一种农业水资源短缺风险评估方法及系统

1.本发明涉及水资源检测技术领域，特别是涉及一种农业水资源短缺风险评估方法及系统。


背景技术：

2.水资源是维系农业生产的重要基础资源。水资源短缺可能会造成农作物和畜牧业减产，给农业部门带来直接经济损失。根据国际水管理研究所(international watermanagement institute)的数据，农业占全球用水量约70％，且正在不断与公共、工业和生态用途争夺水资源。全球水资源短缺现状的加剧对农业构成重大经济风险，已成为阻碍可持续农业发展的最重要挑战之一。
3.农业和非农业部门通过供应链紧密相连；前者位于供应链的上游阶段。因此，农业水资源短缺风险(即由于水资源短缺而对农业部门造成直接经济损失的潜在风险)可能会溢出，对关联紧密的下游部门产生间接影响。例如，食品加工部门需要农业部门提供原材料进行生产，如果上游农业部门因为水资源短缺减产，可能无法为食品加工部门供给足够原材料，造成食品加工部门减产。基于此，尽管一些部门(或地区)拥有丰富的水资源来支持其生产活动，但仍需警惕农业水资源短缺风险的溢出效应。围绕农业水资源短缺风险的溢出效应开展研究，可识别对农业水资源短缺高度敏感的下游区域部门，从而为相关政策决策提供支持信息，以寻求解决方案从而减少潜在的间接经济损失。
4.现有研究多基于水量评估农业水资源短缺风险，而未考虑水质降低导致的农业水资源短缺风险及其溢出效应。水质降低可能造成水质型缺水，从而加剧农业水资源供应不足，造成农业部门经济损失。例如，为保障粮食安全，中国政府规定农业灌溉用水不得低于地表水环境质量标准v类。而2018年中国水资源公报表明劣v类河长及湖泊数分别占比5.5％和16.1％。忽略水质可能造成低估实际的农业水资源短缺风险及溢出效应。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种农业水资源短缺风险评估方法及系统，实现了农业水资源短缺风险及溢出效应的识别。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种农业水资源短缺风险评估方法，包括：
8.根据各区域各部门的蓝水使用量、灰水使用量、各区域中居民生活产生的灰水使用量和各区域的水资源总量确定各区域的缺水指数；
9.根据各区域中各农业部门的蓝水使用量、灰水使用量和总产出确定各区域中各农业部门的水资源依赖度；
10.根据各区域的缺水指数和各区域中各农业部门的水资源依赖度确定各区域中各农业部门的水资源短缺风险；
11.根据多区域投入产出模型和各区域中各农业部门的水资源短缺风险确定多区域
的农业水资源短缺风险溢出效应矩阵；多区域的农业水资源短缺风险溢出效应矩阵中元素为各区域中各农业部门的水资源短缺风险溢出值。
12.可选地，根据各区域各部门的蓝水使用量、灰水使用量、各区域中居民生活产生的灰水使用量和各区域的水资源总量确定各区域的缺水指数，具体包括：
13.根据各区域各部门的蓝水使用量、灰水使用量、各区域中居民生活产生的灰水使用量和各区域的水资源总量计算各区域的水资源压力指数；
14.根据各区域的水资源压力指数计算各区域的缺水指数。
15.可选地，各区域的水资源压力指数的计算公式表示为：
[0016][0017][0018]
其中，表示区域i的水资源压力指数，w
n,i
表示区域i部门n的蓝水使用量，g
n,i
表示区域i部门n的灰水使用量，g
r,i
表示区域i中居民生活产生的灰水使用量，qi表示区域i中水资源总量，l
δ
表示区域i部门n排放的水污染物δ(第δ种水污染物)的负荷量，c
δ，max
表示水污染物δ的最大容许浓度，c
δ，nat
表示水污染物δ的自然本底值，τ表示第τ种水污染物。
[0019]
可选地，各区域的缺水指数的计算公式表示为：
[0020][0021][0022]
xi～lognormal(μi，σ2)；
[0023][0024]
其中，表示区域i的缺水指数，f
wdr
表示变量yi的期望值，xi为服从对数正态分布的随机变量，μi为logxi的平均值，σ为logxi的标准差。
[0025]
可选地，根据各区域中各农业部门的蓝水使用量、灰水使用量和总产出确定各区域中各农业部门的水资源依赖度，具体包括：
[0026]
根据各区域中各农业部门的蓝水使用量、灰水使用量和总产出计算各区域中各农业部门的用水强度；
[0027]
根据各区域中各农业部门的用水强度计算各区域中各农业部门的水资源依赖度。
[0028]
可选地，根据各区域的缺水指数和各区域中各农业部门的水资源依赖度确定各区域中各农业部门的水资源短缺风险，具体包括：
[0029]
根据公式计算各农业部门的水资源短缺风险；
[0030]
其中，iawsr
m，i
表示区域i农业部门m的水资源短缺风险，表示区域i的缺水指数，表示区域i农业部门m的水资源依赖度，x
m，i
表示区域i部门m的总产出。
[0031]
可选地，根据多区域投入产出模型和各区域中各农业部门的水资源短缺风险确定
多区域的农业水资源短缺风险溢出效应矩阵，具体包括：
[0032]
根据公式vi＝diag(iawsr)
×
(i-b)-1
确定多区域的农业水资源短缺风险溢出效应矩阵；
[0033]
其中，vi表示多区域的农业水资源短缺风险溢出效应矩阵，iawsr表示多区域的水资源短缺风险，i表示单位矩阵，b表示直接产出系数矩阵。
[0034]
本发明还公开了一种农业水资源短缺风险评估系统，包括：
[0035]
各区域的缺水指数确定模块，用于根据各区域各部门的蓝水使用量、灰水使用量、各区域中居民生活产生的灰水使用量和各区域的水资源总量确定各区域的缺水指数；
[0036]
各区域中各农业部门的水资源依赖度确定模块，用于根据各区域中各农业部门的蓝水使用量、灰水使用量和总产出确定各区域中各农业部门的水资源依赖度；
[0037]
各区域中各农业部门的水资源短缺风险确定模块，用于根据各区域的缺水指数和各区域中各农业部门的水资源依赖度确定各区域中各农业部门的水资源短缺风险；
[0038]
多区域的农业水资源短缺风险溢出效应矩阵确定模块，用于根据多区域投入产出模型和各区域中各农业部门的水资源短缺风险确定多区域的农业水资源短缺风险溢出效应矩阵；多区域的农业水资源短缺风险溢出效应矩阵中元素为各区域中各农业部门的水资源短缺风险溢出值。
[0039]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0040]
本发明通过同时考虑水质和水量，可提高农业水资源短缺风险评估的计算精度，另外，基于水质-水量的农业水资源短缺风险的溢出效应，可识别溢出效应显著的关键农业部门。
附图说明
[0041]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0042]
图1为本发明实施例提供了一种农业水资源短缺风险评估方法流程示意图；
[0043]
图2为本发明实施例提供了一种农业水资源短缺风险评估系统结果示意图。
具体实施方式
[0044]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045]
本发明的目的是提供一种农业水资源短缺风险评估方法及系统，实现了农业水资源短缺风险及溢出效应的识别。
[0046]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0047]
实施例1
[0048]
如图1所示，本实施例公开了一种农业水资源短缺风险评估方法，具体包括以下步骤。
[0049]
步骤101：根据各区域各部门的蓝水使用量、灰水使用量、各区域中居民生活产生的灰水使用量和各区域的水资源总量确定各区域的缺水指数。
[0050]
步骤102：根据各区域中各农业部门的蓝水使用量、灰水使用量和总产出确定各区域中各农业部门的水资源依赖度。
[0051]
步骤103：根据各区域的缺水指数和各区域中各农业部门的水资源依赖度确定各区域中各农业部门的水资源短缺风险。
[0052]
步骤104：根据多区域投入产出模型和各区域中各农业部门的水资源短缺风险确定多区域的农业水资源短缺风险溢出效应矩阵；多区域的农业水资源短缺风险溢出效应矩阵中元素为各区域中各农业部门的水资源短缺风险溢出值。
[0053]
其中，步骤101具体包括：
[0054]
根据各区域各部门的蓝水使用量、灰水使用量、各区域中居民生活产生的灰水使用量和各区域的水资源总量计算各区域的水资源压力指数；
[0055]
根据各区域的水资源压力指数计算各区域的缺水指数。
[0056]
各区域的水资源压力指数(无量纲)的计算公式表示为：
[0057][0058][0059]
其中，表示基于水质-水量区域i的水资源压力指数，w
n，i
表示区域i部门n的蓝水使用量(单位：m3)，即地表水或地下水消耗量，g
n，i
表示区域i部门n的灰水使用量(单位：m3)，即将区域i部门n排放出的污染物稀释到最大容许浓度所需要消耗的水量，∑
n＝1
(w
n，i
+g
n，i
)表示区域i内所有部门(包括农业和非农业部门的蓝水使用量和灰水使用量之和)，g
r，i
表示区域i中居民生活产生的灰水使用量(单位：m3)，qi表示区域i中水资源总量，l
δ
表示区域i部门n排放的水污染物δ的负荷量(单位：kg)，通过统计和调研数据获取，c
δ，max
表示水污染物δ的最大容许浓度，可设定为地表水v类标准限制(地表水环境质量标准的最低等级，低于该等级的水已失去使用价值)，c
δ，nat
表示水污染物δ的自然本底值(实际监测可得，单位：mg/l)，τ表示水污染物τ，表示当区域i部门n排放多种水污染物时，由计算值最高的污染物决定。
[0060]
各区域的缺水指数(无量纲)的计算公式表示为：
[0061][0062][0063]
xi～lognormal(μi，σ2)(5)；
[0064][0065]
其中，表示区域i的缺水指数，f
wdr
表示变量yi的期望值，xi为服从对数正
态分布的随机变量，μi为logxi的平均值，σ为logxi的标准差。
[0066]
其中，步骤102具体包括：
[0067]
根据各区域中各农业部门的蓝水使用量、灰水使用量和总产出计算各区域中各农业部门的用水强度。
[0068]
根据各区域中各农业部门的用水强度计算各区域中各农业部门的水资源依赖度。
[0069]
各区域中各农业部门的用水强度的计算公式表示为：
[0070][0071]
其中，表示区域i农业部门m的用水强度，w
m，i
表示区域i部门m的蓝水使用量，g
m，i
表示区域i部门m的灰水使用量，x
m，i
表示区域i部门m的总产出。
[0072]
各农业部门的水资源依赖度的计算公式表示为：
[0073][0074]
其中，表示区域i农业部门m的水资源依赖度，f
wd
表示水资源依赖度的计算函数，α表示截断参数，超过截断参数时，接近1。
[0075]
其中，步骤103具体包括：
[0076]
各农业部门的水资源短缺风险的计算公式表示为：
[0077][0078]
其中，iawsr
m，i
表示区域i农业部门m的水资源短缺风险，即由于水质和水量型缺水，区域i农业部门m面临的潜在经济损失，表示区域i的缺水指数，表示区域i农业部门m的水资源依赖度，x
m，i
表示区域i部门m的总产出(单位：万元)，x
m，i
根据投入产出数据获取。
[0079]
其中，步骤104具体包括：
[0080]
多区域投入产出模型可描述各区域部门之间的经济联系，多区域投入产出表可从数据库直接获取。多区域投入产出模型的列平衡关系如下所示：
[0081]
x＝ez+v(10)；
[0082]
式中：x表示总投入的行向量，其元素x
m，i
(单位：万元)为区域i部门m的总投入；v表示初始投入的行向量，其元素v
mi
(单位：万元)为区域i部门m的初始投入；z为投入产出表的中间流量矩阵，其元素(单位：万元)表示从区域i部门m到区域j部门n的货币流量；e为行向量，其所有元素均为1(以上均为已知量，从多区域投入产出表中获取)。
[0083]
上述公式(10)可以转换为：
[0084]
x＝v(i-b)-1
(11)；
[0085][0086]
式中：b(单位：万元)为直接产出系数矩阵，其元靠(单位：万元)表示区域i部门m生产单位产品对区域j部门n的直接投入；i为单位矩阵；；(i-b)-1
被称为ghosh逆矩阵，其元素表示区域i部门m生产单位产品所累计(包括直接和间接)导致的区域j部门n的产出量。
(以上均为已知量，从多区域投入产出表中获取)。
[0087]
多区域的农业水资源短缺风险溢出效应矩阵的计算公式表示为：
[0088]
vi＝diag(iawsr)
×
(i-b)-1
(13)。
[0089]
其中，vi表示多区域的农业水资源短缺风险溢出效应矩阵，其中元素表示区域i农业部门m对区域j部门n的溢出效应，即由于区域i农业部门m面临基于水质-水量的水资源短缺，从而导致区域j部门n可能遭受的经济损失。iawsr表示多区域的水资源短缺风险，i表示单位矩阵，b表示直接产出系数矩阵。
[0090]
本实施例采用matlab软件实现一种农业水资源短缺风险评估方法的计算。
[0091]
以往的农业水资源短缺风险评估多基于水量开展，忽略了水质降低造成的农业水资源短缺风险。本发明构建了基于水质-水量的农业水资源短缺风险评估方法，相比以往仅考虑水量的方法精度更高(步骤101-103)。同时，本发明可量化农业水资源短缺风险的溢出效应，识别溢出效应显著的关键农业部门，以及对农业水资源短缺风险高度敏感的下游区域部门(即供体、受体和流通路径)，为提高贸易网络对农业水资源短缺风险的韧性提供理论基础和数据支持(步骤104)。
[0092]
实施例2
[0093]
如图2所示，本实施例公开了一种农业水资源短缺风险评估系统，该系统包括：
[0094]
各区域的缺水指数确定模块201，用于根据各区域各部门的蓝水使用量、灰水使用量、各区域中居民生活产生的灰水使用量和各区域的水资源总量确定各区域的缺水指数。
[0095]
各区域中各农业部门的水资源依赖度确定模块202，用于根据各区域中各农业部门的蓝水使用量、灰水使用量和总产出确定各区域中各农业部门的水资源依赖度。
[0096]
各区域中各农业部门的水资源短缺风险确定模块203，用于根据各区域的缺水指数和各区域中各农业部门的水资源依赖度确定各区域中各农业部门的水资源短缺风险。
[0097]
多区域的农业水资源短缺风险溢出效应矩阵确定模块204，用于根据多区域投入产出模型和各区域中各农业部门的水资源短缺风险确定多区域的农业水资源短缺风险溢出效应矩阵；多区域的农业水资源短缺风险溢出效应矩阵中元素为各区域中各农业部门的水资源短缺风险溢出值。
[0098]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0099]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种农业水资源短缺风险评估方法，其特征在于，包括：根据各区域各部门的蓝水使用量、灰水使用量、各区域中居民生活产生的灰水使用量和各区域的水资源总量确定各区域的缺水指数；根据各区域中各农业部门的蓝水使用量、灰水使用量和总产出确定各区域中各农业部门的水资源依赖度；根据各区域的缺水指数和各区域中各农业部门的水资源依赖度确定各区域中各农业部门的水资源短缺风险；根据多区域投入产出模型和各区域中各农业部门的水资源短缺风险确定多区域的农业水资源短缺风险溢出效应矩阵；多区域的农业水资源短缺风险溢出效应矩阵中元素为各区域中各农业部门的水资源短缺风险溢出值。2.根据权利要求1所述的农业水资源短缺风险评估方法，其特征在于，根据各区域各部门的蓝水使用量、灰水使用量、各区域中居民生活产生的灰水使用量和各区域的水资源总量确定各区域的缺水指数，具体包括：根据各区域各部门的蓝水使用量、灰水使用量、各区域中居民生活产生的灰水使用量和各区域的水资源总量计算各区域的水资源压力指数；根据各区域的水资源压力指数计算各区域的缺水指数。3.根据权利要求2所述的农业水资源短缺风险评估方法，其特征在于，各区域的水资源压力指数的计算公式表示为：压力指数的计算公式表示为：其中，表示区域i的水资源压力指数，w
n,i
表示区域i部门n的蓝水使用量，g
n,i
表示区域i部门n的灰水使用量，g
r,i
表示区域i中居民生活产生的灰水使用量，q
i
表示区域i中水资源总量，l
δ
表示区域i部门n排放的水污染物δ的负荷量，c
δ,max
表示水污染物δ的最大容许浓度，c
δ,nat
表示水污染物δ的自然本底值，τ表示水污染物τ。4.根据权利要求3所述的农业水资源短缺风险评估方法，其特征在于，各区域的缺水指数的计算公式表示为：数的计算公式表示为：x
i
～lognormal(μ
i
,σ2)；其中，表示区域i的缺水指数，f
wdr
表示变量y
i
的期望值，x
i
为服从对数正态分布的随机变量，μ
i
为logx
i
的平均值，σ为logx
i
的标准差。5.根据权利要求1所述的农业水资源短缺风险评估方法，其特征在于，根据各区域中各
农业部门的蓝水使用量、灰水使用量和总产出确定各区域中各农业部门的水资源依赖度，具体包括：根据各区域中各农业部门的蓝水使用量、灰水使用量和总产出计算各区域中各农业部门的用水强度；根据各区域中各农业部门的用水强度计算各区域中各农业部门的水资源依赖度。6.根据权利要求1所述的农业水资源短缺风险评估方法，其特征在于，根据各区域的缺水指数和各区域中各农业部门的水资源依赖度确定各区域中各农业部门的水资源短缺风险，具体包括：根据公式计算各农业部门的水资源短缺风险；其中，iawsr
m,i
表示区域i农业部门m的水资源短缺风险，表示区域i的缺水指数，表示区域i农业部门m的水资源依赖度，x
m,i
表示区域i部门m的总产出。7.根据权利要求1所述的农业水资源短缺风险评估方法，其特征在于，根据多区域投入产出模型和各区域中各农业部门的水资源短缺风险确定多区域的农业水资源短缺风险溢出效应矩阵，具体包括：根据公式vi＝diag(iawsr)
×
(i-b)-1
确定多区域的农业水资源短缺风险溢出效应矩阵；其中，vi表示多区域的农业水资源短缺风险溢出效应矩阵，iawsr表示多区域的水资源短缺风险，i表示单位矩阵，b表示直接产出系数矩阵。8.一种农业水资源短缺风险评估系统，其特征在于，包括：各区域的缺水指数确定模块，用于根据各区域各部门的蓝水使用量、灰水使用量、各区域中居民生活产生的灰水使用量和各区域的水资源总量确定各区域的缺水指数；各区域中各农业部门的水资源依赖度确定模块，用于根据各区域中各农业部门的蓝水使用量、灰水使用量和总产出确定各区域中各农业部门的水资源依赖度；各区域中各农业部门的水资源短缺风险确定模块，用于根据各区域的缺水指数和各区域中各农业部门的水资源依赖度确定各区域中各农业部门的水资源短缺风险；多区域的农业水资源短缺风险溢出效应矩阵确定模块，用于根据多区域投入产出模型和各区域中各农业部门的水资源短缺风险确定多区域的农业水资源短缺风险溢出效应矩阵；多区域的农业水资源短缺风险溢出效应矩阵中元素为各区域中各农业部门的水资源短缺风险溢出值。

技术总结
本发明公开一种农业水资源短缺风险评估方法及系统，涉及水资源监测技术领域，该方法包括：根据各区域各部门的蓝水使用量、灰水使用量、各区域中居民生活产生的灰水使用量和各区域的水资源总量确定各区域的缺水指数；根据各区域中各农业部门的蓝水使用量、灰水使用量和总产出确定各区域中各农业部门的水资源依赖度；根据各区域的缺水指数和各区域中各农业部门的水资源依赖度确定各区域中各农业部门的水资源短缺风险；根据各区域中各农业部门的水资源短缺风险确定多区域的农业水资源短缺风险溢出效应矩阵；农业水资源短缺风险溢出效应矩阵中元素为各区域中各农业部门的水资源短缺风险溢出值。本发明实现了农业水资源短缺风险及溢出效应的识别。风险及溢出效应的识别。风险及溢出效应的识别。


技术研发人员：李慧 刘耕源 孟凡鑫
受保护的技术使用者：北京师范大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/7/25