基于主题分类和组件技术的灌区生态环境动态评价

柴 立，张 晴，解建仓，刘建龙，姜仁贵



基于主题分类和组件技术的灌区生态环境动态评价

柴 立1，张 晴2，解建仓1，刘建龙3，姜仁贵1※

（1. 西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，西安 710048；2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；3. 河南省水利勘测设计研究有限公司，郑州 450016）

针对传统灌区生态环境评价存在的指标固定和适应性较弱等不足，将信息化技术应用到评价中，提出基于主题服务的灌区生态环境动态评价模式。针对灌区生态环境问题确定评价主题，建立基于主题服务的灌区生态环境动态评价流程，构建评价指标库，对评价方法进行组件化。根据评价主题从灌区生态环境评价指标库中筛选合适的评价指标，通过对指标的优选建立针对特定评价主题的评价指标体系。基于综合集成平台绘制评价主题知识图，搭建灌区生态环境动态评价系统。根据灌区生态环境评价主题的特征和建立的评价指标体系，确定评价方法。从评价方法组件库中调用相应组件对不同主题下评价指标进行计算，实现对灌区生态环境的动态主题评价。以陕西省泾惠渠灌区为例开展实证研究，首先，根据灌区调研情况和管理部门的关注点，结合专家意见，确定4类评价主题，包括：生态环境影响要素主题、资源利用水平主题、工程保障能力主题和可持续性主题。基于综合集成平台开展动态评价，结果发现：2009年和2014年灌区生态环境介于等级“良”和“一般”之间，且2014年相对于2009年灌区生态环境状况有所下降；1997年至2014年灌区资源利用水平逐年提高，各评价指标逐年向良性发展；2014年灌区工程保障能力为“一般”，且偏向“良好”；2014年灌区可持续性评价结果等级为“良”。结果表明：基于主题服务模式能快速、多角度实现对灌区生态环境的动态评价，结果更为可信，相比传统评价方法更有优势。引入信息化手段，在综合集成平台上实现基于主题服务的灌区生态环境动态评价，研究结果对促进灌区生态环境健康发展和灌区生态文明建设具有重要意义。

生态；环境管理；主题服务；动态评价；泾惠渠灌区

0 引 言

中国是粮食生产大国，灌区的健康发展是粮食、棉、油生产安全的基础保障，对农村经济甚至国民经济的发展有着举足轻重的作用，也是生态环境保护的重要支撑。灌区是一个“人工—自然—社会”复合的生态系统[1]，其建设不仅能促进中国农业生产和社会经济发展，还能作为保护生态环境的重要因素，具体体现在改善生态环境、调节区域气候、抑制水土流失等方面。由于中国早期灌区建设管理水平低，改革开放后经济迅速发展和人类活动频繁，对生态环境破坏严重，如农药过量使用造成的灌区水土污染，盲目扩灌引起的土地退化和落后灌溉技术导致的水资源利用效率低[2]，致使灌溉规模超过灌区水资源承载能力，地下水位降低引起粮食减产和植被增长速率减缓[3-4]。针对灌区出现的上述问题，2014年水利部提出建设“生态灌区”的构想，党的十八大则从“五位一体”总布局的战略高度，推进生态文明建设。本文基于此对灌区进行生态环境评价，可为灌区管理者提供科学有效的依据，促进生态型灌区的建设与发展。

国内外诸多学者对灌区生态环境开展研究，并取得许多有益成果[5-8]。方延旭等[9]建立了灌区生态系统健康二级模糊综合评价模型，并将模型应用到北京市北野厂，结果表明该文提出的模型能较好评价灌区生态系统健康状况；高鸿永等[3]分析灌区地下水位深度情况，研究灌区建设中的生态与环境问题的关系，结果表明：通过灌溉间息水可补充生态水，保持地下水位，改善生态环境；肖雨芳[10]介绍了灌区生态环境质量的评价过程与方法，并以关中灌区研究区域进行实证分析。以往针对灌区生态环境的研究多集中在城市、农业与河流湿地等方面[11-12]，对灌区动态评价相关研究相对较少[5]。

本文针对复杂的灌区生态环境问题，提出基于主题服务的灌区评价服务模式[13]，对灌区生态环境进行动态评价。通过构建评价指标库，避免传统因评价指标较少造成的偏差。通过将评价方法进行组件化，提供快速的灌区生态环境评价服务。基于综合集成平台将评价过程可视化，提高了评价的可信性，通过对评价指标、不同指标权重和评价方法的快速修改，为用户提供动态、可反馈修正的评价服务。以陕西省泾惠渠灌区为例，通过对泾惠渠灌区生态环境调研确定4个评价主题，搭建基于主题服务的灌区生态环境动态评价系统，针对每个主题开展动态评价。本文研究成果对促进灌区生态环境健康发展和灌区生态文明建设具有重要的意义，预期具有较好应用推广价值。

1 灌区生态环境健康内涵

生态环境指生态系统中相对于生物系统的全部外界条件的总和，包括生物和非生物等能在特定空间中可以直接或间接影响有机体生存和发展的各个因素[14]。灌区生态系统是一个半人工的开放性生态系统，它把自然环境因素、人工提供的水分条件以及其他人工调控手段有机地结合在一起，具有很强的社会性[15]。生态系统健康是Schaeffer等[16]1988年首次提出，主要用来描述生态系统健康度量的问题，由Rapport给出了生态系统健康内涵的详细论述，他认为生态系统健康体现在生态系统是稳定和可持续的，即随时间推移能够维持自身的结构组织，进行自我协调和对外力胁迫具有抵抗力[17]。国内外学者们研究的侧重点不同，对于生态系统健康的含义略有差异，如Calow[18]认为生态系统健康表现为生态系统具有长期的持续性；Norris等[19]认为生态系统的健康状态是指生态环境受外界干扰前的原始状态；张凤玲等[20]指出健康的生态系统具有维持生态系统的结构和组织的能力，也要考虑人类活动和社会效益。

以往针对灌区生态环境评价研究主要集中在指标体系或者模型方法上，然而，构建的评价指标体系相对较为固定，评价模型难以适应动态变化。本文采用组件、知识图和综合集成平台等信息技术，通过构建指标库和方法组件库，提出基于主题服务的灌区动态评价模式。

2 灌区生态环境动态评价

2.1 动态评价主题服务

动态评价主题服务基于综合集成平台，通过组件技术实现评价指标和方法组件化，在评价过程中选取与主题相关的评价指标及方法组件，将事先开发好的各种指标及方法组件与知识图相结合，快速搭建适用于不同主题的评价模型，实现在线快速响应、可视可信、评价方法灵活修正的灌区生态环境动态评价。动态评价的基本流程如图1所示。首先，明确评价主题。根据灌区生态环境状况，将复杂的灌区生态环境问题分解为不同评价主题，建立灌区生态环境评价主题库。其次，开发组件。确定主题后，从灌区生态环境指标库和方法库中选择合适的评价指标和评价方法，采用组件化技术对评价方法进行组件化，开发相应的评价指标和方法组件。根据灌区生态环境评价基本流程，基于综合集成平台绘制灌区生态环境不同主题的评价知识图，通过可视可信、可反馈修正等特征开展灌区生态环境动态评价。

图1 动态评价的基本流程

2.2 评价指标库构建

开展灌区生态环境动态评价，首先，需要构建评价指标库，以陕西省泾惠渠为例，根据灌区生态环境健康内涵，通过对现有文献的总结梳理，灌区实地调研以及征询有关专家意见等方式，构建泾惠渠灌区生态环境健康评价指标库，共包括112个评价指标（略）。参考国家及行业标准、灌区规划建设标准和全国文明灌区创建管理办法等，确定各指标的等级划分标准。开展评价时，首先确定评价主题，按照主题确定评价目标、准则和指标，根据确定的评价主题特征、专家意见和指标基础数据的可获取性，从评价指标库中筛选若干个评价指标构建对应评价主题的评价指标体系。

2.3 评价方法组件化

评价方法组件化，即评价者根据决策的目的，开发设计权重计算方法组件和评价方法组件，经测试无误后，发布至Web服务器，最终建成方法组件库。组件库的使用简单、成本低，评价者只需要了解组件库内的所有组件的服务对象和运算性质，通过服务器定制以及评价主题获取相应组件，并添加到知识图相应节点下即可计算得到各评价指标权重及评价结果。1）加权方法组件库：采用主观赋权和客观赋权相结合的组合赋权法计算不同指标权重，通过将不同方法得到指标的权值进行组合处理，开发加权方法组件，建立加权方法组件库。2）评价方法组件库：将评价指标、评价方法组件化，建立评价方法组件库，通过对组件的共享、重用实现模型与方法的快速调用与反馈修正。下面以模糊综合评价法为例，分析如何将评价方法组件化。

第1步，给出模糊综合评价法的计算步骤[21-22]：

4）构造评价矩阵，与权重进行模糊合成。将个单因素评价集组合构造出总的评价矩阵：

将与权数分配集=(1,2,…,a)进行模糊合成得到最终模糊决策集=(1,2,…,b)，即=*，*为算子符号。

第2步，根据上述步骤，结合组件开发流程，将模糊综合评价方法划分为3个计算组件：计算隶属度函数组件、评价矩阵构造组件、模糊合成组件。根据第1步中流程确定3个计算组件逻辑关系如图2所示。

图2 模糊综合评价法计算组件模块关系图

第3步，基于综合集成平台，采用组件化软件开发技术对第2步中划分出来的计算组件进行开发，并存储到平台的方法组件库中，评价过程中，从方法组件库中调用相关组件即可进行计算。

2.4 评价主题知识图绘制

在确定评价主题，建立相关的评价指标库、方法组件库后，基于综合集成平台绘制评价主题的知识图。首先，打开综合集成平台，新建知识图，根据已经建立好的评价模型绘制知识图，从组件库检索所需评价指标、方法相关的组件，组件经过定制后添加到知识图相应节点下；若已有绘制好的知识包，且满足评价主题的要求，可通过知识包管理界面打开已有的知识图成果，直接使用或者在原知识图上进行改动后使用。主题知识图主要工作包括：绘制节点、设计组件的接口、定制组件等，这些工作之间具有一定的联系，比如评价过程中前端组件流向后续组件的数据要求，或者知识图中前端节点和后端节点的关系，需要考虑组件对环境依赖的分析。基于绘制好的主题评价知识图，从组件库中选择并定制适合评价主题的方法组件，快速得到不同方法的评价结果，实现灌区生态环境动态评价。

3 应用实例

将基于主题服务的灌区生态环境动态评价模式应用到泾惠渠灌区中，开展泾惠渠生态环境主题化动态评价，研究结果可为泾惠渠生态文明建设以及灌区管理者提供决策建议。

3.1 灌区概况与数据来源

泾惠渠灌区位于关中平原中部，位于108°34′34″～109°21′35″E，34°25′20″～34°41′40″N。灌区北靠黄土台塬，西、南、东三面环绕有泾河、渭河、石川河，灌区东西方向长约70 km，南北方向宽约20 km，总面积1180 km2，灌溉着西安、咸阳、渭南三市的泾阳、三原、高陵、临潼、阎良、富平6个县（区），48个乡镇，597个行政村的耕地[23]。灌区属于大陆性半干旱季风气候，夏季多雨，降雨量的分布由东南向西北逐渐递减。泾惠渠灌区作为陕西省重要的粮食、蔬菜基地，农作物主要以小麦、玉米、棉花、蔬菜为主，作物复种指数在1.85以上[24-26]。

论文所采用的数据来源于中国气象科学数据共享服务网、《陕西省统计年鉴》、《全国土壤污染状况调查结果》、《陕西省泾惠渠管理局灌溉技术资料汇编》以及灌区历年环境监测报告等。

3.2 结果与分析

3.2.1 泾惠渠灌区生态环境评价主题

根据前期对泾惠渠灌区的调研情况，考虑到管理部门关注点和灌区实际情况，结合相关专家意见，确定泾惠渠灌区生态环境4种类型主题。本文确定的主题主要考虑灌区生态环境现状及未来发展状况，包括：生态环境影响要素主题、资源利用水平主题、工程保障能力主题和可持续性主题。确定评价主题后，按照2.3节将评价方法组件化，针对上述4个主题，本文采用层次分析法、主成分分析法、模糊综合评价、综合指数法、灰色关联分析和物元可拓评价等方法进行不同主题下指标优选与评价[27-28]。上述方法详见文献[21-22,29]，篇幅限制，未在文中赘述。

3.2.2 不同主题下评价指标体系构建

由于灌区生态环境状况的复杂性，不同灌区的生态环境问题会存在差异性，因此没有一套固定的指标体系能够适用于任何灌区的生态环境评价，需要根据灌区生态环境情况和不同主题更新与修改指标体系。通过前期对泾惠渠灌区生态环境现状的调研与分析，结合专家意见，从2.1构建的评价指标库共112个评价指标中筛选出对应各主题的评价指标建立初始评价指标体系，再结合主观经验和专家意见等方法对指标进行优选。融合多源数据对评价指标进行优选[30]，采用的方法主要包括：采用层次分析法计算结果剔除权重较小的指标，采用共性诊断和相关性分析剔除关联度较高的指标，采用灵敏度分析剔除区分度不高的指标，采用主成分分析方法计算得到各初始指标的载荷矩阵，提取具有较高载荷的指标，最终构建适用于泾惠渠灌区生态环境各主题的评价指标体系。通过对初始评价指标体系的筛选与灵敏度分析，最后确定用于泾惠渠灌区生态环境各主题的35个评价指标，其中，生态环境影响要素主题12个指标（图3a），资源利用水平主题8个指标（图3b），工程保障能力主题6个指标（图3c），可持续性主题9个指标（图3d）。通过实例应用中实际统计数据的评价结果分析，可以看出，不同主题评价结果和实际调研的灌区生态环境状况基本吻合，表明论文中所构建的评价指标体系是相对合理的。

3.2.3 基于综合集成平台的动态评价

基于综合集成平台，将上述构建的不同主题对应的评价指标体系进行流程化描述与可视化表达，绘制不同主题对应的评价知识图。按照知识图调用2.3中开发的加权方法组件计算各主题评价指标权重，计算得到各评价指标权重之后，再从数据库中获取各评价指标统计数据，调用2.3中开发的评价方法组件计算得到该主题的评价结果。考虑到灌区生态环境的复杂性和动态性，当灌区生态环境发生较大变化需要增加评价主题或者补充评价指标时，基于综合集成平台，在知识图的基础上可快速进行修改，从方法组件库中调用相关组件计算得到新的评价指标权重和评价结果，实现评价过程的动态化。

图3 泾惠渠灌区生态环境不同主题评价指标体系

3.2.4 不同主题评价结果分析与讨论

根据前期收集的灌区生态环境相关数据资料，不同主题的灌区生态环境评价年限统一到2014年，由于不同评价主题侧重点和评价指标的不同，论文中采用不同的评价方法对不同的主题进行评价。由于2.3节对相应的评价方法进行组件化，基于综合集成平台可快速调用相应的评价方法组件进行计算，当应用于国内其余灌区生态环境评价时，本文所采用的评价模式同样适用。

1）生态环境影响要素主题

采用层次分析法确定泾惠渠灌区生态环境影响要素主题评价指标权重，结果如表1所示。

表1 生态环境影响要素主题评价指标权重

采用模糊综合评价法对2009年和2014年2 a的泾惠渠灌区生态环境影响要素进行综合评价，结果如表2所示。根据计算得到的隶属度值进行排序，通过与评价等级分值加权计算得到2009年和2014年2 a生态环境影响要素评价最终结果分别为3.6365和3.46，其中，对应等级“一般”的隶属度最大，分别为0.422 1和0.358 3。由此可见，2009年和2014年泾惠渠灌区生态环境影响要素介于等级“良”和“一般”之间，并且，2014年相对于2009年状况有所下降。经过对统计数据分析和实际调研发现，评价结果基本符合灌区实际情况。

表2 生态环境影响要素主题评价结果

2）资源利用水平主题

采用主成分分析方法确定泾惠渠灌区资源利用水平主题评价指标权重，结果如表3所示。

表3 资源利用水平主题评价指标权重

考虑该主题下各指标之间有多重相关关系，采用模糊综合评判法和综合指数法对1997年、2000年、2003年、2006年、2010年、2014年共6 a进行综合评价，采用粒度分析对2种方法评价结果进行一致性判断，结果如表4所示。从评价结果可知，2种方法评价排序一致，从1997年至2014年，泾惠渠灌区资源利用水平逐年提高，各评价指标逐年向良性发展。评价结果和灌区近年来开展的节水改造、发展先进灌溉技术、改善灌溉制度和耕作制度等措施是吻合的。

表4 资源利用水平主题评价结果

3）工程保障能力主题

采用层次分析法确定泾惠渠灌区工程保障能力主题评价指标权重，结果如表5所示。

表5 工程保障能力主题评价指标权重

考虑到灌区工程保障能力各评价指标存在的灰色性特征，采用灰色关联分析法对2014年泾惠渠灌区工程保障能力进行评价，结果如表6所示。结果显示：泾惠渠灌区工程保障能力与等级“一般”关联度最高，且与等级“良”关联度较为相近，表明灌区工程保障能力“一般”，且偏向“良好”。通过调研分析发现，泾惠渠灌区线长面广，田间配套工程不完善，渠道衬砌率相对较低，存在水量渗漏现象，可见，灌区工程保障有待进一步完善。

表6 工程保障能力主题评价结果

4）可持续性主题

采用层次分析法确定泾惠渠灌区可持续性主题评价指标权重，结果如表7所示。

表7 可持续性主题评价指标权重

可持续性主题评价指标综合考虑了资源、环境、社会和经济等多方面要素，各指标间存在深层次相互影响，例如，减少地下水的开采量，就会影响到作物产量，进而影响农村人均纯收入。采用物元可拓评价法对2014年泾惠渠灌区可持续性进行评价，结果如表8所示。结果显示，灌区可持续性对应等级“良”的综合关联度最高，确定最终评价结果等级为“良”。进一步分析发现，化肥施用强度、地下水资源开采率和地膜回收率3个指标表现出来的可持续性较低，对灌区的可持续性影响较大。实际调研过程中发现，灌区化肥施用量偏高，造成农业面源污染；地下水超采使得地下水漏斗面积扩大，致使农作物生长受抑；地膜回收困难，降解性差，直接影响土壤的可持续发展。

表8 可持续性主题评价结果

4 结 论

1）本文提出基于主题服务的灌区生态环境动态评价模式，首先，结合实地调研和专家意见确定评价主题，根据灌区情况构建评价指标库，按照不同的主题从指标库中筛选评价指标构建评价指标体系，对评价方法进行组件化开发实现动态、可视化评价。泾惠渠灌区4个主题服务评价应用实例表明：基于主题服务模式能快速、多角度实现对灌区生态环境评价，比传统评价方法更有优势。结果表明：2009年和2014年灌区生态环境影响要素介于等级“良”和“一般”之间，且2014年相对于2009年状况有所下降；1997年至2014年，灌区资源利用水平逐年提高，各评价指标逐年向良性发展；2014年灌区工程保障能力为“一般”，且偏向“良好”；2014年灌区可持续性最终评价结果等级为“良”。不同主题的评价结果与实际调研情况及前人研究成果较为吻合，说明论文中提出的基于主题服务的动态评价结果可信。

2）基于综合集成平台搭建基于主题服务的灌区生态环境动态评价系统，绘制不同主题知识图，使整个评价过程可视可信。用户通过开发组件和绘制主题知识图，借助信息技术使得复杂的评价问题简单化。采用组件技术，建立评价指标权重计算方法和评价方法组件库，对同一评价主题或者不同主题，可快速提取方法组件快速搭建评价系统，得到不同指标体系、多种评价方法的评价结果，基于平台对评价指标体系进行快速更新，对知识图进行动态修正，实现动态评价。

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Dynamic evaluation mode for ecological environment in irrigation based on theme classify and component technology

Chai Li1, Zhang Qing2, Xie Jiancang1, Liu Jianlong3, Jiang Rengui1※

(1.710048,; 2.100081,; 3.450016,)

To resolve the limitations of traditional method for evaluating ecological environment in the irrigation area, dynamic theme service model was proposed in this paper using information technology. The evaluation themes are identified according to the problems of irrigation area. The dynamical evaluation process of ecological environment in irrigation area based on theme service is established. To build the evaluation indices library and develop the evaluation method component, the appropriate evaluation index is selected from the ecological environment evaluation indices library in the irrigated area according to the evaluation theme. The evaluation index system for specific evaluation theme is established after the optimization of indices. The evaluation theme knowledge map is drawn based on the comprehensive integrated platform and the ecological environment dynamic evaluation system is established. The evaluation methods are determined according to the characteristics of the ecological environment evaluation theme and the evaluation indices system. The corresponding component is invoked from the evaluation method component library to calculate the evaluation indices for different themes, and realize dynamic theme evaluation for the ecologic environment in irrigation area. Taking the Jinghuiqu irrigation area in Shaanxi Province as the study case, 4 evaluation themes including the ecological environment influential factor theme, the resource utilization level theme, the engineering support capacity theme and the sustainability theme are determined based on the investigation situation and concerns of the management department in the irrigation area, and the opinions of the experts. The results showed that the ecological environment in irrigation district was between good and mediocre in 2009 and 2014, and the ecological environment situation of irrigation district decreased in 2014 compared with that in 2009; from 1997 to 2014, the utilization level of irrigation resources increased year by year, and each evaluation index developed to a healthy grade year by year; the support capacity of irrigation district was mediocre in 2014, and it tended to be good; the result of irrigation district sustainability evaluation was good in 2014. As the results show: The service model can achieve dynamic evaluation of ecological environment of irrigation area quickly with multi-angle view, the evaluation result is more credible, so it has more advantages compared to the traditional evaluation method. Using the information technologies, the paper introduces a dynamic evaluation model for the ecological environment in the irrigation area based on the comprehensive integrated platform, and the results of the paper are of great importance for the healthy development of the ecological environment and ecological civilization construction in the irrigation area.

ecology; environmental management; theme service; dynamic evaluation; Jinghuiqu irrigation canal

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.023

S274

A

1002-6819(2017)-24-0174-08

2017-06-21

2017-11-20

国家重点研发计划资助（2016YFC0401409）；国家自然科学基金项目（51509201，51679188）；中国博士后科学基金资助项目（2016M590964）；陕西省高校科协青年人才托举计划项目（20160217）

柴立，男，陕西商洛人，博士，主要从事灌区生态环境评价研究。Email：919854612@qq.com

姜仁贵，男，江西玉山人，博士，副教授，主要从事城市防洪减灾与应急管理研究。Email：jrengui@163.com

柴 立，张 晴，解建仓，刘建龙，姜仁贵. 基于主题分类和组件技术的灌区生态环境动态评价[J]. 农业工程学报，2017，33(24)：174－181. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.0174 http://www.tcsae.org

Chai Li, Zhang Qing, Xie Jiancang, Liu Jianlong, Jiang Rengui. Dynamic evaluation mode for ecological environment in irrigation based on theme classify and component technology[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 174－181. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.024 http://www.tcsae.org