CN107767051A - 一种水环境生态健康风险评价系统及方法 - Google Patents

一种水环境生态健康风险评价系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水环境生态健康风险评价系统，包括评价指标建立单元，用于建立水环境的包括多个评价指标的评价指标体系；权重计算单元，用于计算评价指标的权重；信息输入单元，用于根据评价指标体系生成并评价水环境的固有量化标准信息；数据采集单元，用于根据评价指标体系采集并评价水环境的变量量化标准信息；以及评价管理单元，用于根据多个评价指标的权重、信息输入单元和数据采集单元对评价指标体系的评价确定水环境的主因子和主因子影响阈值，从而评价水环境生态健康程度。本发明实现水环境的信息共享，综合管理影响水环境的因子，从而给出每个水环境的评价建议。本发明还公开了一种水环境生态健康风险评价方法。

Description

一种水环境生态健康风险评价系统及方法
技术领域
本发明涉及水环境安全技术领域，具体地，涉及一种水环境生态健康风险评价系统及方法。
背景技术
城市的社会经济系统依赖于城市河流所提供的各种功能，例如受纳功能、生态功能、景观与美化功能等。因此，健康的城市水环境是城市可持续发展的重要保障。但随着我国经济的快速发展、人民生活水平的不断提高、工农业废水和生活污水的排放量逐年增加，使得城市河流受到了严重的污染。
目前，全国各城市都已深入开展河流、湖泊的治理，取得了一定的成果。但是，水环境的治理不是阶段性的工作，而是持续性的工作。现有技术中，一般是分别对各区域水质等生态要素进行常规监测，而不能整体评价水环境的生态健康。
发明内容
鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种水环境生态健康风险评价系统及方法，以对水环境进行个性化评价和确定影响水环境的主因子，从而评价水环境生态健康程度。
为了实现上述目的，本发明的一个方面是提供一种水环境生态健康风险评价系统，包括：
评价指标建立单元，用于建立水环境的评价指标体系，所述评价指标体系包括多个评价指标；
权重计算单元，用于计算所述多个评价指标的权重；
信息输入单元，用于根据所述评价指标体系生成并评价水环境的固有量化标准信息；
数据采集单元，用于根据所述评价指标体系采集并评价水环境的变量量化标准信息；以及
评价管理单元，用于根据所述多个评价指标的权重、所述信息输入单元和所述数据采集单元对所述评价指标体系的评价确定水环境的主因子和主因子影响阈值，从而评价水环境生态健康程度。
优选地，所述水环境的目标层包括多个准则层，每个准则层包括多个指标层，所述水环境的评价指标体系的所述多个评价指标包括准则层评价指标和指标层评价指标。
优选地，所述权重计算单元分别计算所述准则层评价指标和所述指标层评价指标的权重。
优选地，所述信息输入单元根据所述指标层生成水环境的多个固有量化标准信息供用户选择，并对用户所选择的固有量化标准信息进行评价。
优选地，所述数据采集单元根据所述指标层采集水环境的多个变量量化标准信息，并对所述变量量化标准信息进行评价。
优选地，根据所述准则层评价指标和所述指标层评价指标的权重、所述固有量化标准信息和所述变量量化标准信息的评价，所述评价管理单元得到所述目标层、每个所述准则层以及每个所述指标层的评价，并根据所述变量量化标准信息的评价确定所述水环境的主因子并得到主因子影响阈值，从而评价水环境生态健康程度。
为了实现上述目的，本发明的另一个方面是提供一种水环境生态健康风险评价方法，包括以下步骤：
S1在评价指标输入单元中建立水环境的评价指标体系，所述评价指标体系包括多个评价指标；
S2计算多个评价指标的权重；
S3根据所述评价指标体系生成并评价水环境的固有量化标准信息；
S4根据所述评价指标体系采集并评价水环境的变量量化标准信息；以及
S5根据所述多个评价指标的权重、所述信息输入单元和所述数据采集单元对所述评价指标体系的评价确定水环境的主因子和主因子影响阈值，从而评价水环境生态健康程度。
优选地，步骤S1中，所述水环境的目标层包括多个准则层，每个准则层包括多个指标层，所述评价指标体系的多个评价指标包括准则层评价指标和指标层评价指标。
优选地，步骤S2中，根据二元对比法分别计算所述准则层评价指标和所述指标层评价指标的权重，步骤S3中，根据所述指标层生成水环境的多个固有量化标准信息供用户选择，并对用户所选择的固有量化标准信息进行评价，步骤S4中，根据所述指标层采集水环境的多个变量量化标准信息，并对所述变量量化标准信息进行评价。
优选地，在步骤S5中，根据所述准则层评价指标和所述指标层评价指标的权重、所述固有量化标准信息和所述变量量化标准信息的评价，得到所述目标层、每个所述准则层以及每个所述指标层的评价，并根据所述变量量化标准信息进行主成分分析确定影响水环境的主因子，通过两两正交反向推演出每个主因子的影响阈值，从而评价水环境生态健康程度。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明通过评价指标建立单元建立水环境的评价指标体系，实现水环境的信息共享，且针对不同的水环境设置不同的评价指标，从而对水环境进行个性化评价。本发明通过确定水环境的主因子以及每个主因子的影响阈值，从而给出每个水环境的评价建议，且可生成水环境随时间的生态健康度变化过程，或者对于不同的水环境的健康程度进行对比,评价水环境生态健康程度。
附图说明
图1是本发明所述水环境生态健康风险评价系统构成框图；
图2是本发明所述水环境生态健康风险评价方法流程示意图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
下面结合图1和图2来详细说明本实施例。
图1是本发明所述水环境生态健康风险评价系统构成框图，如图1所示，所述水环境生态健康风险评价系统包括：
评价指标建立单元，用于建立水环境的评价指标体系，其中，评价指标体系包括多个评价指标；
权重计算单元，用于计算多个评价指标的权重；
信息输入单元，用于根据所述评价指标体系生成并评价水环境的固有量化标准信息；
数据采集单元，用于根据所述评价指标体系采集并评价水环境的变量量化标准信息；以及
评价管理单元，用于根据所述多个评价指标的权重、所述信息输入单元和所述数据采集单元对所述评价指标体系的评价确定水环境的主因子和主因子影响阈值，从而评价水环境生态健康程度。
其中，对于主因子的评价指标的评价值在确定的主因子的影响阈值范围之内时，表明水环境生态健康程度较高，主因子的评价值与确定的主因子的影响阈值范围相差越大，表明水环境生态健康程度越低。
本发明通过在所述水环境生态健康风险评价系统中建立水环境的评价指标体系，实现水环境的信息共享。本发明所述水环境生态健康风险评价系统根据多个评价指标的权重、信息输入单元和数据采集单元对评价指标体系的评价确定水环境的主因子影响阈值，从而评价水环境生态健康风险程度。
优选地，评价指标建立单元包括新增评价指标模块、查看已输入评价指标模块、修改评价指标模块以及删除评价指标模块中的一种或多种，以便完善系统中不同水环境的评价指标。
进一步地，每个水环境均有一个评价指标体系，水环境的评价指标体系均由三部分组成，包括目标层、准则层和指标层。其中，目标层为每个水环境的健康度，目标层包括多个准则层，每个准则层包括多个指标层，水环境的评价指标体系的多个评价指标包括准则层评价指标和指标层评价指标。准则层评价指标和指标层评价指标可以从预先设定的评价指标集合库中选出，且每个准则层评价指标中的指标层评价指标不得重复。
优选地，权重计算单元包括新增权重数据模块、查看已输入权重数据模块、修改权重数据模块以及删除权重数据模块中的一种或多种。其中，权重数据通过层次分析法计算而得，且只对已经在所述水环境生态健康风险评价系统中输入评价指标的水环境进行权重计算。具体地，首先，选择具体的水环境并确定水环境的准则层评价指标和指标层评价指标，然后，输入各项评价指标的重要程度，利用二元对比构造法将各项指标的重要程度转换成矩阵，在满足一致性校验的情况下，对矩阵的最大特征值对应的特征向量进行归一化处理得到归一化特征向量即为权向量，权向量的每个分量即为所选择的水环境的权重。
针对系统中不同的水环境，根据水环境自身具有的特性需要输入的评价指标不同，且不同水环境的评价指标的权重不同，从而得到不同的权重数据。
优选地，信息输入单元包括新增水环境信息模块、查看已输入水环境信息模块、修改水环境信息模块以及删除水环境信息模块中的一种或多种。其中，水环境的固有信息包括关于水环境自身特性的数据信息和水环境的指标层评价指标对应的不随时间变化的信息。关于水环境自身特性的数据信息，可以直接存储于信息输入单元中，例如，河流中需要采集的河段名称和河段长度等河段信息，湖泊中需要采集的湖泊属于几类水质、共有多少个监测点等信息；水环境的指标层评价指标对应的信息包括水环境的美观程度、景观可达程度以及绿化带宽度等数据信息。优选地，信息输入单元根据水环境的指标层生成水环境的多个固有量化标准信息供用户选择，并评价用户所选择的固有量化标准信息，得到不同的指标层评价指标的评价标准确定的相应评价指标的评价值。
优选地，数据采集单元包括新增监测点采集数据模块、查看已有监测点采集数据模块、修改监测点采集数据模块以及删除监测点采集数据模块中的一种或多种。其中，数据采集单元中采集数据项由选择的水环境确定，选定具体的水环境之后，根据选择的指标层评价指标采集水环境监测点的变量量化标准信息(随时间而变化)，即，水环境监测点需要的数据采集项，各数据采集项的采集指标值可以来自水质监测系统自动获取(例如溶解氧和氨氮)，或者手动输入(例如微生物化验结果)。对采集的变量量化标准信息进行评价，根据不同数据采集项对应的评价标准得出各变量量化标准信息的评价值。
评价管理单元，包括查看评价模块以及历史查看评价模块。其中，查看评价模块可以查看水环境的目标层、准则层以及指标层，根据准则层评价指标和指标层评价指标的权重、固有量化标准信息和变量量化标准信息的评价，得到目标层、每个准则层以及每个指标层的评价，并根据变量量化标准信息的评价进行主成分分析确定水环境的主因子，并利用两两正交法反向推演出每个主因子的影响阈值，从而评价水环境生态健康程度，进而可以给出每个水环境的评价建议。历史查看评价模块用于查看单个水环境各项评价指标的评价值，或者，单个水环境随时间的生态健康度变化过程，可以通过报表的方式输出每个水环境随时间的健康状态变化，或者，对比多个水环境的各项评价指标的评价值。
图2是本发明所述水环境生态健康风险评价方法流程示意图，如图2所示，本发明所述水环境生态健康风险评价方法包括以下步骤：
S1在评价指标输入单元中建立水环境的评价指标体系，其中，评价指标体系包括多个评价指标；
S2计算多个评价指标的权重；
S3根据评价指标体系生成并评价水环境的固有量化标准信息；
S4根据评价指标体系采集并评价水环境的变量量化标准信息；
S5根据多个评价指标的权重、信息输入单元和数据采集单元对评价指标体系的评价确定水环境的主因子和主因子影响阈值，从而评价水环境生态健康程度。
其中，步骤S1中，水环境的评价指标体系由三部分组成，包括目标层、准则层和指标层，目标层为每个水环境的健康度，目标层包括多个准则层，每个准则层包括多个指标层，评价指标体系包括的多个评价指标包括准则层评价指标和指标层评价指标。准则层评价指标和指标层评价指标可以从预先设定的评价指标集合库中选出，且每个准则层评价指标中的指标层评价指标不得重复。
优选地，步骤S2中，根据二元对比法分别计算准则层评价指标和指标层评价指标的权重。具体地，选择水环境，并确定水环境的准则层评价指标和指标层评价指标，输入各项评价指标的重要程度，将各项评价指标的重要程度转换成矩阵，满足一致性校验时，矩阵最大特征值对应的归一化特征向量即为权向量，权向量的每个分量即为所选择的水环境的权重。
优选地，步骤S3中，根据指标层生成水环境的多个固有量化标准信息供用户选择，并对用户所选择的固有量化标准信息进行评价。
优选地，步骤S4中，根据指标层采集水环境的多个变量量化标准信息，并对变量量化标准信息进行评价。
优选地，在步骤S5中，根据准则层评价指标和指标层评价指标的权重、固有量化标准信息和变量量化标准信息的评价，得到目标层、每个准则层以及每个指标层的评价，并根据变量量化标准信息进行主成分分析确定影响水环境的主因子，通过两两正交反向推演出每个主因子的影响阈值，从而评价水环境生态健康程度。
本发明适用于城市水环境的生态健康风险评价，例如河流、湖泊等，但不限于此。
实施例：
以雨山湖为例，具体说明本发明。
表1是雨山湖的生态健康评价指标体系，如表1所示，针对雨山湖的特点，在评价指标建立单元中建立雨山湖的评价指标体系，其中，雨山湖的评价指标体系包括1个目标层、5个准则层和17个指标层，评价指标包括5个准则层的评价指标和17个指标层的评价指标，每个准则层的评价指标均包括多个不同的指标层评价指标。
表1雨山湖的生态健康评价指标体系
在权重计算单元中，采用二元对比法分别计算出每个准则层评价指标和指标层评价指标的权重，并将权重数据存储于权重计算单元中。以雨山湖的准则层评价指标的权重的计算为例进行说明。表2是二元对比构造法赋值表，表3是雨山湖准则层评价指标二元对比构造法赋值表，如表2所示，采用二元对比法构造对应的值(1,2,3,4,5)，则相应的评价指标的重要程度的赋值取其倒数，如表3所示。将表3中表示的各项评价指标的重要程度转换成矩阵，在满足一致性校验时，矩阵最大特征值对应的归一化特征向量即为权向量，权向量的每个分量即为雨山湖准则层评价指标的权重值，即0.43,0.16，0.07，0.26和0.08。
表2二元对比构造法赋值表
Bi/Bj 相同 稍强 强 很强 绝对强
aij 1 2 3 4 5
表3雨山湖准则层评价指标二元对比构造法赋值表
aij 水质特征(B1) 水文特征(B2) 物理形态结构(B3) 生物状况(B4) 湖滨景观(B5)
水质特征(B1) 1 3 5 2 5
水文特征(B2) 0.33 1 3 0.5 2
物理形态结构(B3) 0.2 0.33 1 0.33 1
生物状况(B4) 0.5 2 3 1 4
湖滨景观(B5) 0.2 0.5 1 0.25 1
其中，aij表示赋值。
在信息输入单元中，选择雨山湖这一水环境，根据评价指标体系生成雨山湖的固有量化标准信息供用户选择，包括雨山湖的自身特点的数据信息，以及与雨山湖17个指标层评价指标相对应的信息。根据用户对多个固有量化标准信息的选择，对所选择的固有量化标准信息进行评价，得到相应指标层评价指标的评价值，以雨山湖最低生态水位满足状况指标层评价指标为例，见表4。
表4雨山湖最低生态水位满足状况指标层评价指标的评价值
在数据采集单元中选择雨山湖这一水环境，针对雨山湖的17个准则层评价指标，根据选择的指标层评价指标生成雨山湖监测点的变量量化标准信息，即，需要的数据采集项，获取各数据采集项的采集指标值，并评价变量量化标准信息，得到各变量量化标准信息的评价值。不同的准则层评价指标对应不同的数据采集项，需要采集不同的变量量化标准信息，并根据不同的标准对其进行评价。以雨山湖中的内梅罗污染综合指数指标层评价指标为例进行说明，与内梅罗污染综合指数指标层评价指标相对应的变量量化标准信息包括化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)和总磷(TP)，通过公式(1)所示的内梅罗综合指数法计算采集数据的评价值，结果见表5。
式中，Ii为第i监测点的环境综合污染指数，Cimax为第i监测点的单因子污染指数最大值，Ciave为第i监测点的单因子污染指数的平均值，其中单污染因子指数采用下式(2)计算：
Cij＝Cp/Cs (2)
式中，Cij为第i监测点第j种污染物的单污染因子指数，Cp为第i监测点第j种污染物的实际监测值，Cs为第i监测点第j种污染物的标准值。
表5雨山湖内梅罗综合污染指数指标层评价指标的评价值
评价管理单元中，选择雨山湖这一水环境，根据雨山湖的多个评价指标权重、信息输入单元和数据采集单元对评价指标体系的评价确定影响雨山湖生态健康度的主因子以及每个主因子的影响阈值。例如，通过对变量量化标准信息进行主成分分析确定影响雨山湖的主因子为TN>浮游植物>NH3-N>DO>TP，并通过两两正交反向推演出每个主因子的影响阈值，即，当TN处于0.74-3.8mg/L之间，浮游植物香农指数处于3-4之间，NH3-N处于0.5-1mg/L之间，DO处于3-6mg/L之间，TP处于0.12-0.6mg/L之间。主因子的评价指标值在相应的影响阈值范围之内，则表示雨山湖生态健康度较好；主因子的评价指标值与相应的影响阈值范围相差越大，表示雨山湖生态健康度越差，即，当TN处于3.8-4.7mg/L之间，浮游植物香农指数处于1-3之间，NH3-N处于1-2mg/L之间，DO处于2-3mg/L之间，TP处于0.6-0.8mg/L之间，表明雨山湖生态健康度中等；当TN处于>4.7mg/L，浮游植物香农指数处于<1，NH3-N处于>2mg/L之间，DO处于<2mg/L，TP处于>0.8mg/L，表明雨山湖生态健康度较差。
进一步地，评价管理单元还可以查看雨山湖在某个时间点的健康状态，或者雨山湖随时间的生态健康度变化过程。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水环境生态健康风险评价系统，其特征在于，包括：
评价指标建立单元，用于建立水环境的评价指标体系，所述评价指标体系包括多个评价指标；
权重计算单元，用于计算所述多个评价指标的权重；
信息输入单元，用于根据所述评价指标体系生成并评价水环境的固有量化标准信息；
数据采集单元，用于根据所述评价指标体系采集并评价水环境的变量量化标准信息；以及
评价管理单元，用于根据所述多个评价指标的权重、所述信息输入单元和所述数据采集单元对所述评价指标体系的评价确定水环境的主因子和主因子影响阈值，从而评价水环境生态健康程度。
2.根据权利要求1所述的水环境生态健康风险评价系统，其特征在于，所述水环境的目标层包括多个准则层，每个准则层包括多个指标层，所述水环境的评价指标体系的所述多个评价指标包括准则层评价指标和指标层评价指标。
3.根据权利要求2所述的水环境生态健康风险评价系统，其特征在于，所述权重计算单元分别计算所述准则层评价指标和所述指标层评价指标的权重。
4.根据权利要求3所述的水环境生态健康风险评价系统，其特征在于，所述信息输入单元根据所述指标层生成水环境的多个固有量化标准信息供用户选择，并对用户所选择的固有量化标准信息进行评价。
5.根据权利要求4所述的水环境生态健康风险评价系统，其特征在于，所述数据采集单元根据所述指标层采集水环境的多个变量量化标准信息，并对所述变量量化标准信息进行评价。
6.根据权利要求5所述的水环境生态健康风险评价系统，其特征在于，根据所述准则层评价指标和所述指标层评价指标的权重、所述固有量化标准信息和所述变量量化标准信息的评价，所述评价管理单元得到所述目标层、每个所述准则层以及每个所述指标层的评价，并根据所述变量量化标准信息的评价确定所述水环境的主因子并得到主因子影响阈值，从而评价水环境生态健康程度。
7.一种水环境生态健康风险评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1在评价指标输入单元中建立水环境的评价指标体系，所述评价指标体系包括多个评价指标；
S2计算多个评价指标的权重；
S3根据所述评价指标体系生成并评价水环境的固有量化标准信息；
S4根据所述评价指标体系采集并评价水环境的变量量化标准信息；以及
S5根据所述多个评价指标的权重、所述信息输入单元和所述数据采集单元对所述评价指标体系的评价确定水环境的主因子和主因子影响阈值，从而评价水环境生态健康程度。
8.根据权利要求7所述的水环境生态健康风险评价方法，其特征在于，步骤S1中，所述水环境的目标层包括多个准则层，每个准则层包括多个指标层，所述评价指标体系的多个评价指标包括准则层评价指标和指标层评价指标。
9.根据权利要求8所述的水环境生态健康风险评价方法，其特征在于，步骤S2中，根据二元对比法分别计算所述准则层评价指标和所述指标层评价指标的权重，步骤S3中，根据所述指标层生成水环境的多个固有量化标准信息供用户选择，并对用户所选择的固有量化标准信息进行评价，步骤S4中，根据所述指标层采集水环境的多个变量量化标准信息，并对所述变量量化标准信息进行评价。
10.根据权利要求9所述的水环境生态健康风险评价方法，其特征在于，在步骤S5中，根据所述准则层评价指标和所述指标层评价指标的权重、所述固有量化标准信息和所述变量量化标准信息的评价，得到所述目标层、每个所述准则层以及每个所述指标层的评价，并根据所述变量量化标准信息进行主成分分析确定影响水环境的主因子，通过两两正交反向推演出每个主因子的影响阈值，从而评价水环境生态健康程度。
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