一种基于广义熵理论的水环境风险管理动态智能综合分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水环境数据处理分析技术领域，尤其是涉及一种基于广义熵理论的水 环境风险管理动态智能综合分析方法。
【背景技术】
[0002] 水是生命之源，生产之要，生态之基，是基础性的自然资源、战略性的经济资源和 公益性的环境资源，是现代农业建设不可或缺的首要条件，是经济社会发展不可替代的基 础支撑，是生态环境改善不可分割的保障系统。水环境是指自然界中水的形成、分布和转化 所处空间的环境，是指围绕人群空间及可直接或间接影响人类生活和发展的水体，其正常 功能的各种自然因素和有关的社会因素的总体。从系统论和管理论的观点来看，水环境中 众多因素相互作用，彼此联系，密不可分，是一个具有一定结构、功能和特征的、兼有复杂自 然属性和显著社会属性的典型系统，因此，水环境必须从自然界演化和人类社会进化的背 景出发，综合应用自然科学、社会科学以及其他科学的理论与方法综合集成研宄，才能取得 实质性进展。水量方面，据联合国一项研宄报告指出，全球现在每年的淡水缺口为2300亿 m3,80个国家水源不足，20亿人的饮水得不到保证；而到2025年，大约2/3的地球人将遭遇 水资源严重短缺。并预见，至2050年，世界范围内人均可利用水资源量将只有100m3/年左 右，仅相当于欧洲2000年的平均水平。水质方面，据联合国水资源评估报告显示，全球每年 约有4200多亿m3的污水排入江河湖海，会污染掉5. 5万亿m3的淡水，相当于径流总量的 14% ;所有流经亚洲城市的河流均被污染；美国40%的流域被加工食品废料、金属、肥料和 杀虫剂污染；欧洲55条河流中仅有5条水质勉强能用。据世界卫生组织统计，全球每年有 300~400万人死于和水污染有关的疾病，平均每天有5000名儿童死于饮用不洁水，约1. 7 亿人饮用被有机物污染的水，3亿城市居民面临水污染。水生态方面，根据联合国的计算，全 球50%的江河水流量减少或被污染；25%的哺乳动物、12%的鸟类濒临灭绝；1/4人类所患 疾病与环境恶化有关；1/3 土地面临沙漠化；10亿人口受到荒漠化威胁。生态系统在人类干 扰和破坏的影响下其功能发生了退化，生物资源破坏严重、河流自身的自净能力在不断衰 退、植被覆盖率降低、生态环境十分脆弱、土壤河岸带风蚀沙化和水土流失严重等。水环境 问题不仅制约着全球经济与社会发展，并可能导致国家间冲突，它不但非常重要而且已成 为目前各国可持续发展中普遍关注的重要议题。
[0003] 当前时期，伴随着经济社会的发展进步，水环境安全和生态需求与日俱增。水环境 风险管理主张不仅仅是消极地承担风险，还要能积极地应对风险。通过先分析某指定地区、 特定时空条件下，水环境系统中非期望事件的发生概率及其所造成的损失程度，在遭受灾 害或可能带来灾害性后果的事件出现之前，准确地给出并传递信息以供相关人员及时地实 施预警决策。这样，既考虑了如何将重大水环境风险控制在可承受的限度之内，又考虑了如 何提高社会经济自身承受水环境风险的能力，是识别、估算、评价和处理水环境风险的一项 复杂系统工程，对于水环境风险管理的理论研宄和工程实践都具有重要意义。
[0004] 近年来，水环境风险管理在全球水文领域的学术界已成为重要的研宄前沿和热 点，国内外学者做了大量工作，取得了丰硕成果，其发展不仅经历了由定性描述向定量分析 的转变，且无论从广度还是深度上都有较大进展。
[0005] -方面，风险评估有很多种方法，涉及结构化图形、数理统计及证据、模糊数学、灰 色关联、演化建模等方面理论，包含风险概率分布及其参数识别、风险模型计算及灵敏度分 析、（允许）风险标准的确定等内容。在水量上，罗军刚等选取风险率、脆弱性、可恢复性、 事故周期和风险度作为区域水资源短缺风险的评价指标，运用信息熵反映数据本身的效用 值来计算评价指标的权重系数，建立基于熵权的水资源短缺风险模糊综合评价模型，避免 了传统层次分析法中两两对比构造判断矩阵易于发生目标先后不一致性，考虑了客观权重 和主观权重各自携带的不同信息，并兼顾了专家组统一意见和客观数据属性。王红瑞等构 造隶属函数评价了水资源系统的模糊性，利用Logistic回归模型模拟和预测水资源短缺 风险发生的概率，建立基于模糊概率的水资源短缺风险评价模型，并应用判别分析识别出 水资源短缺风险敏感因子，将各种情景下的水资源短缺均降至低风险水平。WenquanGu等 利用Thomas-Fiering模型和蒙特卡罗获取水库月流量数据，应用12维随机向量描述12个 月份水需求，使用仿真技术操作水库模拟模型，并通过风险评价模型实施不同调水规模，为 水资源短缺决策提供有价值的信息。LiguoShao等通过引入条件风险价值将决策者的风 险偏好纳入到水资源配置方案的决策过程中，并以非线性惩罚函数对传统的两阶段随机规 划模型进行改进，使得CNTSP模型既以系统收益最大化为目标，又避免水资源短缺风险过 于集中于某一用户或部门，可以辅助决策者在系统经济收益和风险规避之间进行权衡，从 而生成有效而合理的水资源配置方案。在水质上，李如忠等将三角模糊数原理应用于河流 水质模拟预测与水质风险评价研宄，构建了度量河流水质风险的模糊评价模型，并分析了 控制断面的水质风险状况。金菊良等应用对应分析和投影寻踪熵耦合方法评价巢湖水质安 全，挖掘出复杂系统中各种客观信息和主观信息，提高了综合评价结果的可靠性。王洁等运 用熵投影寻踪模型综合评价河流健康等级，以熵值最大为目标函数，使投影值在客观上尽 可能多地携带了评价指标系统的变异信息。A.S.Litvinov等由生物参数形成特点和季节 性动态水文结构建立模型评价水质，为水体污染及其防治问题的研宄提供新思路。Peiyue Li等通过计算各评价指数间的离散度来确定相应的权重系数，提出了基于T0PSIS的灵敏 度分析法来评估水质，并客观验证模型与方法的可行性与可靠性。在水生态上，赵军等对上 海市浦东张家浜的城市河流生态系统服务功能价值进行了评估和计算，并利用条件价值法 研宄了其经济价值，为保护自然资源提供了管理决策依据。肖建红等定性地分析了水坝工 程对河流生态系统服务功能的影响，并定量地评价了三峡工程对于当地服务功能的影响程 度，这一研宄对大型水利工程的环境影响评价、保持大型水利工程建设与河流生态系统的 和谐发展等方面，具有参考价值。王金龙在水生态服务功能分类的基础上建立评价指标体 系和评价方法，利用层次分析法和专家打分相结合的方式确定各指标权重进行计算，确定 了三级分区服务功能等级和主导服务功能类型，为环境综合治理和按流域水资源功能类型 规划提供科学依据和参考建议。
[0006] 另一方面，预警是以系统论与信息论等科学方法为依据，内容涉及指标、统计、模 型预警等理论。李念林等应用GIS、数据挖掘技术以及面向对象的程序设计理论建立水污染 预警与控制系统，实时预测与监控污染情况，从而为环境管理者做出正确决策提供信息支 持。李万莲在利用层次分析法确定各指标权重后对水生态环境的状况进行了预测、评价与 预警分析，对促进区域水生态环境保护与建设具有积极的作用和意义。KlasPersson等利 用拉格朗日随机平稳模型与情景分析去评估流域地表水污染风险和不确定性，为污染物的 随机性和各种不确定性的定量化提供思路。吴开亚等提出用基于加速遗传算法的模糊层次 分析法筛选指标体系、确定各评价指标和各子系统的权重，用BP神经网络模型滚动预测评 价指标，用集对分析方法构造评价指标样本值隶属于可变模糊集"水安全评价标准等级"的 相对隶属度函数，建立了流域水安全预警评价的智能集成模型，在已知等级评价标准的多 层次复杂系统预警评价问题中具有推广应用价值。
[0007] 综上所述，水环境问题实际上是一个非线性的不确定性过程，对于水环境风险管 理的理论与方法仍需进一步发展。
【发明内容】
[0008] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于广义熵理论的水环境 风险管理动态智能综合分析方法，对水环境进行更为准确的风险管理。
[0009] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于广义熵理论的 水环境风险管理动态智能综合分析方法，包括如下步骤：
[0010] 步骤A，建立筛选子模型：
[0011] 首先，应用广义熵理论建立水环境风险评价指标体系，再从数据库直接获取水文 专家对所述水环境风险评价指标体系中两两评价指标间重要性的判断，构建模糊互补判断 矩阵，计算所述互补判断矩阵的评价指标权重；然后选取评价指标权重中均值最大的％个 评价指标，再从所述％个评价指标中选取标准差最小的\个评价指标，组成最终的水环境 风险评价指标体系；
[0012] 步骤B，建立预测子模型：
[0013] 首先根据研宄区域来选择预测子模型，然后针对研宄区域，应用预测子模型模拟 计算水环境风险评价指标值；
[0014] 步骤C，建立评价子模型：
[0015] 根据步骤A建立的水环境风险评价指标体系，将步骤B得出的各评价指标的时空 立体数据进行无量纲化处理，无量纲化公式为：
[0016]
[0017] 式中：为第i个样本的第j个评价指标值，i= 1，2, . . .，n，j= 1，2, . ..，m;n 为样本个数，m为评价指标个数；分别为第j个评价指标的样本最大值和最小 值；
[0018] 设a为m维单位投影方向向量，其分量为ai，a2, ...，am，则Xij的一维投影特征值 Zi描述为：