一种基于PSR的流域水安全度量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于PSR的流域水安全度量方法。本发明专利技术的方法是一种基于PSR、具有可操作性的流域水安全状况动态量化技术，通过压力、状态、响应多准则集成，综合量化水安全度，从而为科学认知流域水安全状况，识别水安全的问题提供量化支撑，也为未来一定时期的流域水安全保障规划、建设与管理提供技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种基于PSR的流域水安全度量方法
本专利技术涉及环境科学
，涉及流域水安全的评价，是一种基于压力、状态响应(Pressure-State-Response，简称PSR)且面向流域水资源、水环境、水生态、水灾害、水管理、水设施等全要素的度量方法，可为流域综合规划、管理与基础设施建设提供技术支撑。
技术介绍
流域水安全是指流域水的自然循环过程不受破坏或严重威胁，其水质、水量、水域、水流、水能等能够满足流域国民经济和社会可持续发展需要，同时流域各方利益不因资源短缺、环境污染、生态破坏、水旱灾害造成严重损失。流域水安全是水资源、水环境、水生态和水灾害的综合效应，任何要素的变化将可能引发其他因素的连锁反应，均会导致流域区域出现水资源短缺、水环境污染、水生态损害或水灾害频发等问题，具有相当系统复杂性与不确定性。如何进行流域水安全进行评价，当前尚未形成统一的认识和方法，例如，国际上多注重流域水资源在可持续发展方面意义，采用数量较少、相对简单的水资源紧缺指标(如人均水资源量和水资源开发利用程度)与水贫穷指数(包括资源、途径、利用、能力和环境五部分)等来衡量水安全状况。国内的研究则涉及面广，多注重安全层面(如生命安全、经济安全、粮食安全、生态安全、环境安全、社会安全)或从功能层面(如基本需水满足、粮食供应保障、生态系统保护、水资源共享、灾害的控制以及管理水资源)等方面采用指标进行评价。由于水安全的内涵日益丰富，系统具有复杂性和模糊性，近些年来神经网络、模糊评价法、物元模型法、投影寻踪法、聚类分析法等综合评价方法得到应用。这些方法往往计算复杂，可操作性有待于提高，在实践中尚未得到很好的应用。
技术实现思路
为克服现有的技术问题，本专利技术基于压力、状态响应(Pressure-State-Response，简称PSR)的逻辑框架，提出了一种基于PSR、具有可操作性的流域水安全状况量化技术，以期为科学认知流域水安全状况，识别水安全的问题提供量化支撑。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：压力-状态-响应(Pressure-State-Response,PSR)是用于研究水和环境问题的系统理论。本专利技术创新将其引入到流域水安全评价的总体框架设计中，为流域水安全评价对象、评价指标的选取提供了基本的理论支撑。一种基于PSR的流域水安全度量方法，包括以下步骤：步骤A，基于PSR的流域水安全评价指标初选：流域水安全评价体系由目标层、准则层、分类层、指标层4个层次组成；其中，目标层的评价目标为“水安全”；准则层由“状态”、“响应”和“压力”三个项目组成，其中准则层中“状态”项目对应分类层中的“水资源”、“水环境”、“水生态”、“水灾害”4个分类指标，准则层中的“响应”项目对应分类层中的“水设施与水管理”分类指标，准则层中的“压力”项目对应分类层中“经济与社会”分类指标；分类层中的各个分类指标分别对应指标层中的2个或2个以上具体的评价指标；确定初选的各个评价指标，并且采集评价指标需要的数据；步骤B，基于特定流域特征的评价指标优选：集合特定流域水问题特征以及数据可得性特征对初选的评价指标进行删减、增设或采用统计学方法对初选的评价指标进行调整，所述统计学方法包括相关性分析、主成分分析；步骤C，各评价指标进行归一化处理：针对优选后各评价指标间的物理量量纲和单位不同,采用极差变换法将指标特征值进行一致无量纲化处理；步骤D，流域水安全多指标综合集成：通过压力、状态、响应多准则集成，综合量化水安全度，具体公式如下：Xt＝S1×RPt+S2×EVt+S3×ECt+S4×NRt+S5×IMt+S6×ESt(5)式中：Xt为第t时间的水安全综合指数；S1-S6为各分类的权重系数，表征各分类子系统对于水安全具有的重要性程度；RPt为第t时间的水资源指数；EVt为第t时间的水环境指数；ECt为第t时间的水生态指数；NRt为第t时间的水灾害指数；IMt为第t时间的水设施与水管理指数；ESt为第t时间的经济与社会指数；其中：其中，Mp,t为流域水安全评价指标p在第t时间的数值；Wp为各评价指标的权重系数；对所有评价指标依次进行编号，Np1-Np6分别为准则层中水资源、水环境、水生态、水灾害、水设施与管理、水经济与社会指标项目对应的指标层中的最后一个评价指标的顺序编号；步骤E，流域水安全等级的划分及评级：按照一定间隔将流域水安全程度划分为不同等级，将实测的水安全综合指数与各等级的水安全综合指数区间范围进行比对，确定所测定流域的安全评级。进一步中，步骤A中“水资源”对应的指标层中的评价指标为：总用水量、农业用水比重、非常规水源供水比重、城市用水普及率、万元工业增加值用水量、农田亩均灌溉量6个评价指标；“水环境”对应的指标层中的评价指标为：水质优良河长所占比例、化肥施用强度、城市污水处理率3个评价指标；“水生态”对应的指标层中的评价指标为：水土流失治理面积、生态用水比重、地下水供水比重、森林覆盖率4个评价指标；“水灾害”对应的指标层中的评价指标为：洪灾成灾率、旱灾成灾率、洪灾死亡人数、农村因旱饮水困难人口比例、因旱粮食损失率5个评价指标；“水设施与水管理”对应的指标层中的评价指标为：水利建设投资占GDP比重、水管理体系完善程度2个评价指标；“经济与社会”对应的指标层中的评价指标为：人均GDP、城镇化率2个评价指标。进一步的，步骤C中经过极差变化后，指标值均在0-1之间，正向、逆向指标均转化为正向，最优值为1，具体公式如下：1)对于正向指标：2)对于负向指标：其中，Mp,max和Mp,min分别为评价指标Mp,t在t从第1到TN时刻指标的最大值和最小值，具体如下式所示；TN为总时间，如年、月或日等；t＝1,2,3……TN；P为指标个数；进一步的，步骤E中按照一定间隔将流域水安全程度划分为6个等级，分别为：“安全”0.9≤Xt≤1；“较安全”0.7≤Xt≤0.9；“基本安全”0.5≤Xt≤0.7；“较不安全”0.3≤Xt≤0.5；“不安全”0.2≤Xt≤0.3；“严重不安全”0≤Xt≤0.2。进一步的，步骤E之后为步骤F：进行影响流域水安全主要因素的敏感性分析，识别影响流域水安全的主要因子和影响程度；具体包括如下两种方法：1)单因素灵敏度分析；2)多因素全局灵敏度分析。进一步的，单因素灵敏度分析，主要采用流域水安全评价单个指标的变化率与流域水安全状况的变化率表征，具体如下式所示。其中，Sp为评价指标p的灵敏度指数；M'p,t为流域水安全评价指标的变化量；X't为流域水安全状况的变化量；Mp,t为流域水安全评价指标p在第t时间的数值；Xt为第t时间的水安全综合指数。进一步的，多因素全局灵敏度分析，可采用蒙特卡罗方法(MonteCarlo)，即流域水安全评价多个指标同时变化，考察其全局影响。本专利技术的有益效果：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于PSR的流域水安全度量方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤A，基于PSR的流域水安全评价指标初选：流域水安全评价体系由目标层、准则层、分类层、指标层4个层次组成；其中，目标层的评价目标为“水安全”；准则层由“状态”、“响应”和“压力”三个项目组成，其中准则层中“状态”项目对应分类层中的“水资源”、“水环境”、“水生态”、“水灾害”4个分类指标，准则层中的“响应”项目对应分类层中的“水设施与水管理”分类指标，准则层中的“压力”项目对应分类层中“经济与社会”分类指标；分类层中的各个分类指标分别对应指标层中的2个或2个以上具体的评价指标；确定初选的各个评价指标，并且采集评价指标需要的数据；/n步骤B，基于特定流域特征的评价指标优选：集合特定流域水问题特征以及数据可得性特征对初选的评价指标进行删减、增设或采用统计学方法对初选的评价指标进行调整，所述统计学方法包括相关性分析、主成分分析；/n步骤c，各评价指标进行归一化处理：针对优选后各评价指标间的物理量量纲和单位不同，采用极差变换法将指标特征值进行一致无量纲化处理；/n步骤D，流域水安全多指标综合集成：通过压力、状态、响应多准则集成，综合量化水安全度，具体公式如下：/nX...

【技术特征摘要】
1.一种基于PSR的流域水安全度量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A，基于PSR的流域水安全评价指标初选：流域水安全评价体系由目标层、准则层、分类层、指标层4个层次组成；其中，目标层的评价目标为“水安全”；准则层由“状态”、“响应”和“压力”三个项目组成，其中准则层中“状态”项目对应分类层中的“水资源”、“水环境”、“水生态”、“水灾害”4个分类指标，准则层中的“响应”项目对应分类层中的“水设施与水管理”分类指标，准则层中的“压力”项目对应分类层中“经济与社会”分类指标；分类层中的各个分类指标分别对应指标层中的2个或2个以上具体的评价指标；确定初选的各个评价指标，并且采集评价指标需要的数据；
步骤B，基于特定流域特征的评价指标优选：集合特定流域水问题特征以及数据可得性特征对初选的评价指标进行删减、增设或采用统计学方法对初选的评价指标进行调整，所述统计学方法包括相关性分析、主成分分析；
步骤c，各评价指标进行归一化处理：针对优选后各评价指标间的物理量量纲和单位不同，采用极差变换法将指标特征值进行一致无量纲化处理；
步骤D，流域水安全多指标综合集成：通过压力、状态、响应多准则集成，综合量化水安全度，具体公式如下：
Xt＝S1×RPt+S2×EVt+S3×ECt+S4×NRt+S5×IMt+S6×ESt(5)
式中：Xt为第t时间的水安全综合指数；S1-S6为各分类的权重系数，表征各分类子系统对于水安全具有的重要性程度；RPt为第t时间的水资源指数；EVt为第t时间的水环境指数；ECt为第t时间的水生态指数；NRt为第t时间的水灾害指数；IMt为第t时间的水设施与水管理指数；ESt为第t时间的经济与社会指数；其中：


















其中，Mp，t为流域水安全评价指标p在第t时间的数值；Wp为各评价指标的权重系数；对所有评价指标依次进行编号，Np1-Np6分别为准则层中水资源、水环境、水生态、水灾害、水设施与管理、水经济与社会指标项目对应的指标层中的最后一个评价指标的顺序编号；
步骤E，流域水安全等级的划分及评级：按照一定间隔将流域水安全程度划分为不同等级，将实测的水安全综合指数与各等级的水安全综合指数区间范围进行比对，确定所测定流域的安全评级。


2.根据权利要求1所述的基于PSR的流域水安全度量方法，其特征在于，步骤A中“水资源”对应的指标层中的评价指标为：总用水量、农业用水比重、非常规水源供水比重、城市用水普及率、万元工业增加值...

【专利技术属性】
技术研发人员：褚俊英，王浩，牛存稳，贾仰文，周祖昊，桑学锋，刘佳嘉，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11