一种多因素耦合的鱼道效果间接评价与问题诊断方法

本发明属于生态水利领域，具体涉及一种多因素耦合的鱼道效果间接评价与问题诊断方法。

背景技术：

1、人们在开发利用河流的过程中建设了大量水工程，在防洪、供水、发电、航运等方面发挥了重要作用，但也深刻改变了水工程上下游水流环境特征，造成了鱼类洄游受阻、流域连通性下降、水生生物多样性降低等生态问题。鱼道作为一种重要的工程技术手段，为鱼类等水生生物提供了洄游性和交流路径，是改善流域生境连通性的重要工程措施。然而鱼道实际运行效果仍有待改善。

2、当前，鱼道效果的评估主要采用网捕、pit等直接监测方法，通过统计目标鱼类数量和通过比例评价过鱼效果，可直观表征鱼道的过鱼效果。同时，鱼道监测工作也在环境要素和运管因素等方面积累了一定的数据。

3、然而，现有鱼道监测评价工作仍存在的不足包括：单个鱼道工程监测的目标鱼类数量有限，数据获取质量和直接评价结果代表性较低；监测工作量大，周期长，费用较高；评价结果较难直接揭示鱼道问题存在的具体环节，问题诊断能力缺乏；评价工作很少考虑运管水平的影响。

4、与直接监测过鱼效果不同，鱼道环境要素和运管水平监测和调研工作量小，数据获取质量高。本发明在构建鱼道效果评价指标体系和基础数据集的基础上，量化了鱼道环境要素与鱼道直接过鱼效果之间的数学关系，建立新的鱼道效果评价与诊断方法，通过耦合环境要素和运管因素，实现鱼道效果的间接高效评价，诊断识别影响鱼道效果关键驱动因子。

技术实现思路

1、本发明的目的是为克服现有技术的上述不足，提供一种多因素耦合的鱼道效果间接评价与问题诊断方法，建立鱼道环境要素与鱼道直接过鱼效果之间的数学关系，可基于鱼道环境要素间接评价鱼道过鱼效果，并能诊断识别典型鱼道所存在问题的关键驱动因子，为水生态保护工作提供技术支撑。

2、为实现上述目的，本发明提供一种多因素耦合的鱼道效果间接评价与问题诊断方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：构建鱼道效果评价指标体系，所述鱼道效果评价指标体系包括间接指标层和直接指标层；

4、步骤s2：建立评价指标数据集，动态更新评价指标数据集内的数据样本；

5、步骤s3：筛选识别关键评价指标；

6、步骤s4：构建鱼道效果评价模型；

7、步骤s5：构建鱼道问题诊断模型；

8、步骤s6：根据步骤s4构建的鱼道效果评价模型和步骤s5构建的鱼道问题诊断模型开展具体鱼道工程的效果评价与问题诊断。

9、进一步的，所述的步骤s1包括以下分步骤：

10、s11：结合现阶段评价目标、数据可获得性、鱼类生物属性，确定指标定义和计算方法；

11、s12：依据指标定义和属性，将表征水力条件、环境因子和内部结构的指标归为间接指标层，表征过鱼有效性的指标归为直接指标层，间接指标层和直接指标层构成所述鱼道效果评价指标体系；

12、上述步骤s11中，所选指标应尽量联结鱼类生物属性，并以比值形式消除复合指标的量纲影响，以提高鱼道效果评价模型在评价不同流域、不同过鱼对象时的适应能力，提高评价准确性；

13、所述的直接指标层主要表征鱼道直接的过鱼效果，包含：过鱼丰富度、过鱼有效性、鱼类适应性等鱼类通过成效评价指标；

14、所建立的指标体系如下表所示：

15、表1指标体系构建表

16、

17、

18、进一步的，所述的步骤s2包括以下分步骤：

19、s21：通过资料分析采集鱼道监测数据样本，并保持数据样本的动态更新，包括以下渠道：国内外文献数据库检索、鱼道工程设计报告、鱼道效果监测评估项目报告、实地调研；

20、s22：将监测数据按步骤s1所述鱼道效果评价指标体系中的间接指标层和直接指标层的定义和计算方法进行转换，形成指标数据集；

21、上述步骤中采集的数据样本是我国已监测鱼道的原始监测数据，包含生境因子、水力条件、结构参数、过鱼效率、鱼类资源量、生物适应性等方面指标数据，具体监测参数与步骤s1构建的指标体系相匹配。

22、进一步的，所述步骤s3包括以下分步骤：

23、s31：对间接指标层内指标进行pearson相关性分析，其表达式如下式：

24、

25、式中，xki表示指标i的第k个样本值，表示指标i的样本平均值，δij表示指标i与指标j的pearson相关系数；

26、s32：依据制定的筛选原则，识别关键评价指标，筛选原则如下：若间接指标层内存在若干组指标存在极显著相关(p≤0.01)，说明指标间概念交叉，筛除每组其中一个指标i，直至间接指标层不存在极显著相关；

27、s33：将筛选后保留的指标作为后续评价模型的间接指标层；

28、步骤s3通过相关性分析筛选指标，主要目的是最小化后续模型中指标间的重叠评估效应，减弱间接指标层指标内部的耦合度。

29、进一步的，所述的步骤s4包括以下分步骤：

30、s41：鱼道效果评价模型由间接指标层和直接指标层两部分组成，对确定的间接指标层和直接指标层进行典型相关性分析，假设间接指标层y由m个指标组成，直接指标层x由n个因素组成，系统x与系统y之间的相关性可以转化为两个变量s和t之间的相关性，由线性组合形成，表达式如下式：

31、s＝α·x＝α1x1+α2x2+…+αnxn     (2)

32、t＝β·y＝β1y1+β2y2+…+βmym     (3)

33、变量s和t的相关系数ρ(s，t)表达式如下式：

34、

35、ρ^(s，t)＝max[ρ(α·x，β·y)]    (5)

36、式中，cov为两组变量线性组合的协方差，var为变量线性组合的方差；

37、s42：检验鱼道效果评价模型指标层选取是否合理，若典型相关系数结果ρ^(s，t)的显著性小于5％，则检验通过，若大于5％，则检验未通过，说明指标选取不合理或样本数量不足，模型无法正常运作，需增大样本数量并重新筛选指标；

38、s43：鱼道效果评价模型中间接指标层的权重依据交叉荷载结果确定，将交叉荷载的归一化结果作为间接指标层内各指标的权重向量w，交叉荷载计算表达式如下：

39、

40、

41、s44：根据典型相关分析结果，采用频度分析方法确定鱼道效果评价模型指标量值，将间接指标层指标样本数值作为横坐标，直接指标层指标对应的样本数值作为纵坐标，以此判定间接指标层指标对应的的过鱼效果优劣区间；

42、s45：将鱼道效果评价模型的指标量值以隶属度函数表示，运用模糊数学方法构建线性隶属度函数，根据频度分析结果的优劣区间，将指标变化区间分为正相关关系区间与负相关关系区间两种，其中正相关关系区间隶属度函数表达式如下式：

43、

44、

45、

46、

47、负相关关系区间隶属度函数表达式如下式：

48、

49、

50、

51、

52、式中，θa(x)，θb(x)，θc(x)，θd(x)均分别对应优秀、良好、合格、较差四个等级的隶属度值，x为需评价的间接指标层指标样本实测值，m1，m2，m3，m4为间接指标层与直接指标层成正相关区间的不同等级最大隶属度值，为负相关区间的不同等级最大隶属度值；

53、s46：代入评价目标鱼道间接指标数据，建立隶属度矩阵c如下式：

54、

55、式中为第i个指标第j个等级的隶属度函数值；

56、s47：输出鱼道效果评价模型评价结果，采用模糊合成理论中的加权平均乘法-有界算子计算模糊综合评价向量，计算鱼道过鱼效果间接评价值如下式：

57、

58、

59、式中，w为交叉荷载计算所得的各间接指标层指标的权重向量，z为模糊综合评价向量，zj为模糊综合评价向量中的取值，kj为隶属度对应评价等级打分向量中的取值，kj＝(100,75,50,25)t，最终所得v值即为鱼道过鱼效果间接评价值。

60、进一步的，所述的步骤s5包括以下分步骤：

61、s51：由所评估工程需要的标准评价值推得鱼道问题诊断模型内判断矩阵n的表达式：

62、

63、

64、式中，di表示第i个指标的标准评价值，评价矩阵k＝(100,75,50,25)t，由该标准评价值推得判断矩阵表达式，表示第i个指标第j个等级的标准隶属度；

65、s52：根据隶属度矩阵、判断矩阵和评价矩阵的运算结果诊断出问题指标，诊断矩阵表达式如下式：

66、

67、式中，q为诊断矩阵，qi为评价对象第i个指标的诊断结果，若qi≥0，则该指标符合标准；若qi＜0，则该指标为问题指标；

68、s53：列出所诊断的问题指标，并根据鱼道效果频度分析图中的优化方向提出指标改进建议，综合提升鱼道效果。

69、进一步的，所述的步骤s6包括以下分步骤：

70、s61：通过监测手段获取间接指标层指标要求的监测数据，依据指标层定义和计算公式转化为指标数据；

71、s62：代入评价目标鱼道间接指标数据，进行步骤s46-s47，查询各指标对应的隶属度函数图像，建立隶属度矩阵，并计算鱼道过鱼效果间接评价值；

72、s63：代入评价目标鱼道间接指标数据，进行步骤s52-s53，诊断目标鱼道的问题指标，提出改进建议。

73、进一步的，所述步骤s2建立的评价指标数据集内的数据样本保持定期动态更新，当数据样本有更新时，重新开展步骤s3-s6，首先利用最新数据样本对模型进行迭代优化，然后针对具体鱼道工程进行评价与诊断；当数据样本无更新时，跳过步骤s3-s5，利用已构建的模型开展具体鱼道工程效果评价与问题诊断。

74、本发明具有如下有益效果：

75、1、本发明提出了基于鱼道水力条件、环境因子和内部结构等间接指标进行鱼道效果评价和问题诊断的方法，相较于直接对鱼类通过数量等指标进行监测评价的现有方法，具有实现简单、成本可控、成果可靠等优点。

76、2、本发明采用典型相关分析检验了间接指标层与直接指标层的关联程度，并通过交叉荷载从系统相互影响关系确定权重，增大了间接指标对鱼道效果评价的整体解释程度，从客观角度出发，避免了以往专家打分等方式导致的主观误差。

77、3、本发明构建的鱼道效果评价和问题诊断模型随着基础数据集的动态更新可持续迭代优化，提升了鱼道效果评价的量化程度，保障了问题诊断的精准度。