CN112132486A - 西北内陆河区水资源高效利用的生态环境影响评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种西北内陆河区水资源高效利用的生态环境影响评价方法，包括：构建区域生态环境影响评价的指标集，并制定评价等级标准；基于层次分析法‑熵权法得到各指标的组合权重集向量W；根据评价等级标准及各评价指标所对应的等级计算云特征值；根据计算所得云特征值和筛选后的实际评价指标数据建立隶属度矩阵U；将已得到的各指标的组合权重集向量W与各评价对象的隶属度矩阵U进行模糊转换，得到各评价标准上的模糊子集B，再结合最大隶属度原则，选择隶属度最大的等级作为水资源高效利用下西北内陆河区生态环境影响评价的结果。本发明综合利用层次分析法‑熵权法和云模型，以解决生态效益评价中等级边界模糊性与随机性的问题。
Description
技术领域
本发明涉及水资源生态环境评估领域，具体是一种西北内陆河区水资源高效利用的生态环境影响评价方法。
背景技术
为应对全球变化条件下水安全问题，人类通过人工降雨、筑坝、引调水等工程措施尽可能地提高可利用水资源量，同时也通过径流挖潜、节水灌溉、优化配置等一系列措施进一步挖掘传统水资源的利用效率潜力，并开发利用非常规水资源。在西北内陆河区，不仅存在着水资源短缺等问题，同时还有水土流失、土地沙化、土壤盐碱化以及生态脆弱性等问题。因此，对西北内陆河区水资源高效利用下流域生态环境状态进行科学评价将显得尤为重要。
自从上世纪以来，城镇的快速发展和科学技术水平的显著提高，对自然环境造成了严重破坏，更甚者超出了自然所具有的更新恢复能力，由此引起的水土流失、土地沙化和土壤盐碱化等生态环境问题，严重威胁人民的生产、生活和社会发展，因此各类工程的生态环境影响逐渐受到许多学者的讨论。如我国早期的围绕森林生态系统保护和防护林建设的生态效益评价以及随后出现的针对三北防护林和平原林网建设的生态效益评价等等。评价方法也逐步从定性评估，到单一生态系统要素指标变化，再发展到多层级指标评价体系。多层级指标评价体系，一是可以使评价体系更加的全面，二是能够选出较为容易测量及与评价目标联系紧密的评价指标。在已有的研究中，主要有吴华军(吴华军,刘年丰,何军,宋巍巍.基于物元分析的生态环境综合评价研究[J].华中科技大学学报(城市科学版),2006(01):52-55)采用物元分析法证明该方法特别适合我国小城镇的生态环境质量评价。付爱红(付爱红,陈亚宁,李卫红.基于层次分析法的塔里木河流域生态系统健康评价[J].资源科学,2009,31(09):1535-1544)等则采用层析分析法，评价了塔里木河流域生态系统健康。但到目前为止，有关区域生态环境影响评价的模型尚不明确，方法也比较接近统一。评价方法多为模糊综合方法、反向传播(BP)神经网络方法、系统动力学等相关方法。BP神经网络方法在实际过程中存在不一致性问题；模糊综合评判法对指标的模糊分类边界进行划分，但计算出的隶属度容易受到主观条件的干扰；系统动力学方法是围绕问题建立一个模型，对于同一个问题，由于模型的不同，结果会有很大的不同。
发明内容
本发明的目的是提供一种西北内陆河区水资源高效利用的生态环境影响评价方法，辨识水资源利用对西北内陆河区生态环境影响的关键因子及指标，建立生态环境影响评价指标体系，构建以水资源利用为驱动的西北内陆河区生态环境影响评价模型，提出关于水资源利用的生态环境影响评价方法，对水资源利用后流域生态环境进行科学有效评价。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
一种西北内陆河区水资源高效利用的生态环境影响评价方法，包括如下步骤：
步骤一：构建区域生态环境影响评价的指标集，并制定评价等级标准；
步骤二：基于层次分析法-熵权法得到各指标的组合权重集向量W；
步骤三：根据评价等级标准及各评价指标所对应的等级计算云特征值；
步骤四：根据计算所得云特征值和筛选后的实际评价指标数据建立隶属度矩阵U；
步骤五：将已得到的各指标的组合权重集向量W与各评价对象的隶属度矩阵U进行模糊转换，得到各评价标准上的模糊子集B，再结合最大隶属度原则，选择隶属度最大的等级作为水资源高效利用下西北内陆河区生态环境影响评价的结果。
作为优选，步骤一中生态环境影响评价指标集从水源涵养、植被稳定、土壤保持、土质改善共四个方面建立准则层，各准则层又分为具体指标，如表1所示：
表1生态环境影响评价指标集
生态效益评价等级划分为恶化、一般、良好、优秀4个等级。
作为优选，步骤二具体步骤如下：
1)采用层次分析法建立判断矩阵，计算出矩阵的最大特征根λ及其对应的特征向量wai，计算步骤如下:
a.对矩阵A的每一列向量进行归一化，得到
b.对
按行求和，得到
c.对
归一化，得到
d.计算判断矩阵A的最大特征根λ，即
e.对判断矩阵进行一致性检验，先计算CI，再计算CR即
2)熵权法首先归一化指标建立原始数据矩X＝(xqi)m*n
其中，m为被评价对象的数目，n为评价指标数目；
a.计算第i项指标在第q年指标值的比重pij；
b.计算第i项指标的信息熵值Ei；
当pqi＝0时，定义pqilnpqi＝0；
c.计算该指标的权重wei
4)AHP法是主观赋权所求得的权重Wa＝(Wai)1*n，熵权法是客观赋权所求得的权重We＝(Wei)1*n，将主观赋权法下指标权重与客观赋权法下指标权重结合，求得评价指标组合权重，考虑到主观与客观权重的偏差，各指标的组合权重向量W由得到的主客观权重用乘法集成得到：
式中：W表示组合权重；Wai表示主观赋权法下指标权重；Wei表示客观赋权法下指标权重；j表示第j个指标。
作为优选，步骤三具体步骤如下；
1)每个等级云的三个特征值(Ex,En,He)是由其指标对应等级的上下边界值确定，设有指标Xij，其中i为评价指标，j为数据X对应的评价等级，则有数据xij的上下边界值为xij 1和xij 2；
由于每个等级的中间数值是最能代表该等级的定性概念，因此期望值表示为：
He的大小根据熵值和经验获得。
作为优选，He取值为0.01。
作为优选，步骤四具体步骤如下：
根据计算所得的三个云特征值和筛选后的实际评价指标数据，利用云模型公式确定出其指标i在等级j上的隶属度uij，构成隶属度矩阵U＝(uij)n*m
本发明具有如下有益效果：
(1)基于层次分析法-熵权法、云模型理论等，提出水资源高效利用效果评价方法，通过建立评价指标集、适应性评价模型，开展水资源利用的生态环境影响评价，充分考虑了西北内陆河区流域的生态现状和潜在问题，反映、评估的角度广，为水资源利用效果与影响评价提供科学依据，对进一步完善水文学及水资源学科具有重要的科学价值；
(2)围绕西北内陆河区水资源高效利用效果评价方法这一核心目标，基于层次分析法-熵权法与云模型理论建立评价指标集和评价模型，该方法将定量分析与定性分析相结合，同时具有将事物本身的随机性和模糊性方面统一分析的优势，进而结合研究水资源高效利用的生态环境效益影响评价，并将其应用于西北内陆河区流域，进行水资源高效利用生态环境影响评价，可为水资源高效利用提供定性与定量反馈。
附图说明
图1是本发明评价西北内陆河区水资源利用的生态环境影响方法的流程示意图；
图2是天然植被率隶属于各生态环境等级云模型图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。
请参阅图1，本发明实施例提供一种西北内陆河区水资源高效利用的生态环境影响评价方法，具体步骤如下：
步骤一：构建区域生态环境影响评价的指标集(A1,A2,A3,...,An)，并制定评价等级标准V＝(V1,V2,...,Vm)。
在分析相关研究成果的基础上，西北内陆河区的生态环境影响评价指标体系需要包含影响水资源高效利用下的西北内陆河区生态环境的主要因素，分别是水源涵养、植被稳定、土壤保持、土质改善四个方面，结合西北内陆河区研究区域的实际情况及生态特点，将综合性、科学性、可行性以及可操作性原则相结合，建立可全面反映水资源高效利用下的西北内陆河区生态影响状态的评价指标体系，同时在考虑实际情况的基础上，参照相关文献指标临界值的研究成果及评价标准，将生态效益评价等级划分为恶化、一般、良好、优秀4个等级。
西北内陆河区典型流域的生态系统主要存在草场大面积退化、盲目开荒所损坏的大面积优良林草地、土地沙漠化加剧、水源减少与湖泊萎缩、大面积耕地的次生盐渍化、工业化城镇的污染以及水土流失严重等问题。对以上的生态问题，主要考虑在水资源利用过程中的生态环境效益的影响，并按照综合性、科学性、可行性以及可操作性原则选取生态环境影响评价指标。本发明实施例从水源涵养、植被稳定、土壤保持、土质改善共四个方面建立准则层，各准则层又分为具体指标，包含年降雨量、年蒸发量、天然植被率等(见表1)。
表1生态环境影响评价指标集
各指标量值均可通过气象局气候数据中心、实地调查、各项指标年度统计、模型模拟、数据分析等方式获得。
上述各指标的选取基于以下考虑：
1、水资源高效利用的水文情势影响
水资源高效利用是作为人类开发利用水资源的合理工程手段，增加了区域的地表径流量、补充地下水资源等，可以保持河流、湖泊、湿地的良好自然生态，防止土地沙化、盐碱化，而地表水面和湿地面积的扩大又可使蒸发到空中的水分增加，增加了区域的降水量，缓解当地水资源短缺的问题，促进生态环境可持续性发展。因此，准则层中水源涵养的指标层选择区域年降雨量、年蒸发量、地下水矿化度作为评价初选指标。
2、水资源高效利用的陆地植被影响
水资源合理利用可以增加北方干旱、半干旱地区的地下水和土地墒情，从根本上确保农作物和植被的生长，并且使土壤有足够的水分储存，这对天然牧草的生长极为有利，同时促进天然草场的生态恢复。因此，准则层中植被稳定的指标层选择天然植被率、天然植被破坏率为初选指标。
3、水资源高效利用的土壤影响
水资源合理利用主要目的是缓解旱情、改善土壤墒情、增加土壤贮水量，土壤墒情的改善有利于天然草场生态恢复，土壤存贮的水分增加，则有利于地下水位的抬升，缓解了河流断流现象，但是降雨强度大小对土壤侵蚀影响很大，可能会导致土壤侵蚀，加剧地表径流，土壤养分流失。因此，准则层中土壤保持的指标层可以选择土壤含水量、土壤沙化面积率、灌区盐渍化面积率作为初选指标，准则层中土质改善的指标层可以选择土壤PH值、土壤含盐量、土壤有机质质量分数作为初选指标。
步骤二：基于层次分析法-熵权法得到各指标的组合权重集向量W＝(W1,W2,W3,...,Wn)，具体步骤如下：
1)采用层次分析法建立判断矩阵，计算出矩阵的最大特征根λ及其对应的特征向量wai，计算步骤如下:
a.对矩阵A的每一列向量进行归一化，得到
b.对
按行求和，得到
c.对
归一化，得到
d.计算判断矩阵A的最大特征根λ，即
e.对判断矩阵进行一致性检验，先计算CI，再计算CR即
2)熵权法首先需归一化指标建立原始数据矩X＝(xqi)m*n
其中，m为被评价对象的数目，n为评价指标数目；
a.计算第i项指标在第q年指标值的比重pij；
b.计算第i项指标的信息熵值Ei；
当pqi＝0时，定义pqilnpqi＝0；
c.计算该指标的权重wei
5)AHP法是主观赋权所求得的权重Wa＝(Wai)1*n，熵权法是客观赋权所求得的权重We＝(Wei)1*n。为了使指标权重更具科学性，将主观赋权法下指标权重与客观赋权法下指标权重结合，求得评价指标组合权重。考虑到主观与客观权重的偏差，各指标的组合权重向量W由得到的主客观权重用乘法集成得到：
式中：W表示组合权重；Wai表示主观赋权法下指标权重；Wei表示客观赋权法下指标权重；j表示第j个指标。
步骤三：根据评价等级标准及各评价指标所对应的等级计算云特征值(Ex,En,He)；具体步骤如下：
1)每个等级云的三个特征值(Ex,En,He)是由其指标对应等级的上下边界值确定的，具体可以通过相应公式求出。设有指标Xij，其中i为评价指标，j为数据X对应的评价等级，则有数据xij的上下边界值为xij 1和xij 2；
由于每个等级的中间数值是最能代表该等级的定性概念，因此期望值表示为：
He＝T (式13)
He的大小一般根据熵值和经验获得，其中T为常数，主要反映了云层的厚度，根据Enij的大小，通过经验及试验确定其值，这里T取0.01。
步骤四：根据计算所得云特征值和筛选后的实际评价指标数据建立隶属度矩阵U。
具体的，根据计算所得的三个云的特征参数值(即云特征值)和筛选后的实际评价指标数据，利用云模型公式确定出其指标i在等级j上的隶属度uij，构成隶属度矩阵U＝(uij)n*m
步骤五：将已得到的组合权重集向量W＝(W1,W2,W3,...,Wn)与各评价对象的隶属度矩阵U进行模糊转换，得到各评价标准上的模糊子集B，再结合最大隶属度原则，选择隶属度最大的等级作为水资源高效利用下西北内陆河区生态环境影响评价的结果。
B＝W×U (式16)
通过上述方法确定关键指标，计算各个指标的权重，构建云模型，西北内陆河区典型区域对水资源高效利用的生态环境进行分析，得到科学有效的评价。
本发明基于水资源利用，并兼顾西北内陆河区的生态特点与实际情况，归纳总结出关键生态要素，形成适用于西北内陆河区的水资源高效利用生态环境影响评价方法。
下面以一个具体实施例，对本发明的技术方案进行详细说明：
(1)指标权重计算
根据乘法集成法计算组合权重的具体计算步骤，得到各评价指标的权重如表4.1所示。
表4.1各指标权重
(2)确定正态云模型
根据各指标的评价标准(见表4.2)，利用云模型计算各指标对应不同评价等级的期望值(Ex)、熵(En)和超熵(He)，得到各指标的标准正态云模型参数(表4.3)。根据表4.3中评价指标的云模型特征参数，利用编程软件，通过公式14进行N＝1000次蒙特卡罗仿真，得到各评价指标的正态隶属云图(列出部分云模型图)。以天然植被率指标为例(图2)，横坐标表示天然植被率的实际数值，纵坐标表示与德令哈市生态环境等级相应的隶属度。某一隶属度可能对应不同的指标数值，这正是体现了指标数值与待确定等级之间的模糊不确定性。
表4.2德令哈市生态环境影响评价标准
表4.3区域生态环境各指标云模型
(3)构建隶属度矩阵
利用获取的相关指标数据，结合正向云发生器，计算各指标的云确定度，构成隶属度矩阵。表4.4为西北内陆河源区德令哈市各指标的云确定度构成的隶属度矩阵。
表4.4德令哈市各指标云确定度
根据B＝W×R公式计算德令哈市四级生态环境综合评价的隶属度。根据最大值确定法，评价等级属于“良好”，见表4.5，用云模型对德令哈市进行的评价结果与实际情况基本一致，表明该评价模型具有一定的合理性。
表4.5德令哈市正态云模型评价指标的隶属度
由运用云理论建立云评价模型对西北内陆河区德令哈市进行水资源合理利用的生态环境影响隶属于各等级的隶属度向量R＝(0.03,0.14,0.35,0)可知，区域隶属于各等级影响的最大隶属度为0.35，故对生态环境总体影响为第Ⅲ级,即生态环境为良好。从准则层角度来看，水源涵养与土质改善处于良好状态，其余两个准则层皆处于一般状态，德令哈市隶属于柴达木盆地。特殊的地形与气候条件，形成了该地区生态系统的脆弱性。虽然到现在为止在城镇发展的过程中对生态环境已经造成了一定的破坏，但因为城镇发展水平较低，破坏限于局部。目前因发展所带来的如土地盐渍化、沙化以及草地退化等问题，还有治理改良的可能性；沙化的动力与沙源有限，速度也较为缓慢；主要问题在于近些年的自然植被的大面积毁坏，使得该地区的自然生态系统严重失衡，产生了土地沙化进程加快、水源减少以及气候恶化等问题。总体来看，该区域的生态环境问题，还不算严重。通过恢复植被等一系列生态工程，除沙化减慢外，其余问题均可以解决。在对当地进行进一步开发的过程中，需对这些生态问题产生足够重视，避免生态环境的恶化。
本发明考虑到区域生态环境等级边界信息的随机性、模糊性的问题，针对区域生态效益评价中不确定性的特点，综合利用层次分析法-熵权法和云模型，以解决生态效益评价中等级边界模糊性与随机性的问题。层次分析法求得的指标权重侧重决策者的主观偏好，熵权法的权重侧重数据之间相互关系，将主观权重与客观权重相结合更加具有准确性，云模型能够减少评价过程中的模糊性和随机性问题所产生的影响；将层次分析法-熵权法和云模型耦合，利用两者的优势，应用到西北内陆河区水资源高效利用的生态环境影响评价中。
本发明适用于对类似西北内陆河区流域进行的生态环境影响评价，从而采取相应措施以实现水资源的合理利用及维护生态稳定。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种西北内陆河区水资源高效利用的生态环境影响评价方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：构建区域生态环境影响评价的指标集，并制定评价等级标准；
步骤二：基于层次分析法-熵权法得到各指标的组合权重集向量W；
步骤三：根据评价等级标准及各评价指标所对应的等级计算云特征值；
步骤四：根据计算所得云特征值和筛选后的实际评价指标数据建立隶属度矩阵U；
步骤五：将已得到的各指标的组合权重集向量W与各评价对象的隶属度矩阵U进行模糊转换，得到各评价标准上的模糊子集B，再结合最大隶属度原则，选择隶属度最大的等级作为水资源高效利用下西北内陆河区生态环境影响评价的结果。
2.如权利要求1所述的评价西北内陆河区水资源利用的生态环境影响方法，其特征在于：步骤一中生态环境影响评价指标集从水源涵养、植被稳定、土壤保持、土质改善共四个方面建立准则层，各准则层又分为具体指标，如表1所示：
表1 生态环境影响评价指标集
生态效益评价等级划分为恶化、一般、良好、优秀4个等级。
3.如权利要求1所述的评价西北内陆河区水资源利用的生态环境影响方法，其特征在于：步骤二具体步骤如下：
1)采用层次分析法建立判断矩阵，计算出矩阵的最大特征根λ及其对应的特征向量wai，计算步骤如下:
a.对矩阵A的每一列向量进行归一化，得到
b.对
按行求和，得到
c.对
归一化，得到
d.计算判断矩阵A的最大特征根λ，即
e.对判断矩阵进行一致性检验，先计算CI，再计算CR即
2)熵权法首先归一化指标建立原始数据矩X＝(xqi)m*n
其中，m为被评价对象的数目，n为评价指标数目；
a.计算第i项指标在第q年指标值的比重pij；
b.计算第i项指标的信息熵值Ei；
当pqi＝0时，定义pqilnpqi＝0；
c.计算该指标的权重wei
3)AHP法是主观赋权所求得的权重Wa＝(Wai)1*n，熵权法是客观赋权所求得的权重We＝(Wei)1*n，将主观赋权法下指标权重与客观赋权法下指标权重结合，求得评价指标组合权重，考虑到主观与客观权重的偏差，各指标的组合权重向量W由得到的主客观权重用乘法集成得到：
式中：W表示组合权重；Wai表示主观赋权法下指标权重；Wei表示客观赋权法下指标权重；j表示第j个指标。
4.如权利要求1或3所述的评价西北内陆河区水资源利用的生态环境影响方法，其特征在于：步骤三具体步骤如下；
1)每个等级云的三个特征值(Ex,En,He)是由其指标对应等级的上下边界值确定，设有指标Xij，其中i为评价指标，j为数据X对应的评价等级，则有数据xij的上下边界值为xij 1和xij 2；
由于每个等级的中间数值是最能代表该等级的定性概念，因此期望值表示为：
He的大小根据熵值和经验获得。
5.如权利要求4所述的评价西北内陆河区水资源利用的生态环境影响方法，其特征在于：He取值为0.01。
6.如权利要求4或5所述的评价西北内陆河区水资源利用的生态环境影响方法，其特征在于：步骤四具体步骤如下：
根据计算所得的三个云特征值和筛选后的实际评价指标数据，利用云模型公式确定出其指标i在等级j上的隶属度uij，构成隶属度矩阵U＝(uij)n*m
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