CN107423564A - 流域生态修复策略的决策分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了流域生态修复策略的决策分析方法，其包括如下步骤：步骤一、建立流域水生态安全评价指标体系，并根据其设定生态修复目标；步骤二、根据流域生态修复目标，筛选生态修复措施；步骤三、构建包含决策变量、目标函数和约束条件的生态修复多目标优化模型；步骤四、求解多目标优化模型，按需求选择生态修复组合方案；建立系统的决策分析方法，对生态修复目标设定、措施筛选、及修复措施组合方案的多目标优化几个模块，从水生态安全评价指标体系构建到求解生态修复多目标优化问题，并将优化解集组合方案相应的生态修复效果和社会经济影响以易于理解的信息提供给决策者，创立系统全面的决策分析科学技术支撑，帮助决策者制定科学有效地生态修复策略。
Description
技术领域
本发明涉及流域污染治理与生态修复领域，具体地说，涉及一种多目标的流域生态修复策略的决策分析方法。
背景技术
河流生态系统为人类社会发展提供了各种各样的产品和服务，包括饮用水源、工农业用水供给、水产品等，生态服务包括提供健康生存环境、娱乐休闲、物种保护和景观欣赏等。然而，日益扩张的城市化与工业化对河流生态系统的安全和健康造成了严重的威胁，不仅对生态环境造成了恶劣的破坏，也阻碍了社会经济的可持续发展。因此，河流的生态修复对恢复水生态系统的完整与健康十分必要和紧迫。
生态修复策略的制定包括目标设定、措施筛选、及资源分配(修复措施组合方案确定)等几个方面。生态修复目标的确定和修复措施的筛选需要建立在流域水生态安全评价的基础上，根据流域水生态安全状况的诊断结果，有针对性地提出修复目标和筛选对应的修复措施。资源有效分配即修复措施最优组合方案是生态修复策略制定的关键所在。
由于河流生态系统的复杂性，生态修复往往需要满足多个修复目标，涉及到多种修复措施工程，对生态修复策略进行多目标优化是成功实现流域生态修复的保障。多目标优化是通过某种算法找出同时能满足多个目标优化值的解或解集。一种最初的多目标优化解决方案是对不同的目标函数赋予权重，然后通过加权求和将多目标转化为单目标的优化问题。然而，通过权重加权方法求解的最优解只有单一解，容易遗漏很多满足目标函数最优值的优化解集，而且往往不能客观真实地反映目标函数的最优值。目前应用于多目标优化搜索的算法较多的有模拟退火、遗传算法、粒子算法等，这些算法虽然避免了赋权求和的计算工作量和人为赋权重值的主观偏差，然而其实现往往需要使用编程语言，操作复杂；应用在生态修复策略的制定时，执行过程中人机交互可视化差，操作难度高。
生态修复的规划往往涉及到多个行业和部门的决策人员，包括土地使用者、当地居民、政府管理部门和其他利益相关者等。
以往生态修复策略的规划和制定依赖于决策者的经验判定和相关利益需求的导向，一方面不能同时实现多目标的修复，另一方面成本耗费与经济效益不能达到最优化，缺乏系统的决策分析方法和多目标优化方法的科学支撑，资源往往不能得到合理分配和有效利用，阻碍了生态修复目标的全面和高效地实现。
因此，现提供一种能够实现多目标修复的流域生态修复策略的决策分析方法。
发明内容
为此，本发明提供一种能够实现多目标修复的流域生态修复策略的决策分析方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种流域生态修复策略的决策分析方法，其包括如下步骤：
步骤一、建立流域水生态安全评价指标体系，并根据其设定生态修复目标；
步骤二、根据流域生态修复目标，筛选生态修复措施；
步骤三、构建包含决策变量、目标函数和约束条件的生态修复多目标优化模型；
步骤四、求解多目标优化模型，按需求选择生态修复组合方案。
根据权利要求1所述的流域生态修复策略的决策分析方法，其特征在于：在步骤一中，建立流域水生态安全评价指标体系时，从水生态压力(pressure)、水生态状态(state)、生态功能(function)和响应特征(response)四个方面选取评价指标，构建压力-状态-功能-响应PSFR评价模型。
在进行流域水生态安全评价时，以子流域为基本的评价单元，在数字高程DEM数据基础上对流域进行子流域划分提取；对子流域内的土地利用、污染物排放、年鉴统计、环统报告、水质参数、鱼类和大型底栖动物状态等数据参数进行资料收集和实地调查，并获取具体指标参数。
建立构建压力-状态-功能-响应PSFR评价模型时，其包括以下步骤：
S1、对各项指标原始数据进行标准化处理；
S2、采用指标权重来反映个评价指标在流域水生态安全评价体系中的相对重要性；
S3、通过评价指标加权求和，计算生态安全指数ESI得分，以该指数评价流域整体的水生态安全状况。
在步骤S1中，对于正向指标，通过以下方法对数据进行标准化处理：
对于负向指标，通过以下方法对数据进行标准化处理：
上述(1)和(2)式中：Si为i指标的标准化值，Xi为i指标的原始值，Xmax、Xmin分别为i指标在评价区域内最大值和最小值。
在步骤S2中，采用变异系数法确定各项评价指标的初步权重Wj’式(3-5)；
计算标准差：
根据均值和标准差得到变异系数：
根据变异系数计算初步权重：
然后进行专家判别、文献和实地调研，调整部分指标权重。
在步骤S3中，
其中，ESI为生态安全综合指数；Wi为第i个指标的权重，Yi为指标得分；
步骤S3后，查阅相关文献，根据表1确定水生态安全状态等级划分标准：
根据压力-状态-功能-响应PSFR评价模型的水生态安全评价结果，设立流域生态修复目标。
在步骤三中，以修复措施为决策变量，建立目标函数；
根据流域特征、修复措施的最小实施单元条件和财政预算限制，确立约束函数；
采用约束法求解多目标优化模型：选取一个或多个目标函数的约束值作为约束条件之一，求解满足另一目标函数最优值的优化解集，选取非线性算法进行搜索计算，以获得多目标优化模型。
在步骤四中，对多目标优化模型求解得到包括一系列梯度化的目标函数值及其相应的组合方案在内的帕累托优化解集，对帕累托优化解集进行列表信息说明，决策者根据需求选择最优修复措施组合方案。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
在本发明中，建立系统的决策分析方法，对生态修复目标设定、措施筛选、及修复措施组合方案的多目标优化几个模块，从水生态安全评价指标体系构建到求解生态修复多目标优化问题，并将优化解集组合方案相应的生态修复效果和社会经济影响以易于理解的信息提供给决策者，创立系统全面的决策分析科学技术支撑，帮助决策者制定科学有效地生态修复策略。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明所述的流域生态修复策略决策分析方法思路图；
图2是本发明实施例2所述多目标优化模型的规划求解人机交互示意图；
图3是本发明实施例2所述的帕累托优化解集部分示例说明图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例1
如图1所示，本实施例的流域生态修复策略的决策分析方法，其包括如下步骤：
步骤一、建立流域水生态安全评价指标体系，并根据其设定生态修复目标；
步骤二、根据流域生态修复目标，筛选生态修复措施；
步骤三、构建包含决策变量、目标函数和约束条件的生态修复多目标优化模型；
步骤四、求解多目标优化模型，按需求选择生态修复组合方案。
在本实施例中，建立系统的决策分析方法，对生态修复目标设定、措施筛选、及修复措施组合方案的多目标优化几个模块，从水生态安全评价指标体系构建到求解生态修复多目标优化问题，并将优化解集组合方案相应的生态修复效果和社会经济影响以易于理解的信息提供给决策者，创立系统全面的决策分析科学技术支撑，帮助决策者制定科学有效地生态修复策略。
在步骤一中，建立流域水生态安全评价指标体系时，从水生态压力(pressure)、水生态状态(state)、生态功能(function)和响应特征(response)四个方面选取评价指标，构建压力-状态-功能-响应PSFR评价模型。
在本实施例中，建立流域水生态安全评价指标体系时，遵循系统性、完整性、科学性、代表性和可度量性等指标选取原则，从水生态压力(pressure)、水生态状态(state)、生态功能(function)和响应特征(response)四个方面选取评价指标，构建压力-状态-功能-响应PSFR评价模型，进行流域水生态安全评价。
进一步的，在进行流域水生态安全评价时，在数字高程DEM数据基础上对流域进行子流域划分提取，以子流域为基本的评价单元；对子流域内的土地利用、污染物排放、年鉴统计、环统报告、水质参数、鱼类和大型底栖动物状态等数据参数进行资料收集和实地调查，获取具体指标参数。
建立构建压力-状态-功能-响应PSFR评价模型时，其包括以下步骤：
S1、对各项指标原始数据进行标准化处理；
S2、采用指标权重来反映个评价指标在流域水生态安全评价体系中的相对重要性；
S3、通过评价指标加权求和，计算生态安全指数ESI得分，以该指数评价流域整体的水生态安全状况。
在本实施例中，由于不同指标因子的数据性质不同，且不具有统一量纲，使数据不具有可比性，所以需要对各项指标原始数据进行标准化处理，对于正向指标和负向指标采取不同的标准化方法，使得处理后数值便于比较和计算。
具体地，在步骤S1中，对于正向指标，通过以下方法对数据进行标准化处理：
对于负向指标，通过以下方法对数据进行标准化处理：
上述(1)和(2)式中：Si为i指标的标准化值，Xi为i指标的原始值，Xmax、Xmin分别为i指标在评价区域内最大值和最小值；
其中，对于正向指标，即越大越安全指标；对于负向指标，即越小越安全指标。
在本实施例中，由于单项评价指标流域水生态安全的影响程度不同，评价指标较多，所以采用指标权重来反映评价指标在整个评价指标体系中的相对重要性；具体地，在步骤S2中，采用变异系数法确定各项评价指标的初步权重Wj’式(3-5)；
计算标准差：
根据均值和标准差得到变异系数：
根据变异系数计算初步权重：
然后进行专家判别、文献和实地调研，调整部分指标权重。
在步骤S3中，
其中，ESI为生态安全综合指数；Wi为第i个指标的权重，Yi为指标得分；
步骤S3后，查阅相关文献，根据表1确定水生态安全状态等级划分标准：
根据压力-状态-功能-响应PSFR评价模型的水生态安全评价结果，设立流域生态修复目标。
表1流域水生态安全评价等级标准
在步骤三中，以修复措施为决策变量，建立目标函数；
根据流域特征、修复措施的最小实施单元条件和财政预算限制，确立约束函数；
采用约束法求解多目标优化模型：选取一个或多个目标函数的约束值作为约束条件之一，求解满足另一目标函数最优值的优化解集，选取非线性算法进行搜索计算，以获得多目标优化模型。
在步骤四中，对多目标优化模型求解得到包括包括一系列梯度化的目标函数值及其相应的组合方案在内的帕累托优化解集，对帕累托优化解集进行列表信息说明，决策者根据需求选择最优修复措施组合方案。
在本实施例中，构建包含决策变量、目标函数和约束条件的生态修复多目标优化模型后，通过Microsoft Excel的规划求解功能，搜索不同修复措施组合方案的帕累托(Pareto)最优解集；然后对求解的帕累托优化解集进行相应的列表信息说明，包括生态改善效果、实施成本和社会经济效益等，为流域生态修复决策者提供完整详细的方案介绍和科学依据。
实施例2
在实施例1的基础上，选择辽宁省太子河流域为具体实施案例：
步骤一、建立流域水生态安全评价指标体系，并根据其设定生态修复目标；
建立流域水生态安全评价指标体系时，从水生态压力(pressure)、水生态状态(state)、生态功能(function)和响应特征(response)四个方面选取评价指标，构建压力-状态-功能-响应PSFR评价模型；
在本实施例中，根据太子河流域的社会经济发展状况和流域特征:
水生态压力方面评价指标选取土地利用和污染物排放两个准则层，包括农田面积、建设用地、矿山面积、居住面积和农药化肥施用5个具体指标；
水生态状态方面有生境状态、水质状态和生物状态三个准则层，具体指标包括植被、栖境质量、河床底质、水化特征、营养盐特征、鱼类状态、大型底栖动物状态和清洁物种等8个；
生态功能方面包括景观娱乐、物种保护、自然优良生境和饮用水源地四个准则层，评价指标有水产品供给、旅游资源、珍稀特有物种、生物多样性、自然保护区和集中饮用水水质达标率6个；
响应特征包括生态响应和社会响应两个准则层，具体指标包括人工林面积、污水处理率和环保投入3个；
在上述基础上，在进行流域水生态安全评价时，以子流域为基本的评价单元，在数字高程DEM数据基础上对流域进行子流域划分提取；对子流域内的土地利用、污染物排放、年鉴统计、环统报告、水质参数、鱼类和大型底栖动物状态等数据参数进行资料收集和实地调查，获取具体指标参数；
具体地，在本实施例中以1:50 000数字高程模型DEM数据为基础，在Arcswat(v2012)中通过Watershed Delineation模块进行水系和流域边界的提取，以调查样点为汇水出口点，初步生成若干子流域单元，再利用流域最新水系图进行调整，最终将太子河流域山区段划分为35个子流域单元；
然后，对研究区进行实地调查和资料收集，获取指标相关参数，根据式(1)和式(2)进行数据标准化处理；根据式(3)、式(4)和式(5)的变异系数法确定指标初步权重，然后进行专家判别，最后调整部分指标权重；根据式(6)加权求和，计算生态安全综合指数ESI，根据表1确定子流域水生态安全等级。
对流域水生态安全状况进行分析评价，针对影响流域水生态安全状态的指标因子设立生态修复目标：生态健康和社会经济效应；
其中，生态健康修复目标包括水质、生物多样性(鱼类和大型底栖动物)等方面，具体包括溶解氧(DO),总氮(TN),氨氮(NH3-N),总磷(TP),鱼类物种数(FS),和大型底栖动物多样性指数(BDI)6项生态指标；社会经济影响包括实施成本和经济效益两部分。
步骤二、根据流域生态修复目标，筛选生态修复措施；
具体地，在本实施例中，基于太子河流域水生态安全评价结果和生态修复目标设定，选择三种修复措施：人工湿地(Constructed Wetland，CW)、生态鱼塘(Ecological FishPond，EFP)和土地利用改造作(Land UseReformation，LUR)为太子河流域生态修复的实施工程，并查阅确定三种修复措施的生态效果、实施成本和经济效益(表2)。
步骤三、构建包含决策变量、目标函数和约束条件的生态修复多目标优化模型；
以修复措施为决策变量，根据太子河流域特征和预算限制等，确立相关等式或不等式约束条件，构建包含生态健康和社会经济影响两个目标函数的多目标优化模型：
①生态健康目标函数：
f1(x)＝∑i∑xwi*Bi (7)
其中i为生态指标(i∈DO,TN,NH3-N,TP,FS,BDI)；x为决策变量，即修复工程的实施数量；wi为指标i对于ESI的权重；Bi为修复措施对生态指标i的改善效果。在太子河流域水生态安全评价的基础上，结合生态修复目标，对6个生态指标分别赋予权重，图2中E2至E9。其中，TN，NH3-N，和TP的改善为对其含量进行削减，因此赋予负的权重值；
用于计算决策变量，即三种决策措施对6个生态指标的具体计算公式见(8)至(13)，DO，TN，NH3-N，和TP的计算单位为mg/L；
f(DO)＝0.15*(0.0817xCW+0.0729xEFP+0.07995xLUR) (8)
f(TN)＝-0.15*(-0.4366xCW+0.02511xLUR) (9)
f(NH3-N)＝-0.1*(-0.774xCW-0.3455xEFP+0.02382xLUR) (10)
f(TP)＝-0.2*(-0.988xCW-0.02415xLUR) (11)
f(FS)＝0.2*0.5xCW (12)
f(BDI)＝0.2*0.5xEFP (13)
生态健康的修复效果为各项生态指标改善值的和：
f1(x)＝f(DO)+f(TN)+f(NH3-N)+f(TP)+f(FS)+f(BDI) (14)
②社会经济影响目标函数：
其中，Bi为修复措施i的经济效益；Ci为修复措施i的实施成本。
生态修复的实施成本，计算公式为：
f(cost)＝19.85xCW+2.38xEFP+24xLUR (16)
生态修复的社会经济效益，计算公式为：
f(benefits)＝18xEFP+88.13xLUR (17)
f2(x)＝f(benefits)-f(cost) (18)
本发明提出的多目标优化模型的目的是寻找能将目标函数f1(x)和f2(x)最大化的修复措施组合方案策略。
③约束条件：
本实施例拟应用的人工湿地规模需满足河宽大于40m(表2)，根据实地调查及遥感解译数据，适宜修建人工湿地的河段为20处，因此约束不等式为：
xcw≤20； (19)
本实施例拟应用的生态鱼塘规模需满足河段最小水域面积70×100m(表2)，根据实地调查及遥感解译数据，适宜修建生态鱼塘的河段为10处，因此约束不等式为：
xEFP≤10； (20)
本实施例拟应用的土地利用改造最大规模不超过原有裸地或者旱地面积(表2)，根据实地调查及遥感解译数据，约束不等式为：
xLUR≤43； (21)
以上三种措施的决策变量需满足为整数：
xcw，xEFP，xLUR∈整数； (22)
为说明财政预算限制对生态修复策略制定的影响，本实施例根据太子河流域特征设定生态修复成本限制为500万元，约束条件不等式为：
Ci≤500万元； (23)
本实施例提出的多目标优化求解采用约束法进行搜索求解，将社会经济影响目标函数f2(x)的约束值作为约束条件之一，通过MicrosoftExcel的规划求解工具，求解满足生态健康目标函数f1(x)最优值的优化解集，采用非线性算法(Generalized ReducedGradient，GRG)进行搜索(图2)。
表2生态修复措施详细信息
步骤四、按需求选择组合方案
本实施例提出的对多目标优化模型求解所得的帕累托优化解集包括一系列梯度化的目标函数值及其相应的组合方案(图3)；
对步骤3搜索求解的优化解集进行列表信息说明(表3)；
表3生态修复多目标优化帕累托解集(部分示例，见图3)列表信息说明
生态修复策略制定决策者根据需求，包括预算限制和修复目标等，选择最优修复措施组合方案。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.流域生态修复策略的决策分析方法，其特征在于：其包括如下步骤：
步骤一、建立流域水生态安全评价指标体系，并根据其设定生态修复目标；
步骤二、根据流域生态修复目标，筛选生态修复措施；
步骤三、构建包含决策变量、目标函数和约束条件的生态修复多目标优化模型；
步骤四、求解多目标优化模型，按需求选择生态修复组合方案。
2.根据权利要求1所述的流域生态修复策略的决策分析方法，其特征在于：在步骤一中，建立流域水生态安全评价指标体系时，从水生态压力(pressure)、水生态状态(state)、生态功能(function)和响应特征(response)四个方面选取评价指标，构建压力-状态-功能-响应PSFR评价模型。
3.根据权利要求2所述的流域生态修复策略的决策分析方法，其特征在于：在进行流域水生态安全评价时，在数字高程DEM数据基础上对流域进行子流域划分提取，以子流域为基本的评价单元；对子流域内的土地利用、污染物排放、年鉴统计、环统报告、水质参数、鱼类和大型底栖动物状态等数据参数进行资料收集和实地调查，获取具体指标参数。
4.根据权利要求3所述的流域生态修复策略的决策分析方法，其特征在于：建立构建压力-状态-功能-响应PSFR评价模型时，其包括以下步骤：
S1、对各项指标原始数据进行标准化处理；
S2、采用指标权重来反映个评价指标在流域水生态安全评价体系中的相对重要性；
S3、通过评价指标加权求和，计算生态安全指数ESI得分，以该指数评价流域整体的水生态安全状况。
5.根据权利要求4所述的流域生态修复策略的决策分析方法，其特征在于：在步骤S1中，对于正向指标，通过以下方法对数据进行标准化处理：
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对于负向指标，通过以下方法对数据进行标准化处理：
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上述(1)和(2)式中：Si为i指标的标准化值，Xi为i指标的原始值，Xmax、Xmin分别为i指标在评价区域内最大值和最小值。
6.根据权利要求4所述的流域生态修复策略的决策分析方法，其特征在于：在步骤S2中，采用变异系数法确定各项评价指标的初步权重Wj’式(3-5)；
计算标准差：
<mrow>
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根据均值和标准差得到变异系数：
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根据变异系数计算初步权重：
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1
然后进行专家判别、文献和实地调研，调整部分指标权重。
7.根据权利要求6所述的流域生态修复策略的决策分析方法，其特征在于：在步骤S3中，
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其中，ESI为生态安全综合指数；Wi为第i个指标的权重，Yi为指标得分；
步骤S3后，查阅相关文献，根据表1确定水生态安全状态等级划分标准：
根据压力-状态-功能-响应PSFR评价模型的水生态安全评价结果，设立流域生态修复目标。
8.根据权利要求6所述的流域生态修复策略的决策分析方法，其特征在于：在步骤三中，
以修复措施为决策变量，建立目标函数；
根据流域特征、修复措施的最小实施单元条件和财政预算限制，确立约束函数；
采用约束法求解多目标优化模型：选取一个或多个目标函数的约束值作为约束条件之一，求解满足另一目标函数最优值的优化解集，选取非线性算法进行搜索计算。
9.根据权利要求8所述的流域生态修复策略的决策分析方法，其特征在于：在步骤四中，对多目标优化模型求解得到包括一系列梯度化的目标函数值及其相应的组合方案在内的帕累托(Pareto)优化解集，对帕累托优化解集进行列表信息说明，决策者根据需求选择最优修复措施组合方案。
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