CN106650182B - 基于指标筛选的流域生态安全评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于指标筛选的流域生态安全评价方法，包括：步骤1，采集监控流域的生态数据、水环境数据和社会经济统计数据；步骤2，基于步骤1采集的数据构建基础信息数据库；步骤3，对各标准化数据矩阵Xz'分别进行主成分分析获得主成分，获得与各主成分相关系数最大的标准化数据，其对应的评价指标即优选评价指标集；步骤4，对各评价指标类及其优选评价指标集中各评价指标赋权；步骤5，采用乘积加权法获得监控流域的第m个评价周期的生态安全综合指数。本发明方法可有效筛除多余指标，解决了生态安全评价中常见的共线性问题及人为确定安全等级带来的评价误差问题，实现了生态安全的长期跟踪和定量评价。

Description

基于指标筛选的流域生态安全评价方法

技术领域

本发明涉及指标筛选领域，具体涉及一种基于指标筛选的流域生态安全评价方法。

背景技术

近30年来，水环境污染造成我国河流、湖泊的生态功能退化和水资源短缺，并且已经威胁到我国的生态安全，影响着社会的稳定与发展。同样，也从另一方面凸显出我国流域生态安全管理能力的严重不足。流域生态安全评估是生态安全管理的基础，有必要加强。对流域生态安全状态评估的关键问题和进行科学诊断的技术核心是基于海量社会、经济和生态环境数据的数据筛选与系统分析技术。为此，必须建立相应的安全评价方法并结合指标筛选方法，从海量数据中筛选出具有独立性、代表性的指标，进而才能科学、合理的开展流域生态安全评价工作，才能根据评估状况有针对性的制定管理措施，减少流域生态安全的损失，确保社会进步、经济发展和生态环境保护目标的实现。

生态安全评价已经在国内外湖泊、河流、城市、区域等领域的综合评估中得到了良好的研究和应用，其中国外的生态安全评价更多的利用单一或几个指示物种进行生境的安全评价，而国内的生态安全评价注重运用社会、经济与生态环境多个指标进行综合评价，与国外生态安全评价存在机理上的差别。

尽管生态安全综合评价方法的研究已经进行了几十年，积累了丰富的经验，但在指标筛选这一关键问题上研究很少，大多数仅提供一个理论筛选框架，或者提供某些筛选原则，缺少可以进行实际操作的理论和技术体系。因此，建立一种能够从海量指标中筛选出具有科学性、代表性和独立性的指标用于生态安全评价是我国水环境安全迫在眉睫的任务。

发明内容

针对现有技存在的不足，本发明提供了一种科学的、可操作性强的基于指标筛选的流域生态安全评价方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

基于指标筛选的流域生态安全评价方法，包括：

步骤1，采集监控流域的生态数据、水环境数据和社会经济统计数据；

步骤2，基于步骤1采集的数据构建基础信息数据库，本步骤具体为：

2.1按照DPSIR框架将评价指标划分为驱动力、压力、状态标、影响和风险五类评价指标类，根据评价指标类对步骤1采集的数据进行归类；

2.2按照设定的评价周期，将同类数据分别构建为大小M×N_z的数据矩阵Xz，数据矩阵Xz中元素xz_mn为第z个评价指标类中第n个评价指标在第m个评价周期的数据，其中，M表示评价周期数，N_z表示第z个评价指标类中评价指标数，z＝1,2,...5；

2.3对数据矩阵Xz中数据进行标准化获得标准化数据矩阵Xz'；

步骤3，对各标准化数据矩阵Xz'分别进行主成分分析获得主成分，获得与各主成分相关系数最大的标准化数据，其对应的评价指标即优选评价指标集；

步骤4，对各评价指标类及其优选评价指标集中各评价指标赋权，本步骤具体为：

4.1对各优选评价指标集，分别采用专家赋权法或等权法对其中各评价指标赋权；

4.2采用专家赋权法或等权法对各评价指标类赋权w_z，z＝1,2,...5；

步骤5，采用乘积加权法获得监控流域的第m个评价周期的生态安全综合指数其中，Index_z,m表示第z个评价指标类在第m个评价周期的分类指数，x_m,n'为第z个评价指标类的优选评价指标集中第n个评价指标在第m个评价周期的数据，w_z,n为第z个评价指标类的优选评价指标集中第n个评价指标的权，N_z'为第z个评价指标类的优选评价指标集中评价指标数。

子步骤2.3具体为：

令数据矩阵分别采用公式和对收 益性指标和成本性指标的数据进行标准化，xz_mn'即标准化数据矩阵Xz'中第m行第n列的元 素，表示第z个评价指标类中第n个评价指标的基准值。

步骤3进一步包括：

对各标准化数据矩阵Xz'分别执行下述步骤：

3.1根据标准化数据矩阵Xz'获得其协方差矩阵Rz；

3.2根据协方差矩阵Rz求解特征值，将特征值按照从大到小排序，并计算各特征值的贡献率，取累计贡献率达到预设值的前q个特征值作为主成分，所述的预设值为75％～85％；

3.3构建主成分与标准化数据矩阵Xz'的相关系数矩阵，将与各主成分相关系数最大的标准化数据对应的q个评价指标组成优选评价指标集。

目前，流域生态安全评价中，由于缺少可操作的、科学的指标筛选方法，而导致存在的多重共线性干扰评价结果准确性的问题。对此，本发明基于统计学，提出了一种科学的、可操作性强的流域生态安全评价方法。

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明以维护湖泊型流域水生态系统安全、满足水体使用功能为最终目标，建立了一种流域尺度上的水生态安全指标的筛选方法，完善了生态安全的综合评价方法，解决了生态安全评价中常见的共线性问题及人为确定安全等级带来的评价误差问题，实现了生态安全的长期跟踪和定量评价。

附图说明

图1为本发明的具体流程图。

具体实施方式

图1为本发明的具体流程图，下面结合图1对本发明技术方案的具体实施方式做详细的说明。

步骤1，采集监控流域的生态数据、水环境数据和社会经济统计数据。

采用人工方式或/和智能数据采集方式，通过人工监测、实时监测、读取历史数据等手段获得监控流域的生态数据、水环境数据和社会经济统计数据，这些数据必须具备时间连续性。

生态数据是监控流域生态指标相关的数据，例如，藻类生物量、鱼产量、物种多样性指数、初级生产量、水华持续时间、水华持续面积等。水环境数据是监控流域水环境指标相关的数据，例如，常规水质水文数据、点源和面源污染物产生量、排放量等。社会经济数据是监控流域社会经济指标相关的数据，例如人口、GDP、产业产值等。生态数据和水环境数据可通过水文、气象、国土资源等主管政府部门、、境监测站、科研院所等处获得，社会经济数据可通过各级政府部门统计报表获得。

步骤2，基于步骤1采集的数据构建基础信息数据库。

本步骤进一步包括：

2.1按照DPSIR框架将评价指标划分为驱动力评价指标、压力评价指标、状态评价指标、影响评价指标和风险评价指标，将步骤1采集的数据分别归类为驱动力评价指标数据、压力评价指标数据、状态评价指标数据、影响评价指标数据和风险评价指标数据。

DPSIR框架是环境健康与环境风险领域公认的一种指标分类方法，驱动力揭示流域安全变化的根本原因，这个原因通常来自于人类自身最大化发展和持续发展的需求，通常使用人口和经济指标表征。压力则反映了人类活动和湖泊生态系统的直接关系，包括水资源利用、污染排放和对生态系统的直接改变，通常使用各类污染物排放量、水资源利用量等指标来表征。状态反应了流域在驱动力和压力共同作用下导致的物理、化学和生物生存状态的变化，主要利用常规水质监测指标、叶绿素a含量、浮游植物生物量等监测指标来表征。影响揭示流域生态安全恶化导致的经济上和生态服务功能上等对人类有利的功能的丧失，常用湖泊的鱼虾产量、旅游收入等指标表示。风险用于表征流域生态安全发生灾变的可能，常用水华爆发时间、面积，影响引用水使用的人口等指标指示。

2.2按照评价周期和评价指标类，将步骤1采集的数据构建成数据矩阵X。

人为设定评价周期，例如，将评价周期设定为月、季度、年。按评价周期和评价指标类将步骤1采集的数据构建成数据矩阵X，如下：

X＝(X1 X2 X3 X4 X5) (1)

式(1)中：

X1表示大小为M×N₁的驱动力指标数据矩阵，N₁表示驱动力评价指标数，

表示第m个评价周期下第n个驱动力评价指标的数据；

X2表示大小为M×N₂的压力指标数据矩阵，N₂表示压力评价指标数，

表示第m个评价周期下第n个压力评价指标的数据；

X3表示大小为M×N₃的状态评价指标数据矩阵，N₃表示状态评价指标数，

表示第m个评价周期下第n个状态评价指标的数据；

X4为大小M×N₄的影响评价指标数据矩阵，N₄表示影响评价指标数，

表示第m个评价周期下第n个影响评价指标的数据；

X5为大小M×N₅的风险评价指标数据矩阵，N₅表示风险评价指标数，

表示第m个评价周期下第n个风险评价指标的数据；

X为大小M×N的数据矩阵，M表示评价周期数，N表示评价指标数，N₁+N₂+N₃+N₄+N₅＝N。

2.3按照评价指标类分别标准化数据矩阵X1、X2、X3、X4、X5中数据，从而获得标准化数据矩阵X'＝(X1' X2' X3' X4' X5')。

下面以驱动力指标数据矩阵X1为例提供一种具体的标准化方法，但不限于此。

标准化方法见式(2)和(3)，对收益性指标，其值越大越好，因此，采用式(2)标准化收益性指标的数据；对成本性指标，其值越大越差，因此，采用式(3)标准化成本性指标的数据。

式(2)～(3)中：

x1_mn'为标准化后数据；

x1_mn表示第m个评价周期下第n个驱动力评价指标的数据；

为第n个驱动力评价指标的基准值，当无法获得评价指标的权威基准值时，则将步骤1采集数据中评价指标初始年份的数据作为基准值。

步骤3，采用主成分分析法对评价指标进行筛选，获得优选评价指标集。

对各评价指标类的标准化数据矩阵X1'、X2'、X3'、X4'、X5'分别进行主成分分析，以进行指标筛选。下面将以标准化数据矩阵X1'例对本步骤进行进一步说明。

3.1根据标准化数据矩阵获得其协方差矩阵。

驱动力评价指标的标准化数据矩阵X1'的协方差矩阵R1中元素r1_kl为：

式(4)中：

r1_kl表示驱动力评价指标中第k个和第l个驱动力评价指标的协方差；

x1_mk'为标准化数据矩阵X1'中第m行第k列的元素；

x1_ml'为标准化数据矩阵X1'中第m行第l列的元素；

和分别表示所有评价周期下第p个和第q个驱动力评价指标数据的平均值；

M表示评价周期数，m表示评价周期序号。

3.2获得主成分。

根据协方差矩阵R1求解特征方程|R1-λI|＝0获得j个特征值λ，其中，I为单位矩阵。按照从大到小对特征值λ排序，λ₁≥λ₂≥λ₃≥...≥λ_j≥0，计算各特征值的贡献率取累计贡献率达到75％-85％的前q个特征值作为主成分。

3.3评价指标的筛选。

构建主成分与标准化数据矩阵X1'的相关系数矩阵，将与各主成分相关系数最大的标准化数据对应的q个评价指标组成优选评价指标集。将优选驱动力评价指标集、优选压力评价指标集、优选状态评价指标集、优选影响评价指标集、优选风险评价指标集分别记为X1_s'、X2_s'、X3_s'、X4_s'、X5_s'。

步骤4，采用专家赋权法或等权法分别对各评价指标类及对应的优选评价指标集中各评价指标赋权。

首先，对评价指标类对应的优选评价指标集中各评价指标赋权。

以驱动力评价指标类为例，对优选驱动力评价指标集，聘请专家依据其中各驱动力评价指标对水生态变化的驱动力大小进行赋权，优选驱动力评价指标集中各评价指标的权值之和为1。当缺乏专家赋权条件时，使用等权法进行赋权。例如，若优选驱动力评价指标集X1_s'包括3个驱动力评价指标，则将各评价指标权值均赋为1/3。

其次，对评价指标类赋权。

聘请专家依据各评价指标类对监控流域生态安全评价的重要性，对各评价指标类赋权，各评价指标类的权值之和为1。当缺乏专家赋权条件时，使用等权法进行赋权，即各评价指标类的权值为1/5，五大类的权值总和为1。

步骤5，采用乘积加权法获得监控流域的生态安全综合指数。

首先，采用乘积加权法获得各评价指标类的分类指数Index_z,m：

式(5)中：

Index_z,m表示第z个评价指标类在第m个评价周期的的分类指数，z＝1,2,...5；

x_m,n'为第z个评价指标类的优选评价指标集中第n个评价指标在第m个评价周期的数据；

w_z,n为第z个评价指标类的优选评价指标集中第n个评价指标的权；

N_z'为第z个评价指标类的优选评价指标集中评价指标数。

接着，基于分类指数Index_z,m计算监控流域的生态安全综合指数ESI_m：

式(6)中：

ESI_m为监控流域第m个评价周期的生态安全综合指数；

w_z为第第z个评价指标类的权。

生态安全综合指数用来表征流域的生态安全和健康风险状态，指数越大表示监控流域的生态安全和健康状况越好。

Claims (2)

1.一种基于指标筛选的流域生态安全评价方法，其特征是，包括步骤：

步骤1，采集监控流域的生态数据、水环境数据和社会经济统计数据；

步骤2，基于步骤1采集的数据构建基础信息数据库，本步骤具体为：

2.1按照DPSIR框架将评价指标划分为驱动力、压力、状态标、影响和风险五类评价指标类，根据评价指标类对步骤1采集的数据进行归类；

2.2按照设定的评价周期，将同类数据分别构建为大小M×N_z的数据矩阵Xz，数据矩阵Xz中元素xz_mn为第z个评价指标类中第n个评价指标在第m个评价周期的数据，其中，M表示评价周期数，N_z表示第z个评价指标类中评价指标数，z＝1,2,...5；

2.3对数据矩阵Xz中数据进行标准化获得标准化数据矩阵Xz'；

步骤3，对各标准化数据矩阵Xz'分别进行主成分分析获得主成分，获得与各主成分相关系数最大的标准化数据，其对应的评价指标即优选评价指标集；

步骤3进一步包括：

对各标准化数据矩阵Xz'分别执行下述步骤：

3.1根据标准化数据矩阵Xz'获得其协方差矩阵Rz；

3.2根据协方差矩阵Rz求解特征值，将特征值按照从大到小排序，并计算各特征值的贡献率，取累计贡献率达到预设值的前q个特征值作为主成分，所述的预设值为75％～85％；

3.3构建主成分与标准化数据矩阵Xz'的相关系数矩阵，将与各主成分相关系数最大的标准化数据对应的q个评价指标组成优选评价指标集；

步骤4，对各评价指标类及其优选评价指标集中各评价指标赋权，本步骤具体为：

4.1对各优选评价指标集，分别采用专家赋权法或等权法对其中各评价指标赋权；

4.2采用专家赋权法或等权法对各评价指标类赋权w_z，z＝1,2,...5；

步骤5，采用乘积加权法获得监控流域的第m个评价周期的生态安全综合指数其中，Index_z,m表示第z个评价指标类在第m个评价周期的分类指数，x_m,n'为第z个评价指标类的优选评价指标集中第n个评价指标在第m个评价周期的数据，w_z,n为第z个评价指标类的优选评价指标集中第n个评价指标的权，N_z'为第z个评价指标类的优选评价指标集中评价指标数。

2.如权利要求1所述的基于指标筛选的流域生态安全评价方法，其特征是：

子步骤2.3具体为：

令数据矩阵分别采用公式和对收益性指标和成本性指标的数据进行标准化，xz_mn'即标准化数据矩阵Xz'中第m行第n列的元素，表示第z个评价指标类中第n个评价指标的基准值。