CN105740613A - 一种基于ahp法的人工景观水体健康状态综合评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于AHP法的人工景观水体健康状态综合评价方法。首先在考虑我国人工景观水体特点的基础上，选择能指示人工景观水体生态系统状况和人类自身要求的指标建立综合评价指标体系；其次根据各指标的表征价值采用层次分析法确定其权重值；再制定评价标准，对大多数指标设定5级评分标准，而对于一些不能给出5个评价等级的指标设定3级或2级评分标准；最后对各指标进行加权处理得到最终评分，用I_LWH表示，并采用综合评分和健康状态等级两种表达方式给出综合评价结果。

Description

一种基于AHP法的人工景观水体健康状态综合评价方法

技术领域

本发明涉及水环境评价领域，特别涉及一种基于AHP法的人工景观水体健康状态综合评价方法。

背景技术

随着我国城市建设的快速发展，居民生活水平的提高，为了满足人们对居住环境越来越高的要求，改善城市的宜居性已成为我国城镇化建设的重要内容。景观水体具有美化环境，改善局部气候条件以及维持城市生态多样性等特点，在现代化宜居性城市建设中使用尤为广泛，体现出一定的环境、社会和经济效益。但是盲目实施以筑坝蓄水、人工水面营造为特征的城市水环境建设工程，在缺乏科学论证的情况下人为改变城市原有水环境系统，将带来生态失调的隐患。因此，有必要提出一种人工景观水体健康状态综合评价方法，以便在景观水体设计时参考所得的评价结果和由国家环保局提出，中国环境科学研究院组织制定的景观水体质量标准，使水体既能满足人们的视觉效果，又能符合城市生态状况、社会状况和经济状况的要求，使景观水体本身有相当的自净能力，在相当长的时间内不发生水质变坏的现象。

目前，对湖泊健康状态的评价指标有生物完整性指标、毛生产力指标(GEP)、生态系统压力指标、响应指标、热力学指标等。对河流健康状态的评价指标有美国的RBP、澳大利亚的ISC、南非的RHP、瑞典的RCE、上海的URHA等。但现有方法难以直接用于人工景观水体。景观水体健康既要有良好的生态系统，还要有合理的社会服务功能。然而景观水体有时为了某种社会功能放弃了部分生态完整性方面的要求。另外，景观水体多为半封闭或封闭水体，存在补水或换水的问题，且景观水体需要人工维护管理。因此有必要针对人工景观水体自身特性以及它和自然湖泊、河流的共性建立一套完善的人工景观水体健康状态评价指标体系。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于AHP法的人工景观水体健康状态综合评价方法，能够从更为科学全面并具有一定针对性的角度描述和反映人工景观水体整体状况和健康水平。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于AHP法的人工景观水体健康状态综合评价方法，包括以下步骤：

1)在考虑我国人工景观水体特点的基础上，选择能指示人工景观水体生态系统状况和人类自身要求的指标，建立人工景观水体健康状态综合评价指标体系；

2)根据各指标的表征价值，采用AHP法构造判断矩阵，分别求解总目标和子目标的权重值，并进行归一化处理，计算出最大特征值，并进行一致性检验；

3)制定评价标准，对于一些不能给出5个评价等级的指标采用3级或2级评分标准，其余指标均采用5级评分标准；

4)对各指标所得评分值进行加权处理得到最终评分，用I_LWH表示，并采用综合评分和健康状态等级两种表达方式给出综合评价结果。

步骤1)中所述综合评价指标体系分三个层次，总目标为人工景观水体健康状态，下设水体表观特征、营养状况、水文和水力学特征、生境状况、滨水带状况以及环境效益和社会功能为一级指标，并细化为多个二级指标，其中水体表观特征包括水体形态、水色、水味、漂浮物、透明度指标；水体营养状况包括化学需氧量、总氮、总磷、叶绿素a指标；水文和水力学特征包括水深、循环周期、补给水源、生态需水量满足程度指标；生境状况包括岸线形态、护岸类型、水生动物、水生植物指标；滨水带状况包括滨水带宽度、植被结构完整性、沿岸植被连续性、周边汇水收集及处理情况指标；环境效益和社会功能包括人体舒适度、水景管理水平、公众环保意识指标。

步骤2)中所述的采用AHP法构造判断矩阵并确定权重的具体步骤如下：

1)构造判断矩阵

以A表示总目标，B表示一级指标，C表示二级指标，u_i、u_j表示因素，i，j＝1，2，…，n，n为一级和二级指标编号；引用1～9标度法测量各因素的相对重要性，u_ij表示u_i对u_j的相对重要性数值，对于表征人工景观水体营养状况指标以及水文和水力学特征指标较其它一级指标赋予较大权重，其中表征人工景观水体的营养状况的4项水质指标赋予同等权重，表征水文和水力学特征的补给水源、水循环周期较水深和生态需水量满足程度赋予更大的权重，其余一级指标根据其表征价值给予相应的权重，并由u_ij组成A-U判断矩阵P

2)计算重要性排序，即权重分配

根据判断矩阵，求出其最大特征根λ_max所对应的特征向量w，方程如下：

Pw＝λ_maxw

所求特征向量w经归一化，即为各评价因素的重要性排序，也即权重分配；

3)一致性检验

以上得到的权重分配是否合理，还需要对判断矩阵进行一致性检验，检验使用公式：

CR＝CI/RI

式中，CR为判断矩阵的随机一致性比率；CI为判断矩阵的一般一致性指标，CI＝(λ_max-n)/(n-1)，RI为判断矩阵的平均一致性指标，1～9阶的判断矩阵的RI值分别为0、0、0.58、0.90、1.12、1.24、1.32、1.41、1.45；

当判断矩阵P的CR＜0.1或λ_max＝n，CI＝0时，认为P具有满意的一致性，否则需调整P中的元素以使其具有满意的一致性。

求解子目标对总目标的合成权重，并按下式进行一致性检验：

式中，b_i表示B层即一级指标对A层即总目标的权重值。

步骤4)中I_LWH由下式计算得到：

式中，i表示指标层中的各个指标，w_i表示二级指标层C对目标层A的合成权重，e_i表示二级指标层C中各指标对应的评分值。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本方法所提出的基于AHP法的人工景观水体健康状态综合评价体系具有整体性、代表性和针对性，充分反映了人工景观水体水质状况，同时能够反映与水体水质密切相关的水文和水力学特征、水体生态系统、环境效益和社会功能，并将其集成于一个评价框架和综合指标。因此，能够从更为科学和全面的角度描述和反映人工景观水体的整体状况，获取人工景观水体健康状态的综合评判。

具体实施方式

下面结合实施例详细说明本发明的实施方式。

本实施例表述一种人工景观水体健康状态综合评价结果，包括以下步骤：

1)选择以市政给水为主要补给水源的湖泊型景观水体中关村软件园中心湖，以雨水为主要补给水源的湖泊型景观水体重庆大学虎溪校区人工湖，以地表水为主要补给水源的河道型景观水体骆马湖，以黄河调水为主要补给水源的湖泊型景观水体东昌湖和以再生水为主要补给水源的湖泊型景观水体临港生态湿地公园人工湖为例，通过资料调研或实验操作得到表1所示评价体系所包含各项指标的数值或描述。

2)依照表1所述评分标准，对1)所得的指标值或指标描述进行评分。

3)根据各指标表征价值，构造判断矩阵。

A-B判断矩阵：

B₁-C判断矩阵：

B₂-C判断矩阵：

B₃-C判断矩阵：

B₄-C判断矩阵：

B₅-C判断矩阵：

B₆-C判断矩阵：

4)根据判断矩阵，利用MATLAB软件求出其最大特征根λ_max所对应的特征向量w。

5)一致性检验。

CR_A-B＝0.0168＜0.1，满足一致性检验，认为P_A-B具有满意的一致性；

CR_B1-C＝0.0094＜0.1，满足一致性检验，认为P_B1-C具有满意的一致性；

CR_B2-C＝0＜0.1，满足一致性检验，认为P_B2-C具有满意的一致性；

CR_B3-C＝0.0572＜0.1，满足一致性检验，认为P_B3-C具有满意的一致性；

CR_B4-C＝0＜0.1，满足一致性检验，认为P_B4-C具有满意的一致性；

CR_B5-C＝0＜0.1，满足一致性检验，认为P_B5-C具有满意的一致性；

CR_B6-C＝0.0094＜0，满足一致性检验，认为P_B6-C具有满意的一致性；

6)计算子目标对总目标的合成权重，并进行一致性检验。

w_C-A＝[0.03650.01350.01350.01350.07740.08390.08390.08390.08390.03800.13810.13810.02150.00550.00550.02750.02750.00660.00660.00660.04610.03030.00610.0061]

CR_C-A＝0.02＜0.1，满足一致性检验。

7)将2)所得指标评分值对应指标权重值进行加权处理所得值即综合评价值I_LWH，同时根据综合评价分级标准可得到各人工景观水体的健康状态。本示例得出中关村软件园中心湖、重庆大学虎溪校区人工湖、红枫湖、东昌湖和临港生态湿地公园人工湖的综合评价值I_LWH分别为0.25、0.33、0.41、0.59和0.72，对应健康状态为好、较好、较好、一般和较差，评价结果与水体实际状况相符。

本发明所述方法是一种基于多目标的综合评价方法，建立了一套适用于人工景观水体健康状态的评价指标体系，能够全面反映人工景观水体健康状况，并能定期地为政府决策、科研及公众要求等提供人工景观水体健康现状、变化及趋势的统计总结和解释报告。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

表1基于AHP法的人工景观水体健康状态综合评价体系

其中，人体舒适度指数ssd可以按照下面公式计算：ssd＝(1.818t+18.18)(0.88+0.002f)+(t-32)/(45-t)-3.2v+18.2

式中，ssd—人体舒适度指数；t—平均气温，℃；f—相随湿度；v—平均风速，m/s。

Claims (5)

1.一种基于AHP法的人工景观水体健康状态综合评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在考虑我国人工景观水体特点的基础上，选择能指示人工景观水体生态系统状况和人类自身要求的指标，建立人工景观水体健康状态综合评价指标体系；

2)根据各指标的表征价值，采用AHP法构造判断矩阵，分别求解总目标和子目标的权重值，并进行归一化处理，计算出最大特征值，并进行一致性检验；

3)制定评价标准，对于一些不能给出5个评价等级的指标采用3级或2级评分标准，其余指标均采用5级评分标准；

4)对各指标所得评分值进行加权处理得到最终评分，用I_LWH表示，并采用综合评分和健康状态等级两种表达方式给出综合评价结果。

2.根据权利要求1所述基于AHP法的人工景观水体健康状态综合评价方法，其特征在于，步骤1)中所述综合评价指标体系分三个层次，总目标为人工景观水体健康状态，下设水体表观特征、营养状况、水文和水力学特征、生境状况、滨水带状况以及环境效益和社会功能为一级指标，并细化为多个二级指标，其中水体表观特征包括水体形态、水色、水味、漂浮物、透明度指标；水体营养状况包括化学需氧量、总氮、总磷、叶绿素a指标；水文和水力学特征包括水深、循环周期、补给水源、生态需水量满足程度指标；生境状况包括岸线形态、护岸类型、水生动物、水生植物指标；滨水带状况包括滨水带宽度、植被结构完整性、沿岸植被连续性、周边汇水收集及处理情况指标；环境效益和社会功能包括人体舒适度、水景管理水平、公众环保意识指标。

3.根据权利要求2所述基于AHP法的人工景观水体健康状态综合评价方法，其特征在于，步骤2)中所述的采用AHP法构造判断矩阵并确定权重的具体步骤如下：

1)构造判断矩阵

以A表示总目标，B表示一级指标，C表示二级指标，u_i、u_j表示因素，i，j＝1，2，…，n，n为一级和二级指标编号；引用1～9标度法测量各因素的相对重要性，u_ij表示u_i对u_j的相对重要性数值，对于表征人工景观水体营养状况指标以及水文和水力学特征指标较其它一级指标赋予较大权重，其中表征人工景观水体的营养状况的4项水质指标赋予同等权重，表征水文和水力学特征的补给水源、水循环周期较水深和生态需水量满足程度赋予更大的权重，其余一级指标根据其表征价值给予相应的权重，并由u_ij组成A-U判断矩阵P

$P=\left[\begin{array}{cccc}{u}_{11}& u_{12}& \mathrm{...}& u_{1n}\\ u_{21}& u_{22}& \mathrm{...}& u_{2n}\\ .& .& & .\\ .& .& \mathrm{...}& .\\ .& .& & .\\ u_{n1}& u_{n2}& \mathrm{...}& u_{nn}\end{array}\right]$

2)计算重要性排序，即权重分配

根据判断矩阵，求出其最大特征根λ_max所对应的特征向量w，方程如下：

Pw＝λ_maxw

所求特征向量w经归一化，即为各评价因素的重要性排序，也即权重分配；

3)一致性检验

以上得到的权重分配是否合理，还需要对判断矩阵进行一致性检验，检验使用公式：

CR＝CI/RI

式中，CR为判断矩阵的随机一致性比率；CI为判断矩阵的一般一致性指标，CI＝(l_max-n)/(n-1)，RI为判断矩阵的平均一致性指标，1～9阶的判断矩阵的RI值分别为0、0、0.58、0.90、1.12、1.24、1.32、1.41、1.45；

当判断矩阵P的CR＜0.1或λ_max＝n，CI＝0时，认为P具有满意的一致性，否则需调整P中的元素以使其具有满意的一致性。

4.根据权利要求3所述基于AHP法的人工景观水体健康状态综合评价方法，其特征在于，求解子目标对总目标的合成权重，并按下式进行一致性检验：

$CR=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{b}_i{\mathrm{CI}}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{b}_i{\mathrm{RI}}_i}$

式中，b_i表示B层即一级指标对A层即总目标的权重值。

5.根据权利要求1所述基于AHP法的人工景观水体健康状态综合评价方法，其特征在于，步骤4)中I_LWH由下式计算得到：

$I_{LWH}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{w}_i\×e_i$ ，

式中，i表示指标层中的各个指标，w_i表示二级指标层C对目标层A的合成权重，e_i表示二级指标层C中各指标对应的评分值。