CN112903945A - 一种基于常规水质参数的城市黑臭水体识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于常规水质参数的城市黑臭水体识别方法，包括以下步骤：获取水体的常规水质检测参数；对水体的常规水质检测参数的浓度进行标准化计算，得到标准化水质检测参数；根据标准化水质检测参数，获取对应水质检测时段的水体黑臭等级；建立因子分析模型，所述因子分析模型包含致黑公共因子和致臭公共因子；通过致黑公共因子和致臭公共因子建立水体识别决策树模型，进而通过水体识别决策树模型判定水体黑臭情况，得到识别结果；本发明充分利用现有地表水水质监测体系，在不增加成本的前提下，实现黑臭水体判别，且具有较高的可行性和经济性，能大范围推广应用。

Description

一种基于常规水质参数的城市黑臭水体识别方法

技术领域

本发明涉及水环境监测的研究领域，特别涉及一种基于常规水质参数的城市黑臭水体识别方法。

背景技术

据住建部发布的《城市黑臭水体整治工作指南》，黑臭水体的主观判别标准较为直观，即“呈现令人不悦的颜色和(或)散发令人不适气味”。但客观判别所需的透明度、溶解氧、氧化还原电位、氨氮4个水质参数中，氧化还原电位未出现在《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中，不属于常规水质监测内容。在现行的黑臭水体排查中，需额外投入成本开展特定水质参数检测，无法充分利用各地、市水文部门已建成运行的常规水质检测系统。

将主观判别标准对应到水体的理化特性时，致黑的原因包括：①以固态形式存在的不溶性物质或吸附于悬浮颗粒上的污染物质，②有色且溶于水的腐殖质类有机化合物；致臭的原因有：①有机物厌氧分解产生易挥发的刺激性气体，②有机污染严重的厌氧状态水体中，放线菌和藻类的分解产生醇类异臭物质。而常规的地表水监测项目中均能在一定程度上反映出致黑或致臭的可能性，例如，透明度、溶解氧、氨氮、总磷、化学需氧量等。

可以看出，在不额外增加水质检测参数的情况下，通过现有地表水水质监测体系各项指标，存在识别城市黑臭水体的可能。但在《城市黑臭水体整治工作指南》为基础性指导文件的情况下，开展黑臭水体排查仍需额外投入检测成本。因此，需要一种依靠常规地表水质参数识别黑臭水体的技术方法。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于常规水质参数识别城市黑臭水体的方法，相较于将多变量重新组合为新变量的主成分分析，因子分析的思路是对原始变量(即常规水质检测项目)进行分解、归纳，形成可解释的、具有物理含义的新变量，更适用于研究黑臭水体这种主观特征明显的水体现象。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于常规水质参数的城市黑臭水体识别方法，包括以下步骤：

获取水体的常规水质检测参数；

对水体的常规水质检测参数的浓度进行标准化计算，得到标准化水质检测参数；

根据标准化水质检测参数，获取对应水质检测时段的水体黑臭等级；

建立因子分析模型，所述因子分析模型包含致黑公共因子和致臭公共因子；

通过致黑公共因子和致臭公共因子建立水体识别决策树模型，进而通过水体识别决策树模型判定水体黑臭情况，得到识别结果。

进一步地，所述获取水体的常规水质检测参数，具体为：获取水体的透明度(m)、溶解氧(mg/L)、氨氮(mg/L)、总磷(mg/L)、化学需氧量(mg/L)的浓度。

进一步地，所述对水体的常规水质检测参数的浓度进行标准化计算，具体如下：构建标准化计算公式：

其中，x为原水质参数浓度值；为标准化计算后水质参数特征值；x_ΙΙΙ为地表水环境质量标准(GB3838-2002)所述的ΙΙΙ类水标准限值，x_V为地表水环境质量标准(GB3838-2002)所述的V类水标准限值；

标准化计算后，若x′大于1，则表示该水质参数优于ΙΙΙ类水标准；若x′位于0和1之间，则表示该水质参数对应地表水环境质量标准(GB3838-2002)所述的ΙV类水标准；若x′小于0，则表示该水质参数对应劣于V类水。

进一步地，所述ΙΙΙ类水标准限值具体为：溶解氧(mg/L)为5，氨氮(mg/L)为1，总磷(mg/L)为0.2，化学需氧量(mg/L)为20；所述V类水标准限值具体为：溶解氧(mg/L)为2，氨氮(mg/L)为2，总磷(mg/L)为0.4，化学需氧量(mg/L)为40。

进一步地，所述根据标准化水质检测参数，获取对应水质检测时段的水体黑臭等级，具体为：根据城市黑臭水体整治工作指南的主、客观标准判别水体黑臭等级。

进一步地，所述建立因子分析模型，具体为：

将常规水质检测参数分解成两部分，一部分是致黑公共因子和致臭公共因子的线性组合，另一部分是该常规水质检测参数所独有的特殊因子；则因子分析模型为：

x＝μ+Λf+e

其中，x为d×m的矩阵；表示该常规水质检测参数的观测变量；d为观测样本的个数，m为该常规水质检测参数的观测指标；μ为常向量，d×1表示相应常规水质检测参数的均值；f为1×m的矢量，表示观测变量的公共因子；Λ为d×m的矩阵，称为因子载荷矩阵，反映公共因子对变量的重要程度；e为d×1的矢量，称为特殊因子矢量。

进一步地，所述致臭公共因子包括氨氮、总磷、化学需氧量；所述致黑公共因子包括透明度。

进一步地，所述通过致黑公共因子和致臭公共因子建立水体识别决策树模型，具体为：

以非黑臭、轻度黑臭、重度黑臭为最终的属性输出，构建致黑公共因子、致臭公共因子为判定条件的决策树模型。

进一步地，所述判定条件具体如下：

致黑公共因子取-0.738时，进行第一级划分；

致黑公共因子<-0.738时，以致臭公共因子取1.84进行第二级划分；当致臭公共因子<1.84时，归为轻度黑臭；致臭公共因子≥1.84时，归为重度黑臭；

致黑公共因子≥-0.738时，以致臭公共因子取0.549进行第二级划分；当致臭公共因子<0.549时，归为非黑臭水体；

致黑公共因子≥-0.738且致臭公共因子≥0.549时，以致臭公共因子取2.414进行第三级划分；当致臭公共因子<2.414时，归为轻度黑臭；致臭公共因子≥2.414时，归为重度黑臭。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明以《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》所列的常规水质检测参数为输入数据，在不增加水质参数检测种类的基础上，结合《城市黑臭水体整治工作指南》所述的黑臭水体评价标准，构建了包含致黑、致臭两个公共因子的因子分析模型，并根据简易的决策树模型，完成黑臭水体判别。本发明可充分利用现有地表水水质监测体系，在不增加成本的前提下，实现黑臭水体判别，且具有较高的可行性和经济性，能大范围推广应用。

附图说明

图1是本发明所述一种基于常规水质参数的城市黑臭水体识别方法的流程图；

图2是本发明所述实施例中判别规则流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

一种基于常规水质参数的城市黑臭水体识别方法，如图1所示，包括以下步骤：

获取水体的常规水质检测参数；

对水体的常规水质检测参数的浓度进行标准化计算，得到标准化水质检测参数；

根据标准化水质检测参数，获取对应水质检测时段的水体黑臭等级；

建立因子分析模型，所述因子分析模型包含致黑公共因子和致臭公共因子；

通过致黑公共因子和致臭公共因子建立水体识别决策树模型，进而通过水体识别决策树模型判定水体黑臭情况，得到识别结果。

具体如下：

步骤1：根据“广州环保地理信息系统”网站，获取广州53条河涌的透明度(m)、溶解氧(mg/L)、氨氮(mg/L)、总磷(mg/L)、化学需氧量(mg/L)共5种水质参数数据。

步骤2：因各项水质参数的计量单位和有效范围不统一，需进行标准化处理。同时，为使标准化后的数值具有明显的水质等级特征，构建的标准化计算公式为：

其中，x为原水质参数浓度值；为标准化计算后水质参数特征值；x_ΙΙΙ为ΙΙΙ类水标准限值，x_V为V类水标准限值，即x_ΙΙΙ和x_V分别为《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅲ类水和Ⅴ类水的标准限值，具体取值见表1。标准化后，x′大于1，表示该水质参数优于Ⅲ类水标准；x′位于0和1之间，表示该水质参数对应Ⅳ类、Ⅴ类水；x′为负值，表示该水质参数对应劣Ⅴ类水。此外，由于透明度在上述水质标准中无相应的标准限值，这里以米(m)为单位，取相应数值参与后续计算，如表1所示。

表1式1所述x_ΙΙΙ、x_V取值

步骤3：对应步骤1水质检测数据时段，根据《城市黑臭水体整治工作指南》的主、客观标准判别水体黑臭等级；其中，主观判别标准依据黑臭水体定义“呈现令人不悦的颜色和(或)散发令人不适气味”进行判断；客观标准根据透明度、溶解氧(DO)、氧化还原电位(ORP)和氨氮(NH₃-N)四项指标检测值进行判断。黑臭水体污染程度分级标准如表2所示。

表2《城市黑臭水体整治工作指南》所述黑臭水体污染程度分级标准

特征指标(单位)	轻度黑臭	重度黑臭
			透明度(cm)	25～10*	<10*
溶解氧(mg/L)	0.2～2.0	<0.2
			氧化还原电位(mV)	-200～50	<-200
氨氮(mg/L)	8.0～15	>15

注：*水深不足25cm时，该指标按水深的40％取值。

步骤4：建立包含致黑和致臭两个公共因子的因子分析模型。具体实现包括以下子步骤：

4.1因子分析模型构建

将步骤1所列的水质参数分解成两部分，一部分是致黑和致臭这两个公共因子的线性组合，另一部分是该水质参数所独有的特殊因子。因子分析矩阵模型为：

x＝μ+Λf+e

其中，x为d×m的矩阵；表示该常规水质检测参数的观测变量(即这里的水质参数)；d为观测样本的个数，m为该常规水质检测参数的观测指标(即这里的水质参数)；μ为常向量，d×1表示相应常规水质检测参数的均值；f为1×m的矢量，表示观测变量的公共因子；Λ为d×m的矩阵，称为因子载荷矩阵，反映公共因子对变量的重要程度；e为d×1的矢量，称为特殊因子矢量。

4.2公共因子分析

子步骤4.1获取的因子载荷矩阵如表3所示。其中，氨氮、总磷、化学需氧量在第1个公共因子的载荷较大，由于这些水质参数均可在一定程度上反映水体有机物含量，可解释为致臭公共因子；透明度在第2个公共因子的载荷较大，可解释为致黑公共因子。两个因子对原始数据总方差的累积贡献率为72.32％。

表3因子分析返回参数

步骤5：通过得到的公共因子，建立决策树模型，判定水体黑臭情况。具体实现包括以下子步骤：

5.1决策树模型构建

以非黑臭、轻度黑臭、重度黑臭为最终的属性输出，构建致黑公共因子、致臭公共因子为判定条件的决策树模型。得到的判别规则如图2所示。

⑵致黑公共因子(BF)取-0.738时，进行第一级划分。

⑵BF<-0.738时，以致臭公共因子(OF)取1.84进行第二级划分。当OF<1.84时，归为轻度黑臭；OF≥1.84时，归为重度黑臭。

⑶BF≥-0.738时，以致臭公共因子(OF)取0.549进行第二级划分。当OF<0.549时，归为非黑臭水体。

⑷BF≥-0.738且OF≥0.549时，以致臭公共因子(OF)取2.414进行第三级划分。当OF<2.414时，归为轻度黑臭；OF≥2.414时，归为重度黑臭。

5.2精度评价

本方法识别的非黑臭水体中，有86％的可能确为非黑臭水体，14％误判为非黑臭水体；轻度黑臭水体中，87％的可能确为轻度黑臭水体，7％误判为非黑臭水体，6％误判为重度黑臭；重度黑臭水体中，90％的可能确为重度黑臭，10％误判为轻度黑臭，具体如表4所示。

表4依据致臭因子/致黑因子判断黑臭的混淆矩阵

本发明综合了《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》和《城市黑臭水体整治工作指南》两套水环境评价标准，充分利用现有地表水水质监测体系，在不增加成本的前提下，实现黑臭水体判别，且具有较高的可行性和经济性，能大范围推广应用。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于常规水质参数的城市黑臭水体识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取水体的常规水质检测参数；

对水体的常规水质检测参数的浓度进行标准化计算，得到标准化水质检测参数；

根据标准化水质检测参数，获取对应水质检测时段的水体黑臭等级；

建立因子分析模型，所述因子分析模型包含致黑公共因子和致臭公共因子；

通过致黑公共因子和致臭公共因子建立水体识别决策树模型，进而通过水体识别决策树模型判定水体黑臭情况，得到识别结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于常规水质参数的城市黑臭水体识别方法，其特征在于，所述获取水体的常规水质检测参数，具体为：获取水体的透明度、溶解氧、氨氮、总磷、化学需氧量的浓度，透明度计算单位为m，溶解氧计算单位为mg/L，氨氮计算单位为mg/L，总磷计算单位为mg/L，化学需氧量计算单位为mg/L。

3.根据权利要求1所述的一种基于常规水质参数的城市黑臭水体识别方法，其特征在于，所述对水体的常规水质检测参数的浓度进行标准化计算，具体如下：构建标准化计算公式：

其中，x为原水质参数浓度值；为标准化计算后水质参数特征值；x_ΙΙΙ为地表水环境质量标准所述的ΙΙΙ类水标准限值，x_V为地表水环境质量标准所述的V类水标准限值；

标准化计算后，若x′大于1，则表示该水质参数优于ΙΙΙ类水标准；若x′位于0和1之间，则表示该水质参数对应地表水环境质量标准所述的ΙV类水标准；若x′小于0，则表示该水质参数对应劣于V类水。

4.根据权利要求3所述的一种基于常规水质参数的城市黑臭水体识别方法，其特征在于，所述ΙΙΙ类水标准限值具体为：溶解氧为5mg/L，氨氮为1mg/L，总磷为0.2mg/L，化学需氧量为20mg/L；所述V类水标准限值具体为：溶解氧为2mg/L，氨氮为2mg/L，总磷为0.4mg/L，化学需氧量为40mg/L。

5.根据权利要求1所述的一种基于常规水质参数的城市黑臭水体识别方法，其特征在于，所述根据标准化水质检测参数，获取对应水质检测时段的水体黑臭等级，具体为：根据城市黑臭水体整治工作指南的主、客观标准判别水体黑臭等级。

6.根据权利要求2所述的一种基于常规水质参数的城市黑臭水体识别方法，其特征在于，所述建立因子分析模型，具体为：

将常规水质检测参数分解成两部分，一部分是致黑公共因子和致臭公共因子的线性组合，另一部分是该常规水质检测参数所独有的特殊因子；则因子分析模型为：

x＝μ+Λf+e

其中，x为d×m的矩阵；表示该常规水质检测参数的观测变量；d为观测样本的个数，m为该常规水质检测参数的观测指标；μ为常向量，d×1表示相应常规水质检测参数的均值；f为1×m的矢量，表示观测变量的公共因子；Λ为d×m的矩阵，称为因子载荷矩阵，反映公共因子对变量的重要程度；e为d×1的矢量，称为特殊因子矢量。

7.根据权利要求6所述的一种基于常规水质参数的城市黑臭水体识别方法，其特征在于，所述致臭公共因子包括氨氮、总磷、化学需氧量；所述致黑公共因子包括透明度。

8.根据权利要求1所述的一种基于常规水质参数的城市黑臭水体识别方法，其特征在于，所述通过致黑公共因子和致臭公共因子建立水体识别决策树模型，具体为：

以非黑臭、轻度黑臭、重度黑臭为最终的属性输出，构建致黑公共因子、致臭公共因子为判定条件的决策树模型。

9.根据权利要求8所述的一种基于常规水质参数的城市黑臭水体识别方法，其特征在于，所述判定条件具体如下：

致黑公共因子取-0.738时，进行第一级划分；

致黑公共因子<-0.738时，以致臭公共因子取1.84进行第二级划分；当致臭公共因子<1.84时，归为轻度黑臭；致臭公共因子≥1.84时，归为重度黑臭；

致黑公共因子≥-0.738时，以致臭公共因子取0.549进行第二级划分；当致臭公共因子<0.549时，归为非黑臭水体；

致黑公共因子≥-0.738且致臭公共因子≥0.549时，以致臭公共因子取2.414进行第三级划分；当致臭公共因子<2.414时，归为轻度黑臭；致臭公共因子≥2.414时，归为重度黑臭。

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