1.本发明属于城市智慧水务技术领域，具体涉及一种城市水系统演化预测分析方法。
背景技术：2.目前各项研究方法或多或少地存在问题，对此进行统计分析，综合来看，问题的实质和根源在于：未能在城市水系统是复杂系统的本质、以及系统内部和外界发生动态演化的特征这一基础上做出响应的改进。当前城市水系统自身内部各子系统以及整体与外界之间的相互作用分析工作开展地较少，已有成果缺少从物质、能量、信息下的交互相互作用的合理分析，难以为大型城市复杂水系统提供多功能动态平衡协调；尤其是未能在城市是复杂系统的本质、以及动态演化特征的基础上做出对应改进。而要实现城市水系统的有序演化，从水系统现状的识别到发展分析以及最终正向演化的调试和修正措施决策，现有技术面临着如下诸多困难：
3.(1)不具有全面系统的视角
4.体现在对水系统的内部关系不清晰，尤其是对水系统的若干子系统没有做出准确的定义和判断，在大型城市复杂水系统这一远离平衡态的开放系统的平衡或非平衡的认识、特别是偏离平衡状态的程度和形式缺少足够的认知。表现为水系统的有序性、目的性和系统稳定性的关系评价精度不足，未明确系统的具体机制。
5.(2)水系统状态的评价与预测主观性强
6.现有的评价框架与机制，涉及到的方面和内容，大多源自知识经验驱动，相关的模型参数也存在很严重的主观性，带来的作用关系和变化发生的方向和限度难以量化，造成水系统的状态判别不准确。尤其针对状态的有序程度，由于缺少定量的判别性函数，从而无法正确衡量系统变化发生的自发过程及其趋势的大小，难以形成正确的水系统的评价乃至预测。
7.(3)对实际发展现状的结合分析研究存在局限性
8.当前城市水系统结合实际的经济社会发展现状研究，仅限于面板数据模型以及耦合度的比较，忽略了大型城市以及结合周边形成的大范围区域内，在用水方面的布局、规划、技术效率和经济社会发展之间的协调度，对水系统绝对水平的评价缺少经济与水资源可持续发展的相对态势。况且在城市经济与水系统之间的协调度改进与提高方面，缺乏对这一过程的长期性和渐近性进行说明，未能提出水系统可持续的相关建议、政策乃至战略提出和运行的整体研究和综合规划，也未能结合水系统、水资源的承载能力，提出共同发展协同共进的改善措施。
9.(4)缺乏城市水系统的未来功能调整提升机制
10.城市水系统作为开放系统，目前的研究缺少如何从无序转变成为有序的过程，因此无法通过未来的城市建议和政策调整实现水系统转变为时空上和功能上的宏观有序状态。特别是，很关键和困难的问题：如何从现有情况下，分析水系统对各功能支撑的合理性
以及未来政策要求对城市调整下的功能促进提升？这一问题目前尚未开展研究。尤其是考虑城市水系统本身的功能发挥、以及支撑经济社会生态发展过程中发生的变化，在水系统演化发生的方向和水平上，均缺少自组织的机制和规律的认识；在形成新的、稳定的有序结构过程的期望中，也难以运用好“平衡”和“有序”的积极作用，缺少水系统的统一性及其与外界因素的统一性。
11.大型城市本身作为一个复杂的综合体，其运行涉及到社会、经济、环境、生态等多个方面，既有自然环境的，也有人类的作用影响，特别是城市还位于高强度人类活动区。诸如北京、上海、纽约、伦敦等大型城市均要考虑城市本身的各项功能、指标的协同发展，而水又作为各项功能的纽带，因此如何构建合理有序的水系统支撑城市的有序发展和国家城市的协调更显得尤为重要。在回答这一问题的同时，城市还面临着区域的协同发展产生的不平衡和不均衡现象，水资源系统此时又需要担负起保障系统的作用，怎样布局、规划、设计合理的措施，形成协同多功能驱动下的有序的持续演化水系统，仍然是”难题。且值得注意的是，根据社会定位的不同也会驱使水系统发生不是自然演变的变化，进而造成当前的技术无法对现状的合理性和预测的可能性得出正确分析，从而产生难以支撑城市规划布局的优化合理的局限，进一步在未来规划的有序演化形成过程中，不能担当起支撑功能的地位。
技术实现要素：12.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种城市水系统演化预测分析方法解决了当前大型城市复杂水系统在状态有序程度以及预测演化方向缺少定量准确描述的问题。
13.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种城市水系统演化预测分析方法，包括以下步骤：
14.s1、建立城市水系统的子系统，并选择子系统中序参量构建子系统有序度函数计算子系统中序参量有序度，进而得到子系统有序度；
15.s2、根据子系统有序度建立城市水系统演化熵函数，得到各年份的城市水系统演化熵值；
16.s3、基于各年份的城市水系统演化熵值，通过城市水系统演化方向判别公式得到各年份的城市水系统的演化方向；
17.s4、基于各年份的城市水系统的演化方向、城市水系统演化熵值和子系统有序度，对各城市水系统规划布局方案进行演化路径及驱动因素预测分析，得到城市水系统有序方向发展的系统规划设计指引。
18.进一步地：所述步骤s1中，城市水系统的子系统包括资源子系统、分配子系统、效率子系统、生态子系统和环境子系统；
19.其中，所述资源子系统的序参量包括水资源总量、人均水资源占有量、水资源开发利用率、地表水资源量和地下水资源量；
20.所述分配子系统的序参量包括自来水综合生产能力、城市供水保证率、缺水率和城乡用水公平系数；
21.所述效率子系统的序参量具体为用水效率；
22.所述生态子系统的序参量包括生态用水量和河道断流率；
23.所述环境子系统的序参量包括污水处理率和河流水质达标率。
24.进一步地：所述步骤s1中，所述子系统有序度函数包括第一有序度函数、第二有序度函数和第三有序度函数；
25.其中，所述第一有序度函数的表达式具体为：
[0026][0027]
所述第二有序度函数的表达式具体为：
[0028][0029]
所述第三有序度函数的表达式具体为：
[0030][0031]
式中，d
ji
(e
ji
)为第j个子系统中第i个序参量e
ji
的有序度，e
ji
为第j个子系统中第i个序参量的取值，max(e
ji
)为e
ji
取值范围内的最大值，min(e
ji
)为e
ji
取值范围内的最小值，c为序参量e
ji
的有序度标准值，且c为序参量e
ji
取值范围内的值。
[0032]
上述进一步方案的有益效果为：通过协同学理论识别城市水系统自身相互作用的形式和内容，可以做出子系统的准确定义。
[0033]
进一步地：所述步骤s1中，计算子系统中序参量有序度的方法具体为：
[0034]
设置序参量e
ji
的有序度阈值g；
[0035]
当|e
ji-c|》g，且e
ji
》c时，通过第一有序度函数计算子系统中序参量有序度；
[0036]
当|e
ji-c|》g，且e
ji
《c时，通过第二有序度函数计算子系统中序参量有序度；
[0037]
当|e
ji-c|《g，时，通过第三有序度函数计算子系统中序参量有序度。
[0038]
进一步地：所述步骤s1中，计算子系统有序度dj的表达式具体为：
[0039][0040]
式中，λi为权重，且λi≥0，n为子系统中序参量的总数。
[0041]
进一步地：所述步骤s2中，所述城市水系统演化熵函数的表达式具体为：
[0042][0043]
式中，se为城市水系统演化熵值，d1为资源子系统有序度，d2为分配子系统有序度，d3为效率子系统有序度，d4为生态子系统有序度，d5为环境子系统有序度。
[0044]
上述进一步方案的有益效果为：通过城市水系统演化熵值可以定量描述复杂城市水系统的有序程度，当熵值增加，则城市水系统向无序方向演化，反之熵值减少，则城市水系统向有序方向演化。
[0045]
进一步地：所述步骤s3中，所述城市水系统演化方向判别公式的表达式具体为：
[0046]
δse＝(dise(t+1)-dise(t))+(dese(t+1)-dese(t))
[0047]
式中，δse为城市水系统演化熵熵变，dise(t+1)-dise(t)为城市水系统t 时段至(t+1)时段在不可逆过程中自发产生的熵，dese(t+1)-dese(t)为城市水系统t时段至(t+1)时段从外界环境流入的熵流变化；
[0048]
得到城市水系统的演化方向的方法具体为：
[0049]
当|(dese(t+1)-dese(t))|》(dise(t+1)-dise(t))时，则δse《0，城市水系统的演化方向为有序方向；
[0050]
当|(dese(t+1)-dese(t))|《(dise(t+1)-dise(t))时，则δse》0，城市水系统的演化方向为无序方向；
[0051]
当|(dese(t+1)-dese(t))|＝(dise(t+1)-dise(t))时，则δse＝0，城市水系统的演化方向为无变化。
[0052]
上述进一步方案的有益效果为：通过将熵函数引入城市水系统的演化预测分析，可以从城市水系统的本质上揭示系统内部的相互作用、以及系统与外界之间的物质、能量、信息交换实质。
[0053]
进一步地：所述步骤s4具体为：
[0054]
根据各年份的城市水系统的演化方向、城市水系统演化熵函数和子系统有序度，对各城市水系统规划布局方案进行演化预测，得到各城市水系统规划布局方案的城市水系统演化熵值和城市水系统的演化方向，确定各城市水系统规划布局方案中得到子系统中序参量有序度高的对应布局规划以及工程和非工程措施，并将其作为城市水系统有序方向发展的系统规划设计指引。
[0055]
本发明的有益效果为：
[0056]
(1)本发明运用熵函数、耗散结构理论的技术理念和方法，创造性地构建有序度函数、演化熵函数和演化判别公式，并且将其引入城市水系统在规划和调整的系统设计工作中，应用评价反馈和动态持续调整演进的思路及技术，构建城市水系统评估预测模型。预测分析复杂水系统的演化路径及驱动因素，针对有序程度不足或不能可持续演化的负向系统状态，做出积极的工程和非工程措施，通过有效的外部因素控制，促进水系统向有序性的演变，解决当前研究难以有效判断城市水系统实质状态的难题、尤其是本质上无法做出复杂水系统演化方向判别的问题，实现城市水系统、乃至城市整体系统的结构优化、合理调整布局，对城市水系统规划设计方法做出实质性改进与创新发展。
[0057]
(2)本发明建成水系统下的各子系统的有序度判别机制，能够基于大型城市复杂水系统作为远离平衡态的开放系统的平衡或非平衡的认识，形成偏离平衡状态的程度和形式的机理研究，得到水系统的有序性、目的性和系统稳定性的关系的准确评价，明确系统的具体机制。
[0058]
(3)本发明对复杂城市水系统引入熵理论，结合信息熵整合，创新地定义出城市水系统的演化熵函数，并通过对系统状态熵的数值和变化率计算分析，得到基于演化熵准确定量的城市水系统有序程度；进一步结合耗散理论，定义城市水系统和外界城市功能系统的物质流、信息流和能量流，以“远离平衡态”这一判别方式联合系统负熵的增加情况，在提出城市水系统熵变公式的基础上进一步建立复杂城市水系统演化方向的判别公式，由演化熵的熵变度量城市水系统的演化过程。本发明构建城市水系统的系统熵结构特征以及演变
熵的判别机制，准确衡量演化规律，支撑复杂城市水系统在未来形成良性、有序的演进。
附图说明
[0059]
图1为本发明方法的流程图。
[0060]
图2为本发明序参量和子系统有序度、水系统演化熵、熵变分析计算成果图。
[0061]
图3为本发明各子系统有序度变化情况图。
[0062]
图4为本发明各年份水系统演化熵值的变化情图。
[0063]
图5为本发明各年份的城市水系统演化熵熵变情况图。
具体实施方式
[0064]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0065]
实施例1：
[0066]
如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种城市水系统演化预测分析方法，包括以下步骤：
[0067]
s1、建立城市水系统的子系统，并选择子系统中序参量构建子系统有序度函数计算子系统中序参量有序度，进而得到子系统有序度；
[0068]
s2、根据子系统有序度建立城市水系统演化熵函数，得到各年份的城市水系统演化熵值；
[0069]
s3、基于各年份的城市水系统演化熵值，通过城市水系统演化方向判别公式得到各年份的城市水系统的演化方向；
[0070]
s4、基于各年份的城市水系统的演化方向、城市水系统演化熵值和子系统有序度，对各城市水系统规划布局方案进行演化路径及驱动因素预测分析，得到城市水系统有序方向发展的系统规划设计指引。
[0071]
在本实施例中，运用协同学理论识别城市水系统自身的关系，得出相互作用的形式和内容，然后从系统演化的辨识出发，依据水系统的属性选择正确的序参量，进一步建成水系统下的各子系统有序度函数，从子系统对有序的贡献，验证评价系统自身的状态。
[0072]
所述步骤s1中，城市水系统的子系统包括资源子系统、分配子系统、效率子系统、生态子系统和环境子系统；
[0073]
其中资源子系统反映城市水系统的资源属性，指城市水系统的时空量质、循环特征及可再生能力；分配子系统是清洁水源供水安全保障能力和用水的公平性度量；效率子系统体现水资源利用的高效性和对经济活动的支撑作用；生态子系统反映城市水系统的生态属性，指天然条件下水资源固有的生态服务功能，确保生态系统的维护与修复，实现经济发展与生态保护双赢；环境子系统反映城市水系统的环境属性，聚焦水环境质量，主要指河流、湖泊等水体对人工排污的纳污和自净属性。同时，由于水资源量的有限性，以上五个子系统之间还存在着相互竞争的关系。因此定义子系统的序参量以反映子系统的演化情况，并反映子系统之间竞争或合作的关系。
[0074]
所述资源子系统的序参量包括水资源总量、人均水资源占有量、水资源开发利用率、地表水资源量和地下水资源量；
[0075]
水资源总量可以衡量水资源禀赋条件，人均水资源占有量可以体现资源匹配程度，水资源开发利用率可以反映水资源开发状态，地表水资源量反映以地表水为主要使用水源城市的用水情况，地下水资源量反映以地下水为主要使用水源城市的用水情况。
[0076]
所述分配子系统的序参量包括自来水综合生产能力、城市供水保证率、缺水率和城乡用水公平系数；
[0077]
自来水综合生产能力、城市供水保证率和缺水率反映清洁水源供水安全保障能力，城乡用水公平系数反映城乡之间、行业之间、代际之间的用水公平。
[0078]
所述效率子系统的序参量具体为用水效率；
[0079]
用水效率具体体现为人均gdp和单位gdp用水量。
[0080]
所述生态子系统的序参量包括生态用水量和河道断流率；
[0081]
生态用水量反映生态状况的直接量值，河道断流率反映城市的水生态损害程度。
[0082]
所述环境子系统的序参量包括污水处理率和河流水质达标率。
[0083]
污水处理率反映水系统环境的属性，河流水质达标率反映地表水环境的质量。
[0084]
所述步骤s1中，所述子系统有序度函数包括第一有序度函数、第二有序度函数和第三有序度函数；
[0085]
根据子系统有序度函数计算有序度可以反映各序参量的有序性，可以用来衡量序参量之间的协同作用。
[0086]
其中，所述第一有序度函数的表达式具体为：
[0087][0088]
所述第二有序度函数的表达式具体为：
[0089][0090]
所述第三有序度函数的表达式具体为：
[0091][0092]
式中，d
ji
(e
ji
)为第j个子系统中第i个序参量e
ji
的有序度，e
ji
为第j个子系统中第i个序参量的取值，max(e
ji
)为e
ji
取值范围内的最大值，min(e
ji
)为e
ji
取值范围内的最小值，c为序参量e
ji
的有序度标准值，且c为序参量e
ji
取值范围内的值。
[0093]
所述步骤s1中，计算子系统中序参量有序度的方法具体为：
[0094]
设置序参量e
ji
的有序度阈值g；
[0095]
当|e
ji-c|》g，且e
ji
》c时，通过第一有序度函数计算子系统中序参量有序度；
[0096]
当|e
ji-c|》g，且e
ji
《c时，通过第二有序度函数计算子系统中序参量有序度；
[0097]
当|e
ji-c|《g，时，通过第三有序度函数计算子系统中序参量有序度；
[0098]
计算子系统有序度dj的表达式具体为：
[0099][0100]
式中，λi为权重，且λi≥0，n为子系统中序参量的总数。
[0101]
子系统中序参量e
ji
的取值越大，则有序性越高，通过第一有序度函数计算子系统中序参量有序度；子系统中序参量e
ji
的取值越小，则有序性越低，通过第二有序度函数计算子系统中序参量有序度；子系统中序参量e
ji
的取值越靠近序参量e
ji
的有序度标准值c，通过第三有序度函数计算子系统中序参量有序度。
[0102]
所述步骤s1中，计算子系统有序度dj的表达式具体为：
[0103][0104]
式中，λi为权重，且λi≥0，n为子系统中序参量的总数。
[0105]
所述步骤s2中，所述城市水系统演化熵函数的表达式具体为：
[0106][0107]
式中，se为城市水系统演化熵值，d1为资源子系统有序度，d2为分配子系统有序度，d3为效率子系统有序度，d4为生态子系统有序度，d5为环境子系统有序度。
[0108]
步骤s2对对城市水系统引入熵理论，建立其演化熵函数，反映城市水系统状态有序程度，从而表明当前时段的系统内部协调性。城市水系统越无序、越混乱，有序度越小，熵越大。反之，城市水系统越有序，有序度越大，熵越小。
[0109]
步骤s3中，所述城市水系统演化方向判别公式的表达式具体为：
[0110]
δse＝(dise(t+1)-dise(t))+(dese(t+1)-dese(t))
[0111]
式中，δse为城市水系统演化熵熵变，dise(t+1)-dise(t)为城市水系统t 时段至(t+1)时段在不可逆过程中自发产生的熵，该值大于零；dese(t+1)
‑ꢀde
se(t)为城市水系统t时段至(t+1)时段从外界环境流入的熵流变化，反映了水资源配置、安全保障、水资源管理等外部因素的影响，该值可大于、等于或小于零。
[0112]
δse是城市水系统演化方向的辨别指标，当δse》0时，表示城市水系统总熵增加，无序度加大，城市水系统处于不稳定状态的恶性循环过程中；δse《0时，表明城市水系统总熵减小，有序度增强，城市水系统处于良性循环过程之中；δse＝0时，表明城市水系统在此时间间隔内熵无变化。
[0113]
得到城市水系统的演化方向的方法具体为：
[0114]
当|(dese(t+1)-dese(t))|》(dise(t+1)-dise(t))时，则δse《0，城市水系统的演化方向为有序方向；
[0115]
当|(dese(t+1)-dese(t))|《(dise(t+1)-dise(t))时，则δse》0，城市水系统的演化方向为无序方向；
[0116]
当|(dese(t+1)-dese(t))|＝(dise(t+1)-dise(t))时，则δse＝0，城市水系统的演
化方向为无变化。
[0117]
若外部因素是积极而有效的，如实施了水资源优化配置、安全保障和科学管理等措施，外界向城市水系统输入了有序度较高的高品质的物质能量流，也即外界供给城市水系统一个负熵流(dese(t+1)-dese(t)《0)，且负熵流对城市水系统的影响超过了系统自身的熵增加(|(dese(t+1)-dese(t))|》 (dise(t+1)-dise(t)))，则城市水系统演化熵熵变δse《0，城市水系统在向有序方向演化。若外界给城市水系统提供了一个正熵流(dese(t+1)-dese(t)》0) 或者提供了负熵流(dese(t+1)-dese(t)《0)但负熵流不足以抵消城市水系统自身产生的熵值(|(dese(t+1)-dese(t))|《(diss(t+1)-dise(t)))，城市水系统演化熵熵变δse《0，城市水系统将处于无序演化过程中。
[0118]
所述步骤s4具体为：
[0119]
根据各年份的城市水系统的演化方向、城市水系统演化熵函数和子系统有序度，对各城市水系统规划布局方案进行演化预测，得到各城市水系统规划布局方案的城市水系统演化熵值和城市水系统的演化方向，确定各城市水系统规划布局方案中得到子系统中序参量有序度高的对应布局规划以及工程和非工程措施，并将其作为城市水系统有序方向发展的系统规划设计指引。
[0120]
城市水系统有序方向发展的指导结果包括水资源的开发方式和形式的调整，包括但不限于地下水的开采、引调水的运用控制、河湖渠道的布局和建设、泵站水电站等工程的规划、以及污水厂的设置等；城市水系统工程措施的整体结构层次构建，从水的综合生产能力有序度和用水的效率着手，包括但不限于增设环形水网，促进流动、提升纳污能力等结构形式，从而解决多种多样的问题；进一步基于生态、环境子系统的视角，使得水系统在整体闭环上符合有序性和可持续演化的要求，提高自净能力，包括但不限于通过管理环形水网、运用泵站、控制闸门来增加流速，形成工程手段及辅助的管理手段。
[0121]
实施例2：
[0122]
本实施例针对以北京市过去几年的城市水系相关数据为例，运用本发明的城市水系统演化预测分析方法进行城市发展指导。针对水资源子系统有序度计算，建立城市水系统的子系统及子系统中序参量，如表1所示。
[0123]
表1：北京市水系统各子系统及序参量
[0124][0125]
根据现有各年度《北京统计年鉴》、《北京市水资源公报》、《北京市水务统计年鉴》等统计资料数据进行整理和计算，得到了北京市2000～2020年各个序参量的数值，如表2所示。
[0126]
表2：北京市水系统各子系统序参量数值
[0127]
[0128]
[0129]
[0130][0131]
计算子系统中序参量有序度，其方法具体为：
[0132]
(1)资源子系统
[0133]
①
水资源开发利用率有序度
[0134]
通过第二有序度函数计算水资源开发利用率的有序度，该序参量的取值范围选择评价各年份数据的最小和最大值。各年水资源开发利用率越高，相应对水循环的可再生性影响越大，即资源子系统有序程度越低。
[0135]
②
地下水位有序度
[0136]
通过第一有序度函数计算地下水位有序度，该序参量的取值范围选择评价各年份数据的最小和最大值。地下水位越小，表明水循环的稳定性越差，资源子系统的有序程度越低
[0137]
(2)分配子系统
[0138]
①
自来水综合生产能力有序度
[0139]
通过第一有序度函数计算自来水综合生产能力有序度，该序参量的取值范围选择评价各年份数据的最小和最大值。自来水综合生产能力用来体现供水安全保障能力，自来水综合生产能力越大，供水安全保障能力越大，社会子系统有序度越高。
[0140]
②
城乡用水公平系数有序度
[0141]
通过第三有序度函数计算城乡用水公平系数有序度，城乡用水公平系数为人均城镇生活用水量与人均乡村生活用水量的比率，比率越接近1，越能体现区域之间生活用水的公平性。
[0142]
(3)效率子系统
[0143]
①
人均gdp有序度
[0144]
通过第一有序度函数计算人均gdp有序度，该序参量的取值范围选择评价各年份数据的最小和最大值。
[0145]
②
万元gdp用水量有序度
[0146]
通过第二有序度函数计算万元gdp用水量有序度，该序参量的取值范围选择评价各年份数据的最小和最大值。万元gdp用水量越小，反映用水的效率越高，对效率子系统则有序程度越高。
[0147]
(4)生态子系统
[0148]
①
生态用水量有序度
[0149]
通过第一有序度函数计算生态用水量有序度，该序参量的取值范围选择评价各年份数据的最小和最大值。生态用水量在取值范围内越大，对生态越有利。
[0150]
②
河道断流率有序度
[0151]
通过第二有序度函数计算河道断流率有序度，该序参量的取值范围为 0～100％。河道断流率在取值范围内越大，河流水生态越差。
[0152]
(5)环境子系统
[0153]
①
污水处理率有序度
[0154]
通过第一有序度函数计算污水处理率有序度，该序参量的取值范围为 0～100％。对于环境子系统，污水处理率越大，排入水环境的污水量越小，水环境的有序程度越高。
[0155]
②
河流水质达标率有序度
[0156]
通过第一有序度函数计算河流水质达标率有序度，该序参量的取值范围为 0～100％。对于环境子系统，河流水质达标率越大，反映水环境质量越高，环境的有序程度越高。
[0157]
根据表2的数据计算得出各年份各序参量的有序度和城市水系统的子系统有序度，得到图2所示的数据，图2中计算出的有序度0.00和1.00只是相对计算出的值，并不表示序参量绝对的无序或有序。同时本次研究在计算各子系统有序度时对相应的序参量简化设置了相等的权重。
[0158]
各子系统有序度变化情况如图3所示，根据图3和表1，效率子系统的有序度持续增加，表明水系统对国民经济发展的支撑作用越来越大，水资源利用效率越来越高。生态子系统和环境子系统的有序度总体呈现增加趋势，表明北京市的水生态和水环境在逐渐改善。资源子系统和分配子系统的有序度则呈现波动变化。
[0159]
基于各子系统有序度，通过城市水系统演化熵函数计算得出各年份的水系统演化熵值，并通过城市水系统演化方向判别公式计算各年份的城市水系统演化熵熵变。各年份水系统演化熵值的变化情如图4所示，各年份的城市水系统演化熵熵变情况如图5所示。
[0160]
通过表2和图4分析可知，水系统的演化熵呈总体下降趋势，从2000年到 2013年，演化熵在小幅度波动，2014年开始快速下降。2000年的水系统演化熵为0.680，在2008年时达到最大值0.697，然后在2020年降低至最小值0.371，特别是从2018年到2020年，演化熵经历了大幅度的急剧下降。水系统演化熵的整体减小趋势反映了北京水系统逐步在向有序方向演化。水系统内的五个子系统之间经过相互联系，相互作用和物质、能量或信息上的交流，实现了子系统之间的协同，从而保持了水系统的动态平衡协调，促进了水系统的良性、有序演化。
[0161]
水系统演化熵的熵变δse是另一个直观指标，如图5所示，从2000年到2013 年水系统演化熵熵变δse在零点上下小幅度波动，但从2016年之后熵变一直小于零，尤其从2017年至2020年熵变发生了大幅度变化。这表明自2000年到2013 年北京市水系统整体状态较为稳定，变化不大，而从2016年开始系统总熵减小，有序度增强，系统处于良性循环过程之中。
[0162]
基于各年份的城市水系统的演化方向、城市水系统演化熵值和子系统有序度，对各城市水系统规划布局方案进行演化预测分析，分析结果表明，2000～2020 年北京市水系统的演化熵总体呈下降趋势。自2000年到2013年北京市水系统整体状态较为稳定，变化不
大，而从2016年开始系统总熵减小，有序度增强，系统处于良性循环过程之中。水系统演化熵呈整体减小趋势反映了北京水系统的五个子系统之间实现了协同，可得出水系统保持动态平衡协调，有序度增强，未来水系统也将逐步向有序的方向演化。
[0163]
本发明的有益效果为：本发明运用熵函数、耗散结构理论的技术理念和方法，创造性地构建有序度函数、演化熵函数和演化判别公式，并且将其引入城市水系统在规划和调整的系统设计工作中，应用评价反馈和动态持续调整演进的思路及技术，构建城市水系统评估预测模型。预测分析复杂水系统的演化路径及驱动因素，针对有序程度不足或不能可持续演化的负向系统状态，做出积极的工程和非工程措施，通过有效的外部因素控制，促进水系统向有序性的演变，解决当前研究难以有效判断城市水系统实质状态的难题、尤其是本质上无法做出复杂水系统演化方向判别的问题，实现城市水系统、乃至城市整体系统的结构优化、合理调整布局，对城市水系统规划设计方法做出实质性改进与创新发展。
[0164]
本发明建成水系统下的各子系统的有序度判别机制，能够基于大型城市复杂水系统作为远离平衡态的开放系统的平衡或非平衡的认识，形成偏离平衡状态的程度和形式的机理研究，得到水系统的有序性、目的性和系统稳定性的关系的准确评价，明确系统的具体机制。
[0165]
本发明对复杂城市水系统引入熵理论，结合信息熵整合，创新地定义出城市水系统的演化熵函数，并通过对系统状态熵的数值和变化率计算分析，得到基于演化熵准确定量的城市水系统有序程度；进一步结合耗散理论，定义城市水系统和外界城市功能系统的物质流、信息流和能量流，以“远离平衡态”这一判别方式联合系统负熵的增加情况，在提出城市水系统熵变公式的基础上进一步建立复杂城市水系统演化方向的判别公式，由演化熵的熵变度量城市水系统的演化过程。本发明构建城市水系统的系统熵结构特征以及演变熵的判别机制，准确衡量演化规律，支撑复杂城市水系统在未来形成良性、有序的演进。
[0166]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。
技术特征：1.一种城市水系统演化预测分析方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、建立城市水系统的子系统，并选择子系统中序参量构建子系统有序度函数计算子系统中序参量有序度，进而得到子系统有序度；s2、根据子系统有序度建立城市水系统演化熵函数，得到各年份的城市水系统演化熵值；s3、基于各年份的城市水系统演化熵值，通过城市水系统演化方向判别公式得到各年份的城市水系统的演化方向；s4、基于各年份的城市水系统的演化方向、城市水系统演化熵值和子系统有序度，对各城市水系统规划布局方案进行演化路径及驱动因素预测分析，得到城市水系统有序方向发展的系统规划设计指引。2.根据权利要求1所述的城市水系统演化预测分析方法，其特征在于，所述步骤s1中，城市水系统的子系统包括资源子系统、分配子系统、效率子系统、生态子系统和环境子系统；其中，所述资源子系统的序参量包括水资源总量、人均水资源占有量、水资源开发利用率、地表水资源量和地下水资源量；所述分配子系统的序参量包括自来水综合生产能力、城市供水保证率、缺水率和城乡用水公平系数；所述效率子系统的序参量具体为用水效率；所述生态子系统的序参量包括生态用水量和河道断流率；所述环境子系统的序参量包括污水处理率和河流水质达标率。3.根据权利要求2所述的城市水系统演化预测分析方法，其特征在于，所述步骤s1中，所述子系统有序度函数包括第一有序度函数、第二有序度函数和第三有序度函数；其中，所述第一有序度函数的表达式具体为：所述第二有序度函数的表达式具体为：所述第三有序度函数的表达式具体为：式中，d
ji
(e
ji
)为第j个子系统中第i个序参量e
ji
的有序度，e
ji
为第j个子系统中第i个序参量的取值，max(e
ji
)为e
ji
取值范围内的最大值，min(e
ji
)为e
ji
取值范围内的最小值，c为序参量e
ji
的有序度标准值，且c为序参量e
ji
取值范围内的值。4.根据权利要求3所述的城市水系统演化预测分析方法，其特征在于，所述步骤s1中，计算子系统中序参量有序度的方法具体为：设置序参量e
ji
的有序度阈值g；
当|e
ji-c|＞g，且e
ji
＞c时，通过第一有序度函数计算子系统中序参量有序度；当|e
ji-c|＞g，且e
ji
＜c时，通过第二有序度函数计算子系统中序参量有序度；当|e
ji-c|＜g，时，通过第三有序度函数计算子系统中序参量有序度。5.根据权利要求4所述的城市水系统演化预测分析方法，其特征在于，所述步骤s1中，计算子系统有序度d
j
的表达式具体为：式中，λ
i
为权重，且λ
i
≥0，n为子系统中序参量的总数。6.根据权利要求5所述的城市水系统演化预测分析方法，其特征在于，所述步骤s2中，所述城市水系统演化熵函数的表达式具体为：式中，s
e
为城市水系统演化熵值，d1为资源子系统有序度，d2为分配子系统有序度，d3为效率子系统有序度，d4为生态子系统有序度，d5为环境子系统有序度。7.根据权利要求6所述的城市水系统演化预测分析方法，其特征在于，所述步骤s3中，所述城市水系统演化方向判别公式的表达式具体为：δs
e
＝(d
i
s
e
(t+1)-d
i
s
e
(t))+(d
e
s
e
(t+1)-d
e
s
e
(t))式中，δs
e
为城市水系统演化熵熵变，d
i
s
e
(t+1)-d
i
s
e
(t)为城市水系统t时段至(t+1)时段在不可逆过程中自发产生的熵，d
e
s
e
(t+1)-d
e
s
e
(t)为城市水系统t时段至(t+1)时段从外界环境流入的熵流变化；得到城市水系统的演化方向的方法具体为：当|(d
e
s
e
(t+1)-d
e
s
e
(t))|＞(d
i
s
e
(t+1)-d
i
s
e
(t))时，则δs
e
＜0，城市水系统的演化方向为有序方向；当|(d
e
s
e
(t+1)-d
e
s
e
(t))|＜(d
i
s
e
(t+1)-d
i
s
e
(t))时，则δs
e
＞0，城市水系统的演化方向为无序方向；当|(d
e
s
e
(t+1)-d
e
s
e
(t))|＝(d
i
s
e
(t+1)-d
i
s
e
(t))时，则δs
e
＝0，城市水系统的演化方向为无变化。8.根据权利要求3所述的城市水系统演化预测分析方法，其特征在于，所述步骤s4具体为：根据各年份的城市水系统的演化方向、城市水系统演化熵函数和子系统有序度，对各城市水系统规划布局方案进行演化预测，得到各城市水系统规划布局方案的城市水系统演化熵值和城市水系统的演化方向，确定各城市水系统规划布局方案中得到子系统中序参量有序度高的对应布局规划以及工程和非工程措施，并将其作为城市水系统有序方向发展的系统规划设计指引。
技术总结本发明公开了一种城市水系统演化预测分析方法，本发明运用熵函数、耗散结构理论的技术理念和方法，创造性地构建了有序度函数、演化熵函数和演化判别公式，并且将其引入城市水系统规划设计工作中，应用评价反馈和动态持续调整演进的思路及技术，构建城市水系统评估预测模型，在此基础上，运用模型分析预测复杂水系统的演化路径及驱动因素，针对有序程度不足或不能可持续演化的负向系统状态，做出积极的工程和非工程措施，通过有效的外部因素控制，促进水系统向有序性的演变，解决当前模型方法难以有效判断城市水系统实质状态的难题，实现了城市水系统、乃至城市整体系统的结构优化、合理布局，是对城市水系统规划设计方法的实质性改进与创新发展。性改进与创新发展。性改进与创新发展。
技术研发人员：尚毅梓 朱启林 李晓飞 尚领 刘志武 段沛 龚家国 冶运涛
受保护的技术使用者：中国水利水电科学研究院
技术研发日：2022.06.22
技术公布日：2022/11/1
