1.2　國內外相關研究動態

1.2.1　水土資源合理配置研究

1.2.1.1　水資源合理配置

1.國外研究動態

國外對水資源優化配置的研究較早，取得了不少成果，較早的研究多是單純研究水資源量合理分配。20世紀50年代中期，隨著系統分析理論與優化技術的發展，水資源合理配置模型開始出現。1955年，美國哈佛大學“哈佛水資源規劃組”提出將水資源與環境系統統一考慮的設想，探索政府決策、經濟目標和水資源工程之間的關系。20世紀60—70年代，系統工程學和數學規劃與模擬技術的發展推動了水資源優化配置研究進程，水資源配置中開始出現線性和非線性規劃、動態規劃等系統工程理論和方法。1962年，哈佛水資源規劃組出版了《水資源系統分析》一書，將系統分析引入水資源配置[7]。70—80年代，隨著優化技術在水資源領域的廣泛應用和計算機技術的發展，國外水資源優化配置的研究成果也不斷增多。1978年，國際水文規劃委員會以水文學作為水資源規劃和管理的基礎，從經濟、社會、生態等多方面研究水資源綜合利用與保護[8]。1982年，P.D.Walsh和D.Pearson用二次規劃方法研究區域用水量優化分配問題[9]。1983年，N.Buras在其所著的《水資源科學分配》中[10]，對系統規劃理論和方法在水資源配置中的應用進行了詳細分析和研究。

20世紀80年代起，隨著水資源配置研究的深入，單目標水資源優化配置模式已不能適應實際需求，考慮多種因素綜合效益的多目標水資源配置逐漸興起。1981年，H.Watanabe等人運用動態規劃方法，構建了多目標動態水資源配置模型[11]。1982年，M.Tamiga和E.Romjin考慮水資源配置與決策的關系，建立了水資源量多目標多層次模型[12]。20世紀90年代以來，由于全球范圍內水資源危機日益突出，水污染不斷加劇，對水資源配置合理性的實踐需求不斷提高。隨著可持續理念的普及，國外在水資源優化配置中，開始考慮水生態因素，如水質、水資源可持續利用等。1992年，Afzal等人建立了灌溉系統線性規劃模型，在水量分配問題中考慮了水質因素[13]。1997年，N.Z.Sun和H.S.Wong在多水源聯合調度模型中考慮了地下水惡化的防治措施，提出地表-地下水聯合調用的水資源多目標多階段優化配置原理與方法[14]。同時，隨著系統科學理論和計算技術的發展，基于可持續發展理論，針對水資源多目標、復雜大系統的特點，系統動力學、地理信息系統、模糊數學、遺傳算法、模擬退火算法等理論和進化方法被廣泛應用于水資源配置中。2008年，P.E.Georgiou等人開發了農田灌溉非線性規劃模型，使用模擬退火和隨機梯度下降相結合的算法進行全局優化搜索，最終確定不同氣候條件下的最佳農田灌溉模式[15]。2011年，Fei Ding等人運用模糊多屬性決策技術，構建了以投資、日供水量、污水處理費、節約用水程度和經濟發展等為準則的水資源優化配置評價指標體系，并應用層次分析法進行指標賦權[16]。同年，Mohamed Hedi Louati等人將雙目標遺傳算法模型應用到復雜水資源系統配置中，針對Tunisia地區區域特點生成五種水資源分配方案，為區域發展提供決策支持[17]。2014年，Maryam Ghashghaie等人考慮水資源系統各因素的復雜作用關系，從區域、農業、工業和環境需求四個方面應用系統動力學方法進行水資源分配[18]。同年，Mehmet Kucukmehmetoglu和Abdurrahman Geymen將GIS技術運用到跨流域水資源配置中，通過衛星圖片提取河湖單元，從全局角度配置河湖供水范圍，進而進行水資源空間分配[19]。

2.國內研究動態

國內水資源優化配置研究興起于20世紀80年代，最初始于以水庫調度為先導的水資源分配研究，并隨著系統工程理論的發展應用和經濟社會發展對水資源的需求特點變化而逐漸拓展。1980年，全國開展水資源調查評價及水資源利用調查分析工作，在水資源優化配置概念、優化目標、供需水管理、經濟決策機制等方面均有新的進展。20世紀90年代以來，水資源科學配置研究迅速發展，國內水資源優化配置研究以多目標和大系統優化技術為主要研究手段，在可供水量和需水量確定的條件下，研究區域有限水資源量在各區域和用水部門間的優化配置。1988年，賀北方從區域水資源開發系統的特性出發，提出區域可供水資源優化分配的大系統逐級優化模型[20]。1989年，吳澤寧等人以經濟社會效益為目標，考慮生態效益，構建了水資源大系統多目標模型及二階分解協調模型[21]。1994年，唐德善以黃河流域為研究對象，構建水資源多目標模型，并運用大系統理論，提出遞階動態規劃求解方法[22]。1997年，中國水科院翁文斌、蔡喜明等人將水資源配置與經濟分析相結合，提出了基于宏觀經濟的水資源優化配置理論，為大系統水資源配置研究開辟了新思路[23]。隨著可持續發展和生態環境保護理念的加強，如何實現社會、經濟和生態環境三方面綜合效益最大，成為區域水資源利用優化配置模型的研究熱點。1998年，王忠靜、翁文斌等人提出交互式決策支持規劃理論和方法，并開發出相應的規劃決策支持系統[24]。

21世紀以來，隨著系統科學和計算機技術的發展，水資源配置研究內容更加豐富，水資源系統及水資源與經濟社會發展的關系研究成為熱點，基于耗散結構理論、灰色系統理論、熵理論、協同學、信息論、系統動力學等復雜系統理論，模糊優化、遺傳算法、粒子群算法、神經網絡方法等新型人工智能算法被應用于水資源配置中。2002年，暢建霞等人把灰色關聯度與熵結合，構建基于灰色關聯熵的水資源系統演化判別模型[25]。2003年，左其亭等人以概率統計、模糊數學和灰數等為理論基礎，定義了水資源不確定性系統，并建立不確定性水資源風險計算模型[26]。2007年，張明、金菊良等人論述了信息論在水資源系統建模、優化、決策中的應用[27]。2010年，陳南祥等人分析總結了系統動力學研究方法和數學模型在水資源系統分析中的應用[28]。2014年，劉溶劍、牛文娟在耗散結構理論和灰色系統理論的基礎上，運用灰色關聯熵模型，結合跨界水資源系統的有序性分析，建立跨界水資源系統演化方向判別模型，分析跨界水資源系統演化的方向[29]。

1.2.1.2　土地利用合理配置

1.國外研究動態

土地利用配置起源于15世紀歐洲的土地利用區位布局理論。到20世紀50—90年代，隨著城市化和工業化的發展，各國土地利用布局產生較大變化，價值土地資源調查、評價研究的廣泛開展以及遙感技術、計算機技術的應用，積累了豐富的土地資源信息，促使各國廣泛開展土地利用規劃，這段時間，土地資源配置研究開始重視生態學理論的應用。1975年，Deepak Bammi等人在增長模式中引入多目標和多約束，使10類土地利用面積最優化，為土地資源配置建立了合理模型[30]。20世紀90年代以來，土地利用優化配置作為區域可持續發展的重要途徑和手段受到廣泛的重視。線性規劃、多目標規劃等數學規劃方法以及系統動力學方法被廣泛運用于土地利用優化配置建模研究，計算機技術和地理信息系統迅速發展，提高了土地資源配置的準確性和實時性，為空間數據分析提供了重要的技術支撐，增強了土地資源優化配置和決策的科學性，推動了土地資源優化配置科學研究的發展。如1990年，Shakya Keshab M.等人在尼泊爾丘陵農場用多目標線性規劃方法計算土地分配，得出各規劃的機會成本[31]。1993年，Chucieco E.應用線性規劃模型進行土地適宜性分析，并將模型與GIS相結合，實現土地資源的科學配置[32]。1997年，Fuhu Ren在LRA模型中加入基于GIS的決策運行模塊，使得土地資源管理和決策更加科學有效[33]。1998年，J.Ronald Eastman等人提出了基于GIS的多參數、多目標決策土地合理配置模型[34]。2003年，Vincenzina Messina等人將不確定性方法和期權價值引入離散化土地資源配置模型中，考慮資源環境和經濟社會發展中存在的不確定性因素，結合期權定價理論確定不同類型土地分配的優劣順序，為土地分配決策提供技術支持[35]。2007年，Aalders I.H.等人應用線性規劃用地分配模型在多種約束下進行土地資源合理配置，實現農業效益最優化[36]。2011年，Bijaybaran Pal等人將模糊目標規劃方法應用于含有機會約束的季節性農作物最優生產土地分配問題的建模和求解過程[37]。

2.國內研究動態

國內土地資源配置研究始于20世紀50年代，20世紀50—70年代中期是土地資源配置研究的起始階段，這段時期土地資源配置在研究形式上，主要根據綜合考察開展區域土地利用調查研究，研究具有特定目的，但分布分散；在研究方法上，尚缺少系統性的理論總結，僅停留在定性、經驗性研究階段。如1953年，宋漢洲對黃河沿岸的土地類型及對應的土地信息的調查研究[38]。20世紀70年代后期至80年代后期，我國土地資源利用調查研究工作得以加強，研究內容更加豐富全面，“3S”技術和計算機技術得以應用。1983年，曾開泉提出了一種將航空相片的調繪界線轉繪到統一底圖上的簡易方法，推進了國家土地資源利用規劃工作的開展[39]。20世紀90年代以來，我國土地資源研究進入深入研究階段。土地分類、土地規劃與利用、土地資源配置與評價以及土地利用系統工程等方面的研究專著不斷問世，研究領域大大拓寬，土地利用優化配置研究受到重視。1992年，倪紹祥對長期以來的土地類型和土地評價研究進行了系統總結[40]；1994年，吳傳鈞、郭煥成在《中國1∶100萬土地利用圖》的基礎上出版《中國土地利用》一書，書中對全國土地利用現狀進行總結和詳細分析[41]；同年，由國家土地管理局土地利用規劃司編制的《全國土地利用總體規劃研究》一書，對我國土地利用總體規劃理論和實踐均進行了分析，總結出一套符合我國發展的國家土地利用總體規劃發展戰略[42]；1996年，王萬茂出版的《土地利用規劃學》對土地利用規劃涵義、內容、體系和程序等研究成果進行了系統總結[43]；同年，劉彥隨、倪紹祥對我國城市土地優化配置的模式、目標和實現途徑進行了探討[44]。

21世紀以來，隨著數學規劃方法、計算機軟件和“3S”技術的廣泛運用，土地資源優化配置的方法和技術上都有了進一步的提高，區域土地調查、土地資源合理配置以及土地適宜性評價等方面的研究均取得了顯著成效，同時，人們對生態環境的重視程度日益加強，以可持續利用為準則的土地配置模型和評價指標體系逐漸成為研究熱點。2002年，王思遠等人應用遙感和GIS技術，對湖北省土地利用的時空特征進行了定量分析[45]。同年，賴彥斌等人構建了土地利用/覆蓋格局分析指標體系，并對我國東部南部樣帶不同自然帶的土地利用/覆蓋格局進行了評價[46]。2009年，邵繪春等人基于資源優化配置理論和經濟學稀缺理論，對土地資源可持續利用條件下的配置狀況和配置目標進行分析[47]。2012年，曾偉對3S技術在土地利用可持續發展中的應用趨勢進行了分析，明確了3S技術對推進土地利用研究的重要性[48]。

1.2.1.3　水土資源合理配置

1.國外研究動態

國外對水土資源優化配置的研究主要集中于對水土資源優化配置模型的研究。水土資源優化配置模型以系統工程理論、系統動力學（System Dynamics，SD）和多目標決策技術等理論和技術為研究基礎。主要研究方向如下：

（1）基于系統工程的水土資源優化配置模型。如1992年，Frank Van Steenbergen在傳統水土資源配置的基礎上，考慮供水的預期變化對土地分配和水權的影響[49]。1998年，A.J.M.Evers等人利用經濟模型、動態規劃模型、水分邏輯模型、作物生長仿真模型（Executive-Process/Interactive Control，EPIC）模擬仿真灌區生產[50]。2006年，Laxmi Narayan Sethi等人將確定和非確定性線性規劃模型應用在季節性水土資源合理配置中，調整作物種植結構和水資源使用配比，獲得最大化的區域年凈效益[51]。同年，A.R.Sepaskhah等人求解最佳施肥方案，以水土資源作為約束，以期獲得最大產量與經濟效益[52]。

（2）基于系統動力學的水土資源優化配置模型。如2005年，Jiang Leiwen等人采用統計分析和系統動力學的方法，探究人口、經濟、水資源和土地資源之間的相互關系，量化水資源開發利用和土地退化對人口增長的影響[53]。2007年，Amgad Elmahdi等人應用系統動力學建模方法，構建經濟重分配水資源模型，并在灌區水資源配置與管理中得到良好應用[54]。2014年，QingXu Huang等人將系統動力學和元胞自動機（Cellular Automata，CA）相結合，構建土地利用情景動態模型，并設計了三種干燥趨勢場景對我國北方地區進行氣候預測[55]。

（3）基于信息處理技術的區域水土資源優化配置的決策支持系統等。如2006年，S.D.Gorantiwar等人構建了基于效率、公平和適應性等權重指標的階段性水土資源分配仿真優化模型[56]。2014年，Dimitris Fotakis等人構建了以經濟和生態效益為目標的水土資源優化配置與管理決策系統總體框架[57]。

2.國內研究動態

國內水土資源優化配置的起步較晚，20世紀90年代，我國水土資源利用研究才逐漸開展起來。近年來，我國的水土資源優化配置在理論和研究方法上不斷創新和發展，取得了不少研究成果。2004年，姚華榮、吳紹洪等人研究了利用灰色線性規劃模型對水土資源進行合理配置，同時將GIS軟件應用于優選方案的空間地塊上，實現區域水土資源的空間合理配置[58]。2007年，李亞平、董增川等人構建了多級遞階結構的水土資源合理配置大系統模型，并對句容市進行了模型實例驗證[59]。同年，田冰、賈金生分析了河北省欒城縣的農業水土資源相互作用關系，構建了水資源約束下的農業土地結構優化模型，研究不同水土資源關系作用下的區域農業土地利用方式[60]。現有研究成果大多是將水資源和土地資源分別進行研究，少量研究成果是將水資源看成是區域土地利用的一個制約因素，而以用地總產出效益最大為目標，重點研究農業內部用地在水資源約束條件下的規劃。

隨著水土資源研究的深入，人們逐漸認識到水土資源相互依賴、相互影響、相互制約，與人類社會、經濟、生態環境相結合，構成了一個復雜大系統。撇開水資源單獨研究土地利用合理配置，或者不考慮土地利用合理配置單獨研究水資源合理配置都不能實現真正意義上的合理配置。因此，將水土資源耦合起來進行綜合研究被越來越多的學者所接受。區域水土資源合理優化配置方法和技術手段日趨先進，逐步由定性研究向定量研究發展，配置方案由人為設定對比選擇向多方案數學模型優化求解發展。如2007年，李亞平、董增川等人利用大系統多級遞階結構分解協調方法，構建了城市水土資源聯合優化配置模型[59]。田冰、賈金生基于多目標分析方法，建立了水資源約束下的土地結構優化數學模型[60]。2008年，鄭重、張鳳榮運用系統耦合理論，深入剖析系統耦合與水土資源優化配置的關系，總結提出合理配置耦合模式、耦合技術和耦合模型[61]等。

1.2.2　復雜性與復雜系統理論研究

復雜性與復雜系統理論研究作為當前科學研究的熱點，是系統科學發展的新階段，是跨學科的新興領域的研究。

1.2.2.1　復雜性科學研究

復雜性科學是現代系統科學發展的新階段，是非線性系統動力學、耗散結構理論、博弈論、還原論、協同學、混沌理論、分形理論、人工生命、復雜適應系統理論等現代科學發展前沿理論融合的產物，它強調從智能性和自適應性等系統生命特征出發研究系統的復雜性行為、特征和形成的原因。目前國內外對復雜性科學的研究已經拓展到物理、化學、生物、經濟、生態、地理、環境、氣象、神經科學、管理等多個科學研究領域[62]。基于復雜性科學的前沿性、應用性和對系統科學方法的重大改革，復雜性科學被譽為“21世紀的科學”。

1.國外研究動態

20世紀60年代，耗散結構、協同學、超循環理論、突變論、混沌學等系統理論相繼涌現，為復雜性科學的出現奠定了理論基礎。國外復雜性作為學術思想首先由Edgar Morin在1973年出版的《迷失的范式：人性研究》一書中提出[63]，后在《復雜性思想導論》一書中又對復雜性進行了詳細研究，其復雜性思想的核心內容是“來自噪聲的有序”原則，揭示了動態有序現象的本質。Edgar Morin提出復雜性科學中無序性是一個必要非充分條件，無序性必須與已有的有序性配合才能產生更高層級的有序性，這打破了無序性與有序性相互排斥的舊觀點[64]。一般認為復雜性科學起源于20世紀80年代中期，1984年，在M.Gellmann，P.W.Anderson和K.J.Arrow三位諾貝爾獎獲得者的帶領下，美國建立圣塔菲研究所（Santa Fe Institute，SFI），致力于研究復雜性科學，標志著有組織、系統性研究有主動型的個體組成的系統的復雜性的開始。圣塔菲研究所主要研究內容包括混沌邊緣、經濟復雜適應系統、人工生命及系統進化等。在此后不到30年的時間里，復雜性科學快速發展，成為一種新的科學思潮，在教育、醫療、工程、環境等多個領域得到廣泛應用。1992年，Waldrop M.出版了《誕生于秩序與混沌邊緣的科學》一書，探討了美國SFI關于復雜性的研究經歷[65]。1998年，Simon Shackley等人研究了不確定性和復雜性科學在氣候變化建模中的應用，提高了大氣環流模式（Global Climate Model，GCM）的實際應用性[66]。2008年，Janc Schmidt運用自組織和非線性動力學理論，分析了相空間對稱性、相變與復雜性的關系[67]。2011年，Juval Portugali出版了《復雜性、認知和城市》一書，提出了“復雜性科學”的概念及耗散結構理論[68]。2012年，M.A.Cerdà-Uguet和M.P.Schellekens等人基于改進的Baire局部度量方法，分別對快速排序、歸并排序和最大化排序方法進行算法收斂復雜性分析[69]。2014年，E-.Colebunders等人構建復雜性空間，基于不動點定量提出遞歸復雜算法[70]。

2.國內研究動態

我國學者對復雜性的研究幾乎與國外同步。國內關于復雜性科學研究以錢學森先生在1989年提出的“開放的復雜巨系統理論”為開端，該理論認為復雜性問題實際上是開放復雜巨系統的動力學特性問題。錢學森先生在1992年提出了從定性到定量綜合集成研討廳體系，實現人機結合的大成智慧，其理論主要應用于宏觀經濟領域。1994年顧基發提出以東方哲學觀為指導，被稱為東方系統方法論的物理-事理-人理（Wuli-Shili-Renli，WSR）系統方法論，其遵循的原則是綜合原則、集成原則、參與原則、可操作性原則、反復迭代原則和整體優化原則[72-73]。1999年，魏一鳴提出洪水災害研究的復雜性理論，討論了分形、混沌、人工神經網絡等非線性理論在自然災害復雜性研究中的應用[74]；2002年，中國科學院自動化研究所系統復雜性研究中心成立，研究工作從經濟與社會系統延伸到互聯網這一開放的復雜巨系統[75]。2003年，金菊良、丁晶將水科學中的優化問題作為復雜問題，提出用遺傳算法及改進的遺傳算法來解決水科學的復雜優化問題[76]。與國外復雜性研究在現實中的應用相比，我國的復雜性研究主要集中在理論分析方面，缺乏復雜性理論在現實實踐中的應用。

1.2.2.2　復雜系統理論研究

復雜系統理論（Complex System Theory，CST）是復雜性科學的主要研究內容，是系統科學中的前沿方向。與傳統還原論不同，復雜系統理論強調用整體論和還原論相結合的方法去分析系統，用非線性理論觀察和分析系統的動力學特征，克服了對立統一規律觀察和分析事物簡單的兩元結構思維。復雜系統理論屬于多學科理論，其主要包括“老三論”（一般系統論、控制論和信息論）和“新三論”（耗散結構理論、協同論和突變論）等系統論，混沌學、熵理論、分形學等非線性科學，以及多種人工智能進化方法（如遺傳算法、神經網絡、粒子群優化、進化策略及元胞自動機等）。系統動力學是聯系各復雜系統理論的紐帶，在對復雜系統的研究過程中，復雜性主要來自于系統本身和系統演化過程兩個方面，復雜性度量主要通過圖論對系統動力學統計特性進行分析。

1.國外研究動態

國外復雜系統的研究始于20世紀30年代，以“老三論”和“新三論”為研究基礎。1937年，美籍理論生物學家Bertalanffy L.Von在芝加哥大學的一次哲學討論會上第一次提出一般系統論（General System Theory，GST）的概念，后于1968年正式出版《一般系統論》一書，研究基于生物和人的系統的共性和一般性原則問題[77]，并于1975年在哲學和人類行為學方面得到應用[78-79]。1990年，N.Wiener在法國南希S.Mandebrojt主持的關于諧波分析的會議上首次提出控制論（Cybernetics）的概念[80]，并于次年出版了著名的《控制論——關于在動物和機器中控制和通訊的科學》一書。1948—1949年，Shannon C.發表了論文《通信的數學理論》，宣告了信息論（Information theory）的誕生[81-82]。

20世紀60年代末期，在“老三論”研究的基礎上，“新三論”開始出現，復雜系統理論研究步入一個新的階段。1969年，I.Prigogine提出耗散結構理論（Dissipative Structure Theory，DST），認為一個系統在開放的遠離平衡態的情況下，通過與外部環境進行物質、能量和信息交換，一旦某參量變化達到一定閾值，系統就有可能從原來的無序狀態自發轉變為在時間、空間和功能上的有序狀態[83]。同年，H.Haken提出協同學（Synergetics）理論，指出一個系統從無序狀態轉變為有序狀態的關鍵，不在于系統是否處于非平衡態，也不在于系統離平衡態有多遠，而是取決于系統內部各子系統之間的非線性作用（即競爭和協同作用），使得系統在一定條件下，能自發地產生在時間、空間和功能上的穩定有序結構[84-85]。耗散結構理論和協同學理論從宏觀和微觀兩方面論述了系統自發走向有序結構的基本問題。1972年，R.Thom發表了《結構穩定性與形態發生學》，創立了突變論（Catastrope theory），認為突變過程是由一種穩定態經過不穩定態向新的穩定態躍遷的過程，且即使是同一過程，對應于同一控制因素臨界值，突變仍會產生不同的結果，可能達到若干不同的新穩態，各種狀態按一定的概率呈現[86]。耗散結構理論、協同論和突變論這“新三論”都屬于自組織理論（Self-organizing theory），自組織理論是L.Von Bertalanffy的一般系統論的發展和延伸，其研究對象主要是復雜自組織系統的形成和發展機制問題，即在一定條件下，系統是如何自發地由無序走向有序，由低級有序走向高級有序。自組織理論的理論體系框架除“新三論”的內容外，還包含M.Eigen等人于1979年提出的超循環理論（Hypercycle）[87]。自組織理論以新的概念和理論方法探索復雜現象形成和演化的基本規律，從整體視角出發，研究復雜系統（社會系統、生命系統）的自組織演化過程。

美國圣塔菲研究所（SFI）建立以來，在復雜系統理論研究中取得了豐碩的成果，復雜適應系統（Complex Adaptive System，CAS）的提出是其中的一項重要研究成果。SFI的學者把經濟、生態、免疫系統、胚胎、神經系統和計算機網絡等的集合體稱為復雜適應系統，認為事物的復雜性是從簡單性發展而來，在適應環境的過程中產生的[88]。復雜適應系統是對復雜性產生機制的研究，它以進化的觀點認識復雜系統，形成了一套比較完整的理論體系，對于人們認識、理解、控制、管理復雜系統提供了新的思路。CAS理論最初是由美國J.H.Holland于1994年在SFI成立十周年的專題講座中提出的。1995年，J.H.Holland出版了《隱秩序：適應性造就復雜性》一書，對復雜適應系統理論進行了詳細說明[89]。后又在1998年出版了《涌現——從混沌到有序》一書，對復雜適應系統中存在的涌現現象進行了詳細論述[90]。1999年，SFI出版了《復雜性》雜志，建立了公用的為復雜系統建模設計的軟件平臺SWARM。同年，美國《科學》（Science）期刊出版了“復雜系統”專輯，分別討論了物理學、化學、地理學、氣象學、生命科學及經濟管理等領域的復雜性問題，兩位編輯Richard Gallagher和Tim Appenzeller在以“超越還原論”為標題的導言中，對“復雜系統”的概念作了如下簡單描述：復雜系統是指僅通過對系統要素（子系統）性能的了解，不能對系統性能做出完全解釋的系統，即整體性不等于部分性質之和的系統。

CAS理論自創立以來，應用于多種學科領域，大大拓展了復雜系統理論的適用范圍。主要研究領域有以下幾個方面：

（1）社會經濟領域。不少研究中心及實驗室均構建了適用于社會經濟復雜系統建模和分析的軟件平臺，如美國SANDIA國家實驗室的ASPEN系統[91]，美國SFI的SWARM仿真平臺[92]，芝加哥大學社會科學計算研究中心的Repast仿真軟件平臺、社會與經濟動態性研究中心的Ascape軟件平臺，美國OHIO大學的TNG-lab軟件平臺等。CAS理論自上而下、從個別到整體、從微觀到宏觀的理論方法在社會經濟系統復雜性研究和社會經濟決策管理方面得到廣泛應用。

（2）軍事領域。如美國國防建模和仿真辦公室在CAS綜合仿真平臺上開展的計算機作戰模擬，美國海軍分析中心研制了陸戰模擬工具EINSTein[93]，軍隊電子信息裝備系統構建等[94]。CAS理論為軍隊信息化建設提供了更為有效的研究手段。

（3）信息與控制領域。如基于CAS理論的多主體（Agent）系統和分布式信息系統的開發、電子信息體系構建等[95]。信息與控制系統是一種多主體分布式自適應復雜系統，整個系統分不同層次，且各主體具有自適應性，CAS理論中多Agent的建模仿真方法在信息與控制領域具有較好的適應度。

（4）水土資源配置與管理領域。CAS理論在水土資源領域的應用研究發端于國外，始于20世紀90年代中期，主要應用于水土資源的開發、利用、配置與管理等方面。代表性的工作，如1995年，Govert D.和Geldof應用復雜適應系統理論研究城市地下水管理，提出了集成化水資源管理的非平衡方法（Non-equilibrium Approach）和外部方法（External Approach），即適應性水資源管理（Adaptive Water Management）的概念[96-97]。1997年，P.Jeffrey和R.Seaton提出了設計和管理適應性公用技術基礎設施的理論框架，并將其應用到城市供水系統中，提出了城市適應性供水系統的設計評價標準[98]。2001年，Roger S.Pulwarty和Theodore S.Melis在對科羅拉多河大峽谷地區的極端氣候事件管理的研究中，也引入了適應性管理（Adaptive Management）的概念[99]。

在CAS之后，廣義系統和復雜網絡理論也相繼得到應用。

廣義系統的概念最初由Rosenbrock于1974年在《一般動態系統的結構性質》一文中提出[100]。廣義系統又分為線性廣義系統和非線性廣義系統兩類，典型研究方法主要有三種：狀態空間法（時域法）、頻域法和幾何方法。

（1）線性廣義系統的代表性研究成果有：1977年，Luenberger D.G.和Arbel探討了線性廣義系統解的存在性和唯一性問題[101]。1979年，Verghese G.揭示了動力系統脈沖行為及結構，定義了脈沖可控性和可觀性等概念[102]，為廣義系統的脈沖行為研究奠定了理論基礎。1984年，Cobb D.提出了廣義系統的能控性、能觀性及對偶原理[103]。1986年，Fletcher等人研究了廣義系統的干擾解耦及系統特征結構等問題[104]。1992年，Lewis F.將Wonham針對線性系統提出的幾何方法應用到廣義系統中，提出廣義系統幾何方法等[105]。

（2）非線性廣義系統的研究成果較少，代表性研究成果主要有：1989年，Brenan K.E.等人對非線性廣義系統的可解性和數值解進行了討論[106]。1994年，Wu H.S.等人將傳統的Lyapunov穩定性理論應用到非線性廣義系統中，得出非線性廣義系統的Lyapunov穩定性定義和鎮定準則[107]。1994年，Kawaji S.利用非奇異變換將非線性廣義系統轉換為線性廣義系統[108]。1999年，Taniguchi T.等人將T-S模糊模型應用于廣義系統研究，提出T-S模糊廣義系統模型，模型將非線性廣義系統模型用多個局域線性系統模型模擬，通過局部解決全局非線性廣義系統控制問題[109]。

復雜網絡理論是復雜系統理論中的前沿內容，復雜網絡利用網絡的視角和基本理論，描述與研究系統構件如何相互作用，導致系統形成什么樣的宏觀特性與行為。1998年，Watts D.J.在Nature雜志上發表了《小世界網絡的集體動力學》一文，描述了復雜網絡的小世界現象[110]。1999年，Barabasi和Albert在Science雜志上發表的《隨機網絡中標度的涌現》一文，揭示了復雜網絡的無標度特征[111]。2001年，Ginestra Barabasi等人在之前無標度網絡模型研究的基礎上，對復雜網絡模型作了擴展，提出適應度模型[112]。2009年，R.Hanel等人提出了基于熵理論的復雜網絡理論[113]。2011年，Stefan Thurner將進化動力學理論中的平均場方法應用到復雜網絡[114]。2014年，Sergio Davis等人提出了基于相變和最大熵理論的復雜網絡模型[115]。

2.國內研究動態

我國復雜系統理論研究以錢學森先生發起的系統科學研究為開端。1978年，錢學森、許國志和王壽云發表了《組織管理的技術——系統工程》，用系統思想把運籌學和管理科學統一起來，開創了國內復雜系統理論研究的新局面。1981年，錢學森將博弈論和系統科學相結合，構建了復雜結構的對陣集團[116]。后又于1990年，提出開放的復雜巨系統概念，并強調在解決復雜系統問題時，要采取定性和定量相結合的綜合集成法，復雜巨系統理論的提出成為我國開展復雜系統理論研究與應用的里程碑。1995年，田玉楚等人從內部結構、外部行為及與環境相關關系等方面來解釋系統復雜性，將系統復雜性分為結構復雜性、動態特性復雜性和環境不確定性復雜性[117]。

進入21世紀，國內復雜系統理論正式形成理論構架，涌現出CAS理論、復雜網絡等多種新理論，并在數學、物理、經濟、管理、金融、生物、環境、人工生命等多個領域實現應用。水土資源配置方面，復雜系統理論為水土資源優化配置研究開辟了一條嶄新的道路，將復雜系統理論與經濟學、生態環境科學和管理學等學科和人工智能算法相結合，建立水土資源復雜系統整體模型已經成為當前水土資源配置與管理研究領域中的前沿和熱點問題。

2001年，徐小群提出流域可持續發展系統水資源綜合集成研討廳體系[118]。CAS理論是復雜系統理論研究的重要內容，其在水資源配置領域的研究成果主要有：2002年，趙建世、王忠靜等人提出水資源復雜適應系統配置模型，對系統的動力機制、主體行為特征和系統狀態的評價方法進行了描述[119]。2003年，國防科技大學構建了民意模型[120]，海軍工程大學、航天總公司北京信息與控制研究所等單位也在積極跟蹤，應用CAS于復雜軍事系統的仿真。2004年，張玲玲等人將CAS范式引入南水北調東線水資源供應鏈管理，研究其復雜性、動態性和整體性，從管理學和經濟學角度分析了水資源優化配置與調度[121]。2005年，中國人民大學現代經濟實驗室利用SWARM仿真平臺和其他軟件，建立了一批基于我國實際的宏觀經濟模型，將SFI的復雜適應系統理論應用到經濟復雜性研究之中，取得了一定的成果[122]。同年，王慧敏等人針對傳統水資源配置與管理理論和方法的局限性，依據復雜適應系統理論進行了水資源配置與管理的研究，并在SWARM平臺上進行了建模仿真等[123]。CAS理論在土地資源優化配置當中的應用目前較少，還沒有學者發展出一般框架以產生、測算和分類各種可能的土地利用空間結構。但這種極具新意的思想大大開拓了土地資源優化配置研究的視野。2005年，郭鵬從復雜適應系統的基本思想出發，建立了適應性元胞自動機模型和基于遺傳算法的土地利用優化模型[124]。

復雜網絡的研究也在這段時期逐漸興起。2004—2005年，李琦、金鴻章等人將突變理論引入復雜系統，構建了復雜系統的脆性理論體系[125-126]。2005年，方錦清、汪小帆等人對非線性復雜網絡研究進展進行了總結歸納，提出了復雜網絡的網絡拓撲特性和模型[127]。2007年，陶少華等人根據信息維數理論，設計了復雜網絡自相似性的研究方法，對復雜網絡的分形性進行了驗證等[128]。2010年，王凱等人研究了復雜適應系統理論在水土資源優化配置中的應用[129]。

1.2.3　存在問題

縱觀國內外研究現狀，水土資源配置的研究還是以水資源或土地資源單項的資源為主，將水土資源作為一個整體研究的不多，將水土資源作為復雜系統進行系統性研究的成果更少。隨著相關研究的深入和技術手段的發展，水土資源配置研究正從單目標、簡單算法、簡單決策向著綜合性、多目標、復雜性、智能化方向發展。在這一科學研究發展背景下，國內外對于水土資源合理配置的研究主要存在以下幾方面問題：

（1）復雜系統理論自身存在著不足。復雜系統理論現在還處于研究初期，尚未形成公認的理論體系，部分理論和方法的研究成果還不夠豐富和成熟，復雜系統理論的適用領域及與其他學科的關系還需要進一步研究。

（2）水土資源優化配置全局性和整體性不足。水土資源優化配置的單項研究較多，將水資源和土地資源放在一個復雜系統中的整體性研究較少，缺乏全局觀念和整體性。而且，現有研究大多沒有聯系區域糧食安全等實際問題，較少涉及工業、生活、生態等方面內容。

（3）水土資源復雜系統的研究理論和方法尚不完善。水土資源系統作為一類開放的復雜巨系統，其資源系統內部運行機制較為復雜，缺乏科學合理的復雜系統演變模式和運行機制，各子系統間的信息傳遞和系統整體的控制較困難。

（4）數學的制約。數學的制約也是進行水土資源合理配置的一個巨大障礙，高維度、非線性、多目標模型的構建和求解仍然是個難題。

針對上述存在的問題，水土資源配置研究應該著重從以下幾個方面入手：

（1）建立堅實清晰的基礎理論背景。深入研究適用于水土資源系統的一般性復雜系統，逐步完善復雜系統理論體系。全面分析水土資源復雜系統內部特征和運行機制，并同區域糧食安全、水安全等現實問題相聯系，不但注重區域水土資源的研究，更要將工業、生活和生態等其他方面的水土資源利用與效益相結合。

（2）探討水土資源復雜系統定量分析方法。進一步明確水土資源內在各子系統的相互作用和制約關系，探究各子系統之間的信息傳遞和系統整體耦合的機理。

（3）關注數學領域的發展。借助數學工具，跟蹤多目標優化問題的求解方法，著力研究解決高維度、非線性優化模型的求解問題。