流域的生态系统的稳定性确定方法及装置

技术领域

本公开涉及流域发展评价技术领域，尤其涉及一种流域的生态系统的稳定性确定方法及装置。

背景技术

生态系统是人类社会可持续发展的基础。生态系统为人类生存和发展提供了条件，人类活动也改变了生态系统。随着人类社会的快速发展，水资源紧张、水环境污染、生物多样性减少等生态环境问题不断增加，这些问题加剧了生态系统质量的下降。近年来，生态系统保护修复受到越来越多的关注。

生态系统的稳定性指生态系统对外界条件干扰的响应，体现为生态系统的内部调整。生态动力学认为系统具有多种(局部)稳态，跨越表征系统关键变量的临界阈值，系统可以在不同稳态间相互转换。生态系统稳态转换是大规模的、突发的、持续很长时间的变化。系统稳态丧失可能会导致生态系统功能不连续，土壤侵蚀、荒漠化、地下水枯竭、生物多样性丧失等不可逆转的严重后果。但是部分决策系统中并不能预测或观测到这种信号，或将这种信号错误解读，这往往是忽视了生态系统动态变化(如系统状态转化阈值、缓冲能力和恢复力的丧失等因素)所导致的。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本公开提供一种流域的生态系统的稳定性识别方法及装置，从系统性、整体性角度出发，利用熵权和耗散结构对流域生态-人类社会耦合系统进行动态模拟，揭示复杂系统指标体系间互反馈机制，首次量化了流域生态系统转换力，为保持和增强生态系统弹性和可持续性提供科学决策依据。

根据本公开实施例的第一方面，提供一种流域的生态系统的稳定性识别方法，所述方法包括：

选取多项评价指标构建流域生态系统质量评估体系，其中，流域生态系统质量评估体系包括目标层、准则层和指标层，所述目标层包括生态系统和人类社会系统，所述准则层包括所述生态系统对应的水文情势、水环境因素和生态因素，以及所述人类社会系统对应的气候因素、社会发展因素和水资源因素；

基于所述流域生态系统质量评估体系的目标层，将所有评价指标划分为生态系统和人类社会系统两部分，分别为n个和m个评价指标；

利用熵权模型，分别计算生态系统对应的n个评价指标的正熵值A和人类社会系统对应的m个评价指标的负熵值B；

根据所述生态系统正熵值A和人类社会系统负熵值B，以及布鲁塞尔器模型确定所述生态系统的稳定性转换力；

根据所述生态系统的稳定性转换力，确定所述生态系统的稳定性。

在一个实施例中，优选地，所述利用熵权模型，分别计算生态系统对应的n个评价指标的正熵值A和人类社会系统对应的m个评价指标的负熵值B，包括：

根据每个评价指标的指标数据确定其取值的可能度函数分布；

根据每个评价指标取值的可能度函数分布，计算每个评价指标对应的信息熵值；

根据各个评价指标的信息熵值和评价指标的数目进行计算，得到该评价指标对应的信息熵权重；

根据各个评价指标的信息熵值和对应的信息熵权重，采用以下第一计算公式计算所述正熵值A，采用以下第二计算公式计算所述负熵值B；

所述第一计算公式为：

所述第二计算公式为：

其中，S

在一个实施例中，优选地，采用以下第三计算公式计算所述生态系统的稳定性转换力：

转换力＝|B|-(1+A

所述根据所述生态系统的稳定性转换力，确定所述生态系统的稳定性，包括：

在一个实施例中，优选地，采用以下第四计算公式计算每个评价指标对应的信息熵值：

其中，S

其中，f

在一个实施例中，优选地，采用以下第五计算公式计算所述信息熵权重，

其中，w

在一个实施例中，优选地，所述方法还包括：

根据各个评价指标的信息熵值和对应的信息熵权重，计算所述生态系统的生态质量综合评价指数；

对所述生态系统的生态质量综合评价指数进行分析，以确定所述流域的生态系统的质量。

在一个实施例中，优选地，采用以下第六计算公式计算所述生态系统的生态质量综合评价指数，

其中，EQI表示所述生态系统的生态质量综合评价指数，w

在一个实施例中，优选地，所述生态系统对应的指标层包括以下至少一项评价指标：

总水量、来沙量、重要断面生态激流保证率、重要水功能区水质达标率、重要支流水质达到或优于Ⅲ类河长比例、生境质量指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地胁迫指数、黄土高原水土流失治理面积、典型区域湿地面积变化率；

所述人类社会系统对应的指标层包括以下至少一项评价指标：

年降水总量、平均气温、常住人口、城镇化率、城镇居民人均可支配收入、GDP增长率、人均GDP、夜晚灯光指数、灌区面积、耗水率和流域用水总量。

在一个实施例中，优选地，所述方法还包括：

根据预设时间段内的生态系统的生态质量综合评价指数的分析结果，展示所述流域的生态系统质量发展趋势图。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种流域的生态系统的稳定性识别装置，所述装置包括：

构建模块，用于选取多项评价指标构建流域生态系统质量评估体系，其中，流域生态系统质量评估体系包括目标层、准则层和指标层，所述目标层包括生态系统和人类社会系统，所述准则层包括所述生态系统对应的水文情势、水环境因素和生态因素，以及所述人类社会系统对应的气候因素、社会发展因素和水资源因素；

划分模块，用于基于所述流域生态系统质量评估体系的目标层，将所有评价指标划分为生态系统和人类社会系统两部分，分别为n个和m个评价指标；

计算模块，用于利用熵权模型，分别计算生态系统对应的n个评价指标的正熵值A和人类社会系统对应的m个评价指标的负熵值B；

第一确定模块，用于根据所述生态系统正熵值A和人类社会系统负熵值B，以及布鲁塞尔器模型确定所述生态系统的稳定性转换力；

第二确定模块，用于根据所述生态系统的稳定性转换力，确定所述生态系统的稳定性。

根据本公开实施例的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述指令被处理器执行时实现如第一方面的实施例中任一项所述方法的步骤。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明实施例中，从系统性、整体性角度出发，利用熵权和耗散结构对流域生态-人类社会耦合系统进行动态模拟，揭示复杂系统指标体系间互反馈机制，首次量化了流域生态系统转换力，为保持和增强生态系统弹性和可持续性提供科学决策依据。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种流域的生态系统的稳定性识别方法的流程图。

图2是根据一示例性实施例示出的扰动和参数变化导致稳定景观图变化示意图。

图3是根据一示例性实施例示出的流域的生态系统的质量评价方法的步骤流程图。

图4是根据一示例性实施例示出的1980-2019年黄河流域生态系统EQI值变化示意图。

图5是根据一示例性实施例示出的黄河流域生态质量综合评价不同准则层要素贡献程度示意图；

其中，A表示生态因素，B表示水文情势；C表示气候因素，D表示社会发展因素，E表示水环境因素，F表示水资源因素。

图6是根据一示例性实施例示出的黄河流域生态-人类社会耦合系统质量综合评价关键指标贡献程度示意图。

其中，a表示GDP增长率，b表示居民平均收入，c表示流域用水总量，d表示年降水总量，e表示重要水功能区水质达标率，f表示典型区域湿地面积变化率，g表示来沙量，h表示水网密度。

图7是根据一示例性实施例示出的1980-2019年间黄河流域生态-人类社会系统正熵流、负熵流及稳态转换动力值变化示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

下面，本发明以流域为黄河流域为例，详细说明本发明的技术方案。本领域技术人员应当知晓，本发明还可应用于任何其他流域。

如图1所示，根据本公开实施例的第一方面，提供一种流域的生态系统的稳定性识别方法，所述方法包括：

步骤S101，选取多项评价指标构建流域生态系统质量评估体系，其中，流域生态系统质量评估体系包括目标层、准则层和指标层，所述目标层包括生态系统和人类社会系统，所述准则层包括所述生态系统对应的水文情势、水环境因素和生态因素，以及所述人类社会系统对应的气候因素、社会发展因素和水资源因素；

本发明综合考虑黄河流域“山水林田湖草沙人”生命共同体特征，以系统性、全面性和可获取性为原则选取22项指标构建黄河流域生态系统质量综合评价体系与方法，将生态-人类社会质量指标体系分为目标层、准则层、指标层三个层次，每个层次选择代表性指标反应水文情势、水体质量、生境质量、人类活动、经济发展等的变化状况，具体指标体系见表1。

表1

指标数据种类主要包括基础数据和行业(专业)数据。基础数据以遥感、测绘、地理信息等数据为主；行业(专业)数据主要从黄河流域日常业务和研究中筛选广泛应用的相对成熟的时空序列数据。对收集来的数据，从空间和时间两个维度进行整理，空间上将分区域或分河段的数据通过加权平均归集到流域尺度上，时间上以年为单位将各类数据整理为数据序列，时间跨度为1980年～2019年，共计40年数据。由于某些历史原因，少量数据有缺失，根据不同情况，合理分析后，采用直线插值、样条插值、拉格朗插值及灰色预测法等进行数据补齐。

从生态系统不同层次来讲，稳定性可以是种群稳定性、群落稳定性、系统稳定性、生态功能稳定性；从不同的时空尺度来讲，生态系统又可以分长期稳定性、短期稳定性等。稳态转换研究主要涉及生态学上的中等时间尺度(数十年)，该时间尺度正好接近于人类易于感知或操控的时间尺度，因此有必要对稳态转换加以关注，帮助人类管理生态系统，保障其可持续性。系统多重稳态可以用一种直观描述系统动态特征的方法来表述，即稳定景观(Stability Landscape)，如图2所示。

图2的稳定景观图变化较直观地描述了系统的稳态转换过程。图中小球代表系统，稳定性景观图波峰位置代表稳态转换临界值，波谷位置代表不同稳态，系统在扰动作用下发生波动，当扰动作为驱动力使系统到达稳态转换临界值(波峰)时，系统可能会在另一个稳态位置平衡；而当系统由于参数变化致使稳定景观发生变化，初始稳定平衡被改变，则系统必须在另一个稳态位置达到平衡。

虽然稳态景观图可以利用生态景观的含义对抽象的稳态转换概念进行具体描述，但其无法定量化描述系统内部稳态转换。生态系统具有复杂性，其内部各组分具有非线性关联的特征，系统状态的涨落特征以及系统内部的时空异质性等复杂特征，因此认为生态系统是一类耗散结构的复杂系统，它满足耗散结构开放性、远离平衡态、非线性、涨落和突变的特点，因此可以利用耗散结构理论研究生态系统动力机制，定量化系统内部稳态转化驱动力。

布鲁塞尔器模型是普利高津提出的可以量化分析耗散结构的数学模型，可以将黄河流域生态-人类社会耦合系统分为内部系统(生态系统)和外部(社会经济系统)两部分，将布鲁塞尔器模型中的各个参数进行转义，变为生态-社会经济系统熵研究的变量。内部正熵是无序本因，内部无序化发展，正熵增加，有序化发展正熵减少；外部环境熵(即负熵)是有序来源，外部因素对生态不利，生态负熵减少，外部环境对生态有利，生态负熵增加。系统在内部正熵流和外部负熵流共同作用下有序演化发展。布鲁塞尔器模型可以描述为：

转义后模型参数A代表生态系统正熵流(生态系统内部因素)，B代表系统负熵流(人类社会对生态系统造成的干扰)，D代表正负熵流相互作用下系统稳态转换的低动力状态,E代表正负熵流相互作用下系统稳态转换的高动力状态，X代表系统正熵流指标体系的可量化因子，Y代表系统负熵流指标体系的可量化因子。因此，生态-人类社会耦合系统熵流关系可以用布鲁塞尔器进行描述。根据布鲁塞尔器的方程和推论，当|B|＞1+A

当|B|-(1+A

因此，生态-社会经济稳态转换驱动力的大小可以用布鲁塞尔器模型来进行量化计算，如图1所示，具体步骤如下：

步骤S102，基于所述流域生态系统质量评估体系的目标层，将所有评价指标划分为生态系统和人类社会系统两部分，分别为n、m个；

步骤S103，利用熵权模型，分别计算生态系统正熵值A和人类社会系统负熵值B；

步骤S104，根据所述生态系统正熵值A和人类社会系统负熵值B，以及布鲁塞尔器模型确定所述生态系统的稳定性转换力；

步骤S105，根据所述生态系统的稳定性转换力，确定所述生态系统的稳定性。

如图3所示，在一个实施例中，优选地，上述步骤S103包括：

步骤S301，根据每个评价指标的指标数据确定其取值的可能度函数分布；

步骤S302，根据每个评价指标取值的可能度函数分布，计算每个评价指标对应的信息熵值；

步骤S303，根据各个评价指标的信息熵值和评价指标的数目进行计算，得到该评价指标对应的信息熵权重；

步骤S304，根据各个评价指标的信息熵值和对应的信息熵权重，采用以下第一计算公式计算所述正熵值A，采用以下第二计算公式计算所述负熵值B；

所述第一计算公式为：

所述第二计算公式为：

其中，S

在一个实施例中，优选地，采用以下第三计算公式计算所述生态系统的稳定性转换力：

转换力＝|B|-(1+A

所述根据所述生态系统的稳定性转换力，确定所述生态系统的稳定性，包括：

在一个实施例中，优选地，采用以下第四计算公式计算每个评价指标对应的信息熵值：

其中，S

其中，f

在一个实施例中，优选地，采用以下第五计算公式计算所述信息熵权重，

其中，w

在一个实施例中，优选地，所述方法还包括：

根据各个评价指标的信息熵值和对应的信息熵权重，计算所述生态系统的生态质量综合评价指数；

对所述生态系统的生态质量综合评价指数进行分析，以确定所述流域的生态系统的质量。

在一个实施例中，优选地，采用以下第六计算公式计算所述生态系统的生态质量综合评价指数，

其中，EQI表示所述生态系统的生态质量综合评价指数，w

在一个实施例中，优选地，所述生态系统对应的指标层包括以下至少一项评价指标：

总水量、来沙量、重要断面生态激流保证率、重要水功能区水质达标率、重要支流水质达到或优于Ⅲ类河长比例、生境质量指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地胁迫指数、黄土高原水土流失治理面积、典型区域湿地面积变化率；

所述人类社会系统对应的指标层包括以下至少一项评价指标：

年降水总量、平均气温、常住人口、城镇化率、城镇居民人均可支配收入、GDP增长率、人均GDP、夜晚灯光指数、灌区面积、耗水率和流域用水总量。

黄河流域生态系统是由河流、生态环境、社会经济等元素构成的开放的远离平衡态的复杂巨系统。本发明统筹考虑了流域的河流、生态环境、社会经济等元素的相互影响，构建了综合评价流域生态质量指数Ecosystem Quality Index(EQI)。EQI通过熵权耦合分析，数值越大表示流域发展质量越高，越趋于良性循环；数值越小表示流域发展质量越低，所处状态存在一定的问题。

下面以1980年-2019年的黄河流域的数据为例，详细说明本发明的上述技术方案。

由图4可以发现，1980-2019年来，黄河流域生态系统EQI总体呈现震荡式向好发展，平均值为0.64，最大值为0.70(2018年)，最小值为0.59(1986年)，总体呈现质量向好趋势，1982年开始略有下降，1995年EQI迅速上升后，出现一个较平稳且小幅下降阶段，2014年又重新呈快速增长趋势。可以将其分为“波峰-波谷-波峰”式的两阶段，即1980-1986-1995年阶段、1996-2010-2019年阶段，这两个阶段都是先下降再上升的趋势。

1980-1986-1995年是1978年后，经济发展方式粗放，重点追求GDP增长率，引发一系列生态环境问题，EQI整体呈下降趋势，但是1979年三北防护林工程、1984年黄河防护林工程的开展，也促进了生态系统的逐步好转，因此，1986年后EQI呈上升趋势，总体发展较为震荡、无序；1995-2010-2019年经济发展经历了由粗放式向集约型的转变，1995-2010由于各项政策和对外贸易的支持，经济快速增长，同时资源过度消耗、环境污染也日益严重，系统整体呈下降趋势，2010年后人类社会进入健康发展阶段，在追求经济增长的同时，注重生态的保护和治理，黄土高原水土保持治理、污染防治等生态文明建设都促使系统EQI呈现增长趋势。

其中，由图5可知准则层复合指标对生态系统质量EQI的贡献情况，贡献程度越大，指标越敏感，需要采取措施进行管理或加强监管。总体而言，环境发展质量、水文情势、气候因素对EQI的影响一直很大；而社会发展因素在1980-1990年间最为重要，从2010年后贡献度逐年降低，这是因为社会发展逐步稳定导致的；水环境因素(水质)在1980年贡献度最小随后逐年增大，在2019年成为贡献度最大的因素，这是因为随着经济的快速发展，黄河干、支流污染日益严重造成的。虽然经过水体污染控制与治理科技重大专项，污染防治等政策的实施，黄河流域尤其是干流断面水质有了极大的提升，但由于滞后效应，在现阶段水环境因素依然是敏感因素，需要加强监管，维持和提升流域水质；水资源因素的贡献度也逐年下降，这是因为近年来逐步完善了水资源节约与高效利用体系，强化了农业节水，建设节水型社会，建立黄河流域水资源承载能力监测预警机制，强化水资源刚性约束，适度开源，加快区域调水缓解供水压力等措施的实施，使流域水资源得到了合理规划和高效利用。

对生态-人类社会耦合系统中各指标在1980-2019中每年最高权重次数进行统计分析，选取出现频率比较高的八个指标：GDP增长率(18次)、重要水功能区水质达标率(15次)、典型区域湿地面积变化率(11次)、来沙量(10次)、居民平均收入(8次)、流域用水量(7次)、年降水总量(5次)、水网密度(3次)进一步分析重要指标对耦合系统的贡献程度。

由图6可知重要指标对生态-人类社会耦合系统的贡献情况。总体上，1980-1990年，流域用水总量、年降水总量、重要水功能区水质达标率贡献值较大，1995-2005年，GDP增长率、流域用水总量、典型区域湿地面积变化率对系统影响较大，2010-2019年，来沙量、居民平均收入成为影响系统的关键因素。

从表2和图7可以看出1980-2019年系统稳态转换动力值均小于0，表明黄河流域生态-人类社会耦合系统的稳态转换力较低，但整体呈现震荡式上升趋势，整体趋势与达到稳态转换的临界条件越来越近。系统正熵值呈上升趋势，负熵值呈下降趋势。正熵值变化相对负熵值较小，说明系统在40年间内部发展没有出现巨涨落，发展状态较为稳定。负熵值呈现较大幅度降低，绝对值呈上涨趋势，说明在系统外部变化、政策、发展理念、修复工程的影响下，系统内部与外部进行了有利发展的物质、能量和信息的交换，令系统无序性变小。同时根据布鲁塞尔器模型的计算结果，系统稳态转换动力不断增加，也预示着黄河流域生态系统将进入新形势下的发展阶段，需要采取措施延缓这种转变，或采取新的措施驱使这种转变以期迈入更加高质量的稳态发展阶段，实现生态系统的发展和人类社会的协同发展。

表2

根据本公开实施例的第二方面，提供一种流域的生态系统的稳定性识别装置，所述装置包括：

构建模块，用于选取多项评价指标构建流域生态系统质量评估体系，其中，流域生态系统质量评估体系包括目标层、准则层和指标层，所述目标层包括生态系统和人类社会系统，所述准则层包括所述生态系统对应的水文情势、水环境因素和生态因素，以及所述人类社会系统对应的气候因素、社会发展因素和水资源因素；

划分模块，用于基于所述流域生态系统质量评估体系的目标层，将所有评价指标划分为生态系统和人类社会系统两部分，分别为n个和m个评价指标；

计算模块，用于利用熵权模型，分别计算生态系统对应的n个评价指标的正熵值A和人类社会系统对应的m个评价指标的负熵值B；

第一确定模块，用于根据所述生态系统正熵值A和人类社会系统负熵值B，以及布鲁塞尔器模型确定所述生态系统的稳定性转换力；

第二确定模块，用于根据所述生态系统的稳定性转换力，确定所述生态系统的稳定性。

根据本公开实施例的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述指令被处理器执行时实现如第一方面的实施例中任一项所述方法的步骤。

进一步可以理解的是，本公开中“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

进一步可以理解的是，术语“第一”、“第二”等用于描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开，并不表示特定的顺序或者重要程度。实际上，“第一”、“第二”等表述完全可以互换使用。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。

进一步可以理解的是，本公开实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。