一种基于系统动力学决策模型的嫩江流域典型区域水生态风险评估方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种嫩江流域典型区域水生态风险评估方法。
【背景技术】
[0002] 系统动力学（Systemdynamics,SD)，最初由麻省理工学院教授J.W.化rrester教 授与20世纪50年代提出，在研究的早期引起致力于工业企业管理的问题解决，而被称为工 业动态学，经过20世纪70年代的发展，日渐走向成熟，基于系统动力学的WORLDII与WORLD III模型分别衍生出了世界动力学与《增长的极限》等对人类历史发展有着重大意义的科研 成果，Forrester教授在此时期也对美国的社会经济问题采用系统动力学的方法进行分析， 解释了美国与西方国家经济长期波动的内在机制等。到了 20世纪90年代，大量的系统动力 学科研成果出现，系统动力学的应用遍及科研与生产的各个领域，罗马俱乐部的科学家们 在对1970年到1990年的数据进行检验的基础上，对WORLDIII模型进行了修正，由此出版 了《超越极限：正视全球性崩溃和展望一个可持续的未来》，试图从根本上突破人与自然的 紧张关系，R.F.Nail则采用系统动力学模型对美国的国家能源政策计划进行了评估，并据 此估算了美国旨在加强全球气候变暖的能源政策所花费的成本。而在我们国内，自20世纪 70年代起，逐渐引入了系统动力学的概念，并逐步展开对其的研究与应用，其中涌现出一大 批诸如杨通谊，王其藩，陶在朴与胡玉奎等专家学者。
[000引 （1)内涵：系统动力学是一口分析研究信息反馈系统的学科，也是一口认识系统 问题和解决系统问题的交叉性、综合性学科，从系统方法论的角度而言，系统动力学是一口 关于系统结构、功能与历史方法的统一体，它W系统论的理念为核屯、，W控制论为表现形 式，与计算机技术发展紧密结合，解决系统反馈结构与行为的问题。正是由于系统动力学具 有W上特点，模型与实际生活中不同的变量之间的关系就可W采用系统动力学的反馈机制 进行解释与分析，例如军备竞赛等等。
[0004] (2)构成：系统动力学对于问题的角度，是从系统行为与其内在原理间的相互依 存的关系为出发点，并W数学模型的形式表现出来的，逐步发现、理解问题产生、发展与变 化的因、果关系W及因果关系的方向性，也就是问题的结构。而问题本身则是由一个一个不 同的结构所组成的，其环环相扣的因果关系或决策规划所构成的网络，运一组织结构决定 了系统行为的特性。正因如此，系统动力学具有处理大多数信息反馈系统问题的能力与普 适性。系统动力学将不同问题中的不同结构按照其变化方式分为W下几个主要元件，分别 为流率变量，流位变量与辅助变量。
[0005] 流位变量：也叫做库变量，是指物质流等在系统内部累积的量，例如溶液中液体的 液面高度、工业生产中的库存量甚至人口数等等，其在某个时间间隔内累积的量应与运个 时间段内流率变量的变化有关。
[000引流率变量：是系统活动本身的描述，是单位时间内系统内物质量的变化，因流位变 量仅受流率变量的影响，因此流率变量也称为决策函数。
[0007] 辅助变量：辅助变量是系统动力学研究中存在的最大量的数据，其不同于流位变 量与流率变量，其既可W是常数也可W是变量，主要用于表示咨询处理的中间过程、模型的 不同参数值，W及对于模式的输入测试函数等等。
[0008] 守恒流：也成为物质流，表示在系统中流动的物质。物质在流动过程中需要时间， 因此存在延迟现象。
[0009] 非守恒流：也称信息流，是连接状态变量和速率变量的信息通道。守恒流为被控对 象而非守恒流则属于决策依据。
[0010] 源点与汇点：源点与汇点表示系统的内部，相对于我们关屯、的有累积过程的真实 系统，源点和汇点代表那些在我们你研究系统界限W外的部分。
[0011] 做建模过程：
[001引①明确地表达要解决的问题，确定系统的边界：
[0013] 为了表达问题怎样发生和描述它的特征，时限应该追溯到足够远的历史，时间还 应当延伸到足够远的未来，W捕捉可能采取的政策的间接影响。一般模型的一大缺陷即是 我们倾向于将因果关系想象为局部的和立即的，但是在动态复杂系统中，原因和结果可能 在时间和空间上相隔很远，大多数导致决策失效的W及未预料的副作用等等包含长延迟的 反馈，因此在实现的选择上应该充分考虑影响问题的理解能力，W及对于政策的评价。
[0014] ②提出关于问题因果关系的一个动态假说或理论：
[0015] 内生性解释：内生性理论通过模型中的变量和因素的交互作用产生系统的动态行 为，因此通过定义系统内部的结构W及不同元素之间关联影响的决策规则，可W预测与该 决策规则相响应的系统行为，并且研究在改变系统结构与决策规则的假设下，系统行为的 动态规律。正因如此，我们需要绘制系统结构图帮助我们对于系统内部结构域关系进行梳 理与了解。
[0016] 绘制系统结构图：模型边界图一-一个模型边界图通过列出内生变量，外生变量 W及存量流量图，其中外生变量不应存在明显的反馈结构；子系统图一-子系统图显示了 模型的整体结构包括子系统间的物流、资金流与信息流，通过显示所代表的的不同组织的 数量和类型，子系统图表达了有关模型的边界和概括程度的信息，也传达一些内生和外生 变量的信息；因果回路图一-模型边界图和子系统图显示了模型的边界和体系，但没有显 示变量之间的关系，而因果回路图是任何领域勾画反馈结构方面的一个灵活有用的工具， 是显示变量之间因果关系的图；存量流量图一-因果回路图强调了系统的反馈结构，而存 量流量图则强调了其背后的物理结构，如前所述，存量流量图追踪的是系统内部物流、资金 流与信息流的累积，存量包括产品的库存、人口和金融账户等等，而流量是存量增加或减少 的速率，存量表征了系统的状态并且产生作为决策基础的信息。决策改变流量的速率，改变 存量和闭合系统中的反馈回路；政策结构图一-政策结构图显示了特定决策规划信息输入 的因果图，政策结构图关注于建模者假定决策制定者使用控制系统中流量的信息，它们显 示了在特定决策中设计的因果结构和时间延迟，而不是整个系统的反馈结构。
[0017] ③写方程；
[0018] 从概念图的领域进展到充分定义的定量模型，其应具备所有公式、参数和初始条 件等等。
[0019] ④测试：
[0020] 部分的测试是将模型的模拟行为与系统的现实行为进行比较，但是测试比再现历 史行为设及的更多。模型必须在极端条件下进行测试：极端条件测试成为了发现模型缺陷 的关键工具，并对模型的深入理解提供了可能性。
[0021] ⑥政策设计与评估：
[0022] 重新设计存量流量结构，消除时间延迟，在关键的决策点改变利用的信息质量和 信息流，甚至从根本上重新制定系统中行为者的决策过程。因此必须对政策强壮性W及它 们对模型参数和结构不确定性的灵敏度W及不同政策间的相互作用进行评估。
[0023] ⑧系统动力学建模的原则：
[0024] a.解决特定的问题，而不是为系统建模；b.从开始将建模与整个问题结合起来； C.对建模的价值始终持有怀疑态度；d.系统动力学不是单一孤立的，在适当的情况下，应 使用其他方法与工具与系统动力学相结合；e.留意决策的实施过程；f.客户和建模者共同 对建模过程反复提出质疑；g.在建模的过程中应该避免黑箱建模出.对模型进行持续性的 检验；i.尽快建立可用的初步模型；j.模型的边界应尽可能的宽大；k.应充分考虑政策对 于模型的持久性影响。
[00巧]目前国内关于生态预警方面的研究还是主要存在于水环境生态安全预警方面，主 要是利用"状态一压力一响应"模型，建立环境生态安全评价指标体系。何焰采取综合指数 法结合其所建立起针对水环境生态安全评价比较有效的评价指标，在此分析的基础上，结 合定量的方法，对水环境生态安全的警情从横向和纵向方面的变化分布来进行判别。文俊 构建了关于水资源可持续利用的预警指标方法和体系，应用相关的数学方法进行建模，构 建水资源在区域范围内得W可持续利用的预警模型。此外，在对于生态预警的技术研究方 面，周晓惠等把对生态系统的技术监测引用到生态预警中，对生态系统监测对象进行分类、 构建指标体系、预测其发展趋势。刘普幸运用层次分析法对其构建的酒泉绿洲的生态环境 预警评价指标体系进行风险评估，对其生态环境状况做出了预警评价分析，并在此基础上 提出主要生态环境问题的防治措施。而且，针对于嫩江流域的水生态风险评估并没有一种 有效的方法。
【发明内容】
[0026] 本发明针对上述存在的问题，而提出了一种基于系统动力学决策模型的嫩江流域 典型区域水生态风险评估方法。
[0027] 本发明的一种基于系统动力学决策模型的嫩江流域典型区域水生态风险评估方 法，它是按照W下内容进行的：将对尼尔基水库入库的污染源量有影响的支流汇入、非点源 排放、上游来水与沿江排污因素通过系统动力学决策模型，模拟不同的治理方案降低水库 生态风险的效果，实现实现方案决策，并在水生态风险指标体系的基础上，评价湖库内不同 时期不同点位的水生态风险状况，基于化tica软件构建贝叶斯网络的样本空间，计算各指 标发生变化时对不同程度生态风险发生的概率，从而实现嫩江流域典型区域水生态风险评 估。
[0028] 本发明包含W下有益效果：
[0029] 本发明利用建立好的嫩江流域典型区域水生态风险评估指标体系，对尼尔基水库 进行生态风险评价，并利用系统动力学建立尼尔基水库上游嫩江县社会经济发展，与下游 尼尔基水库水生态风险之间的互动响应关系，最终w贝叶斯网络建立嫩江流域典型区的预 警机制与理论依据。
[0030] 从而丰富了国内外关于生态风险评价、研究与决策的研究领域，加快了生态风险 评价的实际工程应用，创新了水生态风险评价的方法，分析了水生态风险评价与尼尔基水 库水生态风险状况的关系，提出了针对嫩江流域典型区的水生态风险评价，为后续建立评 价-预警-决策平台提供理论依据与技术支持。
[0031] 本发明在构建了嫩江流域典型区域水生态风险评价指标体系的基础上，考虑上游 来水，支流汇入（甘河）与社会经济发展等诸要素对尼尔基水库水生态风险的影响，采用 Ithink软件平台，构建了水库上游地区社会经济发展、上游支流汇入、湖库周边景观变化与 水库的水生态风险的互动相应关系的系统动力学模型。通过对系统动力学模型相关参数的 设定，模拟不同的治理方案降低水库生态风险的效果，对比出最优方案，实现方案决策；
[0032] 本发明并在水生态风险指标体系的基础上，评价湖库内不同时期不同点位的水生 态风险状况，基于化tica软件构建贝叶斯网络的样本空间，计算各指标发生变化时对不同 程度生态风险发生的概率，从而实现通过监测相关的生态风险评价指标完成对不同程度生 态风险发生概率的预警。
【附图说明】
[0033] 图1为本发明的技术路线图；
[0034] 图2为人口数量模拟结果图；
[0035] 图3为GDP数量模拟结果图；
[0036] 图4为农业GDPW及农业GDP占比模拟结果图；
[0037] 图5为尼尔基库末COD浓度模拟结果图；
[0038] 图6为控制生活源COD排放策略下尼尔基水库库末COD浓度模拟结果图；
[0039] 图7为控制工业源COD排放策略下尼尔基水库库末COD浓度模拟结果图；
[0040] 图8为控制上游来水策略下尼尔基水库库末COD浓度模拟结果图；
[0041] 图9为控制直流汇入策略下尼尔基水库库末COD浓度模拟结果图；
[0042] 图10为调整±地利用策略下尼尔基水库库末COD浓度模拟结果图；
[0043] 图11为不同策略下尼尔基水库氨氮浓度模拟结果图；
[0044] 图12为不同策略下尼尔基水库总氮浓度模拟结果图；
[0045] 图13为不同策略下尼尔基水库总憐模拟结果图；
[0046] 图14为调整±地利用策略下特征污染物排放模拟结果图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0047] 一：本实施方式的一种基于系统动力学决策模型的嫩江流域典型区 域水生态风险评估方法，它是按照W下内容进行的：
[0048] 将对尼尔基水库入库的污染源量有影响的支流汇入、非点源排放、上游来水与沿 江排污因素通过系统动力学决策模型，模拟不同的治理方案降低水库生态风险的效果，实 现实现方案决策，并在水生态风险指标体系的基础上，评价湖库内不同时期不同点位的水 生态风险状况，基于化tica软件构建贝叶斯网络的样本空间，计算各指标发生变化时对不 同程度生态风险发生的概率，从而实现嫩江流域典型区域水生态风险评估。
【具体实施方式】 [0049] 二：本实施方式与一不同的是：所述的沿江排污公式 为：
[0050] PSICDDNJ=PSICDDXPSICDDCR
[0051]PSIC孤=IGDPX(DDpIGDPXIC孤DR
[0052] 式中，PSICODNJ为嫩江卿趴河排污口COD入河量；
[0053] PSIC0D为嫩江县卿趴河排污口排放量；
[0054] PSIC0DCR为工业点源COD排放入河系数；
[00巧] CODpIGDP为万元工业增加值COD排放量
[0056] ICO孤R为卿趴河排污口排放COD占嫩江县工业点源排放COD比例。其它与
【具体实施方式】一相同。
【具体实施方式】 [0057] =:本实施方式与一不同的是：尼尔基水库