基于分类-层次分析法理论的河道健康评价方法
基于分类-层次分析法理论的河道健康评价方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及河流治理领域，具体涉及一种基于分类-层次分析法理论的河道健康 评价方法。
【背景技术】
[0002] 河流系统健康是指在各种复杂环境的交互影响之下，河流系统自身的结构和功能 保持相对稳定，具有通畅的水体结构、完整多样的生物群落、完善的调节机制、完美的文化 彰显，能充分发挥其自然调节、生态服务和社会服务等功能，能保持河流系统的生生不息， 支撑社会经济的可持续发展。河流水系为城市提供了供水、生物保护与景观等多种生态服 务功能，以其自然、社会、经济与环境价值推动了城市的发展。但随着城市规模扩大，对河 流的干扰日渐增加，筑坝、取水、分流、裁弯取直、堵塞汊流及河岸（道）的固化、河岸植被带 破坏等扰乱了河流流态与水文循环过程，与水质污染、水生物过度利用等协同作用，引起河 流生态系统的退化。保持河流系统的健康是维持人类与自然和谐相处的重大问题，对河流 的治理也是要在明确河流健康状况的哪部分出问题的情况下，有的放矢对河流进行健康修 复。因此，采用合理的方法对河流健康进行评价至关重要。
[0003] 现有的对河流健康进行评价方法如要采用层次分析法，层次分析法（AHP法）是由 匹兹堡大学教授T.L.Saaty于20世纪70年代提出的，它把复杂问题中的各种因素通过划 分相互联系的有序层次使之条理化，根据对一定客观现实的判断就每一层次的相对重要性 给予定量表示，利用数学方法确定表达每一层次的全部元素的相对重要性次序的权值，并 通过排序结果分析和解决问题。层次分析法大体经过六个步骤：1.明确问题；2.建立层次 结构；3.构造判断矩阵；4.层次单排序；5.层次总排序；6. -致性检验。其中后三个步骤 在整个过程中需要逐层进行。层次分析法所需数据较少，易于应用。但该方法要求评价者 对评价对象的本质、所包含的要素及其相互之间的逻辑关系有比较透彻的了解，并且在评 价因素较多的情况下，可能出现所构建的判断矩阵不能满足一致性的要求的情况。在对河 流进行修复评价时，不同的类型的河流，其破坏方面和修复重点各不相同，因而各指标及指 标权重的侧重点有所区别，需要对不同类型的河流分类进行探讨与研宄，而单独使用层次 分析法所构建的判断矩阵，不能满足所有类型的河流的修复评价，因此，层次分析法适用范 围较窄，且分析不够全面。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种适用范围较广且评价更全面的基于分 类-层次分析法理论的河道健康评价方法。
[0005] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该基于分类-层次分析法理论的 河道健康评价方法，包括以下步骤：
[0006] S1、将目标河道按照具体情况和指标的属性进行分解，构建层次结构，所述层次结 构如下表所示：
[0008]S2、构造判断矩阵，所述判断矩阵的构造方法如下所述：首先，将层次结构中的准 则层各元素与目标层元素进行两两比较，将指标层各元素与准则层各元素进行两两比较， 根据二者的重要性赋予标度为1~5的判断值，所有的判断值组成判断矩阵，所述判断值的 标度以及含义如下表所示：
[0010]S3、一致性检验，具体方法如下所述：首先，计算一致性指标Cl= (Amax-n)/ (n-1)，Amax为判断矩阵的最大特征根，再计算一致性比例CR=CI/RI，其中RI为平均随 机一致性指标，根据CR的值与0. 1进行比较，若CR< 0. 1，则判断矩阵满足一致性要求；若 CR彡0. 1，则需要调整判断矩阵中标度的取值，重复上述步骤，直到CR< 0. 1为止，所述RI 的取值由下表确定：
[0012] S4、根据调整后的判断矩阵，确定内置权重《il，所述内置权重oil的确定方 法如下所述：首先，求出判断矩阵的最大特征根Xmax以及对应的特征向量w' = 〇1'， ?2'，…，《n'）T，将之归一化后得到权重向量w=〇l，《2，…，《n)T，即Ewil=l， 则内置权重为第i个元素（i= 1，2, 3,…，n)相对于上一层次指标所占的内置权重；
[0013] S5、运用分类法得到河流相对于指标层中各元素的分类权重《i2,按照组合权重 的方法，将内置权重与分类权重《i2组合后得到综合权重;
[0014] S6、确定指标层中各元素的指标值ri;
[0015] S7、对指标层中各元素的指标值ri进行归一化处理得到指标归一化打分值Si，归 一化处理的方法如下所述：若指标值r处于"不健康"或"亚健康"状态，则r的归一化打分 值为r/y;若指标值a处于"健康"状态（大于阈值上限y)，则r的归一化打分值则为1 ;
[0016] S8、在求得指标层中各元素的指标归一化打分值Si和相应的综合权重之后，按照 逐层向上的计算顺序，求出准则层每个元素的得分，最后再求出目标层的总体得分情况，具 体方法为：
[0017] 若目标层下有m个准则层元素，每个准则层元素的权重为wj(Ewj= 1)，其中第 j个准则层下有n个指标层元素，每个指标层元素的打分值为Si，权重为《i(E= 1)， 则
[0019] 式中，L为第j个准则层的得分，I为目标层的得分；
[0020] S9、根据目标层的得分和评价标准，确定目标系统的等级。
[0021] 进一步的是，在步骤S6中，所述指标层包括以下八个元素：河势稳定性C1、植被覆 盖率C2、径流变化率C3、水质达标率C4、生物多样性指数C5、防洪综合指数C6、水资源利用 率C7、土地利用率C8 ;其各个元素的指标值ri确定方法如下所述：
[0022] 其中，所述河势稳定性C1的指标值rl计算方法如下所述：
[0023] 河势稳定性C1 的指标值rl=d/h/j(Q0. 5/Bs/J0. 2) 2，
，其 中，
[0024] Bs表示横向稳定河宽（m);
[0025] K=l/1003CI/33= 0. 0151 ；
[0026] Q表示造床流量（m3/s)，取2年一遇的流量；
[0027] J表示比降；取枯水期水面比降；
[0028] n表不糖率；
[0029] D表示床沙粒径（m)
[0030] H表示造床流量对应水深（m);
[0031] 当rl<5时，rl处于"不健康"状态；当5彡rl彡15时，rl处于"亚健康"状态； 当rl> 15 (大于阈值上限）时，rl处于"健康"状态；
[0032] 所述植被覆盖率C2的指标值r2计算方法如下所述：
[0033] r2 =F植/F
[0034]式中：F植--河流控制范围内植被覆盖面积（km2)，F--河流控制范围面积 (km2)
[0035] 当r2 < 21. 62%时，r2处于"不健康"状态；当21. 63%彡r2彡37. 99%时，r2处 于"亚健康"状态；当r2> 38% (大于阈值上限）时，r2处于"健康"状态；
[0036] 所述径流变化率C3的指标值r3计算方法如下所述：
[0038] 式中：色--评价期平均径流量，单位m3/s;
[0039] Q--多年平均径流量，单位m3/s;
[0040] N--时间尺度，
[0041] 当r3 < 0. 35时，r3处于"不健康"状态；当0. 36 <r3 < 0. 5时，r3处于"亚健 康"状态；当r3 > 0. 51 (大于阈值上限）时，r3处于"健康"状态；
[0042] 所述水质达标率C4的指标值r4计算 方法如下所述：
[0044] 式中：ms--取样达标次数，单位次；mt--取样总次数，单位次。
[0045] 当r4 < 0? 39时，r4处于"不健康"状态；当0? 4彡r4彡0? 7时，r4处于"亚健康" 状态；当r4 > 0. 71 (大于阈值上限）时，r4处于"健康"状态；
[0046] 所述生物多样性指数C5的指标值r5计算方法如下所述：
[0048] 式中：Rs--为流域范围内物种数量；R--为本地区物种总数。
[0049] 当r5 < 0. 5时，r5处于"不健康"状态；当0. 51<r5 < 0. 75时，r5处于"亚健 康"状态；当r5 > 0. 76 (大于阈值上限）时，r5处于"健康"状态；
[0050] 所述防洪综合指数C6的指标值r6计算方法如下所述：
[0052] 式中：Zs--现状防洪能力；
[0053] Z 应达到的防洪标准；
[0054] 当r6 < 0. 2时，r6处于"不健康"状态；当0. 21<r6 < 0. 79时，r6处于"亚健 康"状态；当r6 > 0. 8 (大于阈值上限）时，r6处于"健康"状态；
[0055] 所述水资源利用率C7的指标值r7,当r7 < 0. 09时，r7处于"不健康"状态；当 0. 1彡r7彡0. 19时，r7处于"亚健康"状态；当r7 > 0. 2 (大于阈值上限）时，r7处于"健 康"状态；
[0056] 所述土地利用率C8的指标值r8,当r8 < 0. 69时，r8处于"不健康"状态；当 0. 7 <r8 < 0. 901时，r8处于"亚健康"状态；当r8 > 0. 902(大于阈值上限）时，r8处于 "健康"状态。
[0057] 进一步的是，在步骤8中，若河流采用分河段的方法分段评价其健康指数，则
[0060] 式中，I,&为河流总体健康指数，Ip为第p河段的健康指数，t为河段数。
[0061] 进一步的是，在步骤S9中，所述评价标准采用三段制评价标准。
[0062] 本发明的有益效果：利用该基于分类-层次分析法理论的河道健康评价方法可定 量求出河流总体的健康指数，判定河流的健康等级，为河流管理工作提供定量化的数据支 持；又可以根据各子系统的健康指数分析河流各方面的具体健康状况，总结之前河流建设 管理工作的得失，明确河流在各方面受到人为影响的情况，从而对症下药，进行有目的性的 河流治理。
【具体实施方式】
[0063] 该基于分类-层次分析法理论的河道健康评价方法，包括以下步骤：
[0064]S1、将目标河道按照具体情况和指标的属性进行分解，构建层次结构，所述层次结 构如下表所示：
[0067]S2、构造判断矩阵，所述判断矩阵的构造方法如下所述：首先，将层次结构中的准 则层各元素与目标层元素进行两两比较，将指标层各元素与准则层各元素进行两两比较， 例如上表中中的B1、B2、B3相对于A层，或C1、C2、C3相对于B1层等，根据二者的重要性赋 予标度为1~5的判断值，所有的判断值组成判断矩阵，所述判断值的标度以及含义如下表 所示：
[0068]
[0069] S3、一致性检验，由于在元素的两两判断的过程中难免出现次序不一致和基本不 一致，为保证权重的可信度，需要进行一致性检验，具体方法如下所述：首先，计算一致性指 标Cl= (Amax-n)/(n-l)，Amax为判断矩阵的最大特征根，再计算一致性比例CR=CI/ RI，其中RI为平均随机一致性指标，根据CR的值与0. 1进行比较，若CR< 0. 1，则判断矩阵 满足一致性要求；若CR多0. 1，则需要调整判断矩阵中标度的取值，重复上述步骤，直到CR < 0. 1为止，所述RI的取值由下表确定：
[0071] S4、根据调整后的判断矩阵，确定内置权重《il，所述内置权重oil的确定方 法如下所述：首先，求出判断矩阵的最大特征根Xmax以及对应的特征向量w' = 〇1'， ?2'，…，《n'）T，将之归一化后得到权重向量w=〇l，《2，…，《n)T，即Ewil=l， 则内置权重为第i个元素（i= 1，2, 3,…，n)相对于上一层次指标所占的内置权重；
[0072] S5、运用分类法得到河流相对于指标层中各元素的分类权重《i2,按照组合权重 的方法，将内置权重与分类权重《i2组合后得到综合权重;
[0073] 具体操作方法如下：首先，将河道按其特征和功能不同，分为以下四类；
[0075] 然后按其功能划分不同，采用调查评价及专家打分的方法对分类河流类型进行权 重分配得到分类权重《i2,最后，将内置权重与分类权重《i2进行综合比较，组合分 配得出既有客观性、又有实际针对性的河流健康评价系统的综合权重;
[0076] 对于河流系统的健康评价而言即根据河流不同分类的实际情况，邀请专家（相关 管理、设计人员或高校教授等）进行座谈商讨或专家打分，得到不同类型河流相对于指标 层中各元素的分类权重，以体现各类型河流在健康评价过程中不同的侧重性；
[0077] S6、确定指标层中各元素的指标值ri;
[0078] S7、对指标层中各元素的指标值ri进行归一化处理得到指标归一化打分值Si，归 一化处理的方法如下所述：若指标值r处于"不健康"或"亚健康"状态，则r的归一化打分 值为r/y;若指标值a处于"健康"状态（大于阈值上限y)，则r的归一化打分值则为1 ;对 于河流系统的健康评价体系，每个具体的指标值都有一定的阈值范围，每个指标值的阈值 范围都是根据相关规范、类比相似河流或借鉴相关领域研宄成果等方法所提供的，继而得 出单项指标的健康评价标准；
[0079] S8、在求得指标层中各元素的指标归一化打分值Si和相应的综合权重之后，按照 逐层向上的计算顺序，求出准则层每个元素的得分，最后再求出目标层的总体得分情况，具 体方法为：
[0080] 若目标层下有m个准则层元素，每个准则层元素的权重为wj(Ewj= 1)，其中第 j个准则层下有n个指标层元素，每个指标层元素的打分值为Si，权重为《i(E = 1)， 则
[0082] 式中，1」为第j个准则层的得分，I为目标层的得分；
[0083] S9、根据目标层的得分和评价标准，确定目标系统的等级。
[0084] 利用该基于分类-层次分析法理论的河道健康评价方法可定量求出河流总体的 健康指数，判定河流的健康等级，为河流管理工作提供定量化的数据支持；又可以根据各子 系统的健康指数分析河流各方面的具体健康状况，总结之前河流建设管理工作的得失，明 确河流在各方面受到人为影响的情况，从而对症下药，进行有目的性的河流治理。
[0085] 在上述实施方式过程中，在步骤S6中，所述指标层包括以下八个元素：河势稳定 性C1、植被覆盖率C2、径流变化率C3、水质达标率C4、生物多样性指数C5、防洪综合指数 C6、水资源利用率C7、土地利用率C8 ;其各个元素的指标值ri确定方法如下所述：
[0086] 其中，所述河势稳定性C1的指标值rl计算方法如下所述：
[0087] 冲积河流稳定性指标是反映来水来沙变化时，表现出来的局部的、暂时的相对变 幅。只要对原有河流的稳定性参数改变不大，河床经过一定的调整，将恢复到原有的平衡状 况，而不致发生较大的河型转化，形成大规模的再造床过程。河势稳定性C1的指标值rl= d/h/j(Q0. 5/Bs/J0. 2)2,
，其 中，
[0088] Bs表示横向稳定河宽（m);
[0089] K=l/1003CI/33= 0. 0151 ；
[0090] Q表示造床流量（m3/s)，取2年一遇的流量；
[0091] J表示比降；取枯水期水面比降；
[0092] n表示糙率；
[0093] D表示床沙粒径（m)
[0094] H表示造床流量对应水深（m);
[0095] 当rl< 5时，rl处于"不健康"状态；当5彡rl彡15时，rl处于"亚健康"状态； 当rl> 15 (大于阈值上限）时，rl处于"健康"状态；
[0096] 良好的河岸带植被覆盖可以有效地改善河流周边小气候，减少水土流失，截留吸 纳污染物，提高水体的自净能力，提高生态环境质量。植被覆盖率C2是指河流控制范围内 植被覆盖面积占河流控制范围面积的比例，该指标综合反映了河流的绿化程度，所述植被 覆盖率C2的指标值r2计算方法如下所述：
[0097] r2 =F植/F
[0098] 式中：F植--河流控制范围内植被覆盖面积（km2)，F--河流控制范围面积 (km2)
[0099] 当r2 < 21. 62%时，r2处于"不健康"状态；当21. 63%彡r2彡37. 99%时，r2处 于"亚健康"状态；当r2> 38% (大于阈值上限）时，r2处于"健康"状态；
[0100] 河流维持一定的径流量是河流系统具有生命力的基本保障，同时由于河流系统的 动态性要求，河流系统也维持一定的径流变化。其变化程度通过径流变化率来表示。径流 变化率是指径流变化量与多年平均径流量的比值，它表示了河流径流量的年际年内变化的 剧烈程度，在一定程度上反映了洪水频率、洪峰流量等洪水特性，它是河流系统动力条件的 一个重要参数。可见，径流变化率指标体现了健康河流的水动力内涵与流畅性要求。所述 径流变化率C3的指标值r3计算方法如下所述：
[0102] 式中：仏一一评价期平均径流量，单位m3/s;
[0103] Q一一多年平均径流量，单位m3/s;
[0104] N--时间尺度，
[0105] 当r3 < 0. 35时，r3处于"不健康"状态；当0. 36 <r3 < 0. 5时，r3处于"亚健 康"状态；当r3 > 0. 51 (大于阈值上限）时，r3处于"健康"状态；
[0106] 水环境状况直接影响人们日常生活、生物生存以及社会生产。良好的水环境是河 流健康的基本要求。河流的水环境要求与水功能区密切相关。对于某条河流的不同河段， 根据其结构和社会经济情况的差异，将会被划定为不同的功能区。每一功能区都有其一定 的水环境要求。功能区的水环境要求通过水质达标率来表征，用满足功能区水质要求的监 测次数与取样总次数的比值来表示，所述水质达标率C4的指标值r4计算方法如下所述：
[0108] 式中：ms--取样达标次数，单位次；mt--取样总次数，单位次。
[0109] 当r4 < 0. 39时，r4处于"不健康"状态；当0. 4彡r4彡0. 7时，r4处于"亚健康" 状态；当r4 > 0. 71 (大于阈值上限）时，r4处于"健康"状态；
[0110] 生态系统动态平衡、结构组成以及丰富程度，多用生物多样性指数C5来反映。生 物多样性指数是以各物种的相对多度来反映群落的物种多样性和物种丰富度。该指标表示 生物群落内种类多样性程度的量纲，是用来判断生物群落结构变化或生态系统稳定性的指 标。以流域范围物种数量占本地区物种总数的比值来表示，所述生物多样性指数C5的指标 值r5计算方法如下所述：
[0112] 式中：Rs--为流域范围内物种数量；R--为本地区物种总数。
[0113] 当r5 < 0. 5时，r5处于"不健康"状态；当0. 51彡r5彡0. 75时，r5处于"亚健 康"状态；当r5 > 0. 76 (大于阈值上限）时，r5处于"健康"状态；
[0114] 防洪综合指数C6是衡量一个地区防洪压力的指数。对人类活动较频繁地区，即使 是较小的洪灾，也会造成不可预估的损失；相反，对人类活动稀少或无人区、天然洪泛区等， 即使遇到超标洪水，也不会对人类造成过大影响。为统计方便，大多有记载洪灾均发生在人 类活动频繁地区，而人类活动稀少或无人区鲜有记载，因此，采用现状防洪能力与应达到的 防洪标准比值来确定防洪综合指数C6,所述防洪综合指数C6的指标值r6计算方法如下所 述：
[0116] 式中：Zs--现状防洪能力；
[0117] Z 应达到的防洪标准；
[0118] 当r6 < 0. 2时，r6处于"不健康"状态；当0. 21彡r6彡0. 79时，r6处于"亚健 康"状态；当r6 > 0. 8 (大于阈值上限）时，r6处于"健康"状态；
[0119] 水资源利用率C7是反映一个流域地表水、地下水开发利用程度的指标。所述水 资源利用率C7的指标值r7,当r7 < 0. 09时，r7处于"不健康"状态；当0. 1 <r7 < 0. 19 时，r7处于"亚健康"状态；当r7 > 0. 2 (大于阈值上限）时，r7处于"健康"状态；
[0120] 沿岸土地利用率C8是一个沿岸用水工、农业发展水平，沿岸景观服务业发展水平 以及周边居民对河流亲和度的综合反映。所述土地利用率C8的指标值r8,当r8 < 0. 69时， r8处于"不健康"状态；当0. 7彡r8彡0. 901时，r8处于"亚健康"状态；当r8 > 0. 902 (大 于阈值上限）时，r8处于"健康"状态。
[0121] 进一步的是，在步骤8中，若河流采用分河段的方法分段评价其健康指数，整个河 流的总体健康指数采用算术平均数的计算方法即可，则
[0124] 式中，1,&为河流总体健康指数，Ip为第p河段的健康指数，t为河段数。
[0125] 对于河流系统的健康评价，仅定量化地求出健康指数的得分是不够的，还需要根 据河流系统健康分数的评价标准，确定河流系统的健康等级，从而将健康指数转化为更加 直观的印象。
[0126] 经统计，国内外评价标准大多以1分评分分段制作为评价标准，由于在上述计算 方法中，权重系数和指标打分均采用归一化处理，总体健康指数也必将位于区间[0，1]内， 符合标准。目前评价的分段制有三段制（不健康[0~0. 33]、亚健康[0. 34~0. 67]、健康 [0? 68~1])、四段制（不健康[0~0? 25]、亚健康[0? 26~0? 5]、基本健康[0? 51~0? 75]、 健康[0. 76~1])和五段制（不健康[0~0. 2]、较不健康[0. 21~0. 4]、亚健康[0. 41~ 0. 6]、基本健康[0. 61~0. 8]、健康[0. 81~1])。从不失一般性的角度分析，以上3种评 价标准被采用的频率比例大致为4 : 3 : 3,可见三段制的应用更为广泛。
[0127] 纵观国内外对河流健康的认识，现代河流健康定义大致可归纳为以下三类：一是 以保护生物多样性为目的的河流生态系统健康概念，二是以关注河流本身生命体系为目的 的河流生命系统健康概念，三是以满足于河流管理为目的的河流管理系统健康概念。国外 学者的倾向为第一类，而我国更倾向于第二、三类。
[0128] 也就是说，评价标准既要严格的划定健康范畴，又要便于河道管理部门日常管理。 从3种评价标准"不健康"临界点划分来看，分别为0. 33、0. 25和0. 2,显然三段制对 河流是 否健康有着更严格的界定。同时，只划分三段更加便于河道管理部门制定相应的管理措施 及治理手段。因此，在步骤S9中，所述评价标准采用三段制评价标准。
【主权项】
1.基于分类-层次分析法理论的河道健康评价方法，其特征在于包括以下步骤： 51、 将目标河道按照具体情况和指标的属性进行分解，构建层次结构，所述层次结构如 下表所示：52、 构造判断矩阵，所述判断矩阵的构造方法如下所述：首先，将层次结构中的准则层 各元素与目标层元素进行两两比较，将指标层各元素与准则层各元素进行两两比较，根据 二者的重要性赋予标度为1~5的判断值，所有的判断值组成判断矩阵，所述判断值的标度 以及含义如下表所示：53、 一致性检验，具体方法如下所述：首先，计算一致性指标Cl = ( Amax-n)/(n-l)， Amax为判断矩阵的最大特征根，再计算一致性比例CR = CI/RI，其中RI为平均随机一 致性指标，根据CR的值与0. 1进行比较，若CR < 0. 1，则判断矩阵满足一致性要求；若 CR彡0. 1，则需要调整判断矩阵中标度的取值，重复上述步骤，直到CR < 0. 1为止，所述RI 的取值由下表确定：54、 根据调整后的判断矩阵，确定内置权重oil，所述内置权重oil的确定方法如下 所述：首先，求出判断矩阵的最大特征根Xmax以及对应的特征向量w'= (ω1'，ω2'，···， ωη'）Τ，将之归一化后得到权重向量w = (ω 1，ω 2，…，ωη)Τ，即Σ ω il = 1，则内置权 重ω il为第i个元素 （i = 1，2, 3，…，η)相对于上一层次指标所占的内置权重； 55、 运用分类法得到河流相对于指标层中各元素的分类权重ω i2,按照组合权重的方 法，将内置权重《il与分类权重ω?2组合后得到综合权重; 56、 确定指标层中各元素的指标值ri ; 57、 对指标层中各元素的指标值ri进行归一化处理得到指标归一化打分值Si，归一化 处理的方法如下所述：若指标值r处于"不健康"或"亚健康"状态，则r的归一化打分值为 r/y ;若指标值a处于"健康"状态（大于阈值上限y)，则r的归一化打分值则为1 ; 58、 在求得指标层中各元素的指标归一化打分值Si和相应的综合权重之后，按照逐层 向上的计算顺序，求出准则层每个元素的得分，最后再求出目标层的总体得分情况，具体方 法为： 若目标层下有m个准则层元素，每个准则层元素的权重为wj ( Σ wj = 1)，其中第j个 准则层下有η个指标层元素，每个指标层元素的打分值为Si，权重为ω?( Σ ω? = 1)，则式中，L为第j个准则层的得分，I为目标层的得分； 59、 根据目标层的得分和评价标准，确定目标系统的等级。2.如权利要求1所述的基于分类-层次分析法理论的河道健康评价方法，其特征在于： 在步骤S6中，所述指标层包括以下八个元素：河势稳定性C1、植被覆盖率C2、径流变化率 C3、水质达标率C4、生物多样性指数C5、防洪综合指数C6、水资源利用率C7、土地利用率C8 ; 其各个元素的指标值ri确定方法如下所述： 其中，所述河势稳定性Cl的指标值rl计算方法如下所述：河势稳定性Cl的指标值rl = d/h/j (QO. 5/Bs/J0. 2) 2， 其中， Bs表示横向稳定河宽（m); K = 1/10030'33= 0· 0151 ; Q表示造床流量（m3/s)，取2年一遇的流量； J表示比降；取枯水期水面比降； η表示糙率； D表示床沙粒径（m); H表示造床流量对应水深（m); 当rl< 5时，rl处于"不健康"状态；当5彡rl彡15时，rl处于"亚健康"状态；当 rl > 15(大于阈值上限）时，rl处于"健康"状态； 所述植被覆盖率C2的指标值r2计算方法如下所述： r2 = F 植 /F 式中：F植--河流控制范围内植被覆盖面积（km2)，F--河流控制范围面积（km2) 当。<21.62%时，"处于"不健康"状态；当21.63%彡。彡37.99%时，。处于 "亚健康"状态；当r2>38% (大于阈值上限）时，r2处于"健康"状态； 所述径流变化率C3的指标值r3计算方法如下所述：式中：? 一一评价期平均径流量，单位m3/s ; Q 一一多年平均径流量，单位mVs ; N一一时间尺度， 当r3 < 0. 35时，r3处于"不健康"状态；当0. 36 < r3 < 0. 5时，r3处于"亚健康"状 态；当r3 > 0. 51 (大于阈值上限）时，r3处于"健康"状态； 所述水质达标率C4的指标值r4计算方法如下所述：式中：ms-一取样达标次数，单位次;mt-一取样总次数，单位次。 当r4 < 0. 39时，r4处于"不健康"状态；当0. 4彡r4彡0. 7时，r4处于"亚健康"状 态；当r4 > 0. 71 (大于阈值上限）时，r4处于"健康"状态； 所述生物多样性指数C5的指标值r5计算方法如下所述：式中：Rs--为流域范围内物种数量；R--为本地区物种总数。 当r5 < 0. 5时，r5处于"不健康"状态；当0. 51 < r5 < 0. 75时，r5处于"亚健康"状 态；当r5 > 0. 76 (大于阈值上限）时，r5处于"健康"状态； 所述防洪综合指数C6的指标值r6计算方法如下所述：式中：Zs--现状防洪能力； Z 应达到的防洪标准； 当r6 < 0. 2时，r6处于"不健康"状态；当0. 21 < r6 < 0. 79时，r6处于"亚健康"状 态；当r6 > 0. 8 (大于阈值上限）时，r6处于"健康"状态； 所述水资源利用率C7的指标值r7,当r7 < 0. 09时，r7处于"不健康"状态；当 0. 1彡r7彡0. 19时，r7处于"亚健康"状态；当r7 > 0. 2 (大于阈值上限）时，r7处于"健 康"状态； 所述土地利用率C8的指标值r8,当r8 < 0.69时，r8处于"不健康"状态；当 0. 7 < r8 < 0. 901时，r8处于"亚健康"状态；当r8 > 0. 902(大于阈值上限）时，r8处于 "健康"状态。3. 如权利要求2所述的基于分类-层次分析法理论的河道健康评价方法，其特征在于： 在步骤8中，若河流采用分河段的方法分段评价其健康指数，则式中，1,&为河流总体健康指数，Ip为第P河段的健康指数，t为河段数。4. 如权利要求1所述的基于分类-层次分析法理论的河道健康评价方法，其特征在于： 在步骤S9中，所述评价标准采用三段制评价标准。
【专利摘要】本发明公开了一种适用范围较广且评价更全面的基于分类一层次分析法理论的河道健康评价方法。该方法首先，构建层次结构，构造判断矩阵，其次，进行一致性检验，接着，确定综合权重ωi；确定指标层中各元素的指标值ri并得到指标归一化打分值Si，按照逐层向上的计算顺序，求出准则层每个元素的得分，最后再求出目标层的总体得分情况，最后，确定目标系统的等级。利用该方法可定量求出河流总体的健康指数，判定河流的健康等级，为河流管理工作提供定量化的数据支持；又可以根据各子系统的健康指数分析河流各方面的具体健康状况，进行有目的性的河流治理。适合在河流治理领域推广应用。
【IPC分类】G06Q10/04
【公开号】CN104899661
【申请号】CN201510330982
【发明人】周宏伟, 梁煜峰, 王子豪, 霍苗, 林可可, 曹畑, 杨丰荣
【申请人】四川大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月15日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及河流治理领域，具体涉及一种基于分类-层次分析法理论的河道健康 评价方法。
【背景技术】
[0002] 河流系统健康是指在各种复杂环境的交互影响之下，河流系统自身的结构和功能 保持相对稳定，具有通畅的水体结构、完整多样的生物群落、完善的调节机制、完美的文化 彰显，能充分发挥其自然调节、生态服务和社会服务等功能，能保持河流系统的生生不息， 支撑社会经济的可持续发展。河流水系为城市提供了供水、生物保护与景观等多种生态服 务功能，以其自然、社会、经济与环境价值推动了城市的发展。但随着城市规模扩大，对河 流的干扰日渐增加，筑坝、取水、分流、裁弯取直、堵塞汊流及河岸（道）的固化、河岸植被带 破坏等扰乱了河流流态与水文循环过程，与水质污染、水生物过度利用等协同作用，引起河 流生态系统的退化。保持河流系统的健康是维持人类与自然和谐相处的重大问题，对河流 的治理也是要在明确河流健康状况的哪部分出问题的情况下，有的放矢对河流进行健康修 复。因此，采用合理的方法对河流健康进行评价至关重要。
[0003] 现有的对河流健康进行评价方法如要采用层次分析法，层次分析法（AHP法）是由 匹兹堡大学教授T.L.Saaty于20世纪70年代提出的，它把复杂问题中的各种因素通过划 分相互联系的有序层次使之条理化，根据对一定客观现实的判断就每一层次的相对重要性 给予定量表示，利用数学方法确定表达每一层次的全部元素的相对重要性次序的权值，并 通过排序结果分析和解决问题。层次分析法大体经过六个步骤：1.明确问题；2.建立层次 结构；3.构造判断矩阵；4.层次单排序；5.层次总排序；6. -致性检验。其中后三个步骤 在整个过程中需要逐层进行。层次分析法所需数据较少，易于应用。但该方法要求评价者 对评价对象的本质、所包含的要素及其相互之间的逻辑关系有比较透彻的了解，并且在评 价因素较多的情况下，可能出现所构建的判断矩阵不能满足一致性的要求的情况。在对河 流进行修复评价时，不同的类型的河流，其破坏方面和修复重点各不相同，因而各指标及指 标权重的侧重点有所区别，需要对不同类型的河流分类进行探讨与研宄，而单独使用层次 分析法所构建的判断矩阵，不能满足所有类型的河流的修复评价，因此，层次分析法适用范 围较窄，且分析不够全面。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种适用范围较广且评价更全面的基于分 类-层次分析法理论的河道健康评价方法。
[0005] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该基于分类-层次分析法理论的 河道健康评价方法，包括以下步骤：
[0006] S1、将目标河道按照具体情况和指标的属性进行分解，构建层次结构，所述层次结 构如下表所示：
[0008]S2、构造判断矩阵，所述判断矩阵的构造方法如下所述：首先，将层次结构中的准 则层各元素与目标层元素进行两两比较，将指标层各元素与准则层各元素进行两两比较， 根据二者的重要性赋予标度为1~5的判断值，所有的判断值组成判断矩阵，所述判断值的 标度以及含义如下表所示：
[0010]S3、一致性检验，具体方法如下所述：首先，计算一致性指标Cl= (Amax-n)/ (n-1)，Amax为判断矩阵的最大特征根，再计算一致性比例CR=CI/RI，其中RI为平均随 机一致性指标，根据CR的值与0. 1进行比较，若CR< 0. 1，则判断矩阵满足一致性要求；若 CR彡0. 1，则需要调整判断矩阵中标度的取值，重复上述步骤，直到CR< 0. 1为止，所述RI 的取值由下表确定：
[0012] S4、根据调整后的判断矩阵，确定内置权重《il，所述内置权重oil的确定方 法如下所述：首先，求出判断矩阵的最大特征根Xmax以及对应的特征向量w' = 〇1'， ?2'，…，《n'）T，将之归一化后得到权重向量w=〇l，《2，…，《n)T，即Ewil=l， 则内置权重为第i个元素（i= 1，2, 3,…，n)相对于上一层次指标所占的内置权重；
[0013] S5、运用分类法得到河流相对于指标层中各元素的分类权重《i2,按照组合权重 的方法，将内置权重与分类权重《i2组合后得到综合权重;
[0014] S6、确定指标层中各元素的指标值ri;
[0015] S7、对指标层中各元素的指标值ri进行归一化处理得到指标归一化打分值Si，归 一化处理的方法如下所述：若指标值r处于"不健康"或"亚健康"状态，则r的归一化打分 值为r/y;若指标值a处于"健康"状态（大于阈值上限y)，则r的归一化打分值则为1 ;
[0016] S8、在求得指标层中各元素的指标归一化打分值Si和相应的综合权重之后，按照 逐层向上的计算顺序，求出准则层每个元素的得分，最后再求出目标层的总体得分情况，具 体方法为：
[0017] 若目标层下有m个准则层元素，每个准则层元素的权重为wj(Ewj= 1)，其中第 j个准则层下有n个指标层元素，每个指标层元素的打分值为Si，权重为《i(E= 1)， 则
[0019] 式中，L为第j个准则层的得分，I为目标层的得分；
[0020] S9、根据目标层的得分和评价标准，确定目标系统的等级。
[0021] 进一步的是，在步骤S6中，所述指标层包括以下八个元素：河势稳定性C1、植被覆 盖率C2、径流变化率C3、水质达标率C4、生物多样性指数C5、防洪综合指数C6、水资源利用 率C7、土地利用率C8 ;其各个元素的指标值ri确定方法如下所述：
[0022] 其中，所述河势稳定性C1的指标值rl计算方法如下所述：
[0023] 河势稳定性C1 的指标值rl=d/h/j(Q0. 5/Bs/J0. 2) 2，
，其 中，
[0024] Bs表示横向稳定河宽（m);
[0025] K=l/1003CI/33= 0. 0151 ；
[0026] Q表示造床流量（m3/s)，取2年一遇的流量；
[0027] J表示比降；取枯水期水面比降；
[0028] n表不糖率；
[0029] D表示床沙粒径（m)
[0030] H表示造床流量对应水深（m);
[0031] 当rl<5时，rl处于"不健康"状态；当5彡rl彡15时，rl处于"亚健康"状态； 当rl> 15 (大于阈值上限）时，rl处于"健康"状态；
[0032] 所述植被覆盖率C2的指标值r2计算方法如下所述：
[0033] r2 =F植/F
[0034]式中：F植--河流控制范围内植被覆盖面积（km2)，F--河流控制范围面积 (km2)
[0035] 当r2 < 21. 62%时，r2处于"不健康"状态；当21. 63%彡r2彡37. 99%时，r2处 于"亚健康"状态；当r2> 38% (大于阈值上限）时，r2处于"健康"状态；
[0036] 所述径流变化率C3的指标值r3计算方法如下所述：
[0038] 式中：色--评价期平均径流量，单位m3/s;
[0039] Q--多年平均径流量，单位m3/s;
[0040] N--时间尺度，
[0041] 当r3 < 0. 35时，r3处于"不健康"状态；当0. 36 <r3 < 0. 5时，r3处于"亚健 康"状态；当r3 > 0. 51 (大于阈值上限）时，r3处于"健康"状态；
[0042] 所述水质达标率C4的指标值r4计算 方法如下所述：
[0044] 式中：ms--取样达标次数，单位次；mt--取样总次数，单位次。
[0045] 当r4 < 0? 39时，r4处于"不健康"状态；当0? 4彡r4彡0? 7时，r4处于"亚健康" 状态；当r4 > 0. 71 (大于阈值上限）时，r4处于"健康"状态；
[0046] 所述生物多样性指数C5的指标值r5计算方法如下所述：
[0048] 式中：Rs--为流域范围内物种数量；R--为本地区物种总数。
[0049] 当r5 < 0. 5时，r5处于"不健康"状态；当0. 51<r5 < 0. 75时，r5处于"亚健 康"状态；当r5 > 0. 76 (大于阈值上限）时，r5处于"健康"状态；
[0050] 所述防洪综合指数C6的指标值r6计算方法如下所述：
[0052] 式中：Zs--现状防洪能力；
[0053] Z 应达到的防洪标准；
[0054] 当r6 < 0. 2时，r6处于"不健康"状态；当0. 21<r6 < 0. 79时，r6处于"亚健 康"状态；当r6 > 0. 8 (大于阈值上限）时，r6处于"健康"状态；
[0055] 所述水资源利用率C7的指标值r7,当r7 < 0. 09时，r7处于"不健康"状态；当 0. 1彡r7彡0. 19时，r7处于"亚健康"状态；当r7 > 0. 2 (大于阈值上限）时，r7处于"健 康"状态；
[0056] 所述土地利用率C8的指标值r8,当r8 < 0. 69时，r8处于"不健康"状态；当 0. 7 <r8 < 0. 901时，r8处于"亚健康"状态；当r8 > 0. 902(大于阈值上限）时，r8处于 "健康"状态。
[0057] 进一步的是，在步骤8中，若河流采用分河段的方法分段评价其健康指数，则
[0060] 式中，I,&为河流总体健康指数，Ip为第p河段的健康指数，t为河段数。
[0061] 进一步的是，在步骤S9中，所述评价标准采用三段制评价标准。
[0062] 本发明的有益效果：利用该基于分类-层次分析法理论的河道健康评价方法可定 量求出河流总体的健康指数，判定河流的健康等级，为河流管理工作提供定量化的数据支 持；又可以根据各子系统的健康指数分析河流各方面的具体健康状况，总结之前河流建设 管理工作的得失，明确河流在各方面受到人为影响的情况，从而对症下药，进行有目的性的 河流治理。
【具体实施方式】
[0063] 该基于分类-层次分析法理论的河道健康评价方法，包括以下步骤：
[0064]S1、将目标河道按照具体情况和指标的属性进行分解，构建层次结构，所述层次结 构如下表所示：
[0067]S2、构造判断矩阵，所述判断矩阵的构造方法如下所述：首先，将层次结构中的准 则层各元素与目标层元素进行两两比较，将指标层各元素与准则层各元素进行两两比较， 例如上表中中的B1、B2、B3相对于A层，或C1、C2、C3相对于B1层等，根据二者的重要性赋 予标度为1~5的判断值，所有的判断值组成判断矩阵，所述判断值的标度以及含义如下表 所示：
[0068]
[0069] S3、一致性检验，由于在元素的两两判断的过程中难免出现次序不一致和基本不 一致，为保证权重的可信度，需要进行一致性检验，具体方法如下所述：首先，计算一致性指 标Cl= (Amax-n)/(n-l)，Amax为判断矩阵的最大特征根，再计算一致性比例CR=CI/ RI，其中RI为平均随机一致性指标，根据CR的值与0. 1进行比较，若CR< 0. 1，则判断矩阵 满足一致性要求；若CR多0. 1，则需要调整判断矩阵中标度的取值，重复上述步骤，直到CR < 0. 1为止，所述RI的取值由下表确定：
[0071] S4、根据调整后的判断矩阵，确定内置权重《il，所述内置权重oil的确定方 法如下所述：首先，求出判断矩阵的最大特征根Xmax以及对应的特征向量w' = 〇1'， ?2'，…，《n'）T，将之归一化后得到权重向量w=〇l，《2，…，《n)T，即Ewil=l， 则内置权重为第i个元素（i= 1，2, 3,…，n)相对于上一层次指标所占的内置权重；
[0072] S5、运用分类法得到河流相对于指标层中各元素的分类权重《i2,按照组合权重 的方法，将内置权重与分类权重《i2组合后得到综合权重;
[0073] 具体操作方法如下：首先，将河道按其特征和功能不同，分为以下四类；
[0075] 然后按其功能划分不同，采用调查评价及专家打分的方法对分类河流类型进行权 重分配得到分类权重《i2,最后，将内置权重与分类权重《i2进行综合比较，组合分 配得出既有客观性、又有实际针对性的河流健康评价系统的综合权重;
[0076] 对于河流系统的健康评价而言即根据河流不同分类的实际情况，邀请专家（相关 管理、设计人员或高校教授等）进行座谈商讨或专家打分，得到不同类型河流相对于指标 层中各元素的分类权重，以体现各类型河流在健康评价过程中不同的侧重性；
[0077] S6、确定指标层中各元素的指标值ri;
[0078] S7、对指标层中各元素的指标值ri进行归一化处理得到指标归一化打分值Si，归 一化处理的方法如下所述：若指标值r处于"不健康"或"亚健康"状态，则r的归一化打分 值为r/y;若指标值a处于"健康"状态（大于阈值上限y)，则r的归一化打分值则为1 ;对 于河流系统的健康评价体系，每个具体的指标值都有一定的阈值范围，每个指标值的阈值 范围都是根据相关规范、类比相似河流或借鉴相关领域研宄成果等方法所提供的，继而得 出单项指标的健康评价标准；
[0079] S8、在求得指标层中各元素的指标归一化打分值Si和相应的综合权重之后，按照 逐层向上的计算顺序，求出准则层每个元素的得分，最后再求出目标层的总体得分情况，具 体方法为：
[0080] 若目标层下有m个准则层元素，每个准则层元素的权重为wj(Ewj= 1)，其中第 j个准则层下有n个指标层元素，每个指标层元素的打分值为Si，权重为《i(E = 1)， 则
[0082] 式中，1」为第j个准则层的得分，I为目标层的得分；
[0083] S9、根据目标层的得分和评价标准，确定目标系统的等级。
[0084] 利用该基于分类-层次分析法理论的河道健康评价方法可定量求出河流总体的 健康指数，判定河流的健康等级，为河流管理工作提供定量化的数据支持；又可以根据各子 系统的健康指数分析河流各方面的具体健康状况，总结之前河流建设管理工作的得失，明 确河流在各方面受到人为影响的情况，从而对症下药，进行有目的性的河流治理。
[0085] 在上述实施方式过程中，在步骤S6中，所述指标层包括以下八个元素：河势稳定 性C1、植被覆盖率C2、径流变化率C3、水质达标率C4、生物多样性指数C5、防洪综合指数 C6、水资源利用率C7、土地利用率C8 ;其各个元素的指标值ri确定方法如下所述：
[0086] 其中，所述河势稳定性C1的指标值rl计算方法如下所述：
[0087] 冲积河流稳定性指标是反映来水来沙变化时，表现出来的局部的、暂时的相对变 幅。只要对原有河流的稳定性参数改变不大，河床经过一定的调整，将恢复到原有的平衡状 况，而不致发生较大的河型转化，形成大规模的再造床过程。河势稳定性C1的指标值rl= d/h/j(Q0. 5/Bs/J0. 2)2,
，其 中，
[0088] Bs表示横向稳定河宽（m);
[0089] K=l/1003CI/33= 0. 0151 ；
[0090] Q表示造床流量（m3/s)，取2年一遇的流量；
[0091] J表示比降；取枯水期水面比降；
[0092] n表示糙率；
[0093] D表示床沙粒径（m)
[0094] H表示造床流量对应水深（m);
[0095] 当rl< 5时，rl处于"不健康"状态；当5彡rl彡15时，rl处于"亚健康"状态； 当rl> 15 (大于阈值上限）时，rl处于"健康"状态；
[0096] 良好的河岸带植被覆盖可以有效地改善河流周边小气候，减少水土流失，截留吸 纳污染物，提高水体的自净能力，提高生态环境质量。植被覆盖率C2是指河流控制范围内 植被覆盖面积占河流控制范围面积的比例，该指标综合反映了河流的绿化程度，所述植被 覆盖率C2的指标值r2计算方法如下所述：
[0097] r2 =F植/F
[0098] 式中：F植--河流控制范围内植被覆盖面积（km2)，F--河流控制范围面积 (km2)
[0099] 当r2 < 21. 62%时，r2处于"不健康"状态；当21. 63%彡r2彡37. 99%时，r2处 于"亚健康"状态；当r2> 38% (大于阈值上限）时，r2处于"健康"状态；
[0100] 河流维持一定的径流量是河流系统具有生命力的基本保障，同时由于河流系统的 动态性要求，河流系统也维持一定的径流变化。其变化程度通过径流变化率来表示。径流 变化率是指径流变化量与多年平均径流量的比值，它表示了河流径流量的年际年内变化的 剧烈程度，在一定程度上反映了洪水频率、洪峰流量等洪水特性，它是河流系统动力条件的 一个重要参数。可见，径流变化率指标体现了健康河流的水动力内涵与流畅性要求。所述 径流变化率C3的指标值r3计算方法如下所述：
[0102] 式中：仏一一评价期平均径流量，单位m3/s;
[0103] Q一一多年平均径流量，单位m3/s;
[0104] N--时间尺度，
[0105] 当r3 < 0. 35时，r3处于"不健康"状态；当0. 36 <r3 < 0. 5时，r3处于"亚健 康"状态；当r3 > 0. 51 (大于阈值上限）时，r3处于"健康"状态；
[0106] 水环境状况直接影响人们日常生活、生物生存以及社会生产。良好的水环境是河 流健康的基本要求。河流的水环境要求与水功能区密切相关。对于某条河流的不同河段， 根据其结构和社会经济情况的差异，将会被划定为不同的功能区。每一功能区都有其一定 的水环境要求。功能区的水环境要求通过水质达标率来表征，用满足功能区水质要求的监 测次数与取样总次数的比值来表示，所述水质达标率C4的指标值r4计算方法如下所述：
[0108] 式中：ms--取样达标次数，单位次；mt--取样总次数，单位次。
[0109] 当r4 < 0. 39时，r4处于"不健康"状态；当0. 4彡r4彡0. 7时，r4处于"亚健康" 状态；当r4 > 0. 71 (大于阈值上限）时，r4处于"健康"状态；
[0110] 生态系统动态平衡、结构组成以及丰富程度，多用生物多样性指数C5来反映。生 物多样性指数是以各物种的相对多度来反映群落的物种多样性和物种丰富度。该指标表示 生物群落内种类多样性程度的量纲，是用来判断生物群落结构变化或生态系统稳定性的指 标。以流域范围物种数量占本地区物种总数的比值来表示，所述生物多样性指数C5的指标 值r5计算方法如下所述：
[0112] 式中：Rs--为流域范围内物种数量；R--为本地区物种总数。
[0113] 当r5 < 0. 5时，r5处于"不健康"状态；当0. 51彡r5彡0. 75时，r5处于"亚健 康"状态；当r5 > 0. 76 (大于阈值上限）时，r5处于"健康"状态；
[0114] 防洪综合指数C6是衡量一个地区防洪压力的指数。对人类活动较频繁地区，即使 是较小的洪灾，也会造成不可预估的损失；相反，对人类活动稀少或无人区、天然洪泛区等， 即使遇到超标洪水，也不会对人类造成过大影响。为统计方便，大多有记载洪灾均发生在人 类活动频繁地区，而人类活动稀少或无人区鲜有记载，因此，采用现状防洪能力与应达到的 防洪标准比值来确定防洪综合指数C6,所述防洪综合指数C6的指标值r6计算方法如下所 述：
[0116] 式中：Zs--现状防洪能力；
[0117] Z 应达到的防洪标准；
[0118] 当r6 < 0. 2时，r6处于"不健康"状态；当0. 21彡r6彡0. 79时，r6处于"亚健 康"状态；当r6 > 0. 8 (大于阈值上限）时，r6处于"健康"状态；
[0119] 水资源利用率C7是反映一个流域地表水、地下水开发利用程度的指标。所述水 资源利用率C7的指标值r7,当r7 < 0. 09时，r7处于"不健康"状态；当0. 1 <r7 < 0. 19 时，r7处于"亚健康"状态；当r7 > 0. 2 (大于阈值上限）时，r7处于"健康"状态；
[0120] 沿岸土地利用率C8是一个沿岸用水工、农业发展水平，沿岸景观服务业发展水平 以及周边居民对河流亲和度的综合反映。所述土地利用率C8的指标值r8,当r8 < 0. 69时， r8处于"不健康"状态；当0. 7彡r8彡0. 901时，r8处于"亚健康"状态；当r8 > 0. 902 (大 于阈值上限）时，r8处于"健康"状态。
[0121] 进一步的是，在步骤8中，若河流采用分河段的方法分段评价其健康指数，整个河 流的总体健康指数采用算术平均数的计算方法即可，则
[0124] 式中，1,&为河流总体健康指数，Ip为第p河段的健康指数，t为河段数。
[0125] 对于河流系统的健康评价，仅定量化地求出健康指数的得分是不够的，还需要根 据河流系统健康分数的评价标准，确定河流系统的健康等级，从而将健康指数转化为更加 直观的印象。
[0126] 经统计，国内外评价标准大多以1分评分分段制作为评价标准，由于在上述计算 方法中，权重系数和指标打分均采用归一化处理，总体健康指数也必将位于区间[0，1]内， 符合标准。目前评价的分段制有三段制（不健康[0~0. 33]、亚健康[0. 34~0. 67]、健康 [0? 68~1])、四段制（不健康[0~0? 25]、亚健康[0? 26~0? 5]、基本健康[0? 51~0? 75]、 健康[0. 76~1])和五段制（不健康[0~0. 2]、较不健康[0. 21~0. 4]、亚健康[0. 41~ 0. 6]、基本健康[0. 61~0. 8]、健康[0. 81~1])。从不失一般性的角度分析，以上3种评 价标准被采用的频率比例大致为4 : 3 : 3,可见三段制的应用更为广泛。
[0127] 纵观国内外对河流健康的认识，现代河流健康定义大致可归纳为以下三类：一是 以保护生物多样性为目的的河流生态系统健康概念，二是以关注河流本身生命体系为目的 的河流生命系统健康概念，三是以满足于河流管理为目的的河流管理系统健康概念。国外 学者的倾向为第一类，而我国更倾向于第二、三类。
[0128] 也就是说，评价标准既要严格的划定健康范畴，又要便于河道管理部门日常管理。 从3种评价标准"不健康"临界点划分来看，分别为0. 33、0. 25和0. 2,显然三段制对 河流是 否健康有着更严格的界定。同时，只划分三段更加便于河道管理部门制定相应的管理措施 及治理手段。因此，在步骤S9中，所述评价标准采用三段制评价标准。
【主权项】
1.基于分类-层次分析法理论的河道健康评价方法，其特征在于包括以下步骤： 51、 将目标河道按照具体情况和指标的属性进行分解，构建层次结构，所述层次结构如 下表所示：52、 构造判断矩阵，所述判断矩阵的构造方法如下所述：首先，将层次结构中的准则层 各元素与目标层元素进行两两比较，将指标层各元素与准则层各元素进行两两比较，根据 二者的重要性赋予标度为1~5的判断值，所有的判断值组成判断矩阵，所述判断值的标度 以及含义如下表所示：53、 一致性检验，具体方法如下所述：首先，计算一致性指标Cl = ( Amax-n)/(n-l)， Amax为判断矩阵的最大特征根，再计算一致性比例CR = CI/RI，其中RI为平均随机一 致性指标，根据CR的值与0. 1进行比较，若CR < 0. 1，则判断矩阵满足一致性要求；若 CR彡0. 1，则需要调整判断矩阵中标度的取值，重复上述步骤，直到CR < 0. 1为止，所述RI 的取值由下表确定：54、 根据调整后的判断矩阵，确定内置权重oil，所述内置权重oil的确定方法如下 所述：首先，求出判断矩阵的最大特征根Xmax以及对应的特征向量w'= (ω1'，ω2'，···， ωη'）Τ，将之归一化后得到权重向量w = (ω 1，ω 2，…，ωη)Τ，即Σ ω il = 1，则内置权 重ω il为第i个元素 （i = 1，2, 3，…，η)相对于上一层次指标所占的内置权重； 55、 运用分类法得到河流相对于指标层中各元素的分类权重ω i2,按照组合权重的方 法，将内置权重《il与分类权重ω?2组合后得到综合权重; 56、 确定指标层中各元素的指标值ri ; 57、 对指标层中各元素的指标值ri进行归一化处理得到指标归一化打分值Si，归一化 处理的方法如下所述：若指标值r处于"不健康"或"亚健康"状态，则r的归一化打分值为 r/y ;若指标值a处于"健康"状态（大于阈值上限y)，则r的归一化打分值则为1 ; 58、 在求得指标层中各元素的指标归一化打分值Si和相应的综合权重之后，按照逐层 向上的计算顺序，求出准则层每个元素的得分，最后再求出目标层的总体得分情况，具体方 法为： 若目标层下有m个准则层元素，每个准则层元素的权重为wj ( Σ wj = 1)，其中第j个 准则层下有η个指标层元素，每个指标层元素的打分值为Si，权重为ω?( Σ ω? = 1)，则式中，L为第j个准则层的得分，I为目标层的得分； 59、 根据目标层的得分和评价标准，确定目标系统的等级。2.如权利要求1所述的基于分类-层次分析法理论的河道健康评价方法，其特征在于： 在步骤S6中，所述指标层包括以下八个元素：河势稳定性C1、植被覆盖率C2、径流变化率 C3、水质达标率C4、生物多样性指数C5、防洪综合指数C6、水资源利用率C7、土地利用率C8 ; 其各个元素的指标值ri确定方法如下所述： 其中，所述河势稳定性Cl的指标值rl计算方法如下所述：河势稳定性Cl的指标值rl = d/h/j (QO. 5/Bs/J0. 2) 2， 其中， Bs表示横向稳定河宽（m); K = 1/10030'33= 0· 0151 ; Q表示造床流量（m3/s)，取2年一遇的流量； J表示比降；取枯水期水面比降； η表示糙率； D表示床沙粒径（m); H表示造床流量对应水深（m); 当rl< 5时，rl处于"不健康"状态；当5彡rl彡15时，rl处于"亚健康"状态；当 rl > 15(大于阈值上限）时，rl处于"健康"状态； 所述植被覆盖率C2的指标值r2计算方法如下所述： r2 = F 植 /F 式中：F植--河流控制范围内植被覆盖面积（km2)，F--河流控制范围面积（km2) 当。<21.62%时，"处于"不健康"状态；当21.63%彡。彡37.99%时，。处于 "亚健康"状态；当r2>38% (大于阈值上限）时，r2处于"健康"状态； 所述径流变化率C3的指标值r3计算方法如下所述：式中：? 一一评价期平均径流量，单位m3/s ; Q 一一多年平均径流量，单位mVs ; N一一时间尺度， 当r3 < 0. 35时，r3处于"不健康"状态；当0. 36 < r3 < 0. 5时，r3处于"亚健康"状 态；当r3 > 0. 51 (大于阈值上限）时，r3处于"健康"状态； 所述水质达标率C4的指标值r4计算方法如下所述：式中：ms-一取样达标次数，单位次;mt-一取样总次数，单位次。 当r4 < 0. 39时，r4处于"不健康"状态；当0. 4彡r4彡0. 7时，r4处于"亚健康"状 态；当r4 > 0. 71 (大于阈值上限）时，r4处于"健康"状态； 所述生物多样性指数C5的指标值r5计算方法如下所述：式中：Rs--为流域范围内物种数量；R--为本地区物种总数。 当r5 < 0. 5时，r5处于"不健康"状态；当0. 51 < r5 < 0. 75时，r5处于"亚健康"状 态；当r5 > 0. 76 (大于阈值上限）时，r5处于"健康"状态； 所述防洪综合指数C6的指标值r6计算方法如下所述：式中：Zs--现状防洪能力； Z 应达到的防洪标准； 当r6 < 0. 2时，r6处于"不健康"状态；当0. 21 < r6 < 0. 79时，r6处于"亚健康"状 态；当r6 > 0. 8 (大于阈值上限）时，r6处于"健康"状态； 所述水资源利用率C7的指标值r7,当r7 < 0. 09时，r7处于"不健康"状态；当 0. 1彡r7彡0. 19时，r7处于"亚健康"状态；当r7 > 0. 2 (大于阈值上限）时，r7处于"健 康"状态； 所述土地利用率C8的指标值r8,当r8 < 0.69时，r8处于"不健康"状态；当 0. 7 < r8 < 0. 901时，r8处于"亚健康"状态；当r8 > 0. 902(大于阈值上限）时，r8处于 "健康"状态。3. 如权利要求2所述的基于分类-层次分析法理论的河道健康评价方法，其特征在于： 在步骤8中，若河流采用分河段的方法分段评价其健康指数，则式中，1,&为河流总体健康指数，Ip为第P河段的健康指数，t为河段数。4. 如权利要求1所述的基于分类-层次分析法理论的河道健康评价方法，其特征在于： 在步骤S9中，所述评价标准采用三段制评价标准。
【专利摘要】本发明公开了一种适用范围较广且评价更全面的基于分类一层次分析法理论的河道健康评价方法。该方法首先，构建层次结构，构造判断矩阵，其次，进行一致性检验，接着，确定综合权重ωi；确定指标层中各元素的指标值ri并得到指标归一化打分值Si，按照逐层向上的计算顺序，求出准则层每个元素的得分，最后再求出目标层的总体得分情况，最后，确定目标系统的等级。利用该方法可定量求出河流总体的健康指数，判定河流的健康等级，为河流管理工作提供定量化的数据支持；又可以根据各子系统的健康指数分析河流各方面的具体健康状况，进行有目的性的河流治理。适合在河流治理领域推广应用。
【IPC分类】G06Q10/04
【公开号】CN104899661
【申请号】CN201510330982
【发明人】周宏伟, 梁煜峰, 王子豪, 霍苗, 林可可, 曹畑, 杨丰荣
【申请人】四川大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月15日
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