CN104897870A - 一种给水管网水质实时预警的水质评价方法 - Google Patents

Abstract

一种给水管网水质实时预警的水质评价方法，属于给水管网水质评价方法。该评价方法在水质分级的基础上，通过给水管网水质实时监测数据中的余氯和浊度两个指标，对给水管网水质进行系统评价，实现对给水管网水质控制和水污染预警；步骤：1、给水管网水质分级，建立水质参数的模糊集合；2、确定水质参数的隶属度，得到评价矩阵；3、计算评价指标的熵值；4、计算评价指标的熵权值；5、进行给水管网水质综合评价。本发明的评价方法实施方案系统条理，可以快速有效的评价给水管网系统不同水质监测点的水质状况，解决了给水管网水质实时预警的水质评价问题，可应用于我国不同地区和不同城市的给水管网系统。

Description

一种给水管网水质实时预警的水质评价方法

技术领域

本发明涉及一种给水管网水质评价方法，特别是一种给水管网水质实时预警的水质评价方法。

背景技术

给水管网系统如同一个庞大的“管式反应器”，由于水在给水管网中的滞留时间很长，易发生物理、化学、生物等反应，使水受到二次污染。达标的出厂水经过给水管网系统输送到用户时，往往达不到国家饮用水水质标准。因此，对给水管网系统的水质评价、监测、预警和控制，已经成为国内外市政给排水工程和环境工程领域普遍关心的热点问题。如发明专利申请号为201110131393.6公开的“一种循环管网水质综合模拟试验系统”；如发明专利申请号为201110130947.0公开的“一种带静止水管段的循环管网水质综合模拟试验系统”；如发明专利申请号为201110258380.5公开的“给水管网水质化学稳定性研究用的管段模拟反应器和方法”。目前，围绕给水管网系统的专利大多涉及到模拟试验系统和稳定水质的仪器和方法，对给水管网水质实时预警的水质评价方法的专利很少。

《城市供水水质标准》(CJ/T206-2005)规定了出厂水及管网水检验项目合格率的要求。由于目前我国国情以及经济发展状况等因素的影响，我国给水系统水质检验项目的合格率普遍不高，由此导致了某些给水管网水污染事件的发生。由于给水管网水质状况涉及多个对象和多个指标，指标之间相互关联，因此，需要对给水管网系统进行水质综合评价，使得水质状况能够在接近于水质污染的临界点附近得以识别和预警，以期为给水管网水质控制提供定量化的依据。

发明内容

本发明的目的是要提供一种给水管网水质实时预警的水质评价方法，解决给水管网水质实时预警的水质评价的问题。

本发明的目的是这样实现的：该水质评价方法将给水管网水质按照《城市供水水质标准》(CJ/T206-2005)规定的界限进行水质分级；在分级的基础上，通过给水管网水质实时监测数据中的余氯和浊度两个指标，对给水管网水质进行系统评价，实现对给水管网水质控制和水污染预警。

具体步骤如下：

步骤1、给水管网水质分级，建立水质参数的模糊集合：

选取余氯和浊度作为评价因子，将水质级别定为5级，即-Ⅰ，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ；确定各指标属于各水质级别的隶属函数；

步骤2、确定水质参数的隶属度，得到评价矩阵：

首先，构造原始数据判断矩阵，如式(1)：

式中：X_m×n为m×n的原始数据判断矩阵；式中x_ij为第j个评价对象在第i个评价指标上的指标值；m为评价指标的数量；n为评价对象的数量；

其次，原始数据判断矩阵的标准化，如式(2)：

对式(1)的原始数据矩阵进行标准化，得到原始数据矩阵的标准化矩阵：

式中：R_m×n为m×n的原始数据判断矩阵的标准化矩阵；式中r_ij为第j个评价对象在第i个评价指标上的标准值；

对于收益性指标为越大越优，r_ij以式(3)进行计算：

$r_{ij}=\frac{x_{ij}-\underset{j}{min}\left(x_{ij}\right)}{\underset{j}{max}\left(x_{ij}\right)-\underset{j}{min}\left(x_{ij}\right)},r_{ij}\∈(0,1)---\left(3\right)$

对于成本性指标为越小越优，r_ij以式(4)进行计算：

$r_{ij}=\frac{\underset{j}{max}\left(x_{ij}\right)-x_{ij}}{\underset{j}{\max }\left(x_{ij}\right)-\underset{j}{min}\left(x_{ij}\right)},r_{ij}\∈(0,1)---\left(4\right)$

步骤3、计算评价指标的熵值：

第i个指标的熵值H_i采用式(5)进行计算：

$H_i=-\frac{1}{\ln n}\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{f}_{ij}{\mathrm{lnf}}_{ij}\right),H_i\≥0---\left(5\right)$

式中：H_i为第i个指标的熵值；f_ij为中间计算变量；f_ij的计算如式(6)：

步骤4、计算评价指标的熵权值：

第i个指标的熵权值w_i采用式(7)进行计算：

$w_i=\frac{1-H_i}{m-\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{H}_i},0\≤w_i\≤1$ 且 $\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{w}_i=1---\left(7\right)$

式中：w_i为第i个指标的熵权值；

熵权值矩阵W_1×m如式(8)

W_1×m＝(w_i)_1×m   (8)

式中：W_1×m为熵权值矩阵；

步骤5、进行给水管网水质综合评价：

综合评价矩阵A_1×n的计算，采用式(9)

A_1×n＝W_1×m×R_m×n＝(a_1i)_1×n＝(Σw_i×r_ij)_1×n   (9)

式中：A_1×n为综合评价矩阵。

所述选取余氯和浊度作为评价因子，或者根据不同给水管网的情况，选取不同的水质评价因子。

所述水质级别定为5级，或者根据不同给水管网的情况，确定不同的水质级别数量和水质分级界限值。

所述余氯的最高浓度限定为1.6mg/L，或者根据不同给水管网的情况，确定余氯最高浓度界限值。

所述的水质监测数据是实时监测数据，或者是监测数据的小时平均值或日平均值。

有益效果，由于采用了上述方案，水质评价方法是基于给水管网水质实时监测数据和熵权理论，来快速有效的评价给水管网系统不同水质监测点的水质状况，实施方案系统条理，计算速度快，解决了给水管网水质实时预警的水质评价问题。本发明可以用于市政给排水工程和环境工程领域，计算结果可基于ArcGIS实现可视化，即将水质综合评价结果以地形化的形式标注于每个地理栅格，有利于工程管理人员和科研人员对给水管网水质进行综合评价和预警指导。

优点：使用本发明提出的这种给水管网水质实时预警的水质评价方法，可以快速有效的评价给水管网系统不同水质监测点的水质状况，解决了水质监测点多个监测指标造成的数据混乱，有利于工程管理人员和科研人员快速有效的进行给水管网水质综合评价和实时预警。

附图说明

图1是本发明的给水管网水质实时预警的水质评价方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，来说明本发明的具体实施步骤和效果。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

该水质评价方法将给水管网水质按照《城市供水水质标准》(CJ/T206-2005)规定的界限进行水质分级；在分级的基础上，通过给水管网水质实时监测数据中的余氯和浊度两个指标，对给水管网水质进行系统评价，实现对给水管网水质控制和水污染预警。

具体步骤如下：

步骤1、给水管网水质分级，建立水质参数的模糊集合：

大部分给水管网的实时水质监测数据包括余氯和浊度，选取余氯和浊度作为评价因子，将水质级别定为5级，即-Ⅰ，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ。

给水管网水质分级的界限值，如表1所示。根据表1，确定各指标属于各水质级别的隶属函数，如表2。

所述选取余氯和浊度作为评价因子，也可根据不同给水管网的情况，选取不同的水质评价因子。

所述水质级别定为5级，水质分级界限值为表1，也可根据不同给水管网的情况，确定不同的水质级别数量和水质分级界限值。

所述余氯的最高浓度限定为1.6mg/L，也可根据也可根据不同给水管网的情况，确定不同的余氯最高浓度界限值。

所述的水质监测数据可以是实时监测数据，也可以是监测数据的小时平均值或日平均值。

表1：给水管网水质评价基本项目标准值

注：由于余氯的浓度过高，容易引起消毒副产物的出现，因而，余氯的最高浓度限定为1.6mg/L。

表2：不同浓度对不同类别的隶属函数表

注：由于余氯的浓度过高，容易引起消毒副产物的出现，因而，余氯的最高浓度限定为1.6mg/L。

步骤2、确定水质参数的隶属度，得到评价矩阵：

首先，构造原始数据判断矩阵，如式(1)：

式中：X_m×n为m×n的原始数据判断矩阵；式中x_ij为第j个评价对象在第i个评价指标上的指标值；m为评价指标的数量；n为评价对象的数量；

其次，原始数据判断矩阵的标准化，如式(2)：

对式(1)的原始数据矩阵进行标准化，得到原始数据矩阵的标准化矩阵：

式中：R_m×n为m×n的原始数据判断矩阵的标准化矩阵；式中r_ij为第j个评价对象在第i个评价指标上的标准值。

对于收益性指标(越大越优)，r_ij以式(3)进行计算：

$r_{ij}=\frac{x_{ij}-\underset{j}{min}\left(x_{ij}\right)}{\underset{j}{max}\left(x_{ij}\right)-\underset{j}{min}\left(x_{ij}\right)},r_{ij}\∈(0,1)---\left(3\right)$

对于成本性指标(越小越优)，r_ij以式(4)进行计算：

$r_{ij}=\frac{\underset{j}{max}\left(x_{ij}\right)-x_{ij}}{\underset{j}{\max }\left(x_{ij}\right)-\underset{j}{min}\left(x_{ij}\right)},r_{ij}\∈(0,1)---\left(4\right)$

步骤3、计算评价指标的熵值：

第i个指标的熵值H_i采用式(5)进行计算：

$H_i=-\frac{1}{\ln n}\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{f}_{ij}{\mathrm{lnf}}_{ij}\right),H_i\≥0---\left(5\right)$

式中：H_i为第i个指标的熵值；f_ij为中间计算变量；f_ij的计算如式(6)：

步骤4、计算评价指标的熵权值：

第i个指标的熵权值w_i采用式(7)进行计算：

$w_i=\frac{1-H_i}{m-\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{H}_i},0\≤w_i\≤1$ 且 $\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{w}_i=1---\left(7\right)$

式中：w_i为第i个指标的熵权值。

熵权值矩阵W_1×m如式(8)

W_1×m＝(w_i)_1×m   (8)

式中：W_1×m为熵权值矩阵。

步骤5、进行给水管网水质综合评价：

综合评价矩阵A_1×n的计算，采用式(9)

A_1×n＝W_1×m×R_m×n＝(a_1i)_1×n＝(Σw_i×r_ij)_1×n   (9)

式中：A_1×n为综合评价矩阵。

采用本发明提出的计算方法对我国南方H城市某日的水质状况进行评价。

实施例1：南方H城市给水管网共有5个水质监测点，2003年某日的日供水量为104.2万吨，供水压力合格率为100％。表3为H市2003年某日所选取的5个水质监测点的水质报表。基于表2，应用式(1)，(2)，(3)和(4)，得到2003年H市某日监测点水质原始数据标准化矩阵，如表4。应用式(5)，(6)，(7)和(8)，得到水质各评价指标的熵及熵权值，如表5。应用式(9)，进行本实例给水管网水质综合评价，如表6。

给水管网水质评价的结果表明：某日H市5个水质监测点，监测点2的水质最优，监测点5的水质较差，监测点5出现了与-Ⅰ有隶属关系的水质。从原始数据也可以看出，监测点5的浊度平均值0.58NTU，接近标准规定的1NTU，余氯值也偏低，为0.38mg/L。监测点5的水质状况，在某些外界的因素干扰下，容易出现水质不合格的趋势。因而，应该加强对监测点5的实时数据监测与分析，并对该给水系统的投药量和投药策略进行调整，防止监测点5出现水质不合格的状况。

从上述实施例可以看出，基于本发明提出的水质评价方法，来快速评价给水管网系统不同水质监测点的水质状况，解决了给水管网水质实时预警的水质评价问题，可应用于我国的不同地区和城市的给水管网系统。

应当指出，对于工程管理和科研人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，可以做出若干改进或变形，这些改进或变形也应视为本发明的保护范围。

表3：2003年某日H市监测点水质日平均值

表4：2003年某日H市监测点水质原始数据标准化

表5：水质各评价指标的熵及熵权

表6：实例综合评价结果

Claims (5)

1.一种给水管网水质实时预警的水质评价方法，其特征是：该水质评价方法将给水管网水质按照《城市供水水质标准》(CJ/T206-2005)规定的界限进行水质分级；在分级的基础上，通过给水管网水质实时监测数据中的余氯和浊度两个指标，对给水管网水质进行系统评价，实现对给水管网水质控制和水污染预警；

具体步骤如下：

步骤1、给水管网水质分级，建立水质参数的模糊集合：

选取余氯和浊度作为评价因子，将水质级别定为5级，即-Ⅰ，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ；确定各指标属于各水质级别的隶属函数；

步骤2、确定水质参数的隶属度，得到评价矩阵：

首先，构造原始数据判断矩阵，如式(1)：

式中：X_m×n为m×n的原始数据判断矩阵；式中x_ij为第j个评价对象在第i个评价指标上的指标值；m为评价指标的数量；n为评价对象的数量；

其次，原始数据判断矩阵的标准化，如式(2)：

对式(1)的原始数据矩阵进行标准化，得到原始数据矩阵的标准化矩阵：

式中：R_m×n为m×n的原始数据判断矩阵的标准化矩阵；式中r_ij为第j个评价对象在第i个评价指标上的标准值；

对于收益性指标为越大越优，r_ij以式(3)进行计算：

$r_{ij}=\frac{x_{ij}-\underset{j}{min}\left(x_{ij}\right)}{\underset{j}{mix}\left(x_{ij}\right)-\underset{j}{min}\left(x_{ij}\right)},r_{ij}\∈(0,1)---\left(3\right)$

对于成本性指标为越小越优，r_ij以式(4)进行计算：

$r_{ij}=\frac{\underset{j}{\max }\left(x_{ij}\right)-x_{ij}}{\underset{j}{\max }\left(x_{ij}\right)-\underset{ij}{\min }\left(x_{ij}\right)},r_{ij}\∈(0,1)---\left(4\right)$

步骤3、计算评价指标的熵值：

第i个指标的熵值H_i采用式(5)进行计算：

$H_i=-\frac{1}{\ln n}\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{f}_{ij}{\mathrm{lnf}}_{ij}\right),H_i\≥0---\left(5\right)$

式中：H_i为第i个指标的熵值；f_ij为中间计算变量；f_ij的计算如式(6)：

$r_{ij}\≠0,f_{ij}=r_{ij}/\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{r}_{ij}---\left(6\right)$

r_ij＝0 f_ij＝0 令f_ijlnf_ij＝0

步骤4、计算评价指标的熵权值：

第i个指标的熵权值w_i采用式(7)进行计算：

$w_i=\frac{1-H_i}{m-\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{H}_i},0\≤w_i\≤1$ 且 $\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{w}_i=1---\left(7\right)$

式中：w_i为第i个指标的熵权值；

熵权值矩阵W_1×m如式(8)

W_1×m＝(w_i)_1×m  (8)

式中：W_1×m为熵权值矩阵；

步骤5、进行给水管网水质综合评价：

综合评价矩阵A_1×n的计算，采用式(9)

A_1×n＝W_1×m×R_m×n＝(a_1i)_1×n＝(Σw_i×r_ij)_1×n  (9)

式中：A_1×n为综合评价矩阵。

2.根据权利要求1所述的一种给水管网水质实时预警的水质评价方法，其特征是：所述选取余氯和浊度作为评价因子，或者根据不同给水管网的情况，选取不同的水质评价因子。

3.根据权利要求1所述的一种给水管网水质实时预警的水质评价方法，其特征是：所述水质级别定为5级，或者根据不同给水管网的情况，确定不同的水质级别数量和水质分级界限值。

4.根据权利要求1所述的一种给水管网水质实时预警的水质评价方法，其特征是：所述余氯的最高浓度限定为1.6mg/L，或者根据不同给水管网的情况，确定余氯最高浓度界限值。

5.根据权利要求1所述的一种给水管网水质实时预警的水质评价方法，其特征是：所述的水质监测数据是实时监测数据，或者是监测数据的小时平均值或日平均值。