基于系统科学的流域高质量发展综合评价方法及装置

摘要

本公开是关于一种基于系统科学的流域高质量发展综合评价方法及装置，方法包括：确定研究对象即流域巨系统的边界和结构，建立流域综合性评价指标体系，采集、清洗指标数据；基于指标数据，计算信息熵值，利用熵权法进行子系统和巨系统的熵值计算，评估各系统的有序程度演变；基于对指标体系的划分，区别并分别计算系统内的正向和负向熵变，计算耗散结构相关指标，计算出流域发展指数；根据流域巨系统的流域发展指数和流域各部的有序程度，综合评价流域的发展质量。通过该技术方案，提出以流域发展指数为决策依据的治河决策理论，综合评价流域巨系统演变状态和发展质量，为黄河流域综合治理、系统治理、源头治理提供技术支撑。

说明书

技术领域

本公开涉及流域管理技术领域，尤其涉及一种基于系统科学的流域高质量发展综合评价方法及装置。

背景技术

近年来，黄河治理开发保护与管理取得了举世瞩目的成就，在水沙治理、生态保护、防洪减灾、水土流失、水资源利用等方面取得了显著的经济、社会和环境效益，有力地支撑了流域经济社会可持续发展。但黄河是一条善淤、善决、善徙的河流，“水少沙多、水沙关系不协调”的特性决定了治理黄河工作的长期性、艰巨性和复杂性。当前治黄工作面临的主要问题是，洪水风险依然是流域的最大威胁，流域生态环境仍然脆弱，水资源保障形势严峻，流域发展质量有待提高。新时期我国确立了“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水新思路，赋予了治水的新内涵、新要求、新任务，为强化水治理、保障水安全指明了方向。随着流域经济社会的快速发展、河流水沙情势和工程情况的变化、生态环境问题日益严重，以及新时期治水思路的转变，治河理论需要全面提升。

目前，对于河流和河道的研究，均是对某一类自然或社会现象进行模拟和分析，系统范围存在局限性，并不包括自然、生态环境和人类社会发展的全部内容。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本公开提供一种基于系统科学的流域高质量发展综合评价方法及装置，其通过建立流域综合性评价指标体系，并对指标数据进行采集和清洗，基于指标数据，计算信息熵值，并利用熵权法进行子系统和巨系统的熵值计算，最后，基于对指标体系的划分，区别模拟系统内的正向和负向熵变，计算耗散结构相关指标，进而计算出流域发展指数，为流域发展提供辅助决策工具。

根据本公开实施例的第一方面，提供一种基于系统科学的流域高质量发展综合评价方法，所述方法包括：

确定所述流域的巨系统的边界和结构，建立流域综合性评价指标体系，其中，所述流域综合性评价指标体系中将所述流域的巨系统划分为河流子系统、生态环境子系统和人类经济子系统，各个子系统中均包括多个评价指标；

分别采集并清洗预设时间段内各个子系统的多个评价指标的指标数据；

基于所述指标数据，利用熵权法分别计算各个子系统和所述巨系统的信息熵值，以根据所述信息熵值评估所述巨系统和各个子系统的有序程度；

基于流域综合性评价指标体系的划分，计算所述巨系统的耗散结构指标，并根据所述耗散结构指标计算所述巨系统的流域发展指数，其中，所述流域发展指数用于表征所述流域巨系统的发展质量和演变状态；

根据流域巨系统的流域发展指数和所述流域巨系统和各个子系统的有序程度，综合评价流域的发展质量。

在一个实施例中，优选地，所述河流子系统的评价指标包括以下至少一项：

年降水量、总水量、来沙量、主河槽过洪能力、总冲淤量和来水来沙协调度；

所述生态环境子系统的评价指标包括以下至少一项：

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；

所述人类经济子系统的评价指标包括以下至少一项：

常住人口、城镇化率、城镇居民人均可支配收入、人均公园绿地面积、 GDP增长率、人均GDP、第三产业占比、灌区面积、夜晚灯光数据、流域用水总量、万元工业增加值用水量。

在一个实施例中，优选地，分别采集并清洗预设时间段内各个子系统的多个评价指标的指标数据，包括：

按照时间序列，采用分区域或分河段的方法从各省资料库、水文站点和流域管理机构的数据库中获取预设时间段内多个评价指标的指标数据；

确定各个评价指标的指标数据的完整性；

根据所述完整性，采用对应的数据补齐方法对所述指标数据进行数据补齐，以得到完整的指标数据，其中，所述数据补齐方法包括：直线插值方法、样条插值方法、拉格朗插值方法和灰色预测方法。

在一个实施例中，优选地，基于所述指标数据，利用熵权法分别计算各个子系统和所述巨系统的信息熵值，以根据所述信息熵值评估所述巨系统和各个子系统的有序程度，包括：

确定各个评价指标发展的标准区间；

计算各个评价指标对与其对应的标准区间内不同标准区间的可能度函数，以确定每个评价指标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；

利用预设修正算法对所述信息熵值进行修正，以得到修正后的信息熵值，所述预设修正算法包括：

其中，x代表要修正的目标评价指标取值，S

根据评价指标的数目和各个评价指标的修正后的信息熵值进行计算，得到该评价指标对应的信息熵权重；

根据各子系统中各个评价指标的修正后的信息熵值和对应的信息熵权重进行加权求和，以得到该子系统对应的总熵值；

根据各个子系统的总熵值，评价各个子系统的有序程度演变。

在一个实施例中，优选地，基于流域综合性评价指标体系的划分，计算所述巨系统的耗散结构指标，并根据所述耗散结构指标计算所述巨系统的流域发展指数，包括：

基于流域综合性评价指标体系的划分，区分并分别计算所述巨系统的正向熵变总和及负向熵变总和；

根据所述巨系统的正向熵变总和及负向熵变总和，利用布鲁塞尔器模型计算所述巨系统的耗散结构指标；

根据所述巨系统的耗散结构指标，计算所述巨系统的流域发展指数。

在一个实施例中，优选地，所述方法还包括：

展示所述巨系统和各个子系统的有序程度，所述巨系统的流域发展指数和所述流域的发展质量的评价结果。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种基于系统科学的流域高质量发展综合评价装置，所述装置包括：

确定模块，用于确定所述流域的巨系统的边界和结构，建立流域综合性评价指标体系，其中，所述流域综合性评价指标体系中将所述流域的巨系统划分为河流子系统、生态环境子系统和人类经济子系统，各个子系统中均包括多个评价指标；

数据处理模块，用于分别采集并清洗预设时间段内各个子系统的多个评价指标的指标数据；

第一计算模块，用于基于所述指标数据，利用熵权法分别计算各个子系统和所述巨系统的信息熵值，以根据所述信息熵值评估所述巨系统和各个子系统的有序程度；

第二计算模块，用于基于流域综合性评价指标体系的划分，计算所述巨系统的耗散结构指标，并根据所述耗散结构指标计算所述巨系统的流域发展指数，其中，所述流域发展指数用于表征所述流域巨系统的发展质量和演变状态；

评价模块，用于根据流域巨系统的流域发展指数和所述流域巨系统和各个子系统的有序程度，综合评价流域的发展质量。

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，以系统科学和信息论等经典理论为指引，结合信息熵和耗散结构计算模型，提出以流域发展指数(Basin Development Index,BDI) 为决策依据的治河决策理论，综合评价流域巨系统演变状态和发展质量，为黄河流域综合治理、系统治理、源头治理提供技术支撑。

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黄河流域巨系统的架构图。

图2是根据一示例性实施例示出的流域发展评价指标体系的示意图。

图3是根据一示例性实施例示出的基于系统科学的流域高质量发展综合评价方法的流程图。

图4是根据一示例性实施例示出的基于系统科学的流域高质量发展综合评价方法中步骤S301的流程图。

图5是根据一示例性实施例示出的基于系统科学的流域高质量发展综合评价方法中步骤S302的流程图。

图6是根据一示例性实施例示出的可能度函数的示意图。

图7是根据一示例性实施例示出的可能度函数及信息熵值曲线的示意图。

图8是根据一示例性实施例示出的可能度函数及修正计算后的信息熵值曲线的示意图。

图9是根据一示例性实施例示出的黄河下游冲淤量信息熵计算结果的示意图。

图10是根据一示例性实施例示出的基于系统科学的流域高质量发展综合评价方法的流程图。

图11是根据一示例性实施例示出的系统演变中的突变和分支的示意图。

图12是根据一示例性实施例示出的耗散结构系统的演变相图。

图13是根据一示例性实施例示出的黄河流域各子系统和巨系统有序程度演变示意图。

图14是根据一示例性实施例示出的流域发展指数演变及发展等级的示意图。

图15是根据一示例性实施例示出的流域发展指数演变与历史大事件关联的示意图。

图16是根据一示例性实施例示出的流域巨系统耗散结构相关指标演变的示意图。

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。

黄河是一个复杂的巨系统，治理黄河是一项复杂的系统工程。因此，无论黄河治理的整体战略、实施方案，还是不同河段的治理方略、工程布局，或是单一工程的具体设计、运行管理，在其全生命周期的各个阶段，都必须以系统论思想方法为统领，把黄河流域作为一个有机的复合系统，统筹考虑。黄河流域的系统治理要以河流基本功能维持、区域社会经济高质量发展、流域生态环境有效保护三维协同为整体治理目标，多维度研究黄河流域综合治理的整体布局及不同治理措施之间的博弈协同效应。

总体来讲，黄河流域系统功能可以从三个方面考虑：

1)从河流功能角度，黄河是一条自然条件复杂、河情极其特殊的河流，“水少沙多、水沙关系不协调”，上中游地区的干旱风沙、水土流失灾害和下游河道的泥沙淤积、洪水威胁，严重制约着流域及相关地区经济社会的可持续发展。另外，黄河是我国西北、华北地区的重要水源，水资源开发利用关系着国家经济安全、能源安全、粮食安全和西北、华北地区经济社会的可持续发展。

2)从生态环境功能角度，黄河流域是连接青藏高原、黄土高原、华北平原的生态廊道，拥有三江源、祁连山等多个国家公园和国家重点生态功能区。黄河流经黄土高原水土流失区、五大沙漠地，沿河两岸分布多个湿地。黄河流域构成了我国重要的生态屏障，黄河流域生态环境保护关系着流域及相关地区的生态安全。

3)从经济发展功能角度，黄河流域是我国重要的经济地带，黄淮海平原、汾渭平原、河套灌区是农产品主产区，流域土地资源、矿产资源特别是能源资源十分丰富，在全国占有极其重要的地位，被誉为我国的“能源流域”，是我国重要的能源、化工、原材料和基础工业基地，未来发展潜力巨大。因此，按照流域功能化分，黄河流域巨系统可以分为河流子系统、生态环境子系统、人类经济子系统，涉及要素众多，关系复杂，既相互联系又相互制约，因此如何既保障黄河流域水安全，又能实现黄河流域生态保护，同时推进黄河流域高质量发展是非常复杂的重大问题。黄河流域巨系统架构如图1所示。

河流子系统以河道治理为重点，主要涉及行洪、水沙、水资源、水工程等多方面的要素。黄河的泥沙问题世界罕见，“二级悬河”问题突出，防洪 (River Health Index，河流健康指数)一直是治黄的首要任务，黄河的河道治理是涉及多方面要素的复杂问题。RHI从系统论的角度出发，考虑水资源、洪水、泥沙三个方面，选取年降水总量、总水量、主河槽过洪能力、来沙量、总淤积量、来水来沙协调度6个关键指标，通过信息熵和熵权法计算得到河流健康指数。

生态环境子系统以生态保护为重点，黄河流域包括森林、湿地、物种、水环境、水生态等多方面的要素，是我国重要的生态屏障，是连接青藏高原、黄土高原、华北平原的生态廊道，拥有三江源、祁连山等多个国家公园和国家重点生态功能区，同时黄河流经黄土高原水土流失区、五大沙漠沙地，沿河两岸分布有东平湖和乌梁素海等湖泊、湿地，河口三角洲湿地生物多样。生态环境是由生物群落及非生物自然因素组成的各种生态系统所构成的整体。长期以来，在自然因素和人为因素的共同作用下，生态环境以不同的时空尺度在发展演变。EDI(Environment Development Index，环境演变指数) 从生态环境保护角度出发，量化研究生境质量、植被覆盖、土地胁迫、水网湿地等相关因素，是基于系统理论、信息熵和熵权分析得到的用于评价流域生态环境发展质量的综合性指标。

人类经济子系统包括人口、产业、经济、文化等多方面的要素，是黄河流域经济高质量发展的重要问题，黄河流域是我国重要的经济地带，黄河流域在我国经济社会发展中也具有十分重要的地位。SDI(Social Development Index，社会发展指数)能够反映流域居民特征、衡量居民福祉，综合表征流域经济发展现状和增长活力，是流域社会经济研究中不可或缺的内容。从人口特征、居民生活质量、经济增长水平、地区产业结构等4个角度，选取12 个社会经济特征指标，通过信息熵和熵权法计算得到社会发展指数，定量分析黄河流域近40年的社会发展演变特征。

RHI，EDI和SDI为表征河流子系统、生态环境子系统、人类经济子系统发展质量提供参考依据，是治河决策理论的重要研究部分。

为了支持中观层和宏观层的数据分析工作，微观层的重点工作是构建黄河流域巨系统指标体系和收集指标数据。根据黄河流域巨系统的内涵，结合国内外关于河流发展评价的相关实践，针对黄河流域生态保护和高质量发展要求，构建流域发展评价指标体系见图2。

图3是根据一示例性实施例示出的基于系统科学的流域高质量发展综合评价方法的流程图。

本发明实施例中提供一种基于系统科学的流域高质量发展综合评价方法，如图3所示，所述方法包括：

步骤S301，确定所述流域的巨系统的边界和结构，建立流域综合性评价指标体系，其中，所述流域综合性评价指标体系中将所述流域的巨系统划分为河流子系统、生态环境子系统和人类经济子系统，各个子系统中均包括多个评价指标。

在一个实施例中，优选地，所述河流子系统的评价指标包括以下至少一项：

年降水量、总水量、来沙量、主河槽过洪能力、总冲淤量和来水来沙协调度；

所述生态环境子系统的评价指标包括以下至少一项：

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；

所述人类经济子系统的评价指标包括以下至少一项：

常住人口、城镇化率、城镇居民人均可支配收入、人均公园绿地面积、 GDP增长率、人均GDP、第三产业占比、灌区面积、夜晚灯光数据、流域用水总量、万元工业增加值用水量。

步骤S302，分别采集并清洗预设时间段内各个子系统的多个评价指标的指标数据；

步骤S303，基于所述指标数据，利用熵权法分别计算各个子系统和所述巨系统的信息熵值，以根据所述信息熵值评估所述巨系统和各个子系统的有序程度；

步骤S304，基于流域综合性评价指标体系的划分，计算所述巨系统的耗散结构指标，并根据所述耗散结构指标计算所述巨系统的流域发展指数，其中，所述流域发展指数用于表征所述流域巨系统的发展质量和演变状态。

步骤S305，根据流域巨系统的流域发展指数和所述流域巨系统和各个子系统的有序程度，综合评价流域的发展质量。

在该实施例中，结合信息熵和耗散结构计算模型，提出以流域发展指数为决策依据的治河决策理论，综合评价流域巨系统演变状态和发展质量，为黄河流域综合治理、系统治理、源头治理提供技术支撑。

如图4所示，在一个实施例中，优选地，上述步骤S302包括：

步骤S401，按照时间序列，采用分区域或分河段的方法从各省资料库、水文站点和流域管理机构的数据库中获取预设时间段内多个评价指标的指标数据。

在该实施中，评价指标可以从时间和空间两个维度来获取。时间维度的信息构成时间序列数据，对于黄河流域发展指数的评价，限于新中国成立之后数据不全等历史因素的影响，将研究范围设定在近40年的时间尺度内，也就是从上世纪80年代开始。数据的颗粒度对所有的评价指标需要统一，受限于数据的可获取性，本发明采用年度平均数值。

空间维度上，采用分区域或分河段的方法来搜集数据，再将搜集到的数据化归到流域层级。流域共跨九省，对应的生态、环境数据可以从各省资料库中搜集，对于水文、泥沙等河流方面的专业数据，则来自于各水文站点及流域管理机构的内部数据，对不同区域的数据进行平均化处理、或以典型区域数据代表较大区域数据来逐层得到流域层面数据。

步骤S402，确定各个评价指标的指标数据的完整性；

步骤S403，根据所述完整性，采用对应的数据补齐方法对所述指标数据进行数据补齐，以得到完整的指标数据，其中，所述数据补齐方法包括：直线插值方法、样条插值方法、拉格朗插值方法和灰色预测方法。

在该实施例中，在数据收集阶段整理的数据是经过各行业专家的认定的成果。首先，应对收集到的指标数据进行预处理。比如对于黄河流域发展指数的评价，要求的数据是近40年的历史年度数据。对于有空间差异的指标，同样要求数据在每个空间或区域内也有完整的时间序列。对系统演变的评价是基于指标按照时间的变化规律。在建立了所有指标数据的完整时间序列之后，进行指标间的加和集成，一步一步构成大巨系统的评价指标。由于各种原因，时间序列数据存在一定的缺失现象，对于缺失的年份，应该根据不同的情况，采取不同的补齐策略：

(1)整片的指标数据缺失。一般近年的数据相对完备，而早年的数据缺失更为严重，有时会出现大片数据的缺失。这时候应该基于该指标的一般变化规律和波动情况，再结合历史上发生过的重要影响事件或颁布的重大治河策略，来进行一定的推测，最好给出几个年份的数据作为控制点。在此基础上，基于已有的时间序列，向前回溯，推测历史年份的数据。

(2)缺少逐年数据，只有每几年(一般是5年)出现的数据。某些指标没有每年测量统计，而是每隔一定时间统计一次，这种情况就可以按照上一种情况中给出控制点的情形来处理。

(3)零星缺少某些年份数据。这种情况相对容易处理，在整个时间序列中，如果缺少某一年的数据，一般可以直接用相邻两年份数据的均值来代替缺失数据，不会对系统评估结果产生较大的影响。

(4)少数情况下，会缺少最后一年的数据。这应该是因为最新的统计数据尚未出炉，可以利用近些年的数据加以预测得出最新年份的数据。

对于缺失数据的补齐，主要用到的数据处理方法有直线插值、样条插值、拉格朗插值及灰色预测法等方法。

其中，在专家审查数据的基础上，对于极个别异常数据(即数据噪点)，在确定了异常原因之后，考虑影响该指标的各方面因素，结合专家经验综合判断，对其进行针对性处理，给出修正的数据。

图5是根据一示例性实施例示出的基于系统科学的流域高质量发展综合评价方法中步骤S303的流程图。

如图5所示，在一个实施例中，优选地，上述步骤S303包括：

步骤S501，确定各个评价指标发展的标准区间；

步骤S502，计算各个评价指标对与其对应的标准区间内不同标准区间的可能度函数，以确定每个评价指标取值的可能度函数分布；

根据灰色系统理论，灰数是取值信息不明确的一类数值，可以通过可能度函数(possibility function)来描述其取不同数值区间的“可能性”的大小。对于一个评价指标体系，指标取值的区间可以分为几个等级，每个等级都代表着该指标不同的发展水平。本发明中，根据国家标准、规范规程、国际认可的指标标准以及类似研究的最新成果，将各指标发展质量划分为优、良、中、差四个等级，进而计算指标标准的可能度函数。

典型的可能度函数是起点、终点确定的左升、右降连续函数，如图6中所示，图中L(x)为左增函数，R(x)为右降函数。

利用可能度函数，对于每个评价指标取值，可以求出该值对不同标准区间的可能度函数，基于这些函数取值，就可以计算反映该要素指标发展状况的信息熵值。本发明采用了针对标准型可能度函数的改进版本――指数型可能度函数，具体计算如下：

对于第1个标准区间：

对于第k个标准区间(k＝2，3，….n-1):

对于第n个标准区间：

其中，x表示所述评价指标取值，level

图7中四种不同标号的曲线分别代表该指标值对四个标准区间的可能度函数。可能度函数的优点在于，对于某一指标取值，可以借助设置的区间，来充分挖掘指标取值所蕴含的信息，这些信息共同刻画出该最小系统单元的发展情况。

步骤S503，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；

本发明中，基于每个评价指标取值的可能度函数分布，信息熵值由式4 和式5计算得到。

式4和式5中，n代表评价指标值标准区间的个数，p

根据这一发现，考虑到熵值减小对系统的有益性，结合指标的越大越优或越大越劣的性质，本发明提出新型信息熵计算方法，将熵值的计算过程做相应的修正，即根据指标极性，修正较差指标值所对应的熵值计算过程。对于越大越优的指标，可以将取值小于良、中两个标准的分界值的指标取值所对应的熵值修正，计算方法见式6。对于负极性的指标，用类似方法，相应翻转较大取值(右侧)区间即可，修正后的熵值曲线总体单调递增。对所有的熵值统一做上述修正，不会影响利用熵值的变化规律来衡量系统发展的优劣。

步骤S504，利用预设修正算法对所述信息熵值进行修正，以得到修正后的信息熵值。

在一个实施例中，优选地，所述预设修正算法包括：

其中，x代表要修正的目标评价指标取值，S

图9中展示了“黄河下游冲淤量”这一指标的熵值计算结果。冲淤量的计量单位为亿立方米，取值可正可负，正值代表泥沙淤积，负值代表泥沙被冲刷，所以对于泥沙问题，冲淤量取值带有负极性，即越小越优，该系统单元也越有序。从图中可以看出，随着原始值的减小，信息熵值也随之减小，并且两条曲线的趋势十分接近，也就是说用该指标的熵值度量其发展质量具有科学依据。

用上述方法修正后得到的熵值曲线，不管对于原始数值越大越优，还是越大越劣的指标，其优秀取值范围所对应的信息熵值均较小。这样一来，就在指标值的优劣性和对系统产生熵增熵减的效应之间，建立了直接相关的联系。信息熵就可以作为一个当量，像一把尺子一样，统一系统中所有指标的量纲和单位，直接量化每个指标对系统发展产生的影响。

步骤S505，根据评价指标的数目和各个评价指标的修正后的信息熵值进行计算，得到该评价指标对应的信息熵权重；

步骤S506，根据各子系统中各个评价指标的修正后的信息熵值和对应的信息熵权重进行加权求和，以得到该子系统对应的总熵值；

指标的信息熵权重用式7求得，利用各指标的熵值和权重，经过对某系统内指标熵值进行加权求和，可以计算得出该系统总熵，如式8中所示。

式7和8中，N代表需要加权的评价指标的数目，Si和wi分别代表评价指标的信息熵值和对应的信息熵权重，Ssys代表系统的总熵值。

在该实施例中，针对整个复杂巨系统或者其中的任意子系统，都可以算出每一个指标的信息熵权重，进而判断流域巨系统中哪一个或几个指标对系统有序的贡献最大，即最重要。信息熵是信息量和不确定性的度量，某指标带来的信息量越大，熵值越低，不确定性就越低，也就可以赋予其较大的权重。利用这种方法计算指标权重更为科学，避免了不同专家主观判断权重带来的差异。熵权法更大的意义在于，随着各指标信息熵值的变化，每个指标在系统中的权重也随之变化，这些指标相互作用，动态互动，熵权法就可以实时监测指标在系统中的相对重要性的实时变化，这和系统治理的观点十分契合。在指导流域治理或管理中，改善权重较大的指标即可转变为主要措施或工程论证予以考虑。

子系统和巨系统的信息熵虽然能刻画系统有序程度发展变化的趋势，但是不能描述系统在发展过程中所处的状态，所以本发明进一步引入了耗散结构理论和相关模型，来评判系统的发展状态。

图10是根据一示例性实施例示出的基于系统科学的流域高质量发展综合评价方法的流程图。

如图10所示，在一个实施例中，优选地，上述步骤S304包括：

步骤S1001，基于流域综合性评价指标体系的划分，区分并分别计算所述巨系统的正向熵变总和及负向熵变总和；

步骤S1002，根据所述巨系统的正向熵变总和及负向熵变总和，利用布鲁塞尔器模型计算所述巨系统的耗散结构指标；

步骤S1003，根据所述巨系统的耗散结构指标，计算所述巨系统的流域发展指数。

耗散结构理论是比利时物理化学家普利高津(I.Prigogine)于1969年建立的。普利高津将宏观系统分为孤立1、封闭2和开放3系统三种，其中开放系统又根据系统内部物质和能量分布的平衡程度分为：热力学平衡态、近平衡态和远离平衡态。普利高津认为热力学第二定律以及统计力学只表述了孤立系统在平衡态和近平衡态条件下的规律。在远离平衡态，一个开放的热力学系统，可以通过不断与外界环境进行物质与能量的交换以及其内部的非线性作用，一旦某个系统参量达到一定阈值，系统就有可能产生自组织现象，继而达到一种时间、空间、功能上的高级有序的时空结构，这就是所谓的“耗散结构”，系统也就处在耗散结构的状态。图11中显示了相应的系统演变示意图。耗散结构依靠不断与外界交换物质和能量来维持其有序结构，在耗散过程中形成了自组织和自适应系统，这种系统不但具有抵御外界干扰的能力，还能通过不断的自我更新演变，达到下一个“突变点”，实现系统向更高级有序的状态跃迁。总之，耗散结构的形成需要满足四个条件：系统是开放的，系统要远离平衡态，系统中存在涨落，系统中存在非线性作用。

利用耗散结构理论来分析系统演变过程中所处的状态，是对系统活跃程度的定量分析，可以判断系统的动力学特征、发展潜力及演变趋势。动态系统的定态主要包括平衡态、周期态、拟周期态和混沌态(分形)等。对于处在非耗散结构的系统，其演变会逐渐趋于一个平衡定态，对应系统相图上的“不动点”或“奇点”，系统参量也会收敛于某值而不再随时间变化，这就是平衡态和近平衡态热力学的基本原理。而如图12中所示的系统相图，状态参数始终在周期性的变化，并收敛于极限环，就是系统达到了耗散结构的周期性定态。

普利高津学派提出的“布鲁塞尔器”(Brusselator)模型，通过分析化学交叉催化反应系统，为我们提供了量化分析耗散结构和系统活跃程度的方法。经过对布鲁塞尔器模型的转义，也可推导河流系统成为耗散结构的数学判据。布鲁塞尔器模型描述的化学反应系统可用化学反应式13-16来表示：

A→X (13)

B+X→Y+D (14)

Y+2X→3X (15)

X→E (16)

式中A、B代表初始反应物的浓度，D、E代表反应产物的浓度，X、Y 代表中间成分的浓度。这里通过变量代换将模型简化，并假定各反应的反应系数均为1。此反应体系的动力学方程可以用式17和18表示：

该方程组存在唯一的定态解(A，B)，即不动点或奇点。对该系统的动力学稳定性的研究，根据常微分方程定性方法的相关知识，应在该不动点附近对线性近似方程做稳定性分析。根据得到的线性化系统的特征方程，曲线 |B|＝1+A

布鲁塞尔器模型看似简单，但是能够刻画耗散结构系统内所有主要反应过程。模型中，A、B作为反应物不断输入，D、E一旦生成立即取走，这反映了系统开放性，同时也将系统维持在远离平衡态；第2和第3个反应式分别代表了X、Y两种中间产物的浓度此消彼长的博弈关系，两种物质的存量交替占据主动，形成涨落现象；第3个反应式的形式又能模拟系统内部复杂的非线性作用。

本发明利用流域发展过程中的两种熵变效应―正向熵变和负向熵变来归纳系统内部所有的复杂变化，再用布鲁塞尔器模型评价系统的状态。所谓正向熵变是指系统在发展演化过程中，由于系统内部矛盾的产生、积累和激化，或者由于系统与环境进行物质、能量和信息交换不当，而造成系统熵值的改变量逐步或者快速呈现大于零的正值状态，从而导致系统产生非秩序性效应。正向熵变将导致系统局面杂乱无章，发展速度缓慢，运行效率低下。负向熵变是指系统在其发展演化过程中，由于系统与环境进行物质、能量和信息的合理交换，系统内部要素之间互相制约、干扰的情况得到改善，矛盾得以化解与消弱，致使系统熵值不断减小，最终使系统熵的改变量逐渐或者迅速呈现小于零的负值状态，从而导致系统产生秩序性效应。负向熵变蕴含或滋长着一种保护系统稳定有序发展的促进力。根据正向和负向熵变的物理意义，本发明中，首先将指标体系中区分正向和负向熵变指标，取正向指标的熵值为指标正向熵变值，取指标熵值根据良、中标准临界熵值的对称值的负值，作为负向熵变值。

将布鲁塞尔器模型中的6种物质代表的意义分别转变成流域系统中相关的概念：A、B分别为系统总体的正向熵变和负向熵变效应；D、E为正向和负向熵变相互作用下可能形成的两种系统状态，其中D为非耗散结构，E为耗散结构；X、Y则分别代表正向和负向熵变作用下形成的系统演化指标的总体变化。

布鲁塞尔器模型判定系统成为耗散结构的动力学临界条件为|B|＞1+ A

Index

其中，A和B分别代表系统正向熵变和负向熵变的总和，Index

为使式(19)中正向和负向熵变值构成的两项在同一数域，将负向熵变值扩大2倍。根据式(19)推算得出，耗散结构指标的取值范围在[-2,1]区间，计算得分时将这个区间线性的换算至百分区间，也就是基于两个端点 (-2,0)和(1,100)之间的直线表达式得出如下转换公式：

BDI＝100*(Index

然后，利用所有指标取值标准区间的临界值及指标极性，可以计算指标临界值所对应的耗散结构指标值分别为-0.5、-0.38和-0.23，再考虑到系统到达耗散结构相对较难，也是系统发展的较高质量，所以取此标准，并舍弃指标临界值对应的最小耗散指标-0.5，最终得到系统发展质量评价分数换算表，如表1中所示。

表1

在一个实施例中，优选地，所述方法还包括：

在一个实施例中，优选地，所述方法还包括：

下面，利用本发明确立的理论方法体系，对黄河流域过去40年的发展质量进行综合性评价，并对计算结果进行分析。黄河流域巨系统中三个子系统的有序程度，由图13中展示的三条子系统发展指数的演变曲线(三种虚线)表示，三指数的均值由黑实线表示，BDI的演变由带圆圈标记的黑实线表示。表2展示了黄河流域各个子系统和流域巨系统的发展质量指数计算结果。

计算结果显示，流域三个子系统的发展质量指数演变曲线的均值变化趋势同流域发展指数BDI的趋势相同，也就是说三个子系统的发展演变共同决定了整个流域巨系统的发展演变。在整个40年的考察区间内，BDI的均值为58.5分，最低值为1996年的50.5分，最高值为2019年的66.6分。BDI 在历史40年的时间内，大体上，经历了先变差后变优的两个阶段：(1)从 1980年--1996年，BDI波动性减小，流域系统发展总体变差；(2)从1997 年至今，BDI逐渐减小波动并向好发展，流域系统发展总体变优。

表2

从三个子系统的发展指数的变化趋势来看，在20世纪80年代，流域内的经济发展属于起步阶段，对河流和生态环境的破坏均较小，流域整体健康。在1985以前，BDI都处在均值以上的水平，流域发展相对较好。1985年以后，BDI波动性下降，一直到1996年的最低值。这是由于经济发展质量偏低，并导致生态环境变差造成的。黄河流域经济作为整个国民经济的重要组成部分，折射出国民经济发展的总体趋势，经济发展的同时没有足够重视生态环境的保护和流域承载力的维持，使得系统发展呈现波动的同时总体变差。而在1996年之后，虽然发展波动性仍然存在，但由于受到科学治理决策和小浪底等重大水利工程的合理运用，系统总体发展趋势向好，并且波动性更小，流域得到了较好发展。

根据表1中的BDI与发展质量的数值对应关系，图14中展示了BDI的演变及流域发展质量的等级变化。可以看出，在40年中，黄河流域的整体发展质量经历了“良好-中等-较差-中等-良好”几个阶段，并在最近10年逐年编号，逐渐接近“优秀”的发展等级。如果能保持这种发展势头，持续推进黄河的科学治理，系统治理，黄河流域系统有望进入耗散结构状态，逐步建立起系统“自平衡”、“自组织”的高级有序结构，这十分符合“高质量发展”的理念。

下面结合黄河流域发生的重大历史事件进一步分析。图15展示了黄河流域BDI指数演变以及流域内发生的若干重大事件的关联性。1982年和1984 年，黄河水量丰沛，尤其是1984年8月，黄河汛期出现水丰沙少的现象，水沙关系协调度相对较好，致使河流健康指数较优，BDI受其影响较大，也相对较优。1992年8月，渭河支流发生洪水灾害，花园口出现高水位、高含沙洪水。这一年黄河断流现象加剧，其中利津断面断流82天。1995年，黄河全年断流更长达122天。1996年8月，黄河发生96.8特大洪水。这一系列重大事件都导致了BDI的下降，直到1996年的最低值。从1997年开始，随着重大水利枢纽的建设和运行，黄河流域渐渐向好发展。1998年--1999 年，万家寨和小浪底水利枢纽相继下闸蓄水，黄河水量统一科学调度初见成效。这几年间，BDI的值始终向好发展，甚至在2000年，小浪底水利枢纽投入运行时，达到了一个高质量巅峰。从2000年开始，黄河实现全线不断流，并持续向好发展。在2010年以前，流域发展略有波动，而在2010年以后，BDI向好演变的趋势更加明显，说明对黄河治理的政策更加适宜。

从计算结果来看，黄河流域BDI指数的演变规律与流域内发生的若干重大事件有很大的关联性，流域中发生的重大事件及河流水情的重大变化对流域发展的影响被比较准确地模拟出来，这说明本发明中采用的BDI计算模型有相当的科学性。

图16中显示了流域巨系统的耗散结构指标及正向和负向熵变之间的关系，很明显，耗散结构指标和BDI发展趋势相同，而由于耗散结构指标始终小于0，也就说明流域系统尚未达到耗散结构，尚不能产生自组织现象。在近20年时间内，虽然黄河流域经过了持续不断的治理和改善，但流域仍然存在水沙关系不协调、生态环境遭破坏、整体发展质量偏低等问题，通俗的说就是“黄河病了”。这就意味着需要治河管理部门在尽力削弱系统内部正向熵变效应的同时，加大外部负向熵变的持续流入，才能渐渐治好黄河的“病”。

本发明通过对信息熵和耗散结构理论的改进和应用，在河流治理管理领域提出了一套独到的相对完整的治理理论和方法。通过信息论中的信息熵的概念，将系统发展质量归一到熵的当量上来，统一了各个指标，也就是系统各个细部发展质量的度量，并利用熵值可以叠加的特性，形成了对子系统和流域巨系统的有序程度的评价。通过结合耗散结构理论，从系统发展趋势及系统演变的内生动力方面，将系统的活跃程度量化。这是在对有序程度评价的基础上，对系统发展状态的度量，从更深层次对系统发展质量做出科学评判，最终形成对流域系统发展质量的综合评价方法。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种基于系统科学的流域高质量发展综合评价装置，所述装置包括：

确定模块，用于确定所述流域的巨系统的边界和结构，建立流域综合性评价指标体系，其中，所述流域综合性评价指标体系中将所述流域的巨系统划分为河流子系统、生态环境子系统和人类经济子系统，各个子系统中均包括多个评价指标；

数据处理模块，用于分别采集并清洗预设时间段内各个子系统的多个评价指标的指标数据；

第一计算模块，用于基于所述指标数据，利用熵权法分别计算各个子系统和所述巨系统的信息熵值，以根据所述信息熵值评估所述巨系统和各个子系统的有序程度；

第二计算模块，用于基于流域综合性评价指标体系的划分，计算所述巨系统的耗散结构指标，并根据所述耗散结构指标计算所述巨系统的流域发展指数，其中，所述流域发展指数用于表征所述流域巨系统的发展质量和演变状态；

评价模块，用于根据流域巨系统的流域发展指数和所述流域巨系统和各个子系统的有序程度，综合评价流域的发展质量。

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。