水资源管理中全球水文社会指标的评估

  • 发布时间:2021-09-13 18:35:21
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水是至关重要的元素,在人类生活中起着核心作用。本研究依靠水利社会分析评估基于水资源可用性的指标状况。评估涉及在 2005-2017 年期间人均可再生水呈现下降趋势的国家。非洲、美洲、亚洲、欧洲和大洋洲分别包括48个、35个、43个、20个和5个气候条件不同的国家。使用软计算方法[即人工神经网络、自适应神经模糊推理系统和基因表达编程 (GEP)] 估计了与农村社会、城市社会、技术和通信以及知识相关的四个水利社会指标。世界各大洲。GEP模型在基于统计标准[相关系数(R)、均方根误差(RMSE)和平均绝对误差]估算世界各大洲的水利社会指标的计算方法中表现最好。GEP模型的城乡人口比(PRUP)、人口密度、互联网用户数和教育指数参数的RMSE值等于(0.084、0.029、0.178、0.135)、(0.197、0.056、0.152、0.163) , (0.151, 0.036, 0.123, 0.210), (0.182, 0.039, 0.148, 0.204) 和 (0.141, 0.030, 0.226, 0.082) 对于非洲、美洲、亚洲和大洋洲。水利社会指标的可扩展方程在世界范围内的可变空间和时间尺度上具有适用性。本文的结果表明,社会参数与水资源之间的关联模式因大陆而异。考虑到水社会指标,本研究的结果有助于改进水资源规划和管理。

介绍

水资源短缺是由气候变异和变化、人口增长和管理不善造成的,这些问题对满足许多国家的用水需求构成了挑战1 , 2。水资源管理涉及水利和水文问题,必须考虑社会和经济条件。早期的水系统水社会研究严重依赖于地理评估,并引入了理解水与人类系统之间反馈的方法3。水文社会研究的基础是认识到人类系统与水之间的密切相互作用、水的社会和文化意义,以及它们与水系统和水管理方案的关系4. 水社会循环关注人与水相互作用之间的反馈系统,认识到人类对水循环的影响是水系统和社会系统辩证发展的一部分5。

水资源短缺有多种定义,对其含义也有不同的解释。在基本层面上,水资源短缺受其数量和分布以及自然和人为因素的制约2。人口受到水资源压力和人均可再生水短缺的影响。水资源短缺通常被认为是人类面临的全球挑战6。人类活动造成了一系列不同的水资源可持续性挑战,必须通过新的水资源管理方法7加以解决。研究表明,缺水是物理性缺水的结果,也是水资源与社会现象复杂相互作用的结果6. 除了水的社会和经济危机之外,人们还强调水问题不仅仅是稀缺,而是水资源管理危机。今天管理水系统的目标是定义新的跨学科解决方案。水文社会科学研究水系统管理中人为因素、水流、水力技术、生物物理因素、社会经济结构和文化政治制度之间的相互作用8。这门科学评估水资源系统,考虑人类影响,如取水、蓄水和其他人为引起的水文系统变化9. 这意味着水资源短缺和水文系统中存在的不利趋势也会影响人类利益,并最终影响社会福祉10。因此,对这些关系进行建模和预测有助于了解水社会相互作用,从而更有效地管理水资源和改进社会评估。

水文社会指标是衡量现象相对规模的有用指标11,它们支持水资源管理的决策。评估这些指标是为了评估当前政策和未来管理活动以及投资决策的有效性,这些因素基于利益相关者对水的定义或感知、利益相关者群体对水感知的主要机制(例如社会、历史、经济、政治、精神等)、水与社会之间形成“水社区”的反馈,以及利益相关者与其水之间的水社会互动的后果12 , 13。了解水利社会关系可提高对用水最佳实践的认识14 .

社会参数与水资源综合管理之间的重要性和不可分割的关系如今已广为人知。了解社会参数与人均可再生水之间的反馈及其建模可以预测各国未来的社会演变。软计算方法和基于人工智能的方法,如人工神经网络 (ANN)、自适应神经模糊推理系统 (ANFIS)、基因表达编程 (GEP)、多元自适应回归样条 (MARS)、M5 树模型、支持向量机 (SVM)、随机森林 (RF) 和多元线性回归 (MLR) 方法已成功应用于水质和水量建模。这些基于数据的预测方法已被用于预测不同领域的各种现象,

水文社会科学评估水科学与社会科学之间的关系,并发现预测这两门科学现象的数学函数。水文社会研究主要源于政治生态学和技术研究3的融合。罗斯等人。3认为,在水利社会问题的背景下,大多数关于水资源系统的研究都与灌溉、缺水、水坝、地下水、海水淡化、冰川、卫生和采矿有关。凯里等人。15介绍了冰川盆地水文模型中的社会科学。他们研究了秘鲁圣河流域气候变化引起的冰川融化,采用了五个变量:政治议程和经济发展、治理(法律和制度)、技术和工程、土地和资源利用、社会反应。后者的作者提出了一种水文社会科学中的水文建模工具,以了解气候变化对影响人口的冰川收缩的影响。陈等人。16, 应用普通最小二乘法 (OLS) 和地理权重回归 (GWR) 模型来识别中国东部温瑞通河流域湿季和旱季土地利用和人口密度指数对地表水质的影响。他们的结果表明,这些指标的影响随空间和季节尺度而变化。郊区和农村地区被确定为城市土地是雨季污染物的主要影响因素,而农地被确定为旱季更普遍的影响因素。Ženko 等人 6基于性别和年龄组的伊朗乌尔米亚湖流域缺水对用水者心理健康的影响,确定缺水对经济、社会关系和人民健康产生不利影响。同时,所有这些因素都威胁着用水者的心理健康。后者的作者评估了水社会因素,并表明水问题会导致生物物理、财务和社会变化,由于慢性心理压力、社会孤立、社区内冲突、绝望、绝望、抑郁和焦虑。什雷斯塔等人。17分析了尼泊尔加德满都谷地水资源短缺的竞争和冲突,并展示了由于水资源不安全以及无法整合政治、社会和经济因素以允许获得供水服务和机构的人类痛苦。Devkota 等。18基于公众认知对 240 户家庭进行的社区调查,在西拉普蒂河流域应用了水文分析和洪水建模。他们检查了已经发生或将来可能发生的洪水适应策略,并应用混合水利社会方法来证明洪水计划对提高当地洪水意识的重要性。威格布等人。19评估了从千年发展目标到可持续发展目标的路径,以实现第六个可持续发展目标(SDG 6)。这方面的关键因素是管理问题源而不是其影响,增加问题和部门的整合,纳入环境目标,更灵活的管理方法,参与和协作决策,更加关注通过“软性”管理人类行为措施”、开放和共享的信息系统,以及纳入学习周期。他们认为“水社会循环”是一个连接社会和重要水元素的概念。裴等人。20评估了越南河内地下水资源的社会可持续性,涉及地下水的三个主要特征(数量、质量和管理)。地下水的可持续性指数、数量、质量和管理估计为好、差和可接受的值分别为 0.68、0.27 和 0.52,这导致河内被评为可接受的水平,社会评价值为 0.49。可持续性评估。潘德等人。21,利用新陈代谢理论,通过考虑 7 大陆尺度的虚拟水含量、虚拟水贸易和农业生产,探索了出生率与当地用水量之间的关系。他们调查了人类新陈代谢的平均速率是否控制或受人均用水量的控制,并报告说,出生率相对较低的大陆,包括北美、欧洲和大洋洲,人均用水量相对较高,而发展中地区则表现出相对较高的人均用水量。一种相反的关联模式。迪亚兹等人。22实施驱动因素-压力-状态-影响-响应 (DPSIR) 以探索河流生态系统与智利 Biobío 盆地社会系统之间的关联。选取了数据跨越 35 年的 65 个指标来评估研究区的 DPSIR。趋势分析结果表明,生物多样性显着减少,监管服务和非物质产品对人类福祉的恶化,而文化服务、直接和间接压力以及制度反应增加。福鲁扎尼等人。2应用 Q 方法(一种有助于辨别观点、意见、信念、态度的社会科学技术)来确定农民和农业专家对伊朗 Marvdasht 市农业缺水及其原因的理解。他们用 Q 方法调查了农业缺水的特征,以确定四种不同类型的农民(管理依从者、适应性依从者、宿命论者和寻求支持者)和三类农业专家(农民责怪悲观主义者、技术官僚现实主义者和乐观主义者)。李等人。23研究了各种社会经济活动对中国太湖水质的影响,表明重复和激烈的社会经济活动造成的严重生态压力会导致湖泊生态功能下降,威胁水生生物的健康。他们的结果表明,总氮 (TN)、总磷 (TP)、化学需氧量 (COD)、生物需氧量 (BOD)、人口、人均国内生产总值 (GDP) 和污水的年均浓度之间存在显着关联释放。其他几项研究报告了社会科学和软计算在水资源调查中的应用7 , 24 , 25 , 26 , 27. 另一方面,软计算方法的文献太多,无法在本文中进行回顾;因此,这里只强调一小部分应用了软计算方法的参考文献。

各种研究人员研究了在评估水资源时纳入社会指标的情况,以了解哪些社会参数如何以及哪些对水系统产生最显着的影响;然而,很少有人发现在广泛范围内定量管理水利社会指标的关联模式。必须考虑社会参数与水资源参数之间统计关联的合理性,这些因素之间的相互作用水平值得进一步研究。

本文在水文社会科学的背景下开发了水资源因素的全球应用功能。就当前水社会科学的最新技术水平而言,这项工作的创新之处在于:(1)软计算方法(即人工神经网络、自适应神经模糊推理系统和基因表达)的应用编程),用于将水利社会科学与水科学联系起来;(2) 对大陆水资源作用的若干社会变量(农村社会、社会、技术和通讯、知识)的估计,以及从社会变量的角度对水资源的估计;(3) 社会参数的数学函数被证明在空间和时间上是可扩展的。

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