CN108647873A - 一种水功能区水质水量评价决策方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水功能区水质水量评价决策方法及装置，通过构建方案评价指标体系，并给出指标计算方法；其次，根据多目标决策中线性加权法的思想，提出以各水功能区水质、水量指数与系统全局水质、水量指数为主要决策指标的多目标决策方法。从水功能区安全稳定性、水功能区水量有关的指标、供水可靠性、水质质量、水污染等方面综合分析水功能区运营效率评价及决策问题，考虑了电网的自身属性并建立了详细而完善的评价与决策指标体系与模型，很好地保障了水功能区取水的安全稳定性、供水可靠性、提高水质质量、防治水污染。
Description
技术领域
本公开属于水质监测领域，具体涉及一种水功能区水质水量评价决策方法及装置。
背景技术
水资源是国民经济的重要行业和关键领域，关系国计民生和能源安全。供水企业承担着为经济社会发展提供安全、经济、清洁、高效、可持续的水资源供应的重大职责，承担着重大的经济责任、政治责任和社会责任。衡量水功能区的供水质量不仅仅考虑水功能区的技术经济性，更要关注水功能区运营所承担的政治责任和社会责任，即水功能区运营肩负的保安全、保需求、提高供水质量和服务水平的供水任务。
目前对水功能区运营效率进行评价的主要依据是每个水功能区中与水量有关的指标，包括引水量、天然来水量、供水量至水厂、转供水量至下游等。然而根据水功能区的负荷特性及运行特点，仅用输水设备平均功率与经济功率的比值不能全面客观准确反映水功能区运营效率问题，应从水功能区安全稳定性、水功能区水量有关的指标、供水可靠性、水质质量、水污染、促进水功能区协调发展和服务经济社会发展等方面综合分析水功能区运营效率，对水功能区运营进行多层次性、长期性、全局性和整体性的全视角评价，建立能够全面反映水功能区运营效率的评价及决策指标体系，建立水功能区运营效率综合评价模型及决策模型，综合评价水功能区运营的经济效益和社会效益，构建各方认可的水功能区运营效率评价及决策理论体系，为水功能区的科学建设提供决策支持。
目前国内外对水功能区运营效率的评价多从经济性角度出发，采用非参数方法，评价结果受决策单元影响较大，无法得到评价的全排序且并未考虑水功能区自身的安全稳定属性；对水资源系统的决策依据主要来源于工程经验或水功能区安全稳定需求，较少考虑水资源系统与促进水功能区协调发展和服务经济社会发展的协调，决策模型以投资决策为主，其既定前提是水资源系统固定不变；尚未建立水功能区运营效率评价及决策的指标体系。
发明内容
本公开的目的是针对现有技术的不足，提供一种水功能区水质水量评价决策方法及装置，根据多目标决策中线性加权法的思想，提出以各水功能区水质、水量指数与系统全局水质、水量指数为主要决策指标的多目标决策方法。对水功能区运营进行多层次性、长期性、全局性和整体性的全视角评价，建立能够全面反映水功能区运营效率的评价及决策指标体系，建立水功能区运营效率综合评价模型及决策模型，综合评价水功能区运营的经济效益和社会效益，构建各方认可的水功能区运营效率评价及决策理论体系，为水功能区的科学建设提供决策支持。
为了实现上述目的，本公开提出一种水功能区水质水量评价决策方法，具体包括以下步骤：
步骤1，获取水功能区中的溶解氧、COD、磷、氮、高锰酸盐指数、硝酸盐氮6项水质指标；
步骤2，根据物理性质的不同将上述水质指标分为正向型和负向型两种类型；
步骤3，按照正向型和负向型分别将水体功能区各时段水质指标的浓度值进行标准化映射转化成无量纲的相对浓度值；
步骤4，以相对浓度值的最大值构建单因子污染指数评价指标；
步骤5，选取水功能区中与水量有关的水量指标；
步骤6，以线性加权和法计算水质指标、水量指标得到水功能区水质、水量指数与系统全局水质、水量指数。
进一步地，在步骤2中，所述正向型指标为数值越大水质越好；所述负向型指标为数值越小水质越好。
在单因子指数评价方法和综合污染指数法基础上，以《地表水环境质量标准》规定的水体功能区水质标准限值为基准将不同指标浓度值进行标准化映射，转化成无量纲的相对浓度值，消除不同水质指标之间的量级差异。根据性质不同将水质指标分为正向型和负向型两种类型。正向型指标的数值越大水质越好，如溶解氧；负向型指标的数值越小水质越好，大部分指标属于负向型指标，如总磷、总氮等。为了使各类指标标准化后的等级划分与相对浓度变化趋势基本一致，对两种类型的指标分别采用不同的映射函数的标准化映射的方法为：
正向型指标：
负向型指标：
其中，Cre为标准化映射后的相对浓度值；C为水质指标实际浓度值；Cf为功能区要求的水质浓度标准限值；Cs为正向型指标的饱和浓度值。
进一步地，在步骤4中，所述构建方法为：通过公式构建，其中，k为水功能区编号k＝1,2，…，n；j为水质指标序号，j＝1,2，…，J；t为时段序号t＝1,2，…，T；为第k个水功能区第项水质指标在第时段的相对浓度；SFPIk,t为第个k水功能区在第时段的单因子污染指数，SFPIk,t为无量纲量。
进一步地，在步骤5中，所述水功能区中与水量有关的指标包括：引水量、天然来水量、供水量至水厂、转供水量至下游。
原始状态下各类指标的量级和变化趋势上存在极大差异图而进行标准化映射后各类指标的相对浓度值变化趋势基本保持一致如图，并且所有指标的变化曲线都通过相同的功能区临界点数值为，通过该临界值可以直观判断水质是否达到功能区水质要求。
各个水功能区的蓄水量随着时间动态变化，不同调度方案主要体现为蓄水状态及水量变化过程的区别。在水量的交换过程中伴随着水体中物质的迁移，因此不同的调度方案呈现不同的水质变化特征；另外，作为水质变化过程综合评价指标，水量指标应该与水质指标对应相同的对象主体和水功能区中的水体。
进一步地，在步骤6中，所述计算方法为：
构建线性加权和评价函数：通过公式
计算水质指标、水量指标的非劣解得到水功能区水质、水量指数与系统全局水质、水量指数，其中，x为各项输入的指标，minU(x)为线性加权和评价函数求得的最小值，fj(x)为多目标函数的第j个分量，wj为权系数wj≥0(j＝1,2,…,P)，x∈X，X为凸集，fj(x)为X上的凸函数，即多目标函数的第j个分量。
进一步地，以各个水功能区在每个时段的蓄水量、单因子污染指数为基本指标，与各水功能区水质、水量指数与系统全局水质、水量指数得到双层综合评价体系。
本公开还提供了一种水功能区水质水量评价决策装置，所述装置包括：
获取单元，用于获取水功能区中的溶解氧、COD、磷、氮、高锰酸盐指数、硝酸盐氮6项水质指标；
划分单元，用于根据物理性质的不同将上述水质指标分为正向型和负向型两种类型；
标准化映射单元，用于按照正向型和负向型分别将水体功能区各时段水质指标的浓度值进行标准化映射转化成无量纲的相对浓度值；
评价指标构建单元，用于以相对浓度值的最大值构建单因子污染指数评价指标；
水量指标选取单元，用于选取水功能区中与水量有关的水量指标；
线性加权和法计算单元，用于以线性加权和法计算水质指标、水量指标得到水功能区水质、水量指数与系统全局水质、水量指数。
本公开的有益效果为：本公开从水功能区安全稳定性、水功能区水量有关的指标、供水可靠性、水质质量、水污染等方面综合分析水功能区运营效率评价及决策问题，考虑了电网的自身属性并建立了详细而完善的评价与决策指标体系与模型，很好地保障了水功能区取水的安全稳定性、供水可靠性、提高水质质量、防治水污染。
附图说明
通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本公开的上述以及其他特征将更加明显，本公开附图中相同的参考标号表示相同或相似的元素，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，在附图中：
图1所示为本公开的一种水功能区水质水量评价决策方法的流程图；
图2所示为本公开的一种水功能区水质水量评价决策装置图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本公开的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本公开的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。附图中各处使用的相同的附图标记指示相同或相似的部分。
如图1所示为根据本公开的一种水功能区水质水量评价决策方法的流程图，下面结合图1来阐述根据本公开的实施方式的水功能区水质水量评价决策方法。
本公开提出一种水功能区水质水量评价决策方法，具体包括以下步骤：
步骤1，获取水功能区中的溶解氧、COD、磷、氮、高锰酸盐指数、硝酸盐氮6项水质指标；
步骤2，根据物理性质的不同将上述水质指标分为正向型和负向型两种类型；
步骤3，按照正向型和负向型分别将水体功能区各时段水质指标的浓度值进行标准化映射转化成无量纲的相对浓度值；
步骤4，以相对浓度值的最大值构建单因子污染指数评价指标；
步骤5，选取水功能区中与水量有关的水量指标；
步骤6，以线性加权和法计算水质指标、水量指标得到水功能区水质、水量指数与系统全局水质、水量指数。
进一步地，在步骤2中，所述正向型指标为数值越大水质越好；所述负向型指标为数值越小水质越好。
在单因子指数评价方法和综合污染指数法基础上，以《地表水环境质量标准》规定的水体功能区水质标准限值为基准将不同指标浓度值进行标准化映射，转化成无量纲的相对浓度值，消除不同水质指标之间的量级差异。根据性质不同将水质指标分为正向型和负向型两种类型。正向型指标的数值越大水质越好，如溶解氧；负向型指标的数值越小水质越好，大部分指标属于负向型指标，如总磷、总氮等。为了使各类指标标准化后的等级划分与相对浓度变化趋势基本一致，对两种类型的指标分别采用不同的映射函数的标准化映射的方法为：
正向型指标：
负向型指标：
其中，Cre为标准化映射后的相对浓度值；C为水质指标实际浓度值；Cf为功能区要求的水质浓度标准限值；Cs为正向型指标的饱和浓度值。
进一步地，在步骤4中，所述构建方法为：通过公式构建，其中，k为水功能区编号k＝1,2，…，n；j为水质指标序号，j＝1,2，…，J；t为时段序号t＝1,2，…，T；为第k个水功能区第项水质指标在第时段的相对浓度；SFPIk,t为第个k水功能区在第时段的单因子污染指数，SFPIk,t为无量纲量。
进一步地，在步骤5中，所述水功能区中与水量有关的指标包括：引水量、天然来水量、供水量至水厂、转供水量至下游。
原始状态下各类指标的量级和变化趋势上存在极大差异图而进行标准化映射后各类指标的相对浓度值变化趋势基本保持一致如图，并且所有指标的变化曲线都通过相同的功能区临界点数值为，通过该临界值可以直观判断水质是否达到功能区水质要求。
各个水功能区的蓄水量随着时间动态变化，不同调度方案主要体现为蓄水状态及水量变化过程的区别。在水量的交换过程中伴随着水体中物质的迁移，因此不同的调度方案呈现不同的水质变化特征；另外，作为水质变化过程综合评价指标，水量指标应该与水质指标对应相同的对象主体和水功能区中的水体。
进一步地，在步骤6中，所述计算方法为：
构建线性加权和评价函数：通过公式
计算水质指标、水量指标的非劣解得到水功能区水质、水量指数与系统全局水质、水量指数，其中，x为各项输入的指标，minU(x)为线性加权和评价函数求得的最小值，fj(x)为多目标函数的第j个分量，wj为权系数wj≥0(j＝1,2,…,P)，x∈X，X为凸集，fj(x)为X上的凸函数，即多目标函数的第j个分量。
进一步地，以各个水功能区在每个时段的蓄水量、单因子污染指数为基本指标，与各水功能区水质、水量指数与系统全局水质、水量指数得到双层综合评价体系。
本公开还提供了一种水功能区水质水量评价决策装置，如图2所示，所述装置包括：
获取单元，用于获取水功能区中的溶解氧、COD、磷、氮、高锰酸盐指数、硝酸盐氮6项水质指标；
划分单元，用于根据物理性质的不同将上述水质指标分为正向型和负向型两种类型；
标准化映射单元，用于按照正向型和负向型分别将水体功能区各时段水质指标的浓度值进行标准化映射转化成无量纲的相对浓度值；
评价指标构建单元，用于以相对浓度值的最大值构建单因子污染指数评价指标；
水量指标选取单元，用于选取水功能区中与水量有关的水量指标；
线性加权和法计算单元，用于以线性加权和法计算水质指标、水量指标得到水功能区水质、水量指数与系统全局水质、水量指数。
尽管本公开的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本公开的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本公开进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本公开的非实质性改动仍可代表本公开的等效改动。
Claims (8)
1.一种水功能区水质水量评价决策方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1，获取水功能区中的溶解氧、COD、磷、氮、高锰酸盐指数、硝酸盐氮6项水质指标；
步骤2，根据物理性质的不同将上述水质指标分为正向型和负向型两种类型；
步骤3，按照正向型和负向型分别将水体功能区各时段水质指标的浓度值进行标准化映射转化成无量纲的相对浓度值；
步骤4，以相对浓度值的最大值构建单因子污染指数评价指标；
步骤5，选取水功能区中与水量有关的水量指标；
步骤6，以线性加权和法计算水质指标、水量指标得到水功能区水质、水量指数与系统全局水质、水量指数。
2.根据权利要求1所述的一种水功能区水质水量评价决策方法，其特征在于，在步骤2中，所述正向型指标为数值越大水质越好；所述负向型指标为数值越小水质越好。
3.根据权利要求1所述的一种水功能区水质水量评价决策方法，其特征在于，在步骤3中，所述标准化映射的方法为：
正向型指标：
负向型指标：
其中，Cre为标准化映射后的相对浓度值；C为水质指标实际浓度值；Cf为功能区要求的水质浓度标准限值；Cs为正向型指标的饱和浓度值。
4.根据权利要求1所述的一种水功能区水质水量评价决策方法，其特征在于，在步骤4中，所述构建方法为：通过公式构建，其中，k为水功能区编号k＝1,2，…，n；j为水质指标序号，j＝1,2，…，J；t为时段序号t＝1,2，…，T；为第k个水功能区第项水质指标在第时段的相对浓度；SFPIk,t为第个k水功能区在第时段的单因子污染指数，SFPIk,t为无量纲量。
5.根据权利要求1所述的一种水功能区水质水量评价决策方法，其特征在于，在步骤5中，所述水功能区中与水量有关的指标包括：引水量、天然来水量、供水量至水厂、转供水量至下游。
6.根据权利要求1所述的一种水功能区水质水量评价决策方法，其特征在于，在步骤6中，所述计算方法为：
构建线性加权和评价函数：通过公式
计算水质指标、水量指标的非劣解得到水功能区水质、水量指数与系统全局水质、水量指数，其中，x为各项输入的指标，minU(x)为线性加权和评价函数求得的最小值，fj(x)为多目标函数的第j个分量，wj为权系数wj≥0(j＝1,2,…,P)，x∈X，X为凸集，fj(x)为X上的凸函数，即多目标函数的第j个分量。
7.根据权利要求1所述的一种水功能区水质水量评价决策方法，其特征在于，以各个水功能区在每个时段的蓄水量、单因子污染指数为基本指标，与各水功能区水质、水量指数与系统全局水质、水量指数得到双层综合评价体系。
8.一种水功能区水质水量评价决策装置，其特征在于，所述装置包括：
获取单元，用于获取水功能区中的溶解氧、COD、磷、氮、高锰酸盐指数、硝酸盐氮6项水质指标；
划分单元，用于根据物理性质的不同将上述水质指标分为正向型和负向型两种类型；
标准化映射单元，用于按照正向型和负向型分别将水体功能区各时段水质指标的浓度值进行标准化映射转化成无量纲的相对浓度值；
评价指标构建单元，用于以相对浓度值的最大值构建单因子污染指数评价指标；
水量指标选取单元，用于选取水功能区中与水量有关的水量指标；
线性加权和法计算单元，用于以线性加权和法计算水质指标、水量指标得到水功能区水质、水量指数与系统全局水质、水量指数。
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