基于指标筛选的流域水生态功能分区治理需求评价方法技术

本发明专利技术公开了一种基于指标筛选的流域水生态功能分区治理需求评价方法，包括：步骤一、构建评价指标体系；步骤二、指标体系权重确定；步骤三、分区综合评价得分及治理需求等级确定；步骤四、聚类分析，识别主要污染因子，进而针对性地提出环境改善措施。本发明专利技术对于每个水生态功能分区的生态环境特征，建立一套水生态功能分区治理需求评价指标体系，为分区环境改善提供科学依据。

Evaluation method of water ecological function zoning management demand based on index selection

【技术实现步骤摘要】
基于指标筛选的流域水生态功能分区治理需求评价方法
本专利技术涉及水生态研究，尤其涉及一种基于指标筛选的流域水生态功能分区治理需求评价方法。
技术介绍
人类社会诞生发展于河流生态系统，河流、湖泊与人类的生活和发展息息相关，为人类提供了丰富的生态服务。然而近年来，由于流域经济的快速发展和人类不合理的资源开发和利用，湖泊生态系统承受的外部压力不断增加，生态系统呈现逐渐退化的趋势，环境问题日益突出。流域环境问题在一定程度上已经严重威胁到人类的身体健康和社会经济的可持续发展，提出适宜的生态环境整治方案是解决上述问题的有效手段和前提。太湖流域作为长江中下游重要淡水湖泊之一，人口密度高，湖泊星罗棋布，社会经济发达，但受到人类活动的影响，水体富营养化严重等问题日益严重，水环境问题亟需改善，需要建立稳定、健全的水生态系统。由于不同的水生态系统存在不同生态环境问题，需要针对不同的水生态系统问题，提出针对性的对策和解决方案。水生态功能分区作为流域水资源管理、水环境保护、水生态恢复的基础，在流域水生态分区管控中显得尤为重要。为改善流域水环境质量，加强流域水生态环境保护，保障流域水生态健康，开始实施对流域水生态环境功能分区研究。近年来，关于水环境生态状况评价体系的研究有一定的进展，但基于水生态功能分区层面尚未形成一套行之有效的评价体系，需要构建基于水生态功能分区的评价理论框架和方法体系，以便于为水生态环境改善和保护提供科学依据。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术针对现有技术存在的问题，提供一种基于指标筛选的流域水生态功能分区治理需求评价方法，针对于每个水生态功能分区的生态环境特征，建立一套水生态功能分区治理需求评价指标体系，为分区环境改善提供科学依据。技术方案：本专利技术所述的基于指标筛选的流域水生态功能分区治理需求评价方法包括：步骤一、构建评价指标体系：收集拟研究流域的水生态环境表征因子信息，获取拟研究流域各个水生态功能分区的环境本底特征，分别确定水陆域分区评价体系框架，运用降维的思想，采用主成分分析的方法，挑选出符合分区生态环境本底特征实际情况的核心因子作为最终评价指标；步骤二、指标体系权重确定：依据步骤一所构建的评价体系，对评价指标进行计算和标准化，以消除不同指标间的量纲，并对评价指标赋予权重；步骤三、分区综合评价得分及治理需求等级确定：通过各指标数据标准化后的值与指标对应权重，计算所研究流域的各个水生态功能分区的综合评价得分，依据实际情况划定拟研究流域的水生态环境功能分区治理需求等级阈值范围、等级评定及对应等级说明；步骤四、聚类分析：对拟研究流域的水生态功能分区进行聚类分析，找出具有相同类别的水生态功能分区的污染来源，识别主要污染因子，进而针对性地提出环境改善措施。进一步的，所述步骤一包括：(1.1)资料收集：对拟研究流域各水生态功能分区范围内监测断面水质数据进行整理，收集所研究区域历年统计年鉴，获取社会经济发展状况；进行野外数据调查，获取水生态数据，得到拟研究流域的水生态环境表征因子和各分区的环境本底特征；(1.2)评价体系框架确定：基于(1.1)中获取的拟研究流域各分区环境本底特征，将各分区中水陆域分区分开评价，陆域分区采用DPSIR模型，水域分区采用水质状态、水生生物、生境状态3个准则层；(1.3)评价指标初选：基于(1.2)中水陆域分区评价体系框架，初步选取评价指标；(1.4)评价指标确定：基于(1.3)中所选评价指标，采用主成分分析法挑选出符合分区生态环境本底特征实际情况的核心因子作为最终评价指标。进一步的，所述步骤(1.4)具体包括：A：基于(1.3)中初步所选评价指标，采用主成分分析法，建立大小为m×n的数据矩阵X，其中n为评价对象个数，m为第i个评价对象对应评价指标的个数，i＝1,…,n；B：对数据矩阵X进行标准化得到标准化数据矩阵R，具体方法为：根据评价目标的特征，对于正向指标，即指标数据数值越大越好时，标准化公式为对于负向指标，即指标数据数值越小越好的指标，则标准化公式为其中，xij、rij分别表示矩阵X、R的第i行第j列元素，min表示对应的最小值，max表示对应的最大值；C：计算内积矩阵S＝RRT，令矩阵S的特征方程为∣S-λE∣＝0,求出S的特征根λg,其中g＝1…p，并将特征根按照从大到小排列λ1≥λ2≥λ3≥…≥λp,并求出内积矩阵S的特征值λg对应的特征向量Ug；D：计算各特征值的贡献率Ig，取累计贡献率达到预设值的前q个特征值作为主成分，预设值为70％～85％，构建主成分与标准化数据矩阵R的相关系数矩阵，将与各主成分相关系数最大的标准化数据对应的q个评价指标挑选出作为能反映分区生态环境特征的核心因子，并作为最终评价指标；其中，献率Ig计算公式如下：进一步的，所述步骤二具体包括：(2.1)将步骤一确定的评价指标进行标准化；(2.2)构建层次分析法判断矩阵，运用Matlab计算出每个指标的权重，并对权重进行一致性检验；(2.3)运用熵权法，确定评价指标的权重；(2.4)利用权重最优解公式确定组合权重wz(i,j)：式中，wc(i,j)、ws(i,j)分别表示层次分析法得到的权重和熵权法得到的权重，n表示评价对象的个数，m表示第i个评价对象对应的评价指标的个数。进一步的，所述步骤三具体包括：(3.1)根据分区各自的指标评价体系，分别计算出各个陆域水生态功能分区、陆域水生态功能分区的综合指标得分，其中综合得分计算公式如下：式中，Ti表示第i个分区的综合得分，n为评价对象个数，m为第i个评价对象对应评价指标的个数，wz为层次分析法和熵权法确定的组合权重；(3.2)根据各分区最终得分，依据频数分布原则，按照前20％、40％、60％、80％的比例，即分别对应治理需求前10、20、30、40、49；确定分区等级的阈值范围及等级。进一步的，所述步骤四具体包括以下步骤：(4.1)对拟研究流域各分区核心评价指标进行系统聚类分析，选取距离，得到不同分组，针对各大类分区找出主要影响分区环境的指标因子即环境改善限制因子；(4.2)对于治理需求评价结果中得分较低的10个陆域分区，即亟需治理典型分区，以驱动力、压力、状态、影响、响应5个准则层得分为聚类要素，进行系统聚类，识别环境改善的主要限制因子，并提出针对性的环境改善措施。有益效果：本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：本专利技术提供了一种流域水生态功能分区治理需求评价指标体系构建方法，基于分区范围的指标体系，能够较为准确的反映各个水生态功能分区的生态环境特征，从而便于提供针对性的措施，对水环境改善和管理提供有效参考价值。采用SPSS软件因子分析，进行主成分分析，挑选出核心指标因子，一定程度上降低所选指标的重复性，使评价指标体系简洁有效。评价指标权重确定方法采用层次分析法和熵权法耦合确定，主客观方法相结合，增强了指标权重的科学性和合理性，并本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于指标筛选的流域水生态功能分区治理需求评价方法，其特征在于该方法包括：/n步骤一、构建评价指标体系：收集拟研究流域的水生态环境表征因子信息，获取拟研究流域各个水生态功能分区的环境本底特征，分别确定水陆域分区评价体系框架，运用降维的思想，采用主成分分析的方法，挑选出符合分区生态环境本底特征实际情况的核心因子作为最终评价指标；/n步骤二、指标体系权重确定：依据步骤一所构建的评价体系，对评价指标进行计算和标准化，以消除不同指标间的量纲，并对评价指标赋予权重；/n步骤三、分区综合评价得分及治理需求等级确定：通过各指标数据标准化后的值与指标对应权重，计算所研究流域的各个水生态功能分区的综合评价得分，依据实际情况划定拟研究流域的水生态环境功能分区治理需求等级阈值范围、等级评定及对应等级说明；/n步骤四、聚类分析：对拟研究流域的水生态功能分区进行聚类分析，找出具有相同类别的水生态功能分区的污染来源，识别主要污染因子，进而针对性地提出环境改善措施。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于指标筛选的流域水生态功能分区治理需求评价方法，其特征在于该方法包括：
步骤一、构建评价指标体系：收集拟研究流域的水生态环境表征因子信息，获取拟研究流域各个水生态功能分区的环境本底特征，分别确定水陆域分区评价体系框架，运用降维的思想，采用主成分分析的方法，挑选出符合分区生态环境本底特征实际情况的核心因子作为最终评价指标；
步骤二、指标体系权重确定：依据步骤一所构建的评价体系，对评价指标进行计算和标准化，以消除不同指标间的量纲，并对评价指标赋予权重；
步骤三、分区综合评价得分及治理需求等级确定：通过各指标数据标准化后的值与指标对应权重，计算所研究流域的各个水生态功能分区的综合评价得分，依据实际情况划定拟研究流域的水生态环境功能分区治理需求等级阈值范围、等级评定及对应等级说明；
步骤四、聚类分析：对拟研究流域的水生态功能分区进行聚类分析，找出具有相同类别的水生态功能分区的污染来源，识别主要污染因子，进而针对性地提出环境改善措施。


2.根据权利要求1所述的基于指标筛选的流域水生态功能分区治理需求评价方法，其特征在于：所述步骤一包括：
(1.1)资料收集：对拟研究流域各水生态功能分区范围内监测断面水质数据进行整理，收集所研究区域历年统计年鉴，获取社会经济发展状况；进行野外数据调查，获取水生态数据，得到拟研究流域的水生态环境表征因子和各分区的环境本底特征；
(1.2)评价体系框架确定：基于(1.1)中获取的拟研究流域各分区环境本底特征，将各分区中水陆域分区分开评价，陆域分区采用DPSIR模型，水域分区采用水质状态、水生生物、生境状态3个准则层；
(1.3)评价指标初选：基于(1.2)中水陆域分区评价体系框架，初步选取评价指标；
(1.4)评价指标确定：基于(1.3)中所选评价指标，采用主成分分析法挑选出符合分区生态环境本底特征实际情况的核心因子作为最终评价指标。


3.根据权利要求2所述的基于指标筛选的流域水生态功能分区治理需求评价方法，其特征在于：所述步骤(1.4)具体包括：
A：基于(1.3)中初步所选评价指标，采用主成分分析法，建立大小为m×n的数据矩阵X，其中n为评价对象个数，m为第i个评价对象对应评价指标的个数，i＝1,…,n；
B：对数据矩阵X进行标准化得到标准化数据矩阵R，具体方法为：根据评价目标的特征，对于正向指标，即指标数据数值越大越好时，标准化公式为对于负向指标，即指标数据数值越小越好的指标，则标准化公式为其中，xij、rij分别表示矩阵X、R的第i行第j列元素，min表示对应的最小值，max表...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡开明，王云燕，冯彬，常闻捷，
申请(专利权)人：江苏省环境科学研究院，
类型：发明
国别省市：江苏;32