CN112734218A - 以流域为基础的河流健康评价方法及装置 - Google Patents

以流域为基础的河流健康评价方法及装置 Download PDF

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Abstract

本公开是关于一种以流域为基础的河流健康评价方法及装置，方法包括：获取预设时间段内流域的河流健康的多个评价指标的指标数据；根据每个评价指标的指标数据确定其取值的可能度函数分布；根据每个评价指标取值的可能度函数分布，计算该评价指标对应的信息熵值；利用预设修正算法对信息熵值进行修正，以得到修正后的信息熵值；根据各个评价指标的修正后的信息熵值和评价指标的数目进行计算，得到该评价指标对应的信息熵权重；根据各个评价指标的修正后的信息熵值和对应的信息熵权重，计算流域的河流健康指数；对河流健康指数进行分析，评价河流健康发展趋势。通过该技术方案，通过熵权分析计算得到河流健康指数，为流域系统治理决策提供科学依据。

Description

以流域为基础的河流健康评价方法及装置
技术领域
本公开涉及流域发展评价技术领域，尤其涉及一种以流域为基础的河流健康评价方法及装置。
背景技术
河流系统是涵盖水资源、洪水、泥沙等要素的庞大系统，要素众多，各要素之间、要素与系统之间、河流系统与其他系统之间关系错综复杂。河流健康概念是对人类自身身体健康概念认识的生物学和生态学扩展，河流健康问题是水治理领域的重要研究内容。
黄河是中华民族的母亲河，流域横跨我国东中西部，是连接青藏高原、黄土高原、华北平原的生态廊道，构成我国重要的生态屏障和经济地带。黄河水少沙多、水沙关系不协调、洪水灾害频繁，一直黄河流域复杂难治的症结所在。近年来黄河来水来沙减少，水沙关系发生深刻变化，极端气候事件频发，黄河河道边界条件发生了较大的变化，沿黄地区经济社会快速发展，变化环境下开展黄河流域河流健康诊断尤为必要。
河流健康诊断方法众多，近年来随着应用数学的发展，诸多综合方法被应用于实际评价工作中，如主成分分析、因子分析、综合评价指数法、模糊综合评价、灰色关联度评价、模糊集对模型、数据包络分析(DEA)、多维标度法、突变级数法、拉开档次法、ELECTRE等，还有一些是通过这些方法耦合后得到的方法，这些方法各具特色，适用于不同的问题。在确定指标权重时，通常采用主观赋权法或者客观赋权法。主观赋权法依据经验，能够表达决策者的偏好，具有较强的主观能动性，但是缺少严密的数学推导公式，理论依据不足，常见的有德尔菲法、层次分析(AHP)法、二元比较法等；客观赋权法依据理论，具有严密的数学推导过程，能够挖掘出潜藏在数据集内部的客观规律，消除权重确定时的任意性，却不能体现决策者的偏好和意愿，常见的有最大离差法、CRITIC法、熵权法等。总体而言，国内外近些年的研究虽然对河流健康问题有所考虑，但其诊断或评价方法并未从系统论的角度出发研究整个河流系统，或是指标体系权重确定过于主观，而不适用于黄河流域复杂的水沙关系条件。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本公开提供一种以流域为基础的河流健康评价方法及装置，实现通过熵权分析计算得到流域的河流健康指数，从而为流域系统治理的决策提供科学依据。
根据本公开实施例的第一方面，提供一种以流域为基础的河流健康评价方法，所述方法包括：
获取预设时间段内所述流域的河流健康的多个评价指标的指标数据；
根据每个评价指标的指标数据确定其取值的可能度函数分布；
根据每个评价指标取值的可能度函数分布，计算每个评价指标对应的信息熵值；
利用预设修正算法对所述信息熵值进行修正，以得到修正后的信息熵值；
根据各个评价指标的修正后的信息熵值和评价指标的数目进行计算，得到该评价指标对应的信息熵权重；
根据各个评价指标的修正后的信息熵值和对应的信息熵权重，计算所述流域的河流健康指数；
对所述河流健康指数进行分析，以评价所述流域的河流健康发展趋势。
在一个实施例中，优选地，所述河流健康的评价指标包括以下至少一项：
年降水量、总水量、来沙量、主河槽过洪能力、总冲淤量和来水来沙协调度。
在一个实施例中，优选地，根据每个评价指标的指标数据确定其取值的可能度函数分布，包括：
确定各个评价指标发展的标准区间；
计算各个评价指标对与其对应的标准区间内不同标准区间的可能度函数，以确定每个评价指标取值的可能度函数分布。
在一个实施例中，优选地，采用以下第一计算公式计算所述信息熵值，
Figure RE-GDA0002991013590000031
其中，
Figure RE-GDA0002991013590000032
其中，n表示标准区间的个数，pk代表可能度函数值fk在所有值中的比重，fk表示评价指标K的可能度函数分布，S表示所述信息熵值。
在一个实施例中，优选地，所述预设修正算法包括：
Figure RE-GDA0002991013590000033
其中，x代表要修正的目标评价指标取值，S代表所述信息熵值，Si代表所述修正后的信息熵值，xmid代表目标评价指标良和中两个标准的分界值，
Figure RE-GDA0002991013590000034
代表所述分界值的信息熵值。
在一个实施例中，优选地，采用以下第二计算公式计算所述信息熵权重，
Figure RE-GDA0002991013590000035
其中，wi表示所述信息熵权重，N表示评价指标的数目，Si表示评价指标i的修正后的信息熵值，其中，i＝1，2，...，N。
在一个实施例中，优选地，采用以下第三计算公式计算所述流域的河流健康指数，
Figure RE-GDA0002991013590000041
其中，RHI表示所述河流健康指数，wi表示所述信息熵权重，N表示评价指标的数目，Si表示评价指标i的修正后的信息熵值，i＝1，2，...，N。
在一个实施例中，优选地，所述方法还包括：
根据预设时间段内的河流健康指数的分析结果，展示所述流域的河流健康发展趋势图。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种以流域为基础的河流健康评价装置，所述装置包括：
获取模块，用于获取预设时间段内所述流域的河流健康的多个评价指标的指标数据；
确定模块，用于根据每个评价指标的指标数据确定其取值的可能度函数分布；
第一计算模块，用于根据每个评价指标取值的可能度函数分布，计算每个评价指标对应的信息熵值；
修正模块，用于利用预设修正算法对所述信息熵值进行修正，以得到修正后的信息熵值；
第二计算模块，用于根据各个评价指标的修正后的信息熵值和评价指标的数目进行计算，得到该评价指标对应的信息熵权重；
第三计算模块，用于根据各个评价指标的修正后的信息熵值和对应的信息熵权重，计算所述流域的河流健康指数；
评价模块，用于对所述河流健康指数进行分析，以评价所述流域的河流健康发展趋势。
根据本公开实施例的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述指令被处理器执行时实现如第一方面的实施例中任一项所述方法的步骤。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明实施例中，从系统论的角度出发，考虑水资源、洪水、泥沙三个方面，选取年降水总量、总水量、主河槽过洪能力、来沙量、总淤积量、水沙关系协调度6个关键指标，通过熵权法计算得到河流健康指数RHI(River Health Index，河流健康指数)，采用信息熵和熵权法等方法研究黄河流域河流健康发展演变特征，为黄河流域生态保护和高质量发展提供支撑。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的黄河流域巨系统的架构图。
图2是根据一示例性实施例示出的流域发展评价指标体系的示意图。
图3是根据一示例性实施例示出的一种以流域为基础的河流健康评价方法的流程图。
图4是根据一示例性实施例示出的河流健康评价指标和河流健康指数熵值序列。
图5是根据一示例性实施例示出的河流健康评价指标的权重演变柱状图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
下面，本发明以流域为黄河流域为例，详细说明本发明的技术方案。本领域技术人员应当知晓，本发明还可应用于任何其他流域。
黄河是一个复杂的巨系统，治理黄河是一项复杂的系统工程。因此，无论黄河治理的整体战略、实施方案，还是不同河段的治理方略、工程布局，或是单一工程的具体设计、运行管理，在其全生命周期的各个阶段，都必须以系统论思想方法为统领，把黄河流域作为一个有机的复合系统，统筹考虑。黄河流域的系统治理要以河流基本功能维持、区域社会经济高质量发展、流域生态环境有效保护三维协同为整体治理目标，多维度研究黄河流域综合治理的整体布局及不同治理措施之间的博弈协同效应。
总体来讲，黄河流域系统功能可以从三个方面考虑：
1)从河流功能角度，黄河是一条自然条件复杂、河情极其特殊的河流，“水少沙多、水沙关系不协调”，上中游地区的干旱风沙、水土流失灾害和下游河道的泥沙淤积、洪水威胁，严重制约着流域及相关地区经济社会的发展。
2)从生态环境功能角度，黄河流域是连接青藏高原、黄土高原、华北平原的生态廊道，拥有三江源、祁连山等多个国家公园和国家重点生态功能区。黄河流经黄土高原水土流失区、五大沙漠地，沿河两岸分布多个湿地。黄河流域构成了我国重要的生态屏障，黄河流域生态环境保护关系着流域及相关地区的生态安全。
3)从经济发展功能角度，黄河流域是我国重要的经济地带，黄淮海平原、汾渭平原、河套灌区是农产品主产区，流域土地资源、矿产资源特别是能源资源十分丰富，在全国占有极其重要的地位，被誉为我国的“能源流域”，是我国重要的能源、化工、原材料和基础工业基地，未来发展潜力巨大。更重要的是，黄河流域是多民族聚集区，由于历史和自然条件原因，黄河流域特别是上中游地区和下游滩区，经济社会发展相对落后。
因此，按照流域功能划分，黄河流域巨系统可以分为河流子系统、生态环境子系统、人类经济子系统，涉及要素众多，关系复杂，既相互联系又相互制约，因此如何既保障黄河流域水安全，又能实现黄河流域生态保护，同时推进黄河流域高质量发展是非常复杂的重大问题。黄河流域巨系统架构如图1所示。
河流子系统以河道治理为重点，主要涉及行洪、水沙、水资源、水工程等多方面的要素。黄河的泥沙问题世界罕见，“二级悬河”问题突出，防洪 (River Health Index，河流健康指数)一直是治黄的首要任务，黄河的河道治理是涉及多方面要素的复杂问题。RHI从系统论的角度出发，考虑水资源、洪水、泥沙三个方面，选取年降水总量、总水量、主河槽过洪能力、来沙量、总淤积量、来水来沙协调度6个关键指标，通过信息熵和熵权法计算得到河流健康指数。
生态环境子系统以生态保护为重点，黄河流域包括森林、湿地、物种、水环境、水生态等多方面的要素，是我国重要的生态屏障，是连接青藏高原、黄土高原、华北平原的生态廊道，拥有三江源、祁连山等多个国家公园和国家重点生态功能区，同时黄河流经黄土高原水土流失区、五大沙漠沙地，沿河两岸分布有东平湖和乌梁素海等湖泊、湿地，河口三角洲湿地生物多样。生态环境是由生物群落及非生物自然因素组成的各种生态系统所构成的整体。长期以来，在自然因素和人为因素的共同作用下，生态环境以不同的时空尺度在发展演变。EDI(Environment Development Index，环境演变指数) 从生态环境保护角度出发，量化研究生境质量、植被覆盖、土地胁迫、水网湿地等相关因素，是基于系统理论、信息熵和熵权分析得到的用于评价流域生态环境发展质量的综合性指标。
人类经济子系统包括人口、产业、经济、文化等多方面的要素，是黄河流域经济高质量发展的重要问题，黄河流域是我国重要的经济地带。SDI (Social DevelopmentIndex，社会发展指数)能够反映流域居民特征、衡量居民福祉，综合表征流域经济发展现状和增长活力，是流域社会经济研究中不可或缺的内容。从人口特征、居民生活质量、经济增长水平、地区产业结构等4个角度，选取12个社会经济特征指标，通过信息熵和熵权法计算得到社会发展指数，定量分析黄河流域近40年的社会发展演变特征。
RHI，EDI和SDI为表征河流子系统、生态环境子系统、人类经济子系统发展质量提供参考依据，是治河决策理论的重要研究部分。
为了支持中观层和宏观层的数据分析工作，微观层的重点工作是构建黄河流域巨系统指标体系和收集指标数据。根据黄河流域巨系统的内涵，结合国内外关于河流发展评价的相关实践，针对黄河流域生态保护和高质量发展要求，构建流域发展评价指标体系见图2。
图3是根据一示例性实施例示出的一种以流域为基础的河流健康评价方法的流程图。
如图3所示，本发明的以流域为基础的河流健康评价方法，具体用于上述的河流子系统中，所述方法包括：
步骤S301，获取预设时间段内所述流域的河流健康的多个评价指标的指标数据；
在一个实施例中，优选地，所述河流健康的评价指标包括以下至少一项：
年降水量、总水量、来沙量、主河槽过洪能力、总冲淤量和来水来沙协调度。
本发明遴选年降水总量、总水量(花园口、头道拐)、来沙量、主河槽过洪能力(宁蒙河段、黄河下游)、总淤积量(宁蒙河段、黄河下游)、水沙关系协调度等几个河流系统指标，具体如下：
(1)年降水总量
年降水总量是指一年内降落到某一指定区域的水量。年降水总量越大，说明来水越丰沛，对系统越有利，越优。年降水总量的计算公式如下。
W＝P·A (1)
式中：W为年降水总量；P为年平均降水量；A为流域面积。
(2)总水量
总水量是指一年内通过河流某一过水断面的水量，也称年径流量。总水量能够表征系统的可用水量，总水量越大，说明来水越丰沛，对系统越有利，越优。总水量指标能够表征系统的可用水量，本发明分别统计花园口和头道拐断面的总水量。
(3)来沙量
来沙量是指一年内输入系统内的沙量。来沙量越小，进入系统内的沙量越少，河道越不易淤积，对系统越有利，越优。
(4)主河槽过洪能力
主河槽过洪能力关系着河流防洪安全和幸福河建设。主河槽过洪能力越大越好，过洪能力太小，不利于河道行洪，洪水灾害风险增加。黄河流域横跨九省区，跨度较大，不同河段的主河槽过洪能力差距较大，本发明分别统计宁蒙河段和黄河下游两个典型河段的主河槽过洪能力。
(5)总冲淤量
总冲淤量指标能够表征河流的冲刷和淤积程度，进而反映河流健康状况。总冲淤量大于零，表示淤积；小于零，表示冲刷。总冲淤量越小越好，总冲淤量过大，河床抬升，危及两岸安全。黄河流经不同的自然地理单元，流域地形地貌和气候条件差别很大，不同河段的冲刷淤积特点不同，本发明选择宁蒙河段和黄河下游两个典型河段，分别统计河流总冲淤量。
(6)水沙关系协调度
协调的水沙关系是指长时段内维持河道(主槽)不淤或微淤的水沙搭配过程。黄河具有水少沙多、水沙异源、水沙关系不协调的特点。以水沙关系协调度来表征黄河流域的水沙协调程度，水沙关系协调度计算公式如下。
Figure RE-GDA0002991013590000101
Figure RE-GDA0002991013590000102
式中：Cun(i)为研究河段水沙关系的水沙关系协调度，该值小于或等于 0表示水沙关系不协调，大于0表示水沙关系相对协调，值越大协调度越高； i为河段编号；ξi为河道实际来沙系数；ξT为河道输沙平衡临界来沙系数，宁蒙河段取0.003kg·s/m6，黄河下游取0.001kg·s/m6；Si为悬沙含沙量；Qi为流量。
步骤S302，根据每个评价指标的指标数据确定其取值的可能度函数分布；根据灰色理论，灰数是取值信息不明确的一类数值，需要借助可能度函数(PossibilityFunction)描述其取不同数值区间的可能性大小。具体地，可以根据实际情况，确定指标标准的可能度函数，以及函数取值区间的起点和终点。起点终点确定的左升、右降连续函数即为典型的可能度函数。
步骤S303，根据每个评价指标取值的可能度函数分布，计算每个评价指标对应的信息熵值；
河流系统健康因子如下表1所示。
表1河流系统健康因子
Figure RE-GDA0002991013590000111
基于每个指标取值的可能度函数分布，计算该指标的信息熵，得到的信息熵代表了该指标相对于对应的业内指标发展标准的离散程度。在一个实施例中，优选地，采用以下第一计算公式计算所述信息熵值，
Figure RE-GDA0002991013590000112
其中，
Figure RE-GDA0002991013590000113
其中，n表示标准区间的个数，pk代表可能度函数值fk在所有值中的比重，fk表示评价指标K的可能度函数分布，S表示所述信息熵值。
步骤S304，利用预设修正算法对所述信息熵值进行修正，以得到修正后的信息熵值；
考虑到熵值减小对系统的有益性，结合指标的越大越优或越大越劣的性质，将熵值的计算过程做相应的修正，具体步骤如下：根据指标极性，修正较小指标值所对应的熵值计算过程。计算方法见下式：
Figure RE-GDA0002991013590000121
其中，x代表要修正的目标评价指标取值，S代表所述信息熵值，Si代表所述修正后的信息熵值，xmid代表目标评价指标良和中两个标准的分界值，
Figure RE-GDA0002991013590000122
代表所述分界值的信息熵值。
用上述方法修正后得到的熵值曲线，不管对于原始数值越大越优，或者越大越劣的指标，均表现为越大越劣。这样以来，就在指标值的优劣性和对系统产生熵增熵减的效应之间，建立了正向相关的联系。信息熵就可以作为一个当量，统一系统中所有指标的量纲和单位，并直接量化每个指标对系统发展产生的影响。
步骤S305，根据各个评价指标的修正后的信息熵值和评价指标的数目进行计算，得到该评价指标对应的信息熵权重；
针对整个系统，都可以算出每个指标的信息熵权重，进而判断流域巨系统中哪一个或者几个指标对系统的有序度贡献最大，即最重要。信息熵是信息量和不确定性的度量，某指标带来的信息量越大，熵值越低，不确定性就越低，也就可以赋予其较大的权重。利用这种方法计算指标权重更为科学，避免了不同专家主观判断权重带来的差异。熵权法更大的意义在于，随着各指标信息熵值的变化，每个指标在系统中的权重也随之变化，这些指标相互作用，动态互动，就可以实时监测指标在系统中的重要性的变化，这和系统治理的观点十分契合。
基于每个指标i(i＝1，2，L，n)的修正后的信息熵值Si，其权重wi用下式求得：
Figure RE-GDA0002991013590000131
将各指标的熵值和权重加权求和，即可算出此河流系统的总熵，公式如下：
Figure RE-GDA0002991013590000132
式中：Stotal为河流系统的总熵。
步骤S306，根据各个评价指标的修正后的信息熵值和对应的信息熵权重，计算所述流域的河流健康指数；
在一个实施例中，优选地，采用以下第三计算公式计算所述流域的河流健康指数，
Figure RE-GDA0002991013590000133
其中，RHI表示所述河流健康指数，wi表示所述信息熵权重，N表示评价指标的数目，Si表示评价指标i的修正后的信息熵值，i＝1，2，...，N。
步骤S307，对所述河流健康指数进行分析，以评价所述流域的河流健康发展趋势。
考虑黄河流域水沙特性及水资源供需特点，将河流健康因子划分为优、良、中、差四个等级。河流健康因子阈值确定的依据：国家标准、规范或者规程；参考国内外普遍认可的指标标准；参考国家关于某些指标的发展规划值，或发达国家、地区的指标实际值，结合相关理论分析确定指标标准；通过类比方法，参照相近研究方向的参考文献和现有研究成果，结合研究区域的特点确定。各河流健康因子阈值如下表2。
表2黄河流域各河流健康因子阈值
Figure RE-GDA0002991013590000141
河流健康指数从河流健康发展的角度，综合分析洪水、泥沙、水资源等相关因素，评价河流系统健康状况。黄河流域河流健康指数涵盖了各个河流健康因子的信息，能够表征黄河流域河流总体健康状况。
在一个实施例中，优选地，根据每个评价指标的指标数据确定其取值的可能度函数分布，包括：
确定各个评价指标发展的标准区间；
计算各个评价指标对与其对应的标准区间内不同标准区间的可能度函数，以确定每个评价指标取值的可能度函数分布。
在一个实施例中，优选地，所述方法还包括：
根据预设时间段内的河流健康指数的分析结果，展示所述流域的河流健康发展趋势图。
基于信息熵理论，编程求解黄河流域各河流健康因子(即河流健康评价指标)的熵值，计算各河流健康因子的熵权，进而求解河流健康指数的熵值，计算结果如图4所示。
由图4的熵值计算结果可得，各河流健康因子的熵值随时间变化特性不一；同一时期内，不同河流健康因子的熵值差别较大。总体表现为：1986 年以前整体较低，1987年～1999年期间整体较高，21世纪以来整体较低。河流健康指数总体表现为：1986年以前整体较高，1987年～1999年期间整体较低，21世纪以来整体较高。相应地，将河流系统分三个发展阶段：1980年～1986年、1987年～1999年、2000年～2019年。
阶段一，1986年以前，黄河流域经济社会发展程度较低，人类活动对河流系统的干预较少，黄河流域河流系统总体趋于健康状态。其中，宁蒙河段主河槽过洪能力的熵值最小，宁蒙河段总冲淤量、来沙量、年降水总量呈现出个别年份熵值较大的现象。河流健康指数熵值总体较高，表现为健康。
阶段二，1987年～1999年期间，随着流域经济社会的快速发展，河流系统总体表现为不健康。其中，宁蒙河段主河槽过洪能力和花园口总水量的熵值最小，黄河下游总冲淤量、来沙量的熵值较大，来沙较多，河道淤积严重，导致河流不健康。河流健康指数熵值总体较低，表现为不健康。
阶段三，21世纪以来，随着黄河流域水工程体系的不断完善，黄河流域调控手段不断丰富，调蓄能力逐渐增强，整个河流系统又向着有序、健康的方向发展。其中，黄河下游总冲淤量、来沙量、水沙关系协调度的熵值最小。河流健康指数熵值总体较高，并且呈现出下降的趋势，表现为趋于健康的方向发展。
从河流健康指数总体变化趋势来看，1980～1984年河流系统向好发展，河流系统健康在1984年达到顶峰；1984年以来，人类社会发展迅速，人类活动对河流系统的干预越来越强烈，1984～1996年河流系统呈现出越来越不健康的趋势，人类社会的农业、工业发展向黄河流域索取越来越多的水资源，致使1995年黄河全年断流高达122天，河流系统在1996年呈现出最不健康的状态；1996年以来，随着水工程建设越来越完善，水资源调蓄能力越来越强，加之流域节水意识逐渐增强，1996～2019年河流系统又呈现出向好发展。
分析河流健康指数序列的突变点，1990年河流系统向健康方向发展，由于1989年黄河下游引水量较大，河流系统趋势向好。1992年黄河断流现象加剧，利津断面断流82天，河流系统呈现出不健康状态。2000年河流系统向健康方向发展，并且2000年以来持续向好，主要原因是2000年小浪底蓄水调控以来，大大改善了河流系统健康状况，河流系统持续向好发展。
基于熵权法求解黄河流域各河流健康因子的权重，绘制河流健康因子权重演变柱状图，如下图5所示。
根据黄河流域河流健康因子的熵权计算结果，分析河流系统各个健康因子的敏感性如下。
1986年以前，宁蒙河段主河槽过洪能力熵权最大的年份最多，对河流系统的贡献最大，为该时期黄河流域河流系统的敏感因子。经分析知，该时期宁蒙河段主河槽过洪能力较大，防洪能力较强，洪水威胁较小，河流系统表现为健康。
1987年～1999年期间，宁蒙河段主河槽过洪能力和花园口总水量熵权最大的年份最多，对河流系统的贡献最大，为该时期黄河流域河流系统的敏感因子。经分析知，龙羊峡水库1986年投入运行以来，汛期进入到下游的水量减少，导致宁蒙河段主河槽淤积萎缩，过洪能力降低，花园口总水量较之前也大幅减少，导致花园口以下可利用水资源量减少，宁蒙河段主河槽过洪能力和花园口总水量是河流系统不健康的主导因子。
21世纪以来，黄河下游总冲淤量和来沙量熵权最大的年份最多，对河流系统的贡献最大，为21世纪以来黄河流域河流系统的敏感因子。经分析知，小浪底水库2000年投入运行以来，在黄河流域特别是黄河下游调水调沙发方面挥了巨大的作用，再加上21世纪以来，随着淤地坝建设、植树造林等水土保持工程的不断完善，黄河流域来沙量总体减少，水沙关系协调度更高，黄河下游总淤积量持续减少，河流系统呈现出向健康方向发展。
总体来看，自1980年统计以来，黄河下游总冲淤量和宁蒙河段主河槽过洪能力熵权最大的年份最多，对河流系统的贡献最大，为黄河流域河流系统的敏感因子。由熵值序列图可以看出，河流健康指数熵值与黄河下游总冲淤量和宁蒙河段主河槽过洪能力熵值的变化趋势相近，随着黄河下游总冲淤量和宁蒙河段主河槽过洪能力的变化而变化。
综上，取得的主要结论如下：
(1)黄河流域河流健康诊断分为3个阶段。阶段一在1980年～1986年，人类活动对河流系统的干预较少，黄河流域河流系统总体趋于健康状态。阶段二在1987年～1999年期间，流域经济社会快速发展，河流系统总体表现为不健康。阶段三在2000年～2019年，随着黄河流域水工程体系的不断完善，黄河流域调控手段不断丰富，调蓄能力逐渐增强，整个河流系统又向着有序、健康的方向发展。
(2)黄河流域河流系统发展演变趋势可分为3个时期。1980年～1984 年河流系统向好发展，1984年～1996年河流系统呈现出越来越不健康的趋势， 1996年～2019年河流系统呈现出向好发展态势。
(3)1986年以前河流系统敏感因子为宁蒙河段主河槽过洪能力，1987 年～1999年期间敏感因子为宁蒙河段主河槽过洪能力和花园口总水量，21世纪以来敏感因子为黄河下游总冲淤量和来沙量。黄河下游总冲淤量和宁蒙河段主河槽过洪能力为整个时期的敏感因子。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种以流域为基础的河流健康评价装置，所述装置包括：
获取模块，用于获取预设时间段内所述流域的河流健康的多个评价指标的指标数据；
确定模块，用于根据每个评价指标的指标数据确定其取值的可能度函数分布；
第一计算模块，用于根据每个评价指标取值的可能度函数分布，计算每个评价指标对应的信息熵值；
修正模块，用于利用预设修正算法对所述信息熵值进行修正，以得到修正后的信息熵值；
第二计算模块，用于根据各个评价指标的修正后的信息熵值和评价指标的数目进行计算，得到该评价指标对应的信息熵权重；
第三计算模块，用于根据各个评价指标的修正后的信息熵值和对应的信息熵权重，计算所述流域的河流健康指数；
评价模块，用于对所述河流健康指数进行分析，以评价所述流域的河流健康发展趋势。
根据本公开实施例的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述指令被处理器执行时实现如第一方面的实施例中任一项所述方法的步骤。
进一步可以理解的是，本公开中“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B 这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
进一步可以理解的是，术语“第一”、“第二”等用于描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开，并不表示特定的顺序或者重要程度。实际上，“第一”、“第二”等表述完全可以互换使用。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。
进一步可以理解的是，本公开实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种以流域为基础的河流健康评价方法，其特征在于，所述方法包括：
获取预设时间段内所述流域的河流健康的多个评价指标的指标数据；
根据每个评价指标的指标数据确定其取值的可能度函数分布；
根据每个评价指标取值的可能度函数分布，计算每个评价指标对应的信息熵值；
利用预设修正算法对所述信息熵值进行修正，以得到修正后的信息熵值；
根据各个评价指标的修正后的信息熵值和评价指标的数目进行计算，得到该评价指标对应的信息熵权重；
根据各个评价指标的修正后的信息熵值和对应的信息熵权重，计算所述流域的河流健康指数；
对所述河流健康指数进行分析，以评价所述流域的河流健康发展趋势。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述河流健康的评价指标包括以下至少一项：
年降水量、总水量、来沙量、主河槽过洪能力、总冲淤量和来水来沙协调度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据每个评价指标的指标数据确定其取值的可能度函数分布，包括：
确定各个评价指标发展的标准区间；
计算各个评价指标对与其对应的标准区间内不同标准区间的可能度函数，以确定每个评价指标取值的可能度函数分布。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，采用以下第一计算公式计算所述信息熵值，
Figure FDA0002884276280000011
其中，
Figure FDA0002884276280000021
其中，n表示标准区间的个数，pk代表可能度函数值fk在所有值中的比重，fk表示评价指标K的可能度函数分布，S表示所述信息熵值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设修正算法包括：
Figure FDA0002884276280000024
其中，x代表要修正的目标评价指标取值，S代表所述信息熵值，Si代表所述修正后的信息熵值，xmid代表目标评价指标良和中两个标准的分界值，
Figure FDA0002884276280000025
代表所述分界值的信息熵值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用以下第二计算公式计算所述信息熵权重，
Figure FDA0002884276280000022
其中，wi表示所述信息熵权重，N表示评价指标的数目，Si表示评价指标i的修正后的信息熵值，其中，i＝1,2,…,N。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用以下第三计算公式计算所述流域的河流健康指数，
Figure FDA0002884276280000023
其中，RHI表示所述河流健康指数，wi表示所述信息熵权重，N表示评价指标的数目，Si表示评价指标i的修正后的信息熵值，i＝1,2,…,N。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据预设时间段内的河流健康指数的分析结果，展示所述流域的河流健康发展趋势图。
9.一种以流域为基础的河流健康评价装置，其特征在于，所述装置包括：
获取模块，用于获取预设时间段内所述流域的河流健康的多个评价指标的指标数据；
确定模块，用于根据每个评价指标的指标数据确定其取值的可能度函数分布；
第一计算模块，用于根据每个评价指标取值的可能度函数分布，计算每个评价指标对应的信息熵值；
修正模块，用于利用预设修正算法对所述信息熵值进行修正，以得到修正后的信息熵值；
第二计算模块，用于根据各个评价指标的修正后的信息熵值和评价指标的数目进行计算，得到该评价指标对应的信息熵权重；
第三计算模块，用于根据各个评价指标的修正后的信息熵值和对应的信息熵权重，计算所述流域的河流健康指数；
评价模块，用于对所述河流健康指数进行分析，以评价所述流域的河流健康发展趋势。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，所述指令被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述方法的步骤。
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