CN115171810A - 一种河流断面水质层次评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种河流断面水质层次评价方法，包括如下步骤：收集目标河流的各断面水质监测数据，获取河流水质时空特征；根据获取的河流水质时空特征，计算得到数组水质评价指数，通过水质评价指数对河流各断面的水质分别进行评价；确定可以反映目标河流主要污染情况的关注污染物，采用层次分析法建立包含目标层、准则层以及指标层的具有层次结构模型的水质层次评价体系；确定目标河流各断面水质的综合污染评分，进而对河流关注污染进行分析；本发明为河流水质层次分析提供依据，规避了片面性的缺陷，具有广泛的适用性；解决了现有河流水质评价方法指标单一，难以实现基于不同目的的水质综合评价的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种河流断面水质层次评价方法，具体涉及一种河流水质评价方法，属于水环境领域。
背景技术
目前国内常用的水质监测评价方法包括单因子污染指数法、综合污染指数法、水质标识指数法及水质级别指数法等。
其中，单因子污染指数可用来评价单项水质指标是否达到对应标准的要求；综合污染指数可根据水质单因子污染指数的算术平均或加权平均等其他数学手段，综合评价水体污染程度，常用的包括均值综合污染指数和内梅罗综合污染指数；单因子水质标识指数可对河流不同监测断面的水质进行评价，刻画水质类别、水质数据及与水环境功能区的匹配情况；水质级别指数为水质浓度的函数，可准确判定水质类别，并识别主要污染因子。
目前相关学者对河流断面水质评价的研究主要采用单一的水质评价指标，而事实上，对于具有不同功能区划的河流来说，通常水质评价的目的也不相同，因此单一的水质评价指标难以实现基于不同目的的水质综合评价。
为了科学、基于多样需求地评价河流各断面的水质，选取能够代表河流断面水质的关键水质评价指标，定量确定各评价指标的评价权重，以便实现对河流断面水质的综合评价，本发明提出一种河流断面水质层次评价方法。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种河流断面水质层次评价方法，解决现有河流水质评价方法指标单一，难以实现基于不同目的的水质综合评价的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种河流断面水质层次评价方法，包括如下步骤：
收集目标河流的各断面水质监测数据，获取河流水质时空特征；
根据获取的河流水质时空特征，计算得到数组水质评价指数，通过水质评价指数对河流各断面的水质分别进行评价；
确定可以反映目标河流主要污染情况的关注污染物，采用层次分析法建立包含目标层、准则层以及指标层的具有层次结构模型的水质层次评价体系；
确定目标河流各断面水质的综合污染评分，进而对河流关注污染进行分析。
优选的，所述收集目标河流的各断面水质监测数据的步骤包括:
初步了解目标河流水质的时空分布特征，收集水质历史数据以及水文监测数据；
根据污染特征确定目标河流的监测方案，包括监测点位、监测指标、监测频率；
根据监测方案完成目标河流的水质监测，收集即时水质监测数据。
优选的，所述数组水质评价指数包括单因子污染指数Pi、均值综合污染指数P、内美罗综合污染指数I、单因子水质标识指数WQISF以及水质级别指数WLIx。
优选的，所述单因子污染指数Pi根据公式
计算得到，其中Ci是第i项指标的浓度测定值，C0是第i项指标的标准限值。
优选的，所述均值综合污染指数P根据公式
计算得到，其中Pi为单因子污染指数，n为参与评价的指标数。
优选的，所述内美罗综合污染指数I根据公式
计算得到，其中P为均值综合污染指数，为单因子污染指数中的最大值。
优选的，所述单因子水质标识指数WQISF根据公式WQISF＝X1.X2X3计算得到，其中X1为某项水质指标的水质类别，X2为监测数据在该水质类别变化区间中所处位置，X3为水质类别与功能区划标准类别的比较结果。
优选的，所述水质级别指数WLIx，当水质属于Ⅰ–Ⅴ类的情况时，水质级别指数WLIx根据公式WLIx＝(WLm-WL(m-1))/[(Cm,S-C(m-1),S)×(Cx-C(m-1),S)]+WL(m-1)计算得到，Cx为某水质指标的浓度，m指该指标所属的水质类别，m-1为该指标所属的前一个水质类别，WL为相应水质类别，CS为相应水质类别的限值浓度；当水质属于劣V的情况时，水质级别指数WLIx根据公式WLIx＝1/Cd.(Cx-CⅤ,S)+5得到，其中CⅤ，S为Ⅴ类水限值浓度，Cd为功能区划标准目标限值，Cx为某水质指标的浓度。
优选的，所述建立水质层次评价体系包括以下步骤：
依据地方考核指标、参考地方特征污染物，确定目标河流的关注污染物；
建立层次结构模型，包括目标层、准则层、指标层；其中目标层为综合评价断面水质污染情况，并突出河流的关注污染物污染程度；准测层为突出河流的关注污染物污染程度指标重要性；指标层为单因子污染指数Pi、均值综合污染指数P、内美罗综合污染指数I、单因子水质标识指数WQISF以及水质级别指数WLIx；
将指标层指数按照准则层准则进行两两重要性比较，构造重要性判断矩阵，如果指标i 和指标j同等重要，则重要程度uij为1；如果指标i比指标j略为重要，则重要程度uij为3；如果指标i比指标j重要，则重要程度uij为5；如果指标i比指标j强烈重要，则重要程度uij为7；如果指标i比指标j极端重要，则重要程度uij为9；如果指标j和指标i比较，则结果为重要程度uij的倒数；重要程度2、4、6、8、1/2、1/4、1/6、1/8表示指标i和指标j 重要程度uij介于上述判断之间。
对指标权重值Wi进行计算，其计算步骤如下：
计算以上判断矩阵的最大特征值；
计算最大特征值对应的特征向量；
对特征向量进行归一化处理，特征向量wi根据公式
得到。
将得到的判断矩阵的特征向量wi带入公式
获得特征向量之和W，再根据公式Wi＝wi/W，得到指标权重值Wi。
根据层次分析法的原理对判断矩阵进行一致性检验，一致性检验指标CR根据公式CR＝CI/R以及CI＝(λmax-n)/(n-1)获得，其中CI为一致性指标，n为判断矩阵阶数，RI为随机一致性指数，取值与n有关，如下：
当n为1时，RI为0；
当n为2时，RI为0；
当n为3时，RI为0.58；
当n为4时，RI为0.90；
当n为5时，RI为1.12；
当n为6时，RI为1.24；
当n为7时，RI为1.32；
当n为8时，RI为1.41；
当n为9时，RI为1.45；
当n为10时，RI为1.49；
当n为11时，RI为1.52；
当n为12时，RI为1.54；
若一致性检验指标CR小于0.10，认为重要性判断矩阵具有一致性，若一致性检验指标 CR大于等于0.10，认为重要性判断矩阵不符合一致性要求，需要调整指标间重要程度，直至一致性检验通过。
优选的，所述确定目标河流各断面水质的污染评分步骤包括：根据一致性检验结果计算指标重要性权向量vi，再根据公式
分别计算目标河流断面的水质综合污染评分Si，其中vi为各水质评价指标重要性权向量值，Qi为各断面各水质污染指数，包括单因子污染指数Pi、均值综合污染指数P、内美罗综合污染指数I、单因子水质标识指数WQISF以及水质级别指数WLIx；再利用水质综合污染评分Si对河流断面污染进行分析，根据得分将目标河流断面污染程度分为清洁、轻度污染、中度污染、重度污染四个等级。
如上所述，本发明的一种河流断面水质层次评价方法，具有以下有益效果：本发明通过收集目标河流的各断面水质监测数据，需反映河流水质时空特征；选取合适的水质评价指数，对河流各断面的水质分别进行评价；确定河流的关注污染物，采用层次分析法建立水质层次评价体系；确定目标河流各断面水质的综合污染评分，进而对河流污染进行分析。
本发明的克服了单一水质评价指标难以实现基于不同目的的水质综合评价的不足，通过科学的统计方法找出目标河流的关注污染物，并通过层次分析法计算目标河流污染得分，突出河流的关注污染物污染程度，为河流水质综合分析提供依据，规避了片面性的缺陷，具有广泛的适用性；解决了现有河流水质评价方法指标单一，难以实现基于不同目的的水质综合评价的问题。
附图说明
图1为本发明的一种河流断面水质层次评价方法的流程图；
图2为水质层次评价体系流程图；
图3为层级结构模型图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，本发明提供一种河流断面水质层次评价方法的流程图，其步骤包括：
收集目标河流的各断面水质监测数据，获取河流水质时空特征；
根据获取的河流水质时空特征，计算得到数组水质评价指数，通过水质评价指数对河流各断面的水质分别进行评价；
确定可以反映目标河流主要污染情况的关注污染物，采用层次分析法建立包含目标层、准则层以及指标层的具有层次结构模型的水质层次评价体系；
确定目标河流各断面水质的综合污染评分，进而对河流关注污染进行分析。
本发明通过收集目标河流的各断面水质监测数据，需反映河流水质时空特征；选取合适的水质评价指数，对河流各断面的水质分别进行评价；确定河流的关注污染物，采用层次分析法建立水质综合评价体系；确定目标河流各断面水质的综合评分，进而对河流污染进行分析
在本实施例中，如图1所示，收集目标河流的各断面水质监测数据的步骤包括:
初步了解目标河流水质的时空分布特征，收集水质历史数据以及水文监测数据；
根据污染特征确定目标河流的监测方案，包括监测点位、监测指标、监测频率；
根据监测方案完成目标河流的水质监测，收集即时水质监测数据。
在本实施例中，如图1所示，数组水质评价指数包括单因子污染指数Pi、均值综合污染指数P、内美罗综合污染指数I、单因子水质标识指数WQISF以及水质级别指数WLIx。
在本实施例中，单因子污染指数Pi根据公式
计算得到，其中Ci是第i项指标的浓度测定值，C0是第i项指标的标准限值。
在本实施例中，均值综合污染指数P根据公式
计算得到，其中Pi为单因子污染指数，n为参与评价的指标数。
在本实施例中，内美罗综合污染指数I根据公式
计算得到，其中P为均值综合污染指数，为单因子污染指数中的最大值。
在本实施例中，单因子水质标识指数WQISF根据公式WQISF＝X1.X2X3计算得到，其中X1为某项水质指标的水质类别，X2为监测数据在该水质类别变化区间中所处位置，X3为水质类别与功能区划标准类别的比较结果。
在本实施例中，水质级别指数WLIx，当水质属于Ⅰ–Ⅴ类的情况时，水质级别指数WLIx根据公式WLIx＝(WLm-WL(m-1))/[(Cm,S-C(m-1),S)×(Cx-C(m-1),S)]+WL(m-1)计算得到，Cx为某水质指标的浓度，m指该指标所属的水质类别，m-1为该指标所属的前一个水质类别，WL为相应水质类别，CS为相应水质类别的限值浓度；当水质属于劣V的情况时，水质级别指数WLIx根据公式WLIx＝1/Cd.(Cx-CⅤ,S)+5得到，其中CⅤ，S为Ⅴ类水限值浓度，Cd为功能区划标准目标限值，Cx为某水质指标的浓度。
在本实施例中，如图2以及图3所示，建立水质层次评价体系包括以下步骤：
依据地方考核指标、参考地方特征污染物，确定目标河流的关注污染物；
建立层次结构模型，包括目标层、准则层、指标层；其中目标层为综合评价断面水质污染情况，并突出河流的关注污染物污染程度；准测层为突出河流的关注污染物污染程度指标重要性；指标层为单因子污染指数Pi、均值综合污染指数P、内美罗综合污染指数I、单因子水质标识指数WQISF以及水质级别指数WLIx；
将指标层指数按照准则层准则进行两两重要性比较，构造重要性判断矩阵，如果指标i 和指标j同等重要，则重要程度uij为1；如果指标i比指标j略为重要，则重要程度uij为3；如果指标i比指标j重要，则重要程度uij为5；如果指标i比指标j强烈重要，则重要程度uij为7；如果指标i比指标j极端重要，则重要程度uij为9；如果指标j和指标i比较，则结果为重要程度uij的倒数；重要程度2、4、6、8、1/2、1/4、1/6、1/8表示指标i和指标j 重要程度uij介于上述判断之间。
对指标权重值Wi进行计算，其计算步骤如下：
计算以上判断矩阵的最大特征值；
计算最大特征值对应的特征向量；
对特征向量进行归一化处理，特征向量wi根据公式
得到。
将得到的判断矩阵的特征向量wi带入公式
获得特征向量之和W，再根据公式Wi＝wi/W，得到指标权重值Wi。
根据层次分析法的原理对判断矩阵进行一致性检验，一致性检验指标CR根据公式CR＝CI/R以及CI＝(λmax-n)/(n-1)获得，其中CI为一致性指标，n为判断矩阵阶数，RI为随机一致性指数，取值与n有关，如下：
当n为1时，RI为0；
当n为2时，RI为0；
当n为3时，RI为0.58；
当n为4时，RI为0.90；
当n为5时，RI为1.12；
当n为6时，RI为1.24；
当n为7时，RI为1.32；
当n为8时，RI为1.41；
当n为9时，RI为1.45；
当n为10时，RI为1.49；
当n为11时，RI为1.52；
当n为12时，RI为1.54；
若一致性检验指标CR小于0.10，认为重要性判断矩阵具有一致性，若一致性检验指标 CR大于等于0.10，认为重要性判断矩阵不符合一致性要求，需要调整指标间重要程度，直至一致性检验通过。
在本实施例中，如图1以及图2所示，确定目标河流各断面水质的污染评分步骤包括：根据一致性检验结果计算指标重要性权向量vi，再根据公式
分别计算目标河流断面的水质综合污染评分Si，其中vi为各水质评价指标重要性权向量值，Qi为各断面各水质污染指数，包括单因子污染指数Pi、均值综合污染指数P、内美罗综合污染指数I、单因子水质标识指数WQISF以及水质级别指数WLIx；再利用水质综合污染评分Si对河流断面污染进行分析，根据得分将目标河流断面污染程度分为清洁、轻度污染、中度污染、重度污染四个等级。
更具体的，在本实施例中，以A河流的水质层次评分为例，阐述本发明的具体步骤。
收集A河从上游至下游5个断面的水质监测数据，包括总磷浓度(TP)、氨氮(NH4)、化学需氧量(COD)。
计算5个断面水质评价指数，包括单因子污染指数Pi、均值综合污染指数P、内美罗综合污染指数I、单因子水质标识指数WQISF以及水质级别指数WLIx，结果见表1：
表1水质评价指数结果
确定A河关注污染物为氨氮，建立水质评价指数重要性矩阵，结果见表2：
表2水质评价指数重要性矩阵
根据重要性矩阵计算各指标权重值Wi，结果如表3：
表3水质评价指数权重值
计算一致性检验指标CR，结果为0.05，小于0.1，判定重要性判断矩阵具有一致性。确定A河5个断面的水质综合污染评分Si，结果如表4：
表4断面的水质综合污染评分Si
根据断面的水质综合污染评分Si，可以判断断面得分小于0.01为清洁状态，断面得分大于等于0.01并小于0.015为轻度污染，断面得分大于等于0.015并小于0.02为中度污染，断面得分大于0.02为重度污染。通过分析各断面的水质综合污染评分Si可以发现，1、3、4 号断面水质为清洁状态，2、5、6号断面为轻度污染状态，8、9号断面为中度污染状态，7、10号断面为重度污染状态。由于A河自上游至下游流经中心城区，沿河污染逐渐加重，另外7号断面位于A河支流汇入后，水质有所下降，因此断面的水质综合污染评分Si结果符合A河污染实际情况。
综上，本发明的一种河流断面水质层次评价方法通过收集目标河流的反映了河流水质时空特征的各断面水质监测数据，并获得多组水质评价指数，对河流各断面的水质分别进行评价；同时采用层次分析法建立水质层次评价体系；确定目标河流各断面水质的综合评分，进而对河流污染进行分析；为河流水质综合分析提供依据，规避了片面性的缺陷，具有广泛的适用性；解决了现有河流水质评价方法指标单一，难以实现基于不同目的的水质综合评价的问题。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.本发明提供一种河流断面水质层次评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
收集目标河流的各断面水质监测数据，获取河流水质时空特征；
根据获取的河流水质时空特征，计算得到数组水质评价指数，通过水质评价指数对河流各断面的水质分别进行评价；
确定可以反映目标河流主要污染情况的关注污染物，采用层次分析法建立包含目标层、准则层以及指标层的具有层次结构模型的水质层次评价体系；
确定目标河流各断面水质的综合污染评分，进而对河流关注污染进行分析。
2.根据权利要求1所述的一种河流断面水质层次评价方法，其特征在于，所述收集目标河流的各断面水质监测数据的步骤包括:
初步了解目标河流水质的时空分布特征，收集水质历史数据以及水文监测数据；
根据污染特征确定目标河流的监测方案，包括监测点位、监测指标、监测频率；
根据监测方案完成目标河流的水质监测，收集即时水质监测数据。
3.根据权利要求1所述的一种河流断面水质层次评价方法，其特征在于，所述数组水质评价指数包括单因子污染指数Pi、均值综合污染指数P、内美罗综合污染指数I、单因子水质标识指数WQISF以及水质级别指数WLIx。
4.根据权利要求3所述的一种河流断面水质层次评价方法，其特征在于，所述单因子污染指数Pi根据公式
计算得到，其中Ci是第i项指标的浓度测定值，C0是第i项指标的标准限值。
5.根据权利要求3所述的一种河流断面水质层次评价方法，其特征在于，所述均值综合污染指数P根据公式
计算得到，其中Pi为单因子污染指数，n为参与评价的指标数。
6.根据权利要求3所述的一种河流断面水质层次评价方法，其特征在于，所述内美罗综合污染指数I根据公式
计算得到，其中P为均值综合污染指数，
为单因子污染指数中的最大值。
7.根据权利要求3所述的一种河流断面水质层次评价方法，其特征在于，所述单因子水质标识指数WQISF根据公式WQISF＝X1.X2X3计算得到，其中X1为某项水质指标的水质类别，X2为监测数据在该水质类别变化区间中所处位置，X3为水质类别与功能区划标准类别的比较结果。
8.根据权利要求3所述的一种河流断面水质层次评价方法，其特征在于，所述水质级别指数WLIx，当水质属于Ⅰ–Ⅴ类的情况时，水质级别指数WLIx根据公式WLIx＝(WLm-WL(m-1))/[(Cm,S-C(m-1),S)×(Cx-C(m-1),S)]+WL(m-1)计算得到，Cx为某水质指标的浓度，m指该指标所属的水质类别，m-1为该指标所属的前一个水质类别，WL为相应水质类别，CS为相应水质类别的限值浓度；当水质属于劣V的情况时，水质级别指数WLIx根据公式WLIx＝1/Cd.(Cx-CⅤ,S)+5得到，其中CⅤ，S为Ⅴ类水限值浓度，Cd为功能区划标准目标限值，Cx为某水质指标的浓度。
9.根据权利要求1所述的一种河流断面水质层次评价方法，其特征在于，所述建立水质层次评价体系包括以下步骤：
依据地方考核指标、参考地方特征污染物，确定目标河流的关注污染物；
建立层次结构模型，包括目标层、准则层、指标层；其中目标层为综合评价断面水质污染情况，并突出河流的关注污染物污染程度；准测层为突出河流的关注污染物污染程度指标重要性；指标层为单因子污染指数Pi、均值综合污染指数P、内美罗综合污染指数I、单因子水质标识指数WQISF以及水质级别指数WLIx；
将指标层指数按照准则层准则进行两两重要性比较，构造重要性判断矩阵，如果指标i和指标j同等重要，则重要程度uij为1；如果指标i比指标j略为重要，则重要程度uij为3；如果指标i比指标j重要，则重要程度uij为5；如果指标i比指标j强烈重要，则重要程度uij为7；如果指标i比指标j极端重要，则重要程度uij为9；如果指标j和指标i比较，则结果为重要程度uij的倒数；重要程度2、4、6、8、1/2、1/4、1/6、1/8表示指标i和指标j重要程度uij介于上述判断之间。
对指标权重值Wi进行计算，其计算步骤如下：
计算以上判断矩阵的最大特征值；
计算最大特征值对应的特征向量；
对特征向量进行归一化处理，特征向量wi根据公式
得到。将得到的判断矩阵的特征向量wi带入公式
获得特征向量之和W，再根据公式Wi＝wi/W，得到指标权重值Wi。
根据层次分析法的原理对判断矩阵进行一致性检验，一致性检验指标CR根据公式CR＝CI/R以及CI＝(λmax-n)/(n-1)获得，其中CI为一致性指标，n为判断矩阵阶数，RI为随机一致性指数，取值与n有关，如下：
当n为1时，RI为0；
当n为2时，RI为0；
当n为3时，RI为0.58；
当n为4时，RI为0.90；
当n为5时，RI为1.12；
当n为6时，RI为1.24；
当n为7时，RI为1.32；
当n为8时，RI为1.41；
当n为9时，RI为1.45；
当n为10时，RI为1.49；
当n为11时，RI为1.52；
当n为12时，RI为1.54；
若CR小于0.10，认为重要性判断矩阵具有一致性，若CR大于等于0.10，认为重要性判断矩阵不符合一致性要求，需要调整指标间重要程度，直至一致性检验通过。
10.根据权利要求9所述的一种河流断面水质层次评价方法，其特征在于，所述确定目标河流各断面水质的综合污染评分步骤包括：根据一致性检验结果计算指标重要性权向量vi，再根据公式
分别计算目标河流断面的水质综合污染评分Si，其中vi为各水质评价指标重要性权向量值，Qi为各断面各水质污染指数，包括单因子污染指数Pi、均值综合污染指数P、内美罗综合污染指数I、单因子水质标识指数WQISF以及水质级别指数WLIx；再利用水质综合污染评分Si对河流断面污染进行分析，根据得分将目标河流断面污染程度分为清洁、轻度污染、中度污染、重度污染四个等级。
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| CN116660486A (zh) * | 2023-05-24 | 2023-08-29 | 重庆交通大学 | 一种基于大型底栖动物bi指数的水质评价标准确定方法 |
| CN117607377A (zh) * | 2023-11-16 | 2024-02-27 | 埃睿迪信息技术（北京）有限公司 | 一种流域水质的评估方法、装置及设备 |
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