CN114354705B

CN114354705B - 一种基于多参数相对权重的地表水质综合评价方法

Info

Publication number: CN114354705B
Application number: CN202210020062.3A
Authority: CN
Inventors: 孟子豪; 李学梅; 陈康; 吴兴兵; 朱永久; 杨德国
Original assignee: Yangtze River Fisheries Research Institute CAFS
Current assignee: Yangtze River Fisheries Research Institute CAFS
Priority date: 2022-01-10
Filing date: 2022-01-10
Publication date: 2023-05-05
Anticipated expiration: 2042-01-10
Also published as: CN114354705A

Abstract

本发明公开了一种基于多参数相对权重的地表水质综合评价方法，包括：设置取样点采集水样，获取水样的水质参数；获取水质参数的相对权重，基于相对权重获得水质参数的相对综合水质指数；基于相对综合水质指数，综合评价地表水的环境质量状况。本发明的评价方法在获取相对综合水质指数时进行单个水质参数的相对权重计算，避免了因单个指标的贡献率不同而导致评价结果与实际情况偏离的情况出现，使评价结果更加客观、真实。

Description

一种基于多参数相对权重的地表水质综合评价方法

技术领域

本发明属于环境科学领域，特别是涉及一种基于多参数相对权重的地表水质综合评价方法。

背景技术

经济快速发展带来巨大的社会效益的同时，也带来了严重的环境污染和生态破坏，直接影响了人类的生存和发展，但也促进了环境科学的发展，水环境质量评价作为环境学科的一个重要分支，其发展也受到重视。水质综合评价就是根据各水质指标值,对水体的水质等级进行综合评判,为水体的科学管理和污染防治提供决策依据。水质的好坏关系到人民的健康安全，关系到国民的生活品质。自20世纪60年代Jacobs和Horton等人提出水体质量评价的水质指数概念和公式以来，国内外学者先后提出了单因子污染指数法、综合指数法、模糊数学法、数理统计法、物元分析法等。但目前的评价方法中，一般只是依靠主观来定性选择某些水质指标，至今仍缺乏统一的、公认的评价模式。而权重系数的确定是水环境质量综合评价的核心问题，主观赋权法是一种定性分析方法,优点是体现研究者的经验判断，权重的确定一般符合现实，缺点仅仅是主观上的判断,没有考虑评价指标间的内在联系，客观赋权法是与主观赋权法相对而言,常用的方法主要有主成分分析法、因子分析法、熵值法、变异系数法等，这些方法客观性较强,但研究较晚，计算方法也比较繁琐，因此亟需建立一种综合水质评价方法，将多个指标综合在一起，并充分考虑到单个指标的相对权重，从而得到一个整体的评价。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了如下方案：一种基于多参数相对权重的地表水质综合评价方法，包括：

设置取样点采集水样，获取所述水样的水质参数；

获取所述水质参数的相对权重，基于所述相对权重获得所述水质参数的相对综合水质指数；

基于所述相对综合水质指数，综合评价地表水的环境质量状况。

优选地，所述水样的水质参数至少包括pH、溶解氧、总氮、总磷、氨氮、化学需氧量、氟化物。

优选地，获取所述水质参数的相对权重，通过测定单个水质参数的水质指数，将所述水质参数进行分组；分别计算每组水质参数的临时权重；基于所述临时权重获得所述水质参数的相对权重。

优选地，所述单个水质参数为同一水体、同一采样周期、同一采样点的不同水质参数。

优选地，所述水质指数通过水质参数的实测值和标限值获得。

优选地，将所述水质参数进行分组后获得L组、H组、S组；

所述L组包括总氮、总磷、氨氮、化学需氧量、氟化物；

所述H组包括溶解氧；所述S组包括pH。

优选地，测定所述水质参数的水质指数包括，溶解氧采用玻璃电极法测定；pH采用电化学探头法测定；总氮采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法测定；总磷采用钼酸铵分光光度法测定；氨氮采用水杨酸分光光度法测定；化学需氧量采用重铬酸盐法测定；氟化物采用离子色谱法测定。

优选地，获得所述水质参数的相对综合水质指数通过计算获得所述水质参数的综合水质指数；基于所述综合水质指数获得所述水质参数的相对综合水质指数。

优选地，基于所述相对综合水质指数，综合评价地表水的环境质量状况包括，基于地表水环境评价标准和相对水质指数的集合阈值制定水质等级评定表，基于所述水质等级评定表对地表水的环境质量状况进行评价。

本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的一种基于多参数相对权重的地表水质综合评价方法，通过获取各水质参数的相对权重和相对综合水质指数，参照相对水质指数的集合阈值和等级评定表，综合评价地表水环境质量状况，相比其他评价方法，本发明在获取相对综合水质指数时进行单个水质参数的相对权重计算，避免了因单个指标的贡献率不同而导致评价结果与实际情况偏离的情况出现，使评价结果更加客观、真实。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

图1为本发明实施例的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供了一种基于多参数相对权重的地表水质综合评价方法,包括：

设置取样点采集水样，获取水样的水质参数；

获取水质参数的相对权重，基于相对权重获得水质参数的相对综合水质指数；

基于相对综合水质指数，综合评价地表水的环境质量状况。

水样的水质参数至少包括pH、溶解氧、总氮、总磷、氨氮、化学需氧量、氟化物。

获取水质参数的相对权重，通过测定单个水质参数的水质指数，将水质参数进行分组；分别计算每组水质参数的临时权重；基于临时权重获得水质参数的相对权重。

单个水质参数为同一水体、同一采样周期、同一采样点的不同水质参数。

水质指数通过水质参数的实测值和标限值获得。

将水质参数进行分组后获得L组、H组、S组；

L组包括总氮、总磷、氨氮、化学需氧量、氟化物；

H组包括溶解氧；S组包括pH。

测定水质参数的水质指数包括，溶解氧采用玻璃电极法测定；pH采用电化学探头法测定；总氮采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法测定；总磷采用钼酸铵分光光度法测定；氨氮采用水杨酸分光光度法测定；化学需氧量采用重铬酸盐法测定；氟化物采用离子色谱法测定。

获得水质参数的相对综合水质指数通过计算获得水质参数的综合水质指数；基于综合水质指数获得水质参数的相对综合水质指数。

基于相对综合水质指数，综合评价地表水的环境质量状况包括，基于地表水环境评价标准和相对水质指数的集合阈值制定水质等级评定表，基于水质等级评定表对地表水的环境质量状况进行评价。

实施例一

进一步地，本发明提供的基于多参数相对权重的地表水质综合评价方法,包括样点布设、样品采集、水质指标的测定、水质指数和权重的计算、相对综合水质指数、相对水质指数集合阈值及等级评定表的制定。具体包括以下步骤：

步骤1，样点布设：在河流、湖泊、水库等地表水体取水样，取样点设置应充分考虑水体的面积、地形、水文、补给水、排污设施的位置与规模以及污染物在水体中的循环、迁移转化等条件，尽可能反映水体的客观、真实状况。

步骤2，水样采集：采样容器的材质应尽可能不与水发生作用，采集水样要考虑水体的分层现象，因光合作用、悬浮物的沉降作用和沉积物中物质的溶解都可能会导致水质沿水深方向的不均匀性，采集的水样带回实验室用于水质参数的测定。

步骤3，水质参数的测定：pH和溶解氧(DO)采用YSI多参数水质监测仪现场测定，总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH₄ ⁺-N)、化学需氧量(COD_Cr)和氟化物(F^-)在实验室测定。

步骤4，单个水质参数的水质指数(q_i)的计算：考虑到某一特定时间对应某一监测点的单个参数的水质指数，将水质参数分为L组(TN、TP、NH₄ ⁺-N、COD_Cr和F^-)，H组(DO)和S组(pH),计算公式分别如下：

1)L组：

式中C_i为水质参数TN、TP、NH₄ ⁺-N、COD_Cr和F^-的实测值，C_i ^*为水质参数TN、TP、NH₄ ⁺-N、COD_Cr和F^-的标限值。

2)H组

式中C_DO为DO的实测值，C_DO ^*为溶解氧的标限值。

3)S组,pH∈[a,b]，根据pH的实测值(C_pH)大小，分别按照公式(3)、(4)、(5)进行计算：

当实测值(C_pH)低于标准的下限值时即C_pH≤a，

当实测值(C_pH)高于标准的下限值且低于标准的上限值时即a<C_pH<b

当实测值(C_pH)高于标准的上限值时即C_pH≥b

步骤5，单个水质参数临时权重(W'_i)和相对权重(W_i)的计算，分别计算L组(TN、TP、NH₄ ⁺-N、COD_Cr和F^-)，H组(DO)和S组(pH)各水质参数的临时权重(W'_i)，计算公式如下：

L组：

H组

S组

则n个水质参数的相对权重(W_i)的计算公式如下：

式中A₁、A₂分别为水质类别，C_i ^*(A₁)、C_i ^*(A₂)为水质参数TN、TP、NH₄ ⁺-N、COD_Cr和F^-在A₁、A₂水质类别下的标限值，b₁、a₁和b₂、a₂分别为A₁、A₂水质类别下参数pH的标限值,W'_i(A₁)、W'_i(A₂)分别A₁、A₂水质类别下水质参数i的临时权重，n为水质参数的总数。

步骤6，综合水质指数(P_n)和相对综合水质指数(I)的计算：

则相对综合水质指数(I)的计算公式为：

步骤6中所述q_i的值可将n个水质参数分为3组分别进行计算即q_i＝1的参数有m₁个，q_i<1的参数有m₂个,q_i>1的参数有k个。当q_i＝1时，W_iq_i＝W_i；当q_i<1时，W_iq_i<W_i，W_i(1-q_i)>0；当q_i<1时，W_iq_i>W_i，W_i(q_i-1)>0，则参数的水质指数计算公式为：

步骤6中所述的n为不为0的整数，所述综合水质指数(P_n)是同一采样水体、同一采样周期的n个水质参数的相对权重(W_i)与水质指数(q_i)的乘机加和。所述的m₁和m₂之和为m，m₁、m₂和k之和为n，所述P_n＝P_m+P_k，P_m＝P_m1+P_m2。

步骤6中所述的综合水质指数(P_n)的计算公式为：

步骤7中所述的相对综合水质指数(I)的阈值的计算公式如下：

当所有水质参数均符合地表水环境质量标准时，T_k＝100为极大值；

当所有水质参数均不符合地表水环境质量标准时，T_k＝0为极小值；

当min(k)＝1时，T_k＝100×(1-1/n)＝100(n-1)/n为最大值；

平均阈值为极大值和最大值的一半即，

T_k＝[100+100(n-1)/n]/2＝50(2n-1)/n；

当k＝n/2时，T_k为中位阈值，n为偶数，k＝n/2，则T_k＝100(1-n/2n)＝50，

n为奇数，k＝(n+1)/2，T_k＝100[1-(n+1/2n)]＝50(n-1)/n；

当k＝n-1时，T_k为最小值即T_k＝100[1-(n-1)/n]＝100/n；

步骤7中所述的相对水质指数等级评定表如下表1所示：

表1

步骤7中所述的n≥1，当n＝1时，没有相对权重，当n＝2时，水质等级“一般”和“差”不会出现，当n＝3时，水质等级“差”不会出现。

实施例二

样点设置

以安徽省望江县武昌湖为例，武昌湖(30°14′～30°20′N,116°36′～116°53′E)是皖河水系最大的湖泊，被安九公路分为上、下两个湖区。湖区水面107.5km2，水位14.50m，最大水深4.9m，平均水深3.94m，蓄水量4.23×108m3，集水面积1083.7km2，湖水以来地表径流及湖面降水补给，补给系数为0.8，入湖河流主要有太慈河、雅滩河等，出湖一支由幸福河经皖河闸下泄，一支经新漳河于漳河闸下泄，分别排入长江。根据武昌湖的面积、地形以及出入湖河流的分布等在武昌湖设置8个采样点。

水样采集

于2021年7月21日上午8:30-10:00使用不锈钢材质采水器采集水样，每个采样点采集3次共15L并于塑料桶内混匀，取1L水样于聚乙烯瓶内带回实验室。

参数测定

pH和溶解氧采用YSI多参数水质监测仪现场测定，溶解氧和pH分别采用电化学探头法和玻璃电极法测定，总氮、总磷和氨氮分别采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法、钼酸铵分光光度法、水杨酸分光光度法测定，化学需氧量采样重铬酸盐法测定，氟化物采用离子色谱法测定。

单个水质参数的水质指数(q_i)计算

地表水环境质量标准(GB3838-2002)中不同等级下水质参数的标限值如下表2所示，武昌湖8个采样水质参数的实测值如下表3所示：

表2

表3

根据公式(1)～(5)可知参数水质指数(q_i)，如下表4所示：

表4

单个水质参数临时权重(W'_i)和相对权重(W_i)的计算

参照地表水环境质量标准(GB3838-2002)中不同等级下水质参数的标限值(表2)和公式(6)～(12)可知单个水质参数临时权重(W'_i)和相对权重(W_i)分别如下表5所示：

表5

综合水质指数(P_n)和相对综合水质指数(I)的计算

根据表4和表5单个水质参数的水质指数(q_i)和相对权重(W_i)，参照公式(13)～(19)计算武昌湖8个采样点的综合水质指数(P_n)和相对综合水质指数(I)如下表6所示：

表6

相对综合水质指数(I)的阈值的计算

参照公式(20)计算相对综合水质指数(I)的阈值。由表2可知水质参数总数n＝7，为奇数，参照表1计算相对综合水质指数(I)的阈值为下表7所示：

表7

基于相对综合水质指数(I)的武昌湖水质等级

根据表6中武昌湖8个采样点(WC1、WC2、WC3、WC4、QC1、QC2、QC3和LHK)的I分别为12.71、12.94、9.35、12.81、9.46、10.86、12.66和13.88，参照表7等级评价表可知，武昌湖8个采样点的水质均为很差级别。

本发明通过获取各水质参数的相对权重和相对综合水质指数，参照相对水质指数的集合阈值和等级评定表，综合评价地表水环境质量状况，相比其他评价方法，本发明在获取相对综合水质指数时进行单个水质参数的相对权重计算，避免了因单个指标的贡献率不同而导致评价结果与实际情况偏离的情况出现，使评价结果更加客观、真实。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种基于多参数相对权重的地表水质综合评价方法,其特征在于，包括：

设置取样点采集水样，获取所述水样的水质参数；

通过单个水质参数的实测值和标限值获得水质指数，将所述水质参数进行分组；分别计算每组水质参数的临时权重；基于所述临时权重获得所述水质参数的相对权重，基于所述相对权重计算获得所述水质参数的综合水质指数，基于所述综合水质指数获得所述水质参数的相对综合水质指数；

所述单个水质参数为同一水体、同一采样周期、同一采样点的不同水质参数；

将所述水质参数进行分组后获得L组、H组、S组；

所述L组包括总氮、总磷、氨氮、化学需氧量、氟化物；

所述H组包括溶解氧；所述S组包括pH；

水质指数q_i的计算公式如下：

L组：

式中C_i为水质参数TN、TP、NH₄ ⁺-N、COD_Cr和F^-的实测值，C_i ^*为水质参数TN、TP、NH₄ ⁺-N、COD_Cr和F^-的标限值；

H组：

式中C_DO为DO的实测值，C_DO ^*为溶解氧的标限值；

S组,pH∈[a,b]，根据pH的实测值C_pH大小，分别进行计算：

当实测值C_pH低于标准的下限值时即C_pH≤a，

当实测值C_pH高于标准的下限值且低于标准的上限值时即a<C_pH<b，

当实测值C_pH高于标准的上限值时即C_pH≥b，

单个水质参数临时权重W'_i和相对权重W_i的计算，分别计算L组(TN、TP、NH₄ ⁺-N、COD_Cr和F^-)，H组(DO)和S组(pH)各水质参数的临时权重W'_i，计算公式如下：

L组：

H组：

S组：

则n个水质参数的相对权重Wi的计算公式如下：

式中A1、A2分别为水质类别，C_i*(A₁)、C_i*(A₂)为水质参数TN、TP、NH₄ ⁺-N、COD_Cr和F^-在A₁、A₂水质类别下的标限值，b₁、a₁和b₂、a₂分别为A₁、A₂水质类别下参数pH的标限值,W'_i(A₁)、W'_i(A₂)分别A₁、A₂水质类别下水质参数i的临时权重，n为水质参数的总数；

测定单个水质参数的水质指数包括，溶解氧采用玻璃电极法测定；pH采用电化学探头法测定；总氮采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法测定；总磷采用钼酸铵分光光度法测定；氨氮采用水杨酸分光光度法测定；化学需氧量采用重铬酸盐法测定；氟化物采用离子色谱法测定；

所述综合水质指数是同一采样水体、同一采样周期的n个水质参数的相对权重W_i与水质指数q_i的乘机加和；

相对综合水质指数(I)的计算公式为：

式中P_n为综合水质指数；

基于所述相对综合水质指数，综合评价地表水的环境质量状况；

基于所述相对综合水质指数，综合评价地表水的环境质量状况包括，基于地表水环境评价标准和水质参数的相对综合水质指数的集合阈值制定水质等级评定表，基于所述水质等级评定表对地表水的环境质量状况进行评价，阈值的计算公式如下：

根据阈值制定水质等级评定表的方法包括：当所有水质参数均符合地表水环境质量标准时，T_k＝100为极大值，水质为很好；

当所有水质参数均不符合地表水环境质量标准时，T_k＝0为极小值，水质为很差；

当min(k)＝1时，T_k＝100×(1-1/n)＝100(n-1)/n为最大值，水质为一般；

平均阈值为极大值和最大值的一半即，

T_k＝[100+100(n-1)/n]/2＝50(2n-1)/n，水质为好；

当k＝n/2时，n为偶数，k＝n/2，则T_k＝100(1-n/2n)＝50，水质为差；

n为奇数，k＝(n+1)/2，T_k＝100[1-(n+1/2n)]＝50(n-1)/n，

水质为差；

当k＝n-1时，T_k为最小值即T_k＝100[1-(n-1)/n]＝100/n，水质为很差；

其中，T_k为阈值，n为水质参数的个数，k为水质指数大于1的个数。