CN114626771B - 一种城市区域水生态状态反应器构建方法、装置及反应器 - Google Patents

一种城市区域水生态状态反应器构建方法、装置及反应器 Download PDF

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CN114626771B CN202210536451.1A CN202210536451A CN114626771B CN 114626771 B CN114626771 B CN 114626771B CN 202210536451 A CN202210536451 A CN 202210536451A CN 114626771 B CN114626771 B CN 114626771B
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Abstract

本发明涉及水生态质量评价技术领域，公开了一种城市区域水生态状态反应器构建方法、装置及反应器。本发明根据目标城市区域的各水生态状态指数对应的指标数据确定重要指标，基于重要指标的标准化值和权重计算各水生态状态指数的水生态状态得分值，根据所面临的水生态风险确定多个驱动因子并计算各驱动因子的标准化值，进而利用多元线性逐步回归建立各水生态状态指数与驱动因子的回归方程，通过显著性检验筛选出对各水生态状态指数产生显著影响的驱动因子，最后构建以驱动因子为输入、以水生状态综合指数为输出的目标城市区域水生状态反应器。本发明解决了目前水生态状态反应器评价指标单一、灵活性低，不适用于快速城市化区域的技术问题。

Description

一种城市区域水生态状态反应器构建方法、装置及反应器
技术领域
本发明涉及水生态质量评价技术领域，尤其涉及一种城市区域水生态状态反应器构建方法、装置及反应器。
背景技术
在全球范围内，环境变化与人类活动影响均造成了地区水资源、水环境及水生态的剧烈变化，不同驱动因子的选取及对生态的响应机制成为研究热点。驱动因子主要分为特定压力和多重压力。特定压力的应用是以存在明显的压力-响应关系为基础，例如导致湖泊富营养化的营养物质（如磷或氮浓度）、湖泊河流的PH值、有机污染的生化需氧量（BOD）和沉积物有机物含量等方面。研究单一特定压力对生态的响应有较多局限性，忽略了其他因素可能产生的影响，因此大多数情况下，需要研究多重压力对生态系统的共同影响。
目前对于水生态状态的研究，在驱动因子方面仅考虑自然层面上的影响，并未考虑快速城市化和高密度产业人口对水安全的敏感性，而且水生态状态评价指标多只集中于水质理化指标或水生态健康等某一方面，不足以全面代表所研究区域的水生态状态。
此外，大多数的水生态状态反应器只适合于在不变的驱动因子的条件下对某个特定的区域进行水生态状态评估。当驱动因子发生变更，或者所研究城市区域发生改变，这些反应器并不能完全适用，灵活性低。
发明内容
本发明提供了一种城市区域水生态状态反应器构建方法、装置及反应器，构建的城市区域水生态状态反应器可计算不同驱动因子下城市区域的水生态状态综合指数，能够快速确定城市区域水生态状态对内外环境变化的响应程度，解决了目前水生态状态反应器评价指标单一、灵活性低，不适用于快速城市化区域的技术问题。
本发明第一方面提供一种城市区域水生态状态反应器构建方法，包括：
确定目标城市区域的各水生态状态指数及对应的指标集，采集各所述指标集的指标数据；
根据所述指标数据筛选出重要指标，计算各所述重要指标的标准化值和权重，根据得到的标准化值和权重计算各水生态状态指数的水生态状态得分值；
根据所述目标城市区域所面临的水生态风险确定多个驱动因子，并对各所述驱动因子进行标准化处理，得到各所述驱动因子的标准化值；
根据各所述驱动因子的标准化值和各水生态状态指数的水生态状态得分值，利用多元线性逐步回归建立各水生态状态指数与驱动因子的回归方程，对建立的各回归方程进行总体显著性检验和回归系数显著性检验，根据得到的检验结果，从各驱动因子中筛选出对各水生态状态指数产生显著影响的驱动因子；
建立各所述水生态状态指数对筛选出的驱动因子的响应方程，根据所述响应方程和各所述水生态状态指数的权重，构建以驱动因子为输入、以水生状态综合指数为输出的目标城市区域水生状态反应器。
根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述确定目标城市区域的各水生态状态指数及对应的指标集，包括：
确定目标城市区域范围内的各水生态状态指数包括水生物指数、水生境指数、水质指数和/或水安全指数。
根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述根据所述指标数据筛选出重要指标，包括：
采用主成分分析法对所述指标数据进行分析，根据得到的主成分分析结果对各所述指标集中的指标进行筛选，确定重要指标。
根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述计算各所述重要指标的标准化值和权重，包括：
根据主成分特征值、方差贡献率和因子载荷系数计算对应重要指标的权重。
根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述计算各所述重要指标的标准化值和权重，包括：
对各重要指标的数据进行划分，得到正向指标数据和逆向指标数据；
按照正向指标标准化公式对所述正向指标数据进行标准化处理，得到对应重要指标的标准化值；
按照逆向指标标准化公式对所述逆向指标数据进行标准化处理，得到对应重要指标的标准化值。
根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述计算各所述重要指标的标准化值和权重，还包括：
设置所述正向指标标准化公式为：
Figure 779240DEST_PATH_IMAGE001
设置所述逆向指标标准化公式为：
Figure 535843DEST_PATH_IMAGE002
式中，
Figure 187404DEST_PATH_IMAGE003
表示对重要指标数据
Figure 295038DEST_PATH_IMAGE004
进行标准化处理后得到的标准化值，
Figure 254029DEST_PATH_IMAGE005
为指标
Figure 802822DEST_PATH_IMAGE006
所属标准范围的最小值,
Figure 953180DEST_PATH_IMAGE007
为指标
Figure 282530DEST_PATH_IMAGE004
所属标准范围的最大值。
根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述根据所述目标城市区域所面临的水生态风险确定多个驱动因子，包括：
确定驱动因子包括水生态环境变化因子和城市化综合指数，所述水生态环境变化因子包括目标城市区域范围内各水域的平均年径流量、下游潮位、下游盐度、污染物浓度和/或水域间的分流比，所述城市化综合指数包括目标城市区域范围内的人口密度、人均GDP、工业废水排放量、生活污水排放量、工业固体废物产生量和/或水域面积。
本发明第二方面提供一种城市区域水生态状态反应器构建装置，其特征在于，包括：
采集模块，用于确定目标城市区域的各水生态状态指数及对应的指标集，采集各所述指标集的指标数据；
水生态状态指数计算模块，用于根据所述指标数据筛选出重要指标，计算各所述重要指标的标准化值和权重，根据得到的标准化值和权重计算各水生态状态指数的水生态状态得分值；
驱动因子处理模块，用于根据所述目标城市区域所面临的水生态风险确定多个驱动因子，并对各所述驱动因子进行标准化处理，得到各所述驱动因子的标准化值；
驱动因子筛选模块，用于根据各所述驱动因子的标准化值和各水生态状态指数的水生态状态得分值，利用多元线性逐步回归建立各水生态状态指数与驱动因子的回归方程，对建立的各回归方程进行总体显著性检验和回归系数显著性检验，根据得到的检验结果，从各驱动因子中筛选出对各水生态状态指数产生显著影响的驱动因子；
反应器构建模块，用于建立各所述水生态状态指数对筛选出的驱动因子的响应方程，根据所述响应方程和各所述水生态状态指数的权重，构建以驱动因子为输入、以水生状态综合指数为输出的目标城市区域水生状态反应器。
根据本发明第二方面的一种能够实现的方式，所述采集模块包括：
指数确定单元，用于确定目标城市区域范围内的各水生态状态指数包括水生物指数、水生境指数、水质指数和/或水安全指数。
根据本发明第二方面的一种能够实现的方式，所述水生态状态指数计算模块包括：
指标筛选单元，用于采用主成分分析法对所述指标数据进行分析，根据得到的主成分分析结果对各所述指标集中的指标进行筛选，确定重要指标。
根据本发明第二方面的一种能够实现的方式，所述水生态状态指数计算模块包括：
指标权重计算单元，用于根据主成分特征值、方差贡献率和因子载荷系数计算对应重要指标的权重。
根据本发明第二方面的一种能够实现的方式，所述水生态状态指数计算模块包括：
指标数据划分单元，用于对各重要指标的数据进行划分，得到正向指标数据和逆向指标数据；
第一标准化处理单元，用于按照正向指标标准化公式对所述正向指标数据进行标准化处理，得到对应重要指标的标准化值；
第二标准化处理单元，用于按照逆向指标标准化公式对所述逆向指标数据进行标准化处理，得到对应重要指标的标准化值。
根据本发明第二方面的一种能够实现的方式，所述水生态状态指数计算模块还包括：
第一标准化公式设置单元，用于设置所述正向指标标准化公式为：
Figure 481431DEST_PATH_IMAGE001
第二标准化公式设置单元，用于设置所述逆向指标标准化公式为：
Figure 947047DEST_PATH_IMAGE002
式中，
Figure 769772DEST_PATH_IMAGE003
表示对重要指标数据
Figure 586418DEST_PATH_IMAGE004
进行标准化处理后得到的标准化值，
Figure 323430DEST_PATH_IMAGE005
为指标
Figure 909132DEST_PATH_IMAGE006
所属标准范围的最小值,
Figure 401293DEST_PATH_IMAGE007
为指标
Figure 377339DEST_PATH_IMAGE004
所属标准范围的最大值。
根据本发明第二方面的一种能够实现的方式，所述驱动因子处理模块包括：
驱动因子确定单元，用于确定驱动因子包括水生态环境变化因子和城市化综合指数，所述水生态环境变化因子包括目标城市区域范围内各水域的平均年径流量、下游潮位、下游盐度、污染物浓度和/或水域间的分流比，所述城市化综合指数包括目标城市区域范围内的人口密度、人均GDP、工业废水排放量、生活污水排放量、工业固体废物产生量和/或水域面积。
本发明第三方面提供了一种城市区域水生态状态反应器构建装置，包括：
存储器，用于存储指令；其中，所述指令用于实现如上任意一项能够实现的方式所述的城市区域水生态状态反应器构建方法；
处理器，用于执行所述存储器中的指令。
本发明第四方面一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任意一项能够实现的方式所述的城市区域水生态状态反应器构建方法。
本发明第五方面提供了一种城市区域水生态状态反应器，其特征在于，所述城市区域水生态状态反应器采用如上任意一项能够实现的方式所述的城市区域水生态状态反应器构建方法获得。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明根据目标城市区域的各水生态状态指数对应的指标数据确定重要指标，并计算各重要指标的标准化值和权重，以用于计算各水生态状态指数的水生态状态得分值，根据目标城市区域所面临的水生态风险确定多个驱动因子并计算各驱动因子的标准化值，进而根据计算到的数据，利用多元线性逐步回归建立各水生态状态指数与驱动因子的回归方程，对各回归方程进行显著性检验，以筛选出对各水生态状态指数产生显著影响的驱动因子，以筛选出的驱动因子为基础，构建以驱动因子为输入、以水生状态综合指数为输出的目标城市区域水生状态反应器；本发明构建的城市区域水生态状态反应器可计算不同驱动因子下城市区域的水生态状态综合指数，能够快速确定城市区域水生态状态对内外环境变化的响应程度，解决了目前水生态状态反应器评价指标单一、灵活性低，不适用于快速城市化区域的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明一个可选实施例提供的一种城市区域水生态状态反应器构建方法的流程图；
图2为本发明一个可选实施例提供的一种城市区域水生态状态反应器构建装置的原理框图。
附图标记：
1- 采集模块；2-水生态状态指数计算模块；3-驱动因子处理模块；4-驱动因子筛选模块；5-反应器构建模块。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种城市区域水生态状态反应器构建方法、装置及反应器，用于解决目前水生态状态反应器评价指标单一、灵活性低，不适用于快速城市化区域的技术问题。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种城市区域水生态状态反应器构建方法。
请参阅图1，图1示出了本发明实施例提供的一种城市区域水生态状态反应器构建方法的流程图。
本发明实施例提供的一种城市区域水生态状态反应器构建方法，包括：
步骤S1，确定目标城市区域的各水生态状态指数及对应的指标集，采集各所述指标集的指标数据。
执行步骤S1时，可以以城市区域的水生态现状以及面临的水生态风险为参考，采用层次分析法，分别从准则层和指标层进行指标初选，构建以目标城市区域水生态状态综合指数为目标层的体系。结合目标城市区域所面临的水生态风险，考虑指标简明性和易获得性，本实施例于准则层构建多个水生态状态指数。
作为一种能够实现的方式，确定目标城市区域范围内的各水生态状态指数包括水生物指数、水生境指数、水质指数和水安全指数。
对于指标集，具体地，可以选取多个用于反应各水生态状态指数的指标构建指标集。例如，可以选取河口浮游植物密度、浮游植物多样性、浮游动物密度、浮游动物多样性、大型底栖动物密度、大型底栖动物多样性和目标城市初级生产力（NPP）作为反映目标城市区域的水生物指数的指标。
具体地，可以选用目标城市区域自然湿地面积变化率、城镇建设用地比例和植被覆盖度三个指标作为反映水生境指数的指标。
具体地，水质指数根据境内主要河流断面的监测数据综合反映，因此，可以选取溶解氧（DO）、高猛酸盐指数（KMnO4）、化学需氧量（CODcr）、生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH4-N）、总磷（TP）和总氮（TN）等作为反映水质指数的指标。
具体地，可以选取目标城市区域人均水资源量、地级以上城市集中式饮用水水源水质达标率（此处指达到II类标准及以上的达标率）、城市污水处理率、城镇居民生活人均用水量和含氯度超标天数等作为反映水安全指数的指标。
步骤S2，根据所述指标数据筛选出重要指标，计算各所述重要指标的标准化值和权重，根据得到的标准化值和权重计算各水生态状态指数的水生态状态得分值。
其中，可以使用主成分分析、因子分析法、灰色聚类法和/或Spearman相关性分析对指标进行筛选。
在一种能够实现的方式中，所述根据所述指标数据筛选出重要指标，包括：
采用主成分分析法对所述指标数据进行分析，根据得到的主成分分析结果对各所述指标集中的指标进行筛选，确定重要指标。
其中，由于各指标的单位不同，不便于统一分析，在进行筛选前，为消除指标间量纲不同带来的影响，需要将指标的原始数据进行归一化处理，便于不同指标间进行运算对比。
作为一种具体的实施方式，根据得到的主成分分析结果对各所述指标集中的指标进行筛选时，可以根据主成分分析结果保留载荷绝对值大于0.75的指标。
本发明实施例中，通过采用主成分分析法对所述指标数据进行分析，根据得到的主成分分析结果筛选出重要指标，可以适用于数据集样本较少且变量间不满足正态分布的情况，有效完成指标的筛选。
作为另一种能够实现的方式，可以结合主成分分析和Spearman相关性分析对指标进行筛选。具体的实现方式为：对各个水生态状态指数所含指标进行标准化；利用主成分分析法得到水生态状态指数所包含的指标集对水生态状态的贡献率，按累计方差超过90%的原则提取主成分个数；对指标进行最大方差旋转，得到因子载荷矩阵，保留载荷值大于0.75的指标进行第二次筛选；对余下指标进行Spearman相关性分析，将相关性系数大于0.95的指标进行取舍，得到重要指标。
本发明实施例中，可以适用于数据集样本较少且变量间不满足正态分布的情况，有效完成指标的筛选。
在一种能够实现的方式中，所述计算各所述重要指标的标准化值和权重，包括：
根据主成分特征值、方差贡献率和因子载荷系数计算对应重要指标的权重。
具体地，计算对应重要指标的权重的实施方式包括：
提取主成分特征值，结合所述主成分特征值和各指标的因子载荷系数计算指标主成分系数，计算公式如下：
Figure 481824DEST_PATH_IMAGE008
式中，
Figure 187612DEST_PATH_IMAGE009
为指标
Figure 522778DEST_PATH_IMAGE006
对应的主成分系数；
Figure 314017DEST_PATH_IMAGE010
为指标
Figure 455148DEST_PATH_IMAGE006
的因子荷载系数；
Figure 516907DEST_PATH_IMAGE011
为指标
Figure 22975DEST_PATH_IMAGE006
的主成分特征值；
计算指标综合系数：
Figure 301509DEST_PATH_IMAGE012
式中，
Figure 184015DEST_PATH_IMAGE013
为计算的指标
Figure 598816DEST_PATH_IMAGE006
的综合指数,
Figure 603681DEST_PATH_IMAGE014
为指标
Figure 41615DEST_PATH_IMAGE006
的第
Figure 26014DEST_PATH_IMAGE015
个主成分的方差贡献率,
Figure 560901DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 408771DEST_PATH_IMAGE017
为指标
Figure 396318DEST_PATH_IMAGE006
的主成分数量；
计算指标归一化权重：
Figure 682943DEST_PATH_IMAGE018
式中，
Figure 10019DEST_PATH_IMAGE019
为指标
Figure 858152DEST_PATH_IMAGE006
的权重，
Figure 332996DEST_PATH_IMAGE020
表示指标
Figure 95415DEST_PATH_IMAGE006
对应的水生态状态指数所包含指标的综合指数的总和。
进一步地，可以根据得到的标准化值和权重计算各水生态状态指数的水生态状态得分值：
Figure 339315DEST_PATH_IMAGE021
式中，
Figure 856884DEST_PATH_IMAGE022
为水生态状态指数，
Figure 756707DEST_PATH_IMAGE019
为指标权重；
Figure 886599DEST_PATH_IMAGE023
为标准化处理后的指标值,
Figure 985005DEST_PATH_IMAGE024
为水生态状态指数所包含的指标数量。
由上述实施方式可知，
Figure 611158DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 60594DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 227134DEST_PATH_IMAGE023
的范围区间均在0到1之间。
水生态状态指数旨在对目标城市区域的水生态健康状态进行量化，可以按0~1区间标准化分为很健康、健康、亚健康、不健康、病态五个等级。例如，可以按照下表设置每个等级对应的水生态状态指数范围：
表1
Figure 383308DEST_PATH_IMAGE025
通过
Figure 732426DEST_PATH_IMAGE022
的具体值，可以确定目标城市区域中对应水生态状态指数水的生态健康状态处于何种等级。
在一种能够实现的方式中，计算各所述重要指标的标准化值时，包括：
对各重要指标的数据进行划分，得到正向指标数据和逆向指标数据；
按照正向指标标准化公式对所述正向指标数据进行标准化处理，得到对应重要指标的标准化值；
按照逆向指标标准化公式对所述逆向指标数据进行标准化处理，得到对应重要指标的标准化值。
指标数值越大，所代表的水生态状态就越好，这类指标称为正向指标；相反，某些指标数值越大，表明该指标所代表的该区域水生态状态越差，这类指标成为逆向指标。在计算各所述重要指标的标准化值时，本发明实施例，对各重要指标的数据进行划分，得到正向指标数据和逆向指标数据，并分别进行标准化处理，便于不同指标间进行统一分析。
其中，可以设置所述正向指标标准化公式为：
Figure 403579DEST_PATH_IMAGE001
设置所述逆向指标标准化公式为：
Figure 639388DEST_PATH_IMAGE002
式中，
Figure 712386DEST_PATH_IMAGE003
表示对重要指标数据
Figure 244124DEST_PATH_IMAGE004
进行标准化处理后得到的标准化值，
Figure 340256DEST_PATH_IMAGE005
为指标
Figure 848598DEST_PATH_IMAGE006
所属标准范围的最小值,
Figure 41682DEST_PATH_IMAGE007
为指标
Figure 242856DEST_PATH_IMAGE004
所属标准范围的最大值。
步骤S3，根据所述目标城市区域所面临的水生态风险确定多个驱动因子，并对各所述驱动因子进行标准化处理，得到各所述驱动因子的标准化值。
在一种能够实现的方式中，所述根据所述目标城市区域所面临的水生态风险确定多个驱动因子，包括：
确定驱动因子包括水生态环境变化因子和城市化综合指数，所述水生态环境变化因子包括目标城市区域范围内各水域的平均年径流量、下游潮位、下游盐度、污染物浓度和/或水域间的分流比，所述城市化综合指数包括目标城市区域范围内的人口密度、人均GDP、工业废水排放量、生活污水排放量、工业固体废物产生量和/或水域面积。
由于驱动因子的量纲不同，不能客观比较各变量在方程中的重要性。故在此之前，需利用标准化公式将驱动因子进行标准化处理，进而得到标准化系数其中，可以采用现有的标准化公式对各所述驱动因子进行标准化处理。例如，采用线性法的标准化公式对各所述驱动因子进行标准化处理。
步骤S4，根据各所述驱动因子的标准化值和各水生态状态指数的水生态状态得分值，利用多元线性逐步回归建立各水生态状态指数与驱动因子的回归方程，对建立的各回归方程进行总体显著性检验和回归系数显著性检验，根据得到的检验结果，从各驱动因子中筛选出对各水生态状态指数产生显著影响的驱动因子。
多元线性逐步回归可以用于构建多个变量间响应关系的方程。该方法利用线性拟合，确定多个自变量和因变量之间存在的统计关系，利用所得参数建立方程进行分析和预测。得到回归方程后，根据方程的拟合优度、回归方程总体显著性检验和回归系数显著性检验来判断哪些变量应包含在最终方程中。本发明实施例，通过利用多元线性逐步回归建立各水生态状态指数与驱动因子的回归方程，对数据样本量要求不高，方法操作简单。
步骤S5，建立各所述水生态状态指数对筛选出的驱动因子的响应方程，根据所述响应方程和各所述水生态状态指数的权重，构建以驱动因子为输入、以水生状态综合指数为输出的目标城市区域水生状态反应器。
其中，通过各所述水生态状态指数对筛选出的驱动因子的响应方程，可以得到以筛选出的驱动因子为输入的各所述水生态状态指数的响应值。根据该响应值和各所述水生态状态指数的权重，便可以得到水生状态综合指数的值。
进一步地，可以根据表1中水生态状态指数的水生态状态得分值所对应的健康等级，评估水生状态综合指数对应的健康等级，从而确定目标城市区域水生状态所属的健康等级。
根据上述方法构建目标城市区域水生状态反应器，可计算在不同输入情况下目标城市区域的水生态状态指数，评价目标城市区域的水生态状态，并探讨目标城市区域的生态状态对内外环境变化的响应。同理，也可根据最新的环境及条件变化识别并更新驱动因子，重建水生态反应器，得到目标城市区域的水生态状态对更新后的驱动因子的响应程度。因此，本发明实施例中，所构建的目标城市区域水生状态反应器具有较高的灵活性。
本发明还提供了一种城市区域水生态状态反应器构建装置。
请参阅图2，图2示出了本发明实施例提供的一种城市区域水生态状态反应器构建装置的原理框图。
本发明实施例提供了一种城市区域水生态状态反应器构建装置，包括：
采集模块1，用于确定目标城市区域的各水生态状态指数及对应的指标集，采集各所述指标集的指标数据；
水生态状态指数计算模块2，用于根据所述指标数据筛选出重要指标，计算各所述重要指标的标准化值和权重，根据得到的标准化值和权重计算各水生态状态指数的水生态状态得分值；
驱动因子处理模块3，用于根据所述目标城市区域所面临的水生态风险确定多个驱动因子，并对各所述驱动因子进行标准化处理，得到各所述驱动因子的标准化值；
驱动因子筛选模块4，用于根据各所述驱动因子的标准化值和各水生态状态指数的水生态状态得分值，利用多元线性逐步回归建立各水生态状态指数与驱动因子的回归方程，对建立的各回归方程进行总体显著性检验和回归系数显著性检验，根据得到的检验结果，从各驱动因子中筛选出对各水生态状态指数产生显著影响的驱动因子；
反应器构建模块5，用于建立各所述水生态状态指数对筛选出的驱动因子的响应方程，根据所述响应方程和各所述水生态状态指数的权重，构建以驱动因子为输入、以水生状态综合指数为输出的目标城市区域水生状态反应器。
在一种能够实现的方式中，所述采集模块1包括：
指数确定单元，用于确定目标城市区域范围内的各水生态状态指数包括水生物指数、水生境指数、水质指数和/或水安全指数。
根据本发明第二方面的一种能够实现的方式，所述水生态状态指数计算模块2包括：
指标筛选单元，用于采用主成分分析法对所述指标数据进行分析，根据得到的主成分分析结果对各所述指标集中的指标进行筛选，确定重要指标。
在一种能够实现的方式中，所述水生态状态指数计算模块2包括：
指标权重计算单元，用于根据主成分特征值、方差贡献率和因子载荷系数计算对应重要指标的权重。
在一种能够实现的方式中，所述水生态状态指数计算模块2包括：
指标数据划分单元，用于对各重要指标的数据进行划分，得到正向指标数据和逆向指标数据；
第一标准化处理单元，用于按照正向指标标准化公式对所述正向指标数据进行标准化处理，得到对应重要指标的标准化值；
第二标准化处理单元，用于按照逆向指标标准化公式对所述逆向指标数据进行标准化处理，得到对应重要指标的标准化值。
在一种能够实现的方式中，所述水生态状态指数计算模块2还包括：
第一标准化公式设置单元，用于设置所述正向指标标准化公式为：
Figure 826284DEST_PATH_IMAGE001
第二标准化公式设置单元，用于设置所述逆向指标标准化公式为：
Figure 639781DEST_PATH_IMAGE026
式中，
Figure 687372DEST_PATH_IMAGE003
表示对重要指标数据
Figure 997131DEST_PATH_IMAGE004
进行标准化处理后得到的标准化值，
Figure 130172DEST_PATH_IMAGE005
为指标
Figure 245895DEST_PATH_IMAGE006
所属标准范围的最小值,
Figure 85675DEST_PATH_IMAGE007
为指标
Figure 130117DEST_PATH_IMAGE004
所属标准范围的最大值。
在一种能够实现的方式中，所述驱动因子处理模块3包括：
驱动因子确定单元，用于确定驱动因子包括水生态环境变化因子和城市化综合指数，所述水生态环境变化因子包括目标城市区域范围内各水域的平均年径流量、下游潮位、下游盐度、污染物浓度和/或水域间的分流比，所述城市化综合指数包括目标城市区域范围内的人口密度、人均GDP、工业废水排放量、生活污水排放量、工业固体废物产生量和/或水域面积。
本发明还提供了一种城市区域水生态状态反应器构建装置，包括：
存储器，用于存储指令；其中，所述指令用于实现如上任意一项实施例所述的城市区域水生态状态反应器构建方法；
处理器，用于执行所述存储器中的指令。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任意一项实施例所述的城市区域水生态状态反应器构建方法。
本发明还提供了一种城市区域水生态状态反应器，所述城市区域水生态状态反应器采用如上任意一项实施例所述的城市区域水生态状态反应器构建方法获得。
本发明上述实施例，构建的城市区域水生态状态反应器可计算不同驱动因子下城市区域的水生态状态综合指数，能够快速确定城市区域水生态状态对内外环境变化的响应程度，解决了目前水生态状态反应器评价指标单一、灵活性低，不适用于快速城市化区域的技术问题。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述地方便和简洁，上述描述的系统、装置和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，上述描述的系统、装置和模块的具体有益效果，可以参考前述方法实施例中的对应有益效果，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-OnlyMemory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种城市区域水生态状态反应器构建方法，其特征在于，包括：
确定目标城市区域的各水生态状态指数及对应的指标集，采集各所述指标集的指标数据；所述各水生态状态指数包括水生物指数、水生境指数、水质指数和水安全指数，其中反映所述水安全指数的指标包括目标城市区域人均水资源量、地级以上城市集中式饮用水水源水质达标率、城市污水处理率、城镇居民生活人均用水量和含氯度超标天数；
根据所述指标数据筛选出重要指标，计算各所述重要指标的标准化值和权重，根据得到的标准化值和权重计算各水生态状态指数的水生态状态得分值；
根据所述目标城市区域所面临的水生态风险确定多个驱动因子，并对各所述驱动因子进行标准化处理，得到各所述驱动因子的标准化值；
根据各所述驱动因子的标准化值和各水生态状态指数的水生态状态得分值，利用多元线性逐步回归建立各水生态状态指数与驱动因子的回归方程，对建立的各回归方程进行总体显著性检验和回归系数显著性检验，根据得到的检验结果，从各驱动因子中筛选出对各水生态状态指数产生显著影响的驱动因子；
建立各所述水生态状态指数对筛选出的驱动因子的响应方程，根据所述响应方程和各所述水生态状态指数的权重，构建以驱动因子为输入、以水生状态综合指数为输出的目标城市区域水生状态反应器；
其中，所述根据所述目标城市区域所面临的水生态风险确定多个驱动因子，包括：
确定驱动因子包括水生态环境变化因子和城市化综合指数，所述水生态环境变化因子包括目标城市区域范围内各水域的平均年径流量、下游潮位、下游盐度、污染物浓度和/或水域间的分流比，所述城市化综合指数包括目标城市区域范围内的人口密度、人均GDP、工业废水排放量、生活污水排放量、工业固体废物产生量和/或水域面积；
根据得到的标准化值和权重计算各水生态状态指数的水生态状态得分值时，采用下列公式进行计算：
Figure 638300DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 24151DEST_PATH_IMAGE002
为水生态状态指数，
Figure 693030DEST_PATH_IMAGE003
为指标权重；
Figure 624077DEST_PATH_IMAGE004
为标准化处理后的指标值,
Figure 565357DEST_PATH_IMAGE005
为水生态状态指数所包含的指标数量。
2.根据权利要求1所述的城市区域水生态状态反应器构建方法，其特征在于，所述根据所述指标数据筛选出重要指标，包括：
采用主成分分析法对所述指标数据进行分析，根据得到的主成分分析结果对各所述指标集中的指标进行筛选，确定重要指标。
3.根据权利要求2所述的城市区域水生态状态反应器构建方法，其特征在于，所述计算各所述重要指标的标准化值和权重，包括：
根据主成分特征值、方差贡献率和因子载荷系数计算对应重要指标的权重。
4.根据权利要求1所述的城市区域水生态状态反应器构建方法，其特征在于，所述计算各所述重要指标的标准化值和权重，包括：
对各重要指标的数据进行划分，得到正向指标数据和逆向指标数据；
按照正向指标标准化公式对所述正向指标数据进行标准化处理，得到对应重要指标的标准化值；
按照逆向指标标准化公式对所述逆向指标数据进行标准化处理，得到对应重要指标的标准化值。
5.根据权利要求4所述的城市区域水生态状态反应器构建方法，其特征在于，所述计算各所述重要指标的标准化值和权重，还包括：
设置所述正向指标标准化公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
设置所述逆向指标标准化公式为：
Figure 240052DEST_PATH_IMAGE007
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
表示对重要指标数据
Figure 888071DEST_PATH_IMAGE009
进行标准化处理后得到的标准化值，
Figure 504866DEST_PATH_IMAGE010
为指标
Figure 684175DEST_PATH_IMAGE011
所属标准范围的最小值,
Figure 146249DEST_PATH_IMAGE012
为指标
Figure 789720DEST_PATH_IMAGE009
所属标准范围的最大值。
6.一种城市区域水生态状态反应器构建装置，其特征在于，包括：
采集模块，用于确定目标城市区域的各水生态状态指数及对应的指标集，采集各所述指标集的指标数据；所述各水生态状态指数包括水生物指数、水生境指数、水质指数和水安全指数，其中反映所述水安全指数的指标包括目标城市区域人均水资源量、地级以上城市集中式饮用水水源水质达标率、城市污水处理率、城镇居民生活人均用水量和含氯度超标天数；
水生态状态指数计算模块，用于根据所述指标数据筛选出重要指标，计算各所述重要指标的标准化值和权重，根据得到的标准化值和权重计算各水生态状态指数的水生态状态得分值；
驱动因子处理模块，用于根据所述目标城市区域所面临的水生态风险确定多个驱动因子，并对各所述驱动因子进行标准化处理，得到各所述驱动因子的标准化值；
驱动因子筛选模块，用于根据各所述驱动因子的标准化值和各水生态状态指数的水生态状态得分值，利用多元线性逐步回归建立各水生态状态指数与驱动因子的回归方程，对建立的各回归方程进行总体显著性检验和回归系数显著性检验，根据得到的检验结果，从各驱动因子中筛选出对各水生态状态指数产生显著影响的驱动因子；
反应器构建模块，用于建立各所述水生态状态指数对筛选出的驱动因子的响应方程，根据所述响应方程和各所述水生态状态指数的权重，构建以驱动因子为输入、以水生状态综合指数为输出的目标城市区域水生状态反应器；
其中，所述驱动因子处理模块根据所述目标城市区域所面临的水生态风险确定多个驱动因子时，具体用于：
确定驱动因子包括水生态环境变化因子和城市化综合指数，所述水生态环境变化因子包括目标城市区域范围内各水域的平均年径流量、下游潮位、下游盐度、污染物浓度和/或水域间的分流比，所述城市化综合指数包括目标城市区域范围内的人口密度、人均GDP、工业废水排放量、生活污水排放量、工业固体废物产生量和/或水域面积；
所述水生态状态指数计算模块根据得到的标准化值和权重计算各水生态状态指数的水生态状态得分值时，采用下列公式进行计算：
Figure 62569DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 978442DEST_PATH_IMAGE002
为水生态状态指数，
Figure 57256DEST_PATH_IMAGE003
为指标权重；
Figure 617550DEST_PATH_IMAGE004
为标准化处理后的指标值,
Figure 576148DEST_PATH_IMAGE005
为水生态状态指数所包含的指标数量。
7.一种城市区域水生态状态反应器构建装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储指令；其中，所述指令用于实现如权利要求1-5任意一项所述的城市区域水生态状态反应器构建方法；
处理器，用于执行所述存储器中的指令。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5任意一项所述的城市区域水生态状态反应器构建方法。
9.一种城市区域水生态状态反应器，其特征在于，所述城市区域水生态状态反应器采用如权利要求1-5任意一项所述的城市区域水生态状态反应器构建方法获得。
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