CN112819284A - 以流域为基础的生态环境演变评价方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本公开是关于一种以流域为基础的生态环境演变评价方法及装置，方法包括：获取预设时间段内生态环境子系统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；根据各个评价指标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信息熵值和对应的信息熵权重，计算所述生态环境子系统的环境发展指数；对所述环境发展指数进行分析，以确定所述流域的环境发展趋势。通过该技术方案，实现通过熵权分析计算得到生态环境子系统的环境发展指数，从而为流域系统治理的决策提供科学依据。
Description
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生态环境演变评价方法及装置。
背景技术
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。随着社会发展和科学进步，人与自然和谐共生的意识理念逐渐取代了传统的“掠夺”式开发思维，认识、测度当下的生态环境状况，进而回顾、掌握生态环境演变的规律，对生态保护和高质量发展具有重要的现实意义。流域是区域经济社会发展和生态系统的重要空间载体，是一个具有特定的结构和功能、相对独立完整的自然资源-生态环境-人类社会的复杂系统。生态环境子系统是流域巨系统的重要组成部分，其结构功能、格局过程受流域内自然和人为因素的不断影响，呈现出差异化的反馈状态。
目前的流域演变研究多聚焦在水沙、干旱、水文水资源、经济等单一领域或局部特征分析，站在流域巨系统角度进行整体性评价的研究十分有限，跨专业协同、多系统耦合的研究成果较少。
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生态环境演变评价方法及装置，实现通过熵权分析计算得到生态环境子系统的环境发展指数，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生态环境演变评价方法，用于流域巨系统，其中，所述流域的巨系统被划分为河流子系统、生态环境子系统和人类经济子系统，各个子系统中均包括多个评价指标，所述方法具体用于所述生态环境子系统，所述方法包括：
获取预设时间段内生态环境子系统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；
根据各个评价指标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信息熵值和对应的信息熵权重，计算所述生态环境子系统的环境发展指数；
对所述环境发展指数进行分析，以确定所述流域的环境发展趋势。
在一个实施例中，优选地，所述生态环境子系统的发展指标包括以下至少一项：
重要断面生态激流保证率、重要水功能区水质达标率、重要支流水质达到或优于Ⅲ类河长比例、生境质量指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地胁迫指数、黄土高原水土流失治理面积、典型区域湿地面积变化率。
在一个实施例中，优选地，所述重要断面生态基流保证率＝满足生态基流的月份/总评价月份；
所述重要水功能区水质达标率＝水质达标的水功能区个数/水功能区总个数；
所述重要支流水质达到或优于Ⅲ类河长比例＝水质达到或优于Ⅲ类河长/ 总评价河长；
所述生境质量指数IHQ＝Abio×(0.35×林地+0.21×草地+0.28×水域湿地+0.11×耕地+0.04×建设用地+0.01×未利用地)/区域面积，
其中，Abio表示生境质量指数的归一化系数；
所述植被覆盖指数
其中，Aveg表示植被覆盖指数的归一化系数，NDVI表示区域单位面积归一化植被指数；Pi表示5-9月象元NDVI月最大值的均值；n为区域象元数；
所述水网密度指数IWND＝(ArivAriv×河流长度/区域面积+Alak×水域面积 (湖泊、水库、河渠和近海)/区域面积+Ares×水资源量*/区域面积)/3，
其中，Ariv为河流长度的归一化系数，参考值为84.3704083981，Alak为水域面积的归一化系数，参考值为591.7908642005，Ares为水资源量的归一化系数，参考值为86.3869548281，河流长度单位为km，区域、水域面积单位为km2，水资源量单位为百万m3；
所述土地胁迫指数ILS＝Aero×(0.4×重度侵蚀面积+0.2×中度侵蚀面积 +0.2×建设用地面积+0.2×其他土地胁迫)/区域面积，
其中，Aero为土地胁迫指数的归一化系数；
所述黄土高原水土流失治理面积直接引用水利委员会上中游管理局提供的统计数据；
所述典型区域湿地面积变化率RC＝(Si+1-Si)/Si
其中，Si为第i年湿地面积，Si+1为第i+1年湿地面积。
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权重，
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，采用以下第二计算公式计算所述生态环境子系统的环境发展指数值，
其中，EDI表示所述生态环境子系统的环境发展指数值，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的信息熵值， i＝1,2,…,N。
在一个实施例中，优选地，对所述预设时间段内的环境发展指数值进行分析，以确定所述流域的环境发展趋势，包括：
采用三次样条函数法对所述预设时间段内的环境发展指数值进行趋势拟合，以确定所述流域的环境发展趋势，
所述三次样条函数的形式如下：
Si(x)＝a0,i+a1,ix+a2,ix2+a3,ix3
A为常数项，x为变量，i＝2,3,…,n-1
在一个实施例中，优选地，所述方法还包括：
根据各个评价指标的信息熵权重对所有评价指标进行降序排列；
选取排名在前的预设数量的评价指标进行发展趋势的分析，以生成对应的发展趋势图。
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环境发展指数的分析结果，展示所述流域的环境发展趋势图。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种以流域为基础的生态环境演变评价装置，用于流域巨系统，其中，所述流域的巨系统被划分为河流子系统、生态环境子系统和人类经济子系统，各个子系统中均包括多个评价指标，所述装置用于所述生态环境子系统，所述装置包括：
获取模块，用于获取预设时间段内生态环境子系统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；
第二计算模块，用于根据各个评价指标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信息熵值和对应的信息熵权重，计算所述生态环境子系统的环境发展指数；
分析模块，用于对所述环境发展指数进行分析，以确定所述流域的环境发展趋势。
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，以流域的生态环境演变特征为切入点，统计流域预设时间段内的主要生态环境数据，通过熵权分析计算得到流域环境发展指数 (EnvironmentDevelopment Index，EDI)，计量了流域的生态环境演变特征，以为新形势下的流域系统治理决策提供科学依据。
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以流域为基础的生态环境演变评价方法的流程图。
图4是根据一示例性实施例示出的1980～2019年黄河流域生态环境指标熵权变化的示意图。
图5是根据一示例性实施例示出的1980～2019年黄河流域生态环境指标熵权箱线图。
图6是根据一示例性实施例示出的1980～2019年黄河流域EDI演变的趋势图。
图7是根据一示例性实施例示出的1980～2019年黄河流域重要断面生态基流保证率的示意图。
图8是根据一示例性实施例示出的1980～2019年黄河流域各省及全流域植被覆盖指数年变化率的示意图。
图9是根据一示例性实施例示出的1980～2019年黄河流域各省及全流域生境质量指数年变化率的示意图。
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可持续发展。另外，黄河是我国西北、华北地区的重要水源，水资源开发利用关系着国家经济安全、能源安全、粮食安全和西北、华北地区经济社会的可持续发展。
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。积极开展流域保护和治理，解决好群众关心的防洪、饮水、生态等问题，对于维护社会稳定、促进民族团结具有重要意义。
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，黄河流域在我国经济社会发展等方面也具有十分重要的地位。SDI(Social Development Index，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以流域为基础的生态环境演变评价方法的流程图。
如图3所示，本发明的以流域为基础的生态环境演变评价方法具体用于所述生态环境子系统，所述方法包括：
步骤S301，获取预设时间段内生态环境子系统的多个评价指标的指标数据；
在一个实施例中，优选地，所述生态环境子系统的发展指标包括以下至少一项：重要断面生态激流保证率、重要水功能区水质达标率、重要支流水质达到或优于Ⅲ类河长比例、生境质量指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地胁迫指数、黄土高原水土流失治理面积、典型区域湿地面积变化率。具体如表1所示。
表1 EDI计算所需指标
在一个实施例中，优选地，所述重要断面生态基流保证率＝满足生态基流的月份/总评价月份。重要断面生态基流保证率是表征生态用水保障程度的指标，值越大，生态用水保障程度越高。重要断面包括黄河干流兰州、花园口、利津3处。
所述重要水功能区水质达标率＝水质达标的水功能区个数/水功能区总个数；重要水功能区水质达标率是区域尺度表征水质优劣的指标，值越大，水质越优。
所述重要支流水质达到或优于Ⅲ类河长比例＝水质达到或优于Ⅲ类河长/ 总评价河长；该指标是河流尺度表征水质优劣的指标，值越大，水质越优。以黄河为例，黄河的重要支流包括：大夏河、洮河、湟水、大通河、汾河、渭河、北洛河、泾河、伊洛河、沁河、东平湖。
所述生境质量指数IHQ＝Abio×(0.35×林地+0.21×草地+0.28×水域湿地 +0.11×耕地+0.04×建设用地+0.01×未利用地)/区域面积，生境质量指数评价区域内生物栖息地质量，利用单位面积上不同生态系统类型在生物物种数量上的差异表示。
其中，Abio表示生境质量指数的归一化系数；
所述植被覆盖指数
其中，Aveg表示植被覆盖指数的归一化系数，NDVI表示区域单位面积归一化植被指数；Pi表示5-9月象元NDVI月最大值的均值；n为区域象元数。
所述水网密度指数IWND＝(ArivAriv×河流长度/区域面积+Alak×水域面积 (湖泊、水库、河渠和近海)/区域面积+Ares×水资源量*/区域面积)/3，
其中，Ariv为河流长度的归一化系数，参考值为84.3704083981，Alak为水域面积的归一化系数，参考值为591.7908642005，Ares为水资源量的归一化系数，参考值为86.3869548281，河流长度单位为km，区域、水域面积单位为km2，水资源量单位为百万m3；水网密度指数评价区域内水的丰富程度，利用评价区域内单位面积河流总长度、水域面积和水资源量表示。
土地胁迫指数评价区域内土地质量遭受胁迫的程度，利用区域内单位面积上水土流失、土地沙化、土地开发等胁迫类型面积表示。
所述土地胁迫指数ILS＝Aero×(0.4×重度侵蚀面积+0.2×中度侵蚀面积 +0.2×建设用地面积+0.2×其他土地胁迫)/区域面积，
其中，Aero为土地胁迫指数的归一化系数；
所述黄土高原水土流失治理面积直接引用水利委员会上中游管理局提供的统计数据；
所述典型区域湿地面积变化率RC＝(Si+1-Si)/Si
其中，Si为第i年湿地面积，Si+1为第i+1年湿地面积。
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；
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；
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。利用熵权分析方法计算指标权重可以减少主观判断、固有经验、随机事件等的干扰。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，对系统指标的综合评价提供依据，与传统恒定人为赋权相比具动态性和系统性。
步骤S304，根据各个评价指标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；
步骤S305，根据各个评价指标的信息熵值和对应的信息熵权重，计算所述生态环境子系统的环境发展指数；
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权重，
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的信息熵值，其中，i＝1,2,…,N。
利用各指标的熵值和权重，经过加权求和，可以计算得出流域生态环境子系统的总熵值，如下公式所示：
步骤S306，对所述环境发展指数进行分析，以确定所述流域的环境发展趋势。
在一个实施例中，优选地，采用以下第二计算公式计算所述生态环境子系统的环境发展指数值，
其中，EDI表示所述生态环境子系统的环境发展指数值，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的信息熵值，i＝1,2,…,N。
环境发展指数是流域发展指数体系的重要指标，是生态环境子系统作为流域巨系统有机组成的关键内核之一。EDI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。
在一个实施例中，优选地，对所述环境发展指数值进行分析，以确定所述流域的环境发展趋势，包括：
采用三次样条函数法对所述预设时间段内的环境发展指数值进行趋势拟合，以确定所述流域的环境发展趋势，
所述三次样条函数的形式如下：
Si(x)＝a0,i+a1,ix+a2,ix2+a3,ix3
A为常数项，x为变量，i＝2,3,…,n-1
三次样条函数法是指将实测点坐标光滑连接，得到平顺趋势曲线的方法。本发明采用三次样条函数法对1980～2019年黄河流域生态环境子系统EDI 进行趋势拟合。已有实测点x，y坐标，在原测量点处仍保持原测量值，曲线内所有测点(除两端点外)的一阶导数和二阶导数连续，如下式所示：
S′i(xi-0)＝S′i+1(xi+0)
S″i(xi-0)＝S″i+1(xi+0)
i＝2,3,…,n-1
将原测点的函数值、一阶导数、二阶导数求出后，根据需要，可以在两测量点之间插值计算无限个的函数值、一阶导数和二阶导数。给定一个区间 (闭合区间)为[a,b]，共有n个测点(n-1段)，即：a＝x1<x2<x3…<xn-1<xn＝b，其内部的三次样条函数为
其中
为闭合区间[a,b]。约束条件如下：
内点条件
S(xi)＝yi
i＝2,3,…,n-1
边界条件
S(xi)＝yi
S′(xi)＝y′i
i＝1,n
三次样条函数的形式如下：
Si(x)＝a0,i+a1,ix+a2,ix2+a3,ix3
i＝2,3,…,n-1
可见，三次样条函数法可保证插值曲线曲率(近似于曲线的二阶导数) 线性变化，从而防止曲线发生突变而造成插值的不确定性。
在一个实施例中，优选地，所述方法还包括：
根据各个评价指标的信息熵权重对所有评价指标进行降序排列；
选取排名在前的预设数量的评价指标进行发展趋势的分析，以生成对应的发展趋势图。
在该实施例中，可以选用主要特征指标进行分析，如选取排名靠前的3 项的生态环境指标进行分析。
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环境发展指数的分析结果，展示所述流域的环境发展趋势图。
在该实施例中，在分析得到分析结果后，还可以展示流域的环境发展趋势图，从而便于用户查看。
下面以本发明的上述技术方案分析1980～2019年黄河流域的生态环境发展趋势为例，详细说明上述技术方案。
图4为10项指标的熵权值，每年的各项指标熵权值和为1。与传统专家打分等权重指标体系方法不同，本发明计算的黄河流域生态环境子系统的指标的权存在随时间序列的动态变化，说明不同指标对子系统状态的影响程度在不同时间存在差异。按照本发明的上述计算方式，计算得到：重要断面生态基流保证率熵权均值为0.1390，其随时间变化整体呈“下降-上升”趋势，水网密度熵权变化趋势与之相似。生境质量指数熵权均值为0.1222，整体呈平缓下降趋势；植被覆盖度指数熵权均值为0.1249，整体呈平缓上升趋势；重要水功能区水质达标率熵权均值为0.0919，整体呈现出一定的波动性。重要支流水质达到或优于Ⅲ类河长比例、土地胁迫指数、黄土高原水土流失治理面积、典型区域湿地面积变化率4项指标熵权在21世纪初至今时间段的趋势相对一致，均为先减后增。
图5为10项指标熵权箱线图，用以解析数据分布和整体状态。箱体内部的实线为中位数，叉为平均值。整体的指标权重排名为：重要断面生态基流保障率、植被覆盖度、生境质量指数、黄土高原水土流失治理面积、土地胁迫指数、水网密度指数、重要支流水质达到或优于Ⅲ类河长比例、典型区域湿地面积增长率、重要水功能区水质达标率和万元工业增加值用水量。其中，重要断面生态基流保证率熵权存在一个异常值，为1997年的0.0553。各项指标在每年熵权结构中排名第一的有3项，分别是重要断面生态基流保障率，生境质量指数和植被覆盖指数，出现率分别为57.5％、32.5％和10.0％。每年熵权结构中排名第二的有4项，分别是植被覆盖指数、生境质量指数、重要断面生态基流保障率和水网密度指数，出现率分别为45.0％、27.5％、25.0％和2.5％。
图6为黄河流域1980～2020年EDI演变情况。近40年，黄河流域EDI 的平均值为64.23，最大值为76.60(2019年)，最小值为56.64(1981年)。流域EDI总体呈现“稳定-增长”的变化趋势，2003年显著增长，之后EDI 持续上升。
自上世纪60年代，黄土高原水土流失治理工程、“三北”防护林工程逐步实施，黄河三角洲、乌梁素海等重要自然保护区相继建立，流域生态保护和治理不断推进，促进了流域局部生态环境的好转，但保护和治理力度有限，系统性不足。1980～2002年EDI均值60.54，低于全时段均值64.40，流域整体生态环境状况处于相对较低的水平。1980～2002年，植被覆盖指数及生境质量指数作为影响EDI的重要指标，变化较为稳定(图8、图9)，而重要断面生态基流保障率变化较为波动(图7)。
2003年后，随着黄河水量统一调度、生态文明建设、污染防治攻坚战等系统性更强的政策措施，以及退耕护岸林工程、天然林保护工程和小浪底工程等关键工程实施的实施，同时考虑黄土高源水土流失治理工程、“三北”防护林工程、自然保护区建设等生态工程的后效性，多重因素综合推动了黄河流域生态环境质量的整体改善，EDI值显著上升并持续增长。重要断面生态基流保障率在2002年后，逐渐趋于平稳，并且相对稳定的保持在100％的保障率。2003年及之后的流域植被覆盖指数较1980～2002年有较大增长， 2019年较2002年的增幅达到21.26％，且正增长频度显著高于负增长。
基于上述熵权和EDI分析，选取综合熵权排名前3项的生态环境指标进行分析。
(1)重要断面生态基流保障率
图7为黄河干流兰州、花园口和利津断面1980～2009年生态基流保证率变化情况。由图7可知，黄河干流上游生态水量较充足，在兰州断面的生态基流保证率均为100％，为兰州鲇等重要土著保护鱼类提供了基本的栖息环境。花园口、利津均位于黄河下游，这里是黄河鲤等鱼类重要的栖息河道。可以看到花园口、利津生态流量在1980～2003年间存在显著缺口，特别是最下游的利津断面，个别年份生态基流保证率不足30％，有7年时间甚至低于花园口断面历史保证率最低值。随着黄河水量统一调度、小浪底调水调沙等的实施，特别是流域上中游地区水源涵养不断加强、水资源利用不断集约节约，从2004年至今，3个主要断面的生态基流保证率几乎全部达到100％。该指标的演化趋势直接体现了黄河干流生态水量的系统性改善，表征了流域生态环境子系统状况在持续向好发展。
(2)植被覆盖度指数
图8为黄河流域及域内各省范围植被覆盖指数变化率。1980～2009年全流域植被覆盖度总体呈增长趋势，仅有8年为下降，其他年份均为增长，总体年均增长率0.91％。其中，内蒙古、山西、陕西三省的植被覆盖状况改善显著，年均增长率分别为1.69％、1.65％和1.47％，显著高于其他省；宁夏、甘肃年植被覆盖指数年均增长率分别为1.29％、1.17％，高于流域均值。说明相关省份在水土流失治理和林草保护与修复方面的工作效果显著。
(3)生境质量指数
图9为黄河流域及域内各省范围生境质量指数变化率。1980～2009年全流域生境质量总体稳定，存在缓慢的波动变化，年均变化率不足0.1％，说明随着区域经济社会的不断发展，特别是城镇化、农业规模化等对自然生境的挤压，流域内生境质量总体稳定，重要野生动植物栖息地和生境得到了有效保护和修复。各省生境质量变化存在差异。变幅最显著的是内蒙古，初期波动较大，之后逐渐放缓，说明生境质量下降的趋势在逐渐遏制，这可能与内蒙古黄河流域地区退耕还林还草还湿系统工程的成效开始显现有关。河南黄河流域多为大堤内滩区范围，生境质量存在阶段性下降，但2006年之后已呈上升趋势，随着黄河下游滩区综合提升和生态廊道建设，生境质量有望进一步改善。
综上，本发明构建了用于评价流域生态环境子系统综合质量和发展水平的指数EDI。EDI描述的核心要素特征综合作用于流域生态环境子系统，其变化趋势即为系统状况动态。黄河流域1980～2019年EDI总体呈现“稳定- 增长”的变化趋势，2003年显著增长，之后EDI持续上升。说明经过多年的保护与治理，流域生态环境负反馈效应正在显现，系统逐步由混乱无序向稳定有序发展，黄河流域生态环境整体向好。
黄河流域生态环境子系统各项指标的熵权变化存在随时间序列的动态变化。单一年度的指标权重结构随时间变化不断调整，各项指标在系统中的重要性非恒定。EDI指标权重综合排序为：重要断面生态基流保障率、植被覆盖度、生境质量指数、黄土高原水土流失治理面积、土地胁迫指数、水网密度指数、重要支流水质达到或优于Ⅲ类河长比例、典型区域湿地面积增长率、重要水功能区水质达标率和万元工业增加值用水量。
重要断面生态基流保障率、生境质量指数、植被覆盖度指数等指标变化的规律呈现一定的时空差异。近40年时间内，黄河干流生态水量由下游断面难以保证逐步变化为全段保证率100％，植被覆盖度持续增加，生境质量总体稳定，均表征了黄河流域生态环境子系统状况在持续向好发展。
本发明对流域环境演变指数EDI进行了定量解析，对流域综合评价具有重要的支撑意义，可以为后续研究和流域管理提供科学依据。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种以流域为基础的生态环境演变评价装置，用于流域巨系统，其中，所述流域的巨系统被划分为河流子系统、生态环境子系统和人类经济子系统，各个子系统中均包括多个评价指标，所述装置用于所述生态环境子系统，所述装置包括：
获取模块，用于获取预设时间段内生态环境子系统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；
第二计算模块，用于根据各个评价指标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信息熵值和对应的信息熵权重，计算所述生态环境子系统的环境发展指数；
分析模块，用于对所述环境发展指数进行分析，以确定所述流域的环境发展趋势。
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生态环境演变评价方法，其特征在于，用于流域巨系统，其中，所述流域的巨系统被划分为河流子系统、生态环境子系统和人类经济子系统，各个子系统中均包括多个评价指标，所述方法用于所述生态环境子系统，所述方法包括：
获取预设时间段内生态环境子系统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；
根据各个评价指标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信息熵值和对应的信息熵权重，计算所述生态环境子系统的环境发展指数；
对所述环境发展指数进行分析，以确定所述流域的环境发展趋势。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生态环境子系统的发展指标包括以下至少一项：
重要断面生态激流保证率、重要水功能区水质达标率、重要支流水质达到或优于Ⅲ类河长比例、生境质量指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地胁迫指数、黄土高原水土流失治理面积、典型区域湿地面积变化率。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述重要断面生态基流保证率＝满足生态基流的月份/总评价月份；
所述重要水功能区水质达标率＝水质达标的水功能区个数/水功能区总个数；
所述重要支流水质达到或优于Ⅲ类河长比例＝水质达到或优于Ⅲ类河长/总评价河长；
所述生境质量指数IHQ＝Abio×(0.35×林地+0.21×草地+0.28×水域湿地+0.11×耕地+0.04×建设用地+0.01×未利用地)/区域面积，
其中，Abio表示生境质量指数的归一化系数；
其中，Aveg表示植被覆盖指数的归一化系数，NDVI表示区域单位面积归一化植被指数；Pi表示5-9月象元NDVI月最大值的均值；n表示区域象元数；
所述水网密度指数IWND＝(ArivAriv×河流长度/区域面积+Alak×水域面积(湖泊、水库、河渠和近海)/区域面积+Ares×水资源量*/区域面积)/3，
其中，Ariv为河流长度的归一化系数，参考值为84.3704083981，Alak为水域面积的归一化系数，参考值为591.7908642005，Ares为水资源量的归一化系数，参考值为86.3869548281，河流长度单位为km，区域、水域面积单位为km2，水资源量单位为百万m3；
所述土地胁迫指数ILS＝Aero×(0.4×重度侵蚀面积+0.2×中度侵蚀面积+0.2×建设用地面积+0.2×其他土地胁迫)/区域面积，
其中，Aero为土地胁迫指数的归一化系数；
所述黄土高原水土流失治理面积直接引用水利委员会上中游管理局提供的统计数据；
所述典型区域湿地面积变化率RC＝(Si+1-Si)/Si
其中，Si为第i年湿地面积，Si+1为第i+1年湿地面积。
4.根据权利要求1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权重，
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的信息熵值，其中，i＝1，2，...，N。
5.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生态环境子系统的环境发展指数值，
其中，EDI表示所述生态环境子系统的环境发展指数值，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的信息熵值，i＝1,2,…,N。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述预设时间段内的环境发展指数值进行分析，以确定所述流域的环境发展趋势，包括：
采用三次样条函数法对所述预设时间段内的环境发展指数值进行趋势拟合，以确定所述流域的环境发展趋势。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据各个评价指标的信息熵权重对所有评价指标进行降序排列；
选取排名在前的预设数量的评价指标进行发展趋势的分析，以生成对应的发展趋势图。
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环境发展指数的分析结果，展示所述流域的环境发展趋势图。
9.一种以流域为基础的生态环境演变评价装置，其特征在于，用于流域巨系统，其中，所述流域的巨系统被划分为河流子系统、生态环境子系统和人类经济子系统，各个子系统中均包括多个评价指标，所述装置用于所述生态环境子系统，所述装置包括：
获取模块，用于获取预设时间段内生态环境子系统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；
第二计算模块，用于根据各个评价指标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信息熵值和对应的信息熵权重，计算所述生态环境子系统的环境发展指数；
分析模块，用于对所述环境发展指数进行分析，以确定所述流域的环境发展趋势。
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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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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