究方法、揭示水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演變特征,進(jìn)一步推動水資源科學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)、智能科學(xué)、計算科學(xué)的交叉融合和高質(zhì)量創(chuàng)新發(fā)展。