水源保護區清潔小流域治理智能決策系統

邵紅艷，張仁貢

(1. 浙江省金華市農村水利管理處，浙江 金華 321000；2.浙江禹貢信息科技有限公司，杭州 310009)

2010-2012年中央1號文件連續三年提到要建設生態清潔型流域，在水源保護區開展監測評價是生態清潔小流域治理的一項重要內容。近些年來，國內外諸多機構和學者在生態清潔小流域的治理理論、指標體系構架、評價技術等方面做了大量的研究工作， 尤其是2006年基于“三道防線”[1]的流域綜合治理新理念的提出，將小流域劃分為“生態修復區、生態治理區、生態保護區”三道防線進行研究治理。從研究進展可知，目前迫切需要解決的問題有：①小流域治理內容復雜、影響因素多，需要結合現代的、系統的理論和方法，開展全面的科學的系統指標體系梳理和研究。②小流域治理評價指標體系具有多變性、關聯性和模糊性，傳統的評價方法很難適應評估的要求。③清潔小流域治理工程數量多，有待結合大數據、云計算和人工智能技術，開發智能決策系統。

本文將以清潔小流域治理三道防線理論為指導，以浙江省安吉縣杭垓、永康市舟山溪、諸暨市孝四溪3個試點生態清潔小流域為研究對象，構建動態可拓的治理效益評價模型[2]，利用大數據技術、數據挖掘技術、互聯網和物聯網技術、人工智能技術等高新技術進行編程，提供基于GIS圖形化的可視效果界面，開發一款水源保護區清潔小流域治理智能決策系統。

1 總體框架構建

對一個信息系統而言，系統的設計非常重要，這里包括總體框架設計、建模、模型求解方法、組件設計、數據庫設計等方面。

總體框架如圖1所示，從圖1可知，可以為單個或者多個生態清潔小流域治理開展智能評價和決策，通過B/S的互聯網結構模式和現地物聯網采集裝置，由小流域治理多維特性數據庫采集組件觸發采集流域治理指標、流域環境特性、流域治理目標等數據，形成生態清潔小流域治理評價多維特性數據庫，流域專家(如工程建設、管理、環保、行業主管部門等)的知識通過優化抽象和存儲，生成小流域治理的專家庫和知識庫。通過數據挖掘機、多目標可拓評價下指標權重動態修正I/O智能觸發器、智能評價計算機組件、智能推理機等模塊，利用多維特性數據庫和治理專家知識庫分析推理出流域治理效益評價結果和決策方案，以GIS圖形化直觀展示，通過局域網、移動互聯網、公域互聯網等實現特性數據、專家知識和決策成果的共享。

圖1 總體設計方案圖

2 流域治理評價多維特性數據庫

目前雖然小流域的數據比較齊全，但是小流域的一些指標評價標準不夠完善，隨著清潔流域治理智能決策系統緊鑼密鼓的進行，實現了小流域治理工程管理的網絡化和信息化[9]，這為建立多維約束特性匹配數據表創造了條件。由于小流域治理后的社會特性、經濟特性、生態特性等數據不完善，無法直接從WEB型清潔小流域治理工程管理系統基本數據庫中獲取，故無法匹配多維約束特性的確切關系，但可以通過外部數據庫等，建立不確定模糊匹配特性模型，如圖2所示。

圖2 多維約束特性匹配數據流設計方案圖

從圖2可知，小流域治理效益評價多維特性數據庫的基本數據表將主要存儲由WEB型智能系統獲取的先驗數據，確定型特性數據表將存儲小流域工程特性、治理特性、自然氣候特性等確定型數據，不確定型特性數據表將存儲經濟指標特性、社會指標特性、生態指標特性等模糊不確定型數據，維護計劃表存儲小流域治理工程維護月計劃和年計劃信息，而多維約束特性匹配數據表將存儲確定型數據和不確定型數據的匹配模型。確定型特性數據由工作站工作通過數據挖掘自動輸入，也可以通過操作員手工輸入。由于不確定型特性數據表是記錄動態不確定數據，其共同的特征是每項數據記錄都具有時域特性，以便時窗驅動器通過I/O匹配觸發器調動時窗驅動周期內的時域數據。I/O匹配觸發器將負責數據的輸入與輸出，輸入數據由WEB型智能配置系統中的同步時鐘結合時域數據后存儲到相應數據表中，輸出數據通過反饋校正器用于時窗優化模塊的初始化，數據輸出頻率由時窗驅動器的驅動周期確定。

3 智能化組建研發

水源保護區清潔小流域治理智能決策系統的組件有智能I/O觸發器、多目標生態清潔流域可拓評價計算機組件、智能推理機、數據挖掘機、專家知識抽象優化數據存儲組件、多維特性指標數據采集組件等，由于限于篇幅，本文著重介紹智能I/O觸發器、多維特性指標數據采集組件、多目標生態清潔流域可拓評價計算機組件等核心組件的開發。

3.1 智能I/O觸發器

I/O匹配觸發器是WEB型清潔小流域治理智能決策系統基本數據庫和流域治理效益評價多維特性數據庫的數據橋梁，WEB型清潔小流域治理智能決策系統設置臨時表，當有瞬時特性數據、實時特性數據和維護計劃數據等不確定數據改變臨時表時，一方面將通過數據挖掘函數作用于存儲過程，更新流域治理效益評價多維特性數據庫的特性數據表。另一方面通過I/O數據接口，相應匹配瞬時特性數據變化事件和維護計劃變化事件，通過事件觸發器，作用于數據存儲過程。數據存儲過程在執行過程中，通過I/O數據接口調用環境預測數據庫的關系圖、函數、視圖、規則等數據模塊，不斷通過I/O數據接口更新修正環境預測數據庫的匹配表。I/O匹配觸發器設計原理如圖3所示。

圖3 基于動態數據修正機理的I/O智能觸發器原理圖

3.2 多維特性指標數據采集組件

該組件所采集的數據構建遵循《水土保持綜合治理效益計算方法》(GB/ T15774-2008)、《生態小流域治理建設技術導則》(SL534-2013)等規范，采用理論推導法、專家選取法、文獻頻數法、主成份分析法等[3]，在諸多機構和學者研究基礎上，采集了19個指標數據構架了評價指標體系[4]，如表1所示。

表1 水源保護區生態清潔小流域治理評價指標體系(R)

3.3 多目標生態清潔流域可拓評價計算機組件

多目標生態清潔流域可拓評價計算機組件的核心計算模塊為可拓評價模型和計算，包括可拓關系物元模型、關聯度法權重確定模型、評價計算流程等。

(1)可拓關系物元模型。可拓關系物元建模方法是近年來可拓學的最新成果[5]。綜合了物理論的形式化表達方法，并著力探討不同物元模型之間的耦合關系，因此在模型表達、模型分解和模型解耦方面，相比于傳統評價模型方法，具有動態性、拓展性、抽象性等優點。

(2)關聯度法權重確定模型。物元模型確定后，下一步就要進行關聯因子及權重的確定，權重的確定有標準差法、滿意度度法、專家打分法等[6]。本研究結合可拓權的理論，采用關聯度法。

①可拓距。設x0為實數域中的任一點，X0∈為實數域上的任一區間，稱：

ρ(x,X0)=|x-(a+b)/2|-(b-a)/2

(1)

為點x0與X0∈區間之可拓距。其中既可是開區間，也可以是閉區間，還可以是半開半閉區間。

一般地，設X0∈，X∈，且X0∈X，則點x關于區間X0和X組成的區間套的位置規定為：

D(x,x0,X0) =ρ(x,X)-ρ(x,X0)

(2)

D(x,X0,X)就描述了點x0與X0和X組成地區間套的位置關系。

②關聯函數。在可拓距的基礎上，建立了如下的關聯函數：

k(x) =ρ(x,X0)/D(x,x0,X0)

(3)

其中X0∈X，且無公共點用于計算點和區間套的關聯程度[7]。

式(3)的關聯度k(x)取值在(-∞，+∞)之間。當 和 取相同的區間時，k(x)在(0，1)間取值，這時的關聯度表征著 與標準取值區間 的關聯程度。這樣，就可以將k(x)的值作為綜合評判的權重。

可以定量地分析出不同物元間的關聯函數值，進而根據關聯權重值k決定該物元與理想物元的相容程度。k<0，表示兩物元處于相斥關系；k=0，表示兩物元處于相容關系；k>0，表示兩物元處于關聯關系。

在圖4關系物元的網狀模型[8]中，圖4中的字母含義參見表1。圖中處于同一層級的物元表示其重要性賦值依據專家的打分而定，權重離散化后，以上19個指標的扁平化(既不考慮各個物元間的關系屬性)權重和為1。采用關系物元間的關聯權重定義方法，從不同物元間屬性的關聯函數著眼，建立不同物元屬性下(也就是量綱可以不同)的關聯關系。

圖4 基于物元的關聯度法權重確定模型

綜合考慮賦分值c和關聯權重值k，即將二者進行和積計算，將計算結果歸一化后，按照分數判斷該工程所處等級L。

L=sum(c×k)

(4)

(3)評價計算機流程。建立了小流域生態指標的關系物元模型后，既可對候選區域生態指標進行可拓綜合評價，其具體計算機流程如圖5所示。

圖5 可拓評價關系物元模型評價流程

4 案例研究

本文取浙江省安吉縣杭垓清潔小流域治理工程、諸暨市孝四溪清潔小流域治理工程、永康市舟山溪清潔小流域治理工程開展研究工作，筆者在開展不同程度的生態指標搜集工作基礎上，建立可拓評價模型，并通過決策系統自動評價和決策。

4.1 工程介紹

安吉縣杭垓清潔小流域治理工程(N1)位于杭垓鎮南側，小流域內溪流主要河道為唐舍港，下游為賦石水庫，總面積49.55 km2，現有水土流失面積5.94 km2。2009年作為生態清潔小流域建設試點項目開展治理。治理工程主要包括水土流失綜合治理、生態修復工程、河道綜合整理工程、人居環境綜合整治工程、生態農業建設工程、植物緩沖帶建設工程、生態移民工程、監測評價工程等。

諸暨市孝四溪清潔小流域治理工程(N2)位于諸暨市以東的東白山麓，地處陳蔡水庫上游，流域面積 39.26 km2。孝四溪小流域屬于水力侵蝕為主的類型區。水土流失面積16.66 km2，占土地總面積的 42.44%。治理措施包括小流域治理、生態修復工程、河道綜合治理工程、人居環境綜合整治工程、生態農業建設工程、面源污染治理工程等。

永康市舟山溪清潔小流域治理工程(N3)位于永康市東南的舟山鎮境內，地處楊溪水庫上游，流域面積 50.71 km2。小流域屬于水力侵蝕為主的類型區。水土流失面積14.28 km2，占土地總面積的 28.16%。治理措施主要分生態修復區采取封育治理和管護兩項措施；生態治理區采取低丘紅壤治理、退耕還林還草、廢棄礦山開采裸露面治理、節水灌溉與坡面水系調整工程、垃圾處置、污水處理、農村人居環境整治、生態農業等八項措施；生態保護區采取河道生態護岸、修建攔沙曝氣壩、清污清淤等措施；建設人工濕地等措施。

4.2 物元量域區間的確定

將3個案例工程，按照表1中的指標體系整理成各個指標量值域的計算區間，如表2所示，根據不同指標定性定量關系的不同，選用標準差法和關聯度法，建立關聯函數。

溝口水質分類的評價流程與總的指標流程相同，即首先按照專家打分的權重進行劃分。本課題中，溝口水質指標未出現較大的容差值，因此可以采用專家打分的方法，確定3個工程的水質等級為Ⅳ、Ⅲ、Ⅲ(見表3)。若出現容差值大于5%的情況，進行多權重判斷，決定其歸類。對于評級標準采用就低的原則，即6個指標中最低的評級標準作為判斷標準。最后將該指標按滿意度權重劃分標準進行評價。具體地說，就是將溝口水質指標劃分為4個等級：不合格，良好，中等和優秀，如表4所示。

表2 3個案例工程的評價指標物元的量域區間

注：①居民生態滿意度指標R21將按照基于可拓距的關聯度法進行計算；②溝口水質指標將按照表3進行評價。

表3 溝口水質分類

表4 溝口水質指標評價等級

4.3 關聯度法權重確定

為了對小流域生態指標進行綜合評價，應先確定在各個指標上對管理模式的期望要求。例如，水土流失治理程度C32是取值為有限區間的增益型指標，用戶要求值為[60%，100%]，而候選段為[60%，75%]，因此土地利用率的經典域X0為[60%，75%]，節域X為[60%，100%]。

建立不同評價指標的經典域和節域如表5所示。

表5 指標經典域和節域

利用公式(5)通過節點域的上下許用邊界和期望值，得到每個指標變量的最優值如表6所示。綜合權重為0.520，0.292，0.188。

表6 被測流域評價指標分布情況

4.4 決策系統自動評價結果

自動計算結果界面如圖6所示。由此可得，安吉縣杭垓清潔小流域工程綜合評價指標最優，可作為推薦的示范工程。

圖6 智能決策系統評價結果界面

5 結 語

通過浙江省安吉縣杭垓清潔小流域治理工程、諸暨市孝四溪清潔小流域治理工程、永康市舟山溪清潔小流域治理工程的實踐計算表明，計算結果符合工程實際，評價結果可信度較高。因此，在小流域生態評價中引入關系物元、關聯函數權重，以及多權重分析方法，是一種處理小流域生態多目標評價中一種行之有效的方法，結合現代技術的決策系統，提高了決策效率和應用效益。水源保護區清潔小流域治理可拓評價模型及智能決策系統還有很多不完善的地方，例如評價指標體系需要進一步完善、模型中未涉及到模糊不確定因素、試點案例樣本數目尚且不夠多等缺點，筆者將在以后的工作中不斷升級評價模型及智能決策系統，并在區域內加強試點驗證應用，以便向全國推廣應用。