一种基于SPER框架的环境影响因果网络构建与评估方法与流程

本发明属于环境评估，具体涉及一种基于sper（source-pathway-exposure-response，即压力源-传递过程-暴露途径-响应）框架的环境影响因果网络构建与评估方法。

背景技术：

1、目前，深海采矿活动的环境影响评估中，最接近的现有技术方案主要包括清单法、矩阵法、情景分析法、空间分析法以及全生命周期评估等。

2、清单法通过逐项列举采矿活动可能产生的环境影响因素形成评估清单；矩阵法在清单法基础上引入影响程度评分，以矩阵形式呈现活动与各环境因素之间的交互关系。情景分析法通过设定不同的采矿活动情景（如开采强度、技术方案、减缓措施等），结合数值模拟或经验模型，预测各情景下的环境影响范围和程度。空间分析法借助地理信息系统（gis），将采矿活动空间分布与生物资源分布图、沉积物类型图等基础图层进行空间叠加和缓冲区分析，评估采矿活动的空间影响范围。全生命周期评估通过追踪产品或活动从原材料获取到最终处置的全过程环境影响，进行系统性的环境影响评价，在工业产品环境足迹评估方面已有成熟方法论体系，部分研究已尝试将该方法应用于深海矿产开发的环境影响评估。

3、然而，上述现有技术在应用于深海采矿环境影响评估时存在以下显著不足：

4、其一，缺乏完整因果链条的构建能力，评估呈现“碎片化”特征。 清单法和矩阵法本质上为静态的二维关联描述工具，仅能反映单一活动与单一环境因素之间的一对一关系，无法刻画环境因素之间相互作用和多压力源累积效应。情景分析法虽能预测影响范围和程度，但通常假设各压力源独立作用，难以处理多压力源交互效应。空间分析本质为静态快照式评估，无法反映影响的时间演变和非线性动态。全生命周期评估虽能追踪全过程影响，但深海生态系统的复杂性远超工业系统，难以构建完整的生态因果链条。

5、其二，缺乏多压力源耦合作用下的累积效应评估能力。 深海采矿同步产生沉积物羽流、硬基质移除、水下噪声、人工光、重金属释放和溶解无机碳释放等多类压力源，这些压力源之间存在复杂的交互效应。现有方法通常将各压力源独立评估后简单叠加，无法处理多压力源的协同和拮抗作用，严重低估累积效应。

6、其三，在数据稀缺条件下缺乏有效的系统评估手段。 空间分析法和全生命周期评估需要高分辨率的基础数据支撑，而深海区域的生态基线数据极度稀缺，难以满足上述方法的实施条件。清单法和基于专家判断的方法虽可在低数据条件下实施，但评估结果主观性强、可重复性差，无法提供足够的科学性和系统性。

7、其四，缺乏识别关键传导路径和瓶颈环节的分析能力。 即使部分方法能够识别某些影响路径，也无法系统评估不同路径的相对重要性，更无法识别限制影响传导的瓶颈环节，因而难以为管理决策提供差异化的减缓措施指导。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中缺乏完整因果链条构建能力、缺乏多压力源累积效应评估能力、在数据稀缺条件下难以进行系统评估、以及缺乏关键路径和瓶颈环节识别能力的技术缺陷，本发明提供一种基于sper框架的环境影响因果网络构建与评估方法，旨在通过构建压力源-传递过程-暴露途径-响应的四层因果网络结构，实现在数据稀缺条件下对多压力源累积效应的半定量化系统评估，并识别因果传导链条中的关键节点和瓶颈环节，为差异化环境管理提供科学依据。

2、根据本发明的一个方面，提供一种基于sper框架的环境影响因果网络构建与评估方法，所述方法包括：

3、a1、构建sper四层框架，包括：源层，识别多类环境压力源作为源节点；传递层，识别所述压力源在环境介质中的多类传递过程作为传递节点；暴露层，识别生物体接触所述压力源或其效应的多类暴露途径作为暴露节点；响应层，识别所述生物体暴露后从个体到生态系统层级表现出的多类效应节点作为效应节点；以有向链接表征各节点间的因果关系，形成四层因果网络；

4、a2、对每条有向链接赋予七项属性：父节点作用重要性，表征起因方对结果方的影响在空间和时间上的重要程度；子节点敏感程度，表征结果方对起因方变化的响应敏感性；因果事件发生概率p；综合作用强度；风险等级；证据等级，表征科学证据的充分程度；不确定性层级，表征不确定性的主要来源类型；

5、a3、从每个源节点出发沿有向链接遍历，按源节点→传递节点→暴露节点→效应节点→效应节点的方向构建从源节点经传递节点和暴露节点到终端效应节点的完整因果路径；以路径最小风险值量化各路径的总体风险等级，其中，为路径上第个节点与第个节点间链接的风险等级；

6、a4、基于各节点在完整因果路径中的出现频次、位置分布及前后链接的风险水平，识别三类关键节点：共性骨架节点，为多条来自不同源节点的路径中反复出现且位于效应节点级联段的节点；源特异性前端入口节点，为仅在特定源节点路径中作为初始效应节点出现的节点；桥梁/终端放大器节点，为接收低层级响应输入并向高层级响应输出且输出风险高于输入风险的节点。

7、在上述技术方案中，提供了一种基于sper框架的评估方法，通过构建四层因果网络、对链接进行多属性量化、遍历路径并识别关键节点，形成一套完整的因果网络构建与评估流程。

8、与清单法或矩阵法这类仅能描述单一活动与单一因素关联的静态工具相比，该方法的区别在于：不是将各压力源独立罗列后简单叠加，而是以有向链接将源、传递、暴露、响应四层串成一条完整的因果链。基于该框架，可以追踪“压力源产生→环境传递→生物暴露→个体响应→种群/群落后果”的完整传导过程。现有方法难以回答“影响通过哪条路走”以及“哪一段最脆弱”这类问题，原因在于它们缺少路径结构和跨层级的链接量化体系。该方法通过s1构建了可遍历的路径拓扑，通过s2引入了i（空间时间重要性）、sen（响应敏感性）、p（发生概率）、c（综合强度）、r（风险等级）、e（证据等级）和u（不确定性类型）七项属性，使每条链接的风险水平可以被区分和比较。在此基础上，s3以路径上最低风险链接作为整条路径的风险值，这一判断对应了因果传导中“最弱环节决定整体传导效率”的实际情况，不同于将各环节风险简单求和或平均的处理方式。s4进一步利用路径数据识别三类节点：共性骨架节点在多条路径中反复出现，是多个压力源汇合的共同脆弱点；源特异性前端入口节点只在特定源路径中出现，可作为识别主要压力源的诊断依据；桥梁/终端放大器节点位于低层级与高层级响应之间，且输出风险高于输入，是影响是否被放大的关键位置。上述机制共同支撑了对累积效应传导路径的识别和比较，在数据不充分的条件下仍然可操作。

9、通过上述四个步骤，该方法将环境影响评估从静态关联描述推进到因果路径可追踪、瓶颈环节可定位、压力源贡献可比较的层面，为后续的监测方案设计和减缓措施优先序确定提供了依据。

10、在一些实施例中，所述父节点作用重要性和所述子节点敏感程度均采用4级评分制；所述因果事件发生概率p采用5级分类制，包括罕见、不太可能、可能、很可能和几乎确定。

11、在上述技术方案中，限定了父节点作用重要性和子节点敏感程度采用4级评分制，因果事件发生概率采用包含五个等级的分类制。

12、在前述方法中，和是计算综合强度的基础属性，是确定风险等级的两个输入之一。如果不限定分级方式，不同实施者对同一链接的取值可能有较大差别，评估结果的可重复性会受影响。采用4级评分制来界定和，相当于给“重要性”和“敏感程度”这类本身带有定性色彩的判断设定了统一的度量标尺；采用“罕见、不太可能、可能、很可能、几乎确定”五个等级，并将每个等级对应到明确的概率区间（如说明书中记载的<1%、1%-20%、20%-50%、50%-95%、≥95%），使得“发生概率”这一项从模糊的定性表述转化为可操作的等级判断。实践中，深海采矿的环境影响评估往往依赖专家判断和有限的观测数据，不同专家对同一因果关系的判断可能不同。有了一套固定分级规则后，即使信息来源和判断主体不同，评估结果也具备可比性和可复核性。五级概率分类相比简单的三级（可能/不确定/不可能）或两级（会/不会）能够容纳更多中间状态，比如“可能”和“很可能”之间的概率差异，对应到管理决策上可能意味着完全不同的应对措施。

13、在一些实施例中，所述综合作用强度按数值分为四个区间：为可忽略综合强度、为低综合强度、为中综合强度、为高综合强度；所述风险等级分为五级：罕见风险、低风险、中风险、高风险和极高风险，通过以的等级为行、的区间为列的风险矩阵确定。

14、在上述技术方案中，限定了综合作用强度的四个数值区间划分，以及风险等级通过区间与等级联合查风险矩阵的确定方式。

15、由和相乘得到，取值落在1到16之间。如果不划分区间，值本身是一个相对抽象的数值——c=9和c=10在实际含义上可能并无本质差别，但数字上看却不同。将划分为四个等距区间后，连续的数值被映射为“可忽略、低、中、高”四个具有明确语义含义的等级，降低了理解成本，也避免了在数值边界上过度解读微小差异。风险等级r的确定方式则更进一步：是通过以等级为行、区间为列的风险矩阵来查表确定。这种方式的实质是允许和在决定时具有非对称的权重——比如同样为高，为“可能”和“几乎确定”时查到的可能分别是“高”和“极高”；同样为“很可能”，为“中”和“高”时查到的也可能不同。矩阵形式本质上是在做一种半定量的风险合成，把两个不同维度的输入（强度与可能性）合并为一个五级风险输出。这种处理并不依赖大量实测数据来拟合函数关系，而是基于领域知识和专家判断预先设定查表规则，恰恰是在数据稀缺条件下可操作的做法。

16、在一些实施例中，所述证据等级采用高、中、低三级分类制；所述不确定性层级采用参数不确定性、模型结构不确定性、情景不确定性三级分类制。

17、在上述技术方案中，限定了证据等级的三级划分方式（高、中、低），以及不确定性层级的三级划分方式（参数不确定性、模型结构不确定性、情景不确定性）。

18、在前述构建的评估体系中，构成了对因果链接本身“强度如何”“风险多大”的刻画。但深海采矿的环境影响评估面临一个现实问题：同一组链接的风险等级可能相同，但背后支撑它的证据强度可能完全不同——比如“沉积物羽流→平流输运”这一链接有多次现场观测和数值模拟支撑（高证据等级），而“重金属释放→生物放大”这一链接可能仅有浅水类比研究的间接证据（中或低证据等级）。如果评估结果只给出风险等级而不标注其背后的证据充分程度，决策者可能会对低证据支撑的高风险链接和高证据支撑的高风险链接给予同等的信任度，这在管理上是危险的。

19、的三级划分本质上是一个置信度标签：它不改变值本身，但告诉使用者这个值有多可靠。高级意味着有直接证据支撑，中级意味着有间接或类比证据，低级则主要依赖专家判断。的三级划分则进一步说明了不确定性的来源类型——表示因果方向已有共识但参数不够精确，表示因果的函数形式本身存在多种可能，表示不确定性主要来自未来采矿情景本身的不确定性。这三类的管理含义不同：可以通过补充观测来缩小，需要更多的机理研究来区分不同假设，则取决于采矿方案本身的制定。在本方案中，每条链接的和都是与其他属性一起评估和记录的，这使得整个因果网络中的每一条链接都带有一个“可信度标签”和一个“不确定性来源说明”，对于后续的使用者来说，可以据此区分哪些结论是可靠的、哪些结论需要谨慎对待。

20、在一些实施例中，在a4中，所述共性骨架节点为在不少于三个不同源节点的路径中出现、位于效应节点级联段、且入链接平均风险等级不低于中风险的节点；

21、所述源特异性前端入口节点为仅在一个或两个源节点的路径中作为初始效应节点出现、其暴露途径与该源节点的物理和/或化学特性直接关联、且从该节点出发的路径收敛到共性骨架节点的节点；

22、所述桥梁/终端放大器节点为接收低层级响应输入并向高层级响应输出、且出链接平均风险等级高于入链接平均风险等级、且中介中心性高于预设阈值的节点。

23、在上述技术方案中，进一步限定了共性骨架节点、源特异性前端入口节点和桥梁/终端放大器节点的量化判定标准。

24、前述方法中s4已给出了三类关键节点的基本定义，但定义中“多条”“反复出现”“特定”等表述留有解释空间。本方案将判定依据具体化：共性骨架节点的标准是不少于三个源节点路径中出现、位于效应节点级联段、且入链接平均风险不低于中风险——前两条界定了“共”和“骨架”的量化含义，入链接风险条件则避免将所有高频节点都纳入骨架，排除掉那些虽然常出现但风险贡献不高的节点。源特异性前端入口节点的三条标准——源数量限制（1-2个）、暴露途径与源特性直接关联、路径收敛到共性骨架节点——共同确保了被识别出的节点确实是特定源头所特有、机制可解释、且最终汇入共同传导通路。桥梁/终端放大器节点在前述定义基础上增加了中介中心性高于预设阈值的要求，这是网络拓扑分析中的一个客观度量，用于量化节点作为“桥梁”的关键程度。

25、上述量化判定的作用在于：不同评估者对同一组路径数据进行节点识别时，由于有明确的节点选择标准，得出的结果是一致的，避免定性描述可能导致的识别差异。三类节点各对应不同的管理含义——共性骨架节点是多个压力源共享的脆弱环节，重点监测此处可同时阻断多条传导路径，效率高于逐个路径监测；源特异性前端入口节点可作为压力源识别标记，当监测到这类节点出现异常时，可根据节点类型追溯主要压力源；桥梁/终端放大器节点输出风险高于输入，意味着后果在此处被放大，若在此环节实施干预，其阻隔效果高于在放大器前端的干预。

26、在一些实施例中，所述方法还包括a5、基于各源节点的完整因果路径集合，计算各源节点的综合得分并按照得分从高到低排序；

27、所述综合得分按如下公式计算：

28、

29、其中，为该源节点所有路径的最小风险值的算术平均值，为该源节点路径中高风险路径的占比，为该源节点的路径总数。

30、在上述技术方案中，在前述方法所构建的评估体系基础上，增加了源节点重要性排序步骤，通过综合得分公式对各压力源进行量化评分并排序。

31、前述方法完成了因果网络的构建和路径风险的量化，得到的是一组路径层面的风险数据。但在管理决策中，更需要回答的是“多个压力源中先管哪个”的问题。本方案处理的就是从路径数据到源节点优先序的聚合。

32、公式中的三项各有分工。是各源节点下所有路径最小风险值的平均值，反映该源节点路径的整体风险水平。是高风险路径占比，衡量风险集中度——两个源节点的可能相同，但一个的高风险路径占比远高于另一个，意味着前者的问题更集中、更突出。项计入路径数量，路径越多代表该源节点的影响途径越多样，但其权重仅为0.1，远低于前两项，避免路径数量主导排序结果。权重2赋予，是让高风险路径占比在排序中发挥主要作用，这与管理的通常逻辑一致：高风险路径集中的压力源应当优先管控。三项合在一起，构成了一个既考虑整体水平、又突出极端情况、同时兼顾影响多样性的综合评分。

33、在一些实施例中，所述方法还包括a6、对每条完整因果路径，将路径上风险等级最低的链接所在的sper阶段识别为瓶颈，将瓶颈分为四类：源头形成瓶颈，位于源节点到传递节点阶段；暴露实现瓶颈，位于传递节点到暴露节点阶段；效应实现瓶颈，位于暴露节点到效应节点阶段；后续放大瓶颈，位于效应节点之间的级联阶段；统计各源节点路径中四类瓶颈的出现频次和占比。

34、在上述技术方案中，在前述方法所构建的因果网络基础上，增加了瓶颈识别与分类统计步骤，将每条路径上风险等级最低的链接所在阶段识别为瓶颈，并按四类进行归集和占比统计。

35、四类瓶颈分别对应sper链条的不同阶段：位于源到传递阶段，意味着压力源本身虽然存在，但向环境介质的转化效率不高；位于传递到暴露阶段，意味着环境扰动虽然发生了，但形成有效生物暴露的条件不足；位于暴露到效应阶段，意味着生物虽然有暴露，但对暴露的响应较弱或不确定；位于效应之间的级联阶段，意味着初始效应已经发生，但从个体向种群或群落的传导受限。

36、这四类的管理含义完全不同。例如，沉积物羽流的瓶颈主要集中在（后续放大，占比约57.7%），说明它能有效触发初始效应，但从个体响应向种群后果的传导受限——针对这种情况，管理上应重点监测种群层面的变化，而不是在源头削减羽流浓度上投入过多。重金属释放的瓶颈则分布在（约29.2%）和（约28%），说明主要问题在于金属从结核向溶解态的转化效率和溶解态金属向生物体的传递效率——针对这种情况，管理上应重点关注金属形态转化过程和生物暴露途径的阻断，而不是在种群监测上投入过多。统计各源节点路径中四类瓶颈的频次和占比，本质上是为每个压力源绘制一张“传导阻碍分布图”，据此判断该压力源的传导在哪一段卡住了，从而把管理资源投到真正限制传导的地方。

37、根据本发明的另一个方面，提供一种基于sper框架的环境影响因果网络构建与评估系统，基于上述方法，包括：

38、节点识别模块，用于构建sper四层框架，包括：源层，识别多类环境压力源作为源节点；传递层，识别所述压力源在环境介质中的多类传递过程作为传递节点；暴露层，识别生物体接触所述压力源或其效应的多类暴露途径作为暴露节点；响应层，识别所述生物体暴露后从个体到生态系统层级表现出的多类效应节点作为效应节点；以有向链接表征各节点间的因果关系，形成四层因果网络；

39、属性赋值模块，用于对每条有向链接赋予七项属性：父节点作用重要性，表征起因方对结果方的影响在空间和时间上的重要程度；子节点敏感程度，表征结果方对起因方变化的响应敏感性；因果事件发生概率p；综合作用强度；风险等级；证据等级，表征科学证据的充分程度；不确定性层级，表征不确定性的主要来源类型；

40、路径分析模块，用于从每个源节点出发沿有向链接遍历，按源节点→传递节点→暴露节点→效应节点→效应节点的方向构建从源节点经传递节点和暴露节点到终端效应节点的完整因果路径；以路径最小风险值量化各路径的总体风险等级，其中，为路径上第个节点与第个节点间链接的风险等级；

41、关键节点识别模块，用于基于各节点在完整因果路径中的出现频次、位置分布及前后链接的风险水平，识别三类关键节点：共性骨架节点，为多条来自不同源节点的路径中反复出现且位于效应节点级联段的节点；源特异性前端入口节点，为仅在特定源节点路径中作为初始效应节点出现的节点；桥梁/终端放大器节点，为接收低层级响应输入并向高层级响应输出且输出风险高于输入风险的节点。

42、在上述技术方案中，为了更好的使用上述方法，本技术提出一种基于sper框架的环境影响因果网络构建与评估系统，各个模块对应上述方法的各个步骤，其具体的原理已在上文中描述，此处不再赘述。

43、根据本发明的又一个方面，提供一种基于sper框架的环境影响因果网络构建与评估设备，包括：

44、至少一个处理器以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；

45、其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述的方法。

46、在上述技术方案中，为了更好的运行和处理该方法，将上述方法存储至存储器，并利用处理器来执行存储的方法。需要注意的是，每个步骤的原理和效果已在上文描述，此处不再展开说明。

47、根据本发明的再一个方面，提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法。

48、在上述技术方案中，为了更好的运行和使用该方法，将上述方法存储至计算机可读存储介质，并利用处理器来实现上述方法。需要注意的是，每个步骤的原理和效果已在上文描述，此处不再展开说明。