CN102930384A - 一种基于人水和谐度的城市水资源安全评价系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于人水和谐度的城市水安全评价系统及方法，克服了传统水资源安全评价仅从发展角度出发做出评判的思维定势，通过引入“人水和谐度”的概念，着重评价水利建设与水资源、社会、经济、环境、科教等方面的契合度，为城市水安全控制提供了一种新的实用技术手段。提出的城市水安全评价方法从发展度、协调度和居民满意度三个测度来评价城市水安全，共包含30个单项指标。据此建立基于人水和谐度的城市水资源安全评价系统，利用计算机技术将评价过程规范化和精确化，具有良好的可操作性和可复制性，可用于对不同时期、不同城市以及不同水利建设方案实施后的城市水安全进行科学评价。

Description

一种基于人水和谐度的城市水资源安全评价系统及方法

技术领域

本发明涉及一种城市水资源安全评价系统及其方法，尤其涉及一种基于人水和谐度的城市水资源安全评价系统及其方法，属于水资源安全评价领域。

背景技术

水是人类社会发展的必要资源、环境支撑，同时人类社会以不同的方式影响着水，随着城市人口的增加和社会的高速发展，人与水的矛盾越来越突出，水安全问题不断给人们敲响警钟。由此可见，城市水安全评价对城市社会经济可持续发展起到了十分关键的作用。城市水安全评价不仅涉及区域的水资源情况，还要考虑与之相关的社会、经济、环境等多方面因素。从现有的研究成果来看，评价方法多采用层次分析法、模糊优选法、物元分析法等。CN102156930公布了一种基于水资源供需过程突变特征的区域水安全评估方法，将水安全分为实体子系统和关联子系统，建立了涉及经济社会发展、外部环境变化、水资源开发利用方面的指标体系和基于突变理论的水安全评价模型，对区域水安全状况进行评估。

但目前城市水安全评价研究普遍存在的问题有：（1）停留在传统方法层面，如德尔菲法、层次分析法、模糊评判法等，评价方法主观性强，对权重和隶属函数主要通过专家打分的形式确定，使评价结果不够客观；（2）基本停留在方法论述层面，较少和智能技术、计算机技术等新技术结合而形成一体化的评价系统，在智能化、灵活性、可复制性等方面存在明显不足。近年来，“人水和谐”的理念逐渐受到重视，人水和谐是指人-水复合系统协调、稳定、健康运行的状态，人水和谐的总体目标是为了实现水资源的可持续利用以及城市的可持续发展，进而实现人类社会的可持续发展。钱正英院士较早提出了“人与河流和谐发展”的理念，2004年我国开始将“中国水周”活动的宣传主题确定为“人水和谐”。由此可见，城市人水的关系和谐与否应该也是反映水资源安全的重要方面，但人水和谐这一概念还处于探索阶段，缺少一个统一的定量化评估方法，尚无成果从人水和谐的角度理解和评价城市的水资源安全。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于克服传统水资源安全评价仅从发展角度出发做出评判的思维定势，提供一种基于人水和谐度的城市水资源安全评价系统及其方法。

技术方案：本发明着重考查水利建设与水资源、社会、经济、环境、科教等方面的契合度，从发展度、协调度和居民满意度三个测度来评价城市水安全，据此建立基于人水和谐度的城市水资源安全评价系统，并利用计算机技术将评价过程规范化精确化，使该评价方法具备良好的可操作性和可复制性，以便用来对不同时期、不同城市以及不同水利建设方案实施后的城市水安全进行评价。

本发明具体采取的技术方案如下：

一种基于人水和谐度的城市水资源安全评价系统，其特征在于，包括权限管理模块、数据导入模块、数据预处理模块、标准化参数管理模块、数据标准化模块、和谐度水安全评价模块及评价结果输出模块，其中：

权限管理模块，用于在权限管理数据库中对用户进行权限定义、管理及查找确认用户权限；

数据导入模块，用于将实测数据导入实测数据库；

数据预处理模块，用于对实测数据库中的实测数据进行预处理，对调查问卷的回答情况进行分指标分选项分类及统计，对数据的奇异值剔除及缺失值处理，以剔除数据中的错误或特异样本；

标准化参数管理模块，用于针对实施对象具体情况，对指标标准化参数进行保存及修改，为数据标准化模块提供支持；

数据标准化模块，用于根据标准化参数数据库提供的参数对实测数据进行标准化处理；

和谐度水安全评价模块，用于对实施对象进行基于人水和谐的水资源安全评价，得出评价结论；

评价结果输出模块，用于输出最终评价结果。

前述的基于人水和谐度的城市水资源安全评价系统，实测数据库包含从人水和谐理念中发展度、协调度和居民满意度3个测度14个科目出发得到的30个单项指标，具体如下表所示：

上述和谐度水安全评价模块包括发展度评价子模块、协调度评价子模块和居民满意度评价子模块三个子模块，并与单指标权重数据库相连接；发展度评价子模块基于水资源、经济、社会、环境各系统的发展状况对城市水资源安全进行评价，协调度评价子模块基于水资源与经济、社会、环境、科教各系统的协调程度对城市水资源安全进行评价，居民满意度评价子模块基于居民对水供给、水环境、水景观和水管理的满意程度对城市水资源安全进行评价。

上述评价结果输出模块以图表的形式直观展示水资源安全评价结果，并将评价结果和用户自己的分析结果再传递给评价结果数据库。

本发明所述基于人水和谐度的城市水资源安全评价方法，其步骤为：

（1）通过数据导入模块将实测数据导入实测数据库；

（2）通过数据预处理模块对导入系统的数据进行预处理；

（3）通过数据标准化模块对预处理后的数据进行标准化处理；

（4）通过和谐度水安全评价模块对城市水资源安全进行综合评价，得出评价结论；

（5）通过评价结果输出模块将评价结果输出并保存到评价结果数据库中。

步骤（3）所述标准化处理，包括以下步骤：

①对定量单指标数据进行标准化处理：对于定量单指标D1至D21，从标准化参数数据库中读取指标的最大、最小特征值和适度值，在不同使用区域中，用户可以在标准化参数管理模块中因地制宜，修改标准化的最大、最小特征值和适度值；

②对定性单指标数据进行标准化处理：对于定性单指标D22至D30，建立问卷调查的评语集数量化标准，即：V=｛好(0.8~1.0]，较好（0.6~0.8]，一般（0.4~0.6]，较差（0.2~0.4]，差（0~0.2]｝。对于指标i，n份有效的问卷调查中，选择j选项的份数为n_ij，单指标得分为r_ij，则r_ij＝n_ij/n。

步骤（4）所述综合评价包括发展度评价、协调度评价及居民满意度评价计算，对3种评价分别运用灰色关联分析法进行以下步骤的处理：

①设有m年城市人水系统待评价样本，评价指标n个。将各单指标的标准化数据作为参考数列，用X表示，X_i={X₁,X₂,...,X_m}，X每列的最大值组成的行向量作为比较数列，用Y表示，Y_i={Y₁,Y₂,...,Y_m}；

②求X的每个元素与Y的当前列的绝对差，Δ_i(k)=|X_i(k)-Y(k)|,(i=1,2,...m)。Δ_i(k)组成差值矩阵；

③找出差值矩阵Δ_i(k)的最小值和最大值，令分辨系数ρ=0.5，计算各年份数据与各指标理想对象的灰色关联系数ε_i(k)：

${\mathrm{\ϵ}}_i\left(k\right)=\frac{\underset{k}{\min }{\mathrm{\Δ}}_i\left(k\right)+\mathrm{\ρ}\underset{k}{\max }{\mathrm{\Δ}}_i\left(k\right)}{{\mathrm{\Δ}}_i\left(k\right)+\mathrm{\ρ}\underset{k}{\max }{\mathrm{\Δ}}_i\left(k\right)},$ i=1,2,…,m；

④求各年份的灰色加权关联度，记ω_k为第k个指标的权重值，第i年对理想对象的灰色加权关联度为r_i，求得

r_i为第i年该城市水资源的发展度指数D、协调度指数C及居民满意度指数S。

得出发展度指数D、协调度指数C及居民满意度指数S之后，进行基于人水和谐度的城市水安全集成计算，记城市水安全指数为H，采用加权几何模型进行耦合计算，即：

$H=\sqrt{D\×C\×S}.$

步骤④所述的指标权重值是基于上述30个单项指标，运用网络层次分析法计算得到30个单项指标的权重值。

有益效果：本发明的优点在于：（1）克服了传统水资源安全评价仅从发展角度出发做出评判的思维定势，提供一种基于人水和谐度的城市水资源安全评价系统及其方法，着重考查水利建设与水资源、社会、经济、环境、科教等方面的契合度，从发展度、协调度和居民满意度三个测度来评价城市水安全；（2）利用计算机技术将评价过程规范化精确化，使该评价方法具备良好的可操作性和可复制性，以便用来对不同时期、不同城市以及不同水利建设方案实施后的城市水安全进行评价。

附图说明

图1为本发明基于人水和谐度的城市水资源安全评价系统结构示意图。

图2为本发明基于人水和谐度的城市水资源安全评价方法流程示意图。

图3为本发明实施例中城市水安全评价结果示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1

结合附图1和附图2以2000年至2009年某市的水安全评价为例对本发明进行详细的说明：

基于人水和谐度的城市水资源安全评价方法，具体操作流程为：

（1）用户登陆

用户输入用户名、密码，系统查找用户权限，满足条件才允许该用户进行进一步的操作，否则系统自动关闭。

（2）数据导入

用户收集数据和问卷调查表格，通过数据导入模块将数据导入系统的单指标实时数据库。此处，也可以对数据进行增删和更新等操作。

（3）数据预处理

数据预处理模块结合单指标评价标准数据库对单指标实时数据库的数据进行预处理。主要是对调查问卷的回答情况进行分指标分选项分类、统计，还包括数据的奇异值剔除、缺失值处理等预处理工作。由于指标数量和分析年份较多，仅展示发展度子模块部分指标数据。见表2；

表2某市水安全评价发展度子模块数据（预处理后）

（4）数据标准化处理

数据标准化模块对预处理后的水安全评价数据进行标准化。见表3；

表3某市水安全评价发展度子模块数据（标准化后）

（5）发展度子模块评价

发展度子模块评价用改进的灰色关联分析法计算，在系统内部完成了如下算法：

5.1将表4的标准化数据作为参考数列，用X表示，X_i={X₁,X₂,...,X₁₂}，X每列的最大值组成的行向量作为比较数列，用Y表示，Y_i={Y₁,Y₂,...,Y₁₂}。

5.2求X的每个元素与Y的当前列的绝对差，Δ_i(k)＝|X_i(k)-Y(k)|；

5.3求出差值矩阵Δ_i(k)的最小值和最大值，令分辨系数ρ=0.5，求得各年份数据与各指标理想对象的灰色关联系数ε_i(k)，见表5；

5.4求各年份的灰色加权关联度

记ω_k为第k个指标的权重，第i年对理想对象的灰色加权关联度为r_i，求得r_i即为发展度指数D_i。见表4；

表4某市发展度子模块计算结果

（6）协调度子模块和居民满意度子模块评价

评价方法同发展度子模块评价。结果见表4；

（7）.基于人水和谐度的城市水安全评价

基于人水和谐度的城市水安全评价集成计算采用加权几何模型，即

进行耦合计算。结果见表5；

表5某市2000-2009年城市水安全指数计算结果

（8）评价结果展示与输出

用表格和图的形式展示水安全评价结果；用户结合图表对评价结果进行分析，并可以通过输出设备将评价结果和用户自己的分析结果再传递给评价结果数据库。见表5和图3；

由评价结果可以看出，计算结果与实际基本相符：2000年-2009年，某市水安全指数不断提高，人水之间由不和谐状态向和谐状态发展，水安全指数由0.544上升到0.768，城市水安全状况令人满意；只有2004年水安全指数下降，主要是由于2004年该市水资源量尤其是地下水资源量减少，地下水水质变差，影响了社会、经济、环境等系统的发展。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (9)

1.一种基于人水和谐度的城市水资源安全评价系统，其特征在于，包括权限管理模块、数据导入模块、数据预处理模块、标准化参数管理模块、数据标准化模块、和谐度水安全评价模块及评价结果输出模块，其中：

权限管理模块，用于在权限管理数据库中对用户进行权限定义、管理及查找确认用户权限；

数据导入模块，用于将实测数据导入实测数据库；

数据预处理模块，用于对实测数据库中的实测数据进行预处理，对调查问卷的回答情况进行分指标分选项分类及统计，对数据的奇异值剔除及缺失值处理，以剔除数据中的错误或特异样本；

标准化参数管理模块，用于针对实施对象具体情况，对指标标准化参数进行保存及修改，为数据标准化模块提供支持；

数据标准化模块，用于根据标准化参数数据库提供的参数对实测数据进行标准化处理；

和谐度水安全评价模块，用于对实施对象进行基于人水和谐的水资源安全评价，得出评价结论；

评价结果输出模块，用于输出最终评价结果。

2.根据权利要求1所述的基于人水和谐度的城市水资源安全评价系统，其特征在于，所述实测数据库包含从人水和谐理念中发展度、协调度和居民满意度3个测度14个科目出发得到的30个单项指标，具体如下表所示：

3.根据权利要求1所述的基于人水和谐度的城市水资源安全评价系统，其特征在于：所述和谐度水安全评价模块包括发展度评价子模块、协调度评价子模块和居民满意度评价子模块三个子模块，并与单指标权重数据库相连接；发展度评价子模块基于水资源、经济、社会、环境各系统的发展状况对城市水资源安全进行评价，协调度评价子模块基于水资源与经济、社会、环境、科教各系统的协调程度对城市水资源安全进行评价，居民满意度评价子模块基于居民对水供给、水环境、水景观和水管理的满意程度对城市水资源安全进行评价。

4.根据权利要求1所述的基于人水和谐度的城市水资源安全评价系统，其特征在于：所述评价结果输出模块以图表的形式直观展示水资源安全评价结果，并将评价结果和用户自己的分析结果再传递给评价结果数据库。

5.一种基于人水和谐度的城市水资源安全评价方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）通过数据导入模块将实测数据导入实测数据库；

（2）通过数据预处理模块对导入系统的数据进行预处理；

（3）通过数据标准化模块对预处理后的数据进行标准化处理；

（4）通过和谐度水安全评价模块对城市水资源安全进行综合评价，得出评价结论；

（5）通过评价结果输出模块将评价结果输出并保存到评价结果数据库中。

6.根据权利要求5所述的基于人水和谐度的城市水资源安全评价方法，其特征在于：步骤（3）所述标准化处理，包括以下步骤：

①对定量单指标数据进行标准化处理：对于定量单指标，从标准化参数数据库中读取指标的最大、最小特征值和适度值，在不同使用区域中，用户在标准化参数管理模块中，修改标准化的最大、最小特征值和适度值；

②对定性单指标数据进行标准化处理：对于定性单指标，建立问卷调查的评语集数量化标准，即：V=｛好(0.8~1.0]，较好（0.6~0.8]，一般（0.4~0.6]，较差（0.2~0.4]，差（0~0.2]｝；对于指标i，n份有效的问卷调查中，选择j选项的份数为n_ij，单指标得分为r_ij，则r_ij＝n_ij/n。

7.根据权利要求5所述的基于人水和谐度的城市水资源安全评价方法，其特征在于：步骤（4）所述综合评价包括发展度评价、协调度评价及居民满意度评价计算，对3种评价分别运用灰色关联分析法进行以下步骤的处理：

①设有m年城市人水系统待评价样本，评价指标n个；将各单指标的标准化数据作为参考数列，用X表示，X_i={X₁,X₂,...,X_m}，X每列的最大值组成的行向量作为比较数列，用Y表示，Y_i={Y₁,Y₂,...,Y_m}；

②求X的每个元素与Y的当前列的绝对差，Δ_i(k)=|X_i(k)-Y(k)|,(i=1,2,...m)；Δ_i(k)组成差值矩阵；

③找出差值矩阵Δ_i(k)的最小值和最大值，令分辨系数ρ=0.5，计算各年份数据与各指标理想对象的灰色关联系数ε_i(k)：

${\mathrm{\ϵ}}_i\left(k\right)=\frac{\underset{k}{\min }{\mathrm{\Δ}}_i\left(k\right)+\mathrm{\ρ}\underset{k}{\max }{\mathrm{\Δ}}_i\left(k\right)}{{\mathrm{\Δ}}_i\left(k\right)+\mathrm{\ρ}\underset{k}{\max }{\mathrm{\Δ}}_i\left(k\right)},$ i=1,2,…,m；

④求各年份的灰色加权关联度，记ω_k为第k个指标的权重值，第i年对理想对象的灰色加权关联度为r_i，求得

r_i为第i年该城市水资源的发展度指数D、协调度指数C及居民满意度指数S。

8.根据权利要求7所述的基于人水和谐度的城市水资源安全评价方法，其特征在于：得出发展度指数D、协调度指数C及居民满意度指数S之后，进行基于人水和谐度的城市水安全集成计算，记城市水安全指数为H，采用加权几何模型进行耦合计算，即：

$H=\sqrt{D\×C\×S}.$

9.根据7所述的基于人水和谐度的城市水资源安全评价方法，其特征在于：步骤④所述的指标的权重值是基于30个单项指标，运用网络层次分析法计算得到30个单项指标的权重值。

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