CN115392617A - 一种基于环境异质性的水库库尾河段水环境安全评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于环境异质性的水库库尾河段水环境安全评估方法。它包括如下步骤，(1)资料收集与现场调研；(2)水环境安全评估单元划分；(3)评价指标体系构建；构建库尾河段水环境安全评估指标体系，建立基于“压力‑状态‑响应”PSR模型的水环境安全评估模型；(4)水环境安全等级划分和阈值确定；(5)指标权重的确定；(6)指标确定度计算；(7)对各评估单元水环境安全状况进行评估，确定库尾河段不同区域水环境安全等级。本发明具有水环境安全评估指标简单、方法简便、能实时评估库尾不同河段水环境安全状况的优点。
Description
技术领域
本发明涉及环境保护领域，更具体地说它是一种基于环境异质性 的水库库尾河段水环境安全评估方法。
背景技术
水库，尤其是具有季调节以上性能的水库在发挥防洪、供水、发 电和航运等功能的同时，也会对库尾河段年内水文情势造成影响，并 降低库尾河段局部时段水环境容量，使得库尾河段水环境安全遭受威 胁。尽管水库建设阶段库尾河段新增水环境保护措施能减缓工程运行 带来的不利影响，但受上游污染事故或库尾水环境保护措施突发故障 影响，库尾水环境安全仍可能面临风险。因此，实时准确判断库尾水 环境安全状况，对库尾河段水环境保护措施和水库调度运行提出维护 和优化要求、对保障库尾河段水环境安全和工程正常发挥效益具有重 要作用。
基于数据获取容易、方法机理简单等优点，相较于数学模型法， 指标体系法在水环境安全评估领域得到应用，其中应用较多的为“压 力-状态-响应”(PSR)评价体系和“驱动力-压力-状态-影响-响应” (DPSIR)评价体系。由于在应用过程中存在数据属性界定模糊的情 况(如驱动力与压力、状态与影响)，且数据指标较多，相比于PSR 模型，DPSIR模型在解决实际问题方面存在局限性。
现有研究通常采用降水条件、社会经济状况、陆域污染源汇入情 况、水域水质状况和陆域污水处理水平等综合表征水域水环境安全状 况，通常通过如下思路进行评估：首先构建评估指标体系，然后选用 评估方法、确定各指标的权重进行评估。该类方法指标体系较复杂， 在水库、湖泊、河流、流域或区域水环境安全评估方面应用广泛。水 库，尤其是具有季调节以上性能的水库库尾河段可能同时存在敏感保 护目标和污染风险源，使得不同区域环境影响因素和管控要求有所差 异，即水库库尾河段环境异质性。然而，目前针对水库库尾河段水环 境安全评估的方法体系较少，而且已有的方法体系更多的是对水域、区域或流域年度水环境安全状况进行评估，对评价范围内的环境异质 性考虑较少，在需实时反馈库尾河段不同区域水环境安全状况应用方 面存在缺陷。
综上所述，现有水环境安全评估研究指标较多、方法较复杂，缺 乏对水环境安全状况的实时评估效果，且基于环境异质性的水库库尾 河段水环境安全评估研究尚未开展。考虑不同河段环境保护目标和污 染风险源分布情况，针对不同河段开展水环境安全实时评估有利提升 工程环境管理的精细化水平、即时保障库尾不同河段水环境安全。因 此，开发一种水环境安全评估研究指标简单、方法简便、能实时评估 水环境安全状况的基于环境异质性的水库库尾河段水环境安全评估 方法很有必要。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种基于环境异质性的水库库尾河段 水环境安全评估方法，水环境安全评估研究指标简单、方法简便、能 实时且准确地评估水环境安全状况，为评估库尾河段不同区域水环境 安全状况提供技术支撑。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于环境异质性 的水库库尾河段水环境安全评估方法，其特征在于：包括如下步骤，
(1)资料收集与现场调研；
收集库尾河段水系分布、水功能区和水环境控制单元、敏感保护 目标分布、城市总体规划及特色工业企业园区分布等成果；
收集库尾河段典型控制断面实测地形资料、水文站日均水位和流 量资料、控制断面例行监测资料、污水处理厂运行管理台账、水质自 动监测站建设运行情况、基于水环境安全评估单元划分成果的COD 和氨氮纳污能力计算成果；
(2)水环境安全评估单元划分；
以河段内子流域分布为基础，考虑水功能区划、水环境控制单元、 敏感保护目标分布，结合库尾污染源风险识别成果，划分库尾河段水 环境安全评估单元；
(3)评价指标体系构建；
构建库尾河段水环境安全评估指标体系，建立基于“压力-状态- 响应”PSR模型的水环境安全评估模型；
(4)水环境安全等级划分和阈值确定；
(5)指标权重的确定；
(6)指标确定度计算；
(7)对各评估单元水环境安全状况进行评估，确定库尾河段不 同区域水环境安全等级。
在上述技术方案中，在步骤(2)中，水环境安全评估单元划分 的具体方法为：
识别库尾河段干流及其主要支流，开展干支流汇水关系分析，确 定不同汇水区域；
叠加库尾河段水环境控制单元划分成果，对不同汇水区域进行初 步分区；
根据库尾河段水功能区划成果将河流进行分段，并识别其所在汇 水范围；对比水环境控制单元划分成果，取精细化程度较高的成果作 为当前划分成果；
识别区域水生态环境敏感目标分布特征；结合污染源调查成果， 开展水环境风险识别分析，识别优先保护对象和重点管控对象；
结合优先保护对象、重点管控对象分布情况，细化控制单元得到 水环境管控分区，其中法定保护地所在区域按法定保护地边界细化， 城镇重点开发区、工业园区(片区、集聚区)按开发边界细化；并根 据细化结果，将饮用水水源地、生态保护对象活动区等高功能水体所 在的管控分区识别为水环境优先保护区；将城镇重点开发区所在的管 控分区识别为城镇生活污染重点管控区，将工业园区(片区、集聚区) 所在的管控分区识别为工业污染重点管控区，两者合称重点管控区； 优先保护区、重点管控区之外的区域识别为一般管控区。
在上述技术方案中，在步骤(3)中，库尾河段水环境安全评估 指标体系包括“压力”准则层下的指标因素、“状态”准则层下的指标因 素和“响应”准则层下的指标因素；
“压力”准则层下的指标因素包括COD排放量、氨氮排放量、水 位和流量/断面面积；各指标含义如下：
COD排放量：COD指水体中的有机污染物被全部氧化时所需要 的氧量，本发明包括城镇生活污水和工业废水中的COD排放量，计 算中根据COD浓度进行换算。本研究中该指标采用相对变化率进行 表述，即参与评估计算的COD排放量与基准值的相对变化率；
氨氮排放量：氨氮是水体中的营养素，其可导致水体富营养化现 象，该指标因子的值越小水环境越安全，计算中根据氨氮浓度进行换 算。本研究中该指标采用相对变化率进行表述，即参与评估计算的氨 氮排放量与基准值的相对变化率；
水位：水位是指自由水面相对于某一基面的高程，取实测值进行 计算。本研究中该指标采用变化量进行表述，即水位测量值与基准值 的差值；
流量/断面面积：断面平均流速的换算公式，表征液体单位时间 内的位移。当断面面积确定时，该指标可用流量表征。本研究中该指 标采用相对变化率进行表述，即通过描述流量测量值与基准值的相对 变化率，以断面面积为纽带，换算成断面平均流速的相对变化率。
“状态”准则层下的指标因素包括COD浓度、氨氮浓度、总磷浓 度、总氮浓度、特征污染物浓度；各指标含义如下：
COD浓度：COD是衡量水环境中有机物含量多少的指标，其值 越大说明水体的污染程度越严重。本研究中，各污染物浓度均采用测 量值进行评价。
氨氮浓度：表示氨氮排放量与污水排放量的比值。
总磷浓度：水体中有机磷和无机磷的总和。
总氮浓度：有机氮、氨氮、亚硝酸氮和硝酸盐氮的总和。
特征污染物：反映库尾河段产业特征的污染物，选择1～3个即可。
“响应”准则层下的指标因素包括污水处理厂COD或氨氮排放量； 指标含义如下：
污水处理厂COD或氨氮排放量：表征污水处理厂污染物处理水 平。本研究中该指标采用相对变化率进行表述，即污水处理厂COD 或氨氮排放量与水域纳污能力的相对变化率。
在步骤(3)中，基于水库库尾河段入河排污口监控和水质自动 监测站等水环境保护措施的落实，各指标具有获取便捷性、量化可操 作性，能用于反映库尾河段实时水环境安全状况；在指标取值方面， 除具有国家管控目标的水质指标外，其他指标均以现状值或行业管控 要求为基准值计算相对值作为评估指标值。
在步骤(3)中，除选择常规水质指标外，考虑区域产业特征， 选择1～3种特征污染物作为评估指标。
在上述技术方案中，在步骤(4)中，遵循“操作简便、切合实际” 的原则，将库尾河段水环境安全等级划分为“不安全”、“敏感”和“安 全”3个等级，并对各等级赋值，具体如下：
安全(0.7～1.0)：河段水质状况处于稳定达标状态，水域功能正 常发挥得到保障；
敏感(0.3～0.7)：河段水质状况处于超标临界状态，若各水质指 标浓度进一步增加，水域将处于明显超标状态；
不安全(0.0～0.3)：河段水质状况处于不达标状态，水域功能正 常发挥受到威胁。
在上述技术方案中，在步骤(4)中，根据库尾河段现状污染物 排放水平和纳污能力，合理确定不同等级下“压力”准则层和“响应”准 则层指标上下限；“状态”准则层下指标上下限根据河段水质管理目标 确定，考虑水质检测误差影响，水质指标浓度取水质目标上限值(X) 偏差±20％范围，即0.8X～1.2X为敏感，取水质指标浓度小于0.8X的 情形为安全，取水质指标浓度大于1.2X的情形为不安全。
在上述技术方案中，在步骤(5)中，为建立库尾不同河段统一 的评价标准，不同评估单元同一指标宜采用相同的指标权重。为避免 指标权重确定偶然性，指标权重宜反映一段时间内各指标对水环境安 全状况的影响，不宜根据实时数据确定，但对实时评估水环境安全状 况具有一定指导意义。因此，本发明参照已有相关研究成果，将库尾 各河段视作一个整体，根据历史实测或统计数据对库尾河段各指标权 重进行计算，该步骤中指标数值均为年均值或年统计值，其中水位指 标采用年均水位与年度最低水位的差值；
假定指标体系具有n个指标，选用m组样本构成数据矩阵(xij)m×n； 采用熵值法计算指标权重，计算公式如下：
式中：ejej为熵值；m为样本数据组数量；pij为第i组第j项指标 对各组数据第j项指标加和的贡献度；常数k＝(In m)-1。
第j项指标的权重wj为：
上式(3)中，n为指标个数。
在上述技术方案中，在步骤(6)中，根据不同水环境安全等级 划分阈值以及各指标不同等级上下限值，采用数学模型计算各指标确 定度uj；
常用的数学模型为线性模型和指数模型。
在上述技术方案中，在步骤(7)中，水环境安全评估的具体方 法为：根据各指标权重和确定度，计算水环境安全综合指数R，将计 算数值与不同水环境安全等级划分阈值对比确定水环境安全等级，计 算如下：
在公式(4)中，wj表示第j项指标；uj表示指标确定度；n为指 标个数。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明通过优先保护对象和重点管控对象识别，将库尾河段 划分为不同评估单元，以准确反映不同区域水环境特征；
(2)基于“压力-状态-响应”PSR模型、选择与区域特色产业及水 环境状况紧密相关的指标构建水库库尾河段水环境安全评估指标体 系，避免了数据指标繁多、分类不清晰等问题，且各指标原始数值可 通过污水处理厂进出水水量和水质、河流水质自动监测站水文和水质 实施监测获取，具有指标简单及数据易获取等优点；
(3)在指标取值方面，除具有国家管控目标的水质指标外，其他 指标均以现状值或行业管控要求为基准值，计算相对值作为评估指标 值，科学反映水环境波动变化特征；
(4)将水环境安全等级划分为“安全”、“敏感”和“不安全”三 个等级，并提出不同安全等级下各指标上下限确定方法，利于决策部 门快速作出响应；
(5)采用成熟的指数数学模型或线性数学模型计算指标实时确定 度，并通过指标权重计算水环境安全状况，为水环境安全状况实时评 估创造条件；
本发明方法在填补水库库尾水环境安全评估研究空白的同时，可 为水库库尾实时水环境安全评估和水库调度运行提供技术支撑。
附图说明
图1为发明实施例中的某水电站库尾河段水环境安全评估单元 图。
图2为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本 发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚 和容易理解。
水库，尤其是具有季调节以上性能的水库在运行过程中库尾河段 水文情势变化介于库区和天然河流之间，使库尾河段局部时段水环境 容量有所降低，威胁库尾河段水环境，本发明方法在填补水库库尾河 段水环境安全评估研究空白的同时，可为水库库尾河段水环境安全状 况评估和水库调度运行提供技术支撑。
本发明首先依据敏感保护目标和污染风险源分布情况，识别库尾 河段环境异质性特征并将库尾河段划分为若干个评估单元；选择区域 特征因子构建评价指标体系，并提出指标计算基准值，作为实测原始 数据转换为本发明所需指标值的依据；依据历史情况和行业管控要求， 提出不同安全等级下各指标上下限值确定方法；将库尾河段视作一个 整体，依据历年数据资料，计算各指标权重；以实时评估水环境安全 状况为目的，提出确定度实时计算方法，通过各指标上下限计算各指 标实时确定度；通过各指标的权重和实时确定度，采用加权求和的方 法计算各评估单元水环境安全综合指数得分，确定各评估单元水环境 安全等级。
总体而言，本发明各步骤环环相扣，操作简便，能实时、准确地 反馈库尾河段不同区域水环境安全状况，从而实现基于环境异质性的 水库库尾河段水环境安全评估。
实施例
现以本发明试用于某水电站工程运行情况下库尾河段水环境安 全状况评估为实施例对本发明进行详细说明，对本发明应用于其它具 有环境异质性的水库库尾河段水环境安全评估同样具有指导作用。
某水电站是金沙江下游四级水电开发方案中的第一级，工程按正 常蓄水位975m一次建成，现阶段按965m水位控制运行。以某水电 站库尾河段为例，基于965m蓄水试验条件下库尾水环境模拟成果分 析工程运行情况下库尾水环境安全状况。
本实施例中，某水电站运行情况下库尾河段水环境安全状况评估 方法，主要包括以下步骤：
a、资料收集与现场调研
收集某水电站库尾河段水系分布、水功能区和水环境控制单元、 敏感保护目标分布、攀枝花市城市总体规划和特色工业企业园区分布 等成果。考虑城镇生活和工业企业废污水集中处理程度较高，收集 2017～2019年攀枝花市库尾河段污水处理厂运行管理台账、三堆子水 文站日均水位和流量资料及其实测地形资料、金江断面例行水质监测 资料、库尾倮果、三堆子、巴拉河、马店河、迤资等水质自动监测站 建设运行情况、基于水环境安全评估单元划分成果的COD和氨氮纳 污能力计算成果。
b、水环境安全评估单元划分
如图1所示，本实施例以河段内子流域分布为基础，结合水功能 区划、水环境控制单元、敏感保护目标分布，结合库尾污染源风险识 别成果，划分库尾河段水环境安全评估单元。其中，金沙江-巴拉河 评估单元、金沙江-金江镇城镇评估单元、马店河-钒钛工业园评估单 元、金沙江迤资村-拉鲊段评估单元为重点评估单元；考虑水环境过 渡作用，本实施例将拉鲊-西拉么段评估单元也纳入重点评估单元。
c、评价指标体系的构建
基于“压力-状态-响应”PSR模型，以“压力”、“状态”、“驱动力” 为准则层构建库尾河段水环境安全评估指标体系。
“压力”准则层下的指标因素包括COD排放量、氨氮排放量、水 位和流量/断面面积；
“状态”准则层下的指标因素包括COD浓度、氨氮浓度、总磷浓 度、总氮浓度、特征污染物浓度；
“响应”准则层下的指标因素包括污水处理厂COD或氨氮排放量。
某水电站库尾河段水环境安全评估指标体系，具体内容如表1所 示：
表1某水电站库尾河段水环境安全评估指标体系
基于环境保护要求，以现状污染排放情况、水文情势和纳污能力 为指标计算基准值，具体内容如表2所示，通过各指标原始值(未与 基准值进行计算的实测或统计值)计算压力层指标和响应层指标的指 标值(相对值)，见表6。
表2重点评估单元压力层与响应层指标计算基准值
d、水环境安全等级划分和阈值确定
遵循“操作简便、切合实际”的原则，库尾水环境安全等级包括“安 全”、“敏感”和“不安全”，并对各等级赋值，具体如下：
安全(0.7～1.0)：河段水质状况处于稳定达标状态，水域功能正 常发挥得到保障；
敏感(0.3～0.7)：河段水质状况处于超标临界状态，若各水质指 标浓度进一步增加，水域将处于明显超标状态；
不安全(0.0～0.3)：河段水质状况处于不达标状态，水域功能正 常发挥受到威胁。
根据某水电站库尾河段现状污染物排放水平和纳污能力，合理确 定不同等级下“压力”准则层和“响应”准则层下指标上下限；“状态”准 则层下指标上下限根据河段水质管理目标确定，考虑水质检测误差影 响，水质指标浓度取水质目标上限值(X)偏差±20％范围，即0.8X～1.2X 为敏感，取水质指标浓度小于0.8X的情形为安全，取水质指标浓度 大于1.2X的情形为不安全，具体内容如表3所示。
表3某水电站库尾河段水环境安全评估指标阈值
e、指标权重的确定
为减少水环境评估的不确定性因素，保证各河段具有相同的评价 标准，指标权重宜以库尾河段为整体。同时，指标权重宜反映一段时 间内各指标对水环境安全状况的影响，不宜取实时值，但对实时评估 水环境安全状况具有一定指导意义。因此，本发明实施例根据历史实 测或统计数据进行计算，该步骤中指标数值均为库尾河段年均值或年 统计值；水位指标数值差异较小，应用时仍采用相对值。
选用5组样本构成数据矩阵(xij)5×13，采用熵值法计算各指标 权重，计算公式如下：
上式(1)、(2)中：ejej为熵值；m为样本数据组数量；pij为第i 组第j项指标对各组数据第j项指标加和的贡献度；常数k＝(In 5)-1。
第j项指标wj的权重为：
上式(3)中，n为指标个数。
本实施例根据上式(1)、(2)、(3)计算得到库尾河段水环境安 全评估指标权重如表4所示：
表4某水电站库尾河段水环境安全评估指标权重
f、指标确定度计算
根据不同水环境安全等级划分阈值以及各指标不同等级上下限 值，结合指标数值，采用数学模型或指数模型计算各指标确定度uj。
本实施例中的某水电站库尾河段水环境安全评估指标确定度计 算方法如表5所示；本实施例蓄水位运行条件下某水电站库尾河段水 环境安全评估指标确定度具体如表6所示。本实施例中，通过识别工 程运行对水文情势和水环境的影响，进而评估工程运行对库尾水环境 安全状况的影响，因此为控制评估变量个数，压力层指标和响应层指 标均取0，即污染物排放量和污水处理厂污染物排放量原始值均与基 准值一致。
表5某水电站库尾河段水环境安全评估指标确定度计算方法
表6 965蓄水位运行条件下某水电站库尾河段水环境安全评估指标确定度
g、水环境安全评估
根据各指标权重(表4)和确定度(表6)，计算水环境安全综合 指数R，将计算数值与不同水环境安全等级划分阈值对比确定水环境 安全等级，计算如下：
在上式(4)中，wj表示第j项指标；uj表示指标确定度；n为指 标个数。
对比水环境安全等级划分阈值，965m蓄水位运行条件下，库尾 各重点评估单元水环境状况均处于安全状态，具体如表7所示。
表7 965蓄水位运行条件下某水电站库尾河段水环境安全状况
本实施例中，假定965m蓄水位条件下各评估单元压力层和响应 层指标值为0；结合965m蓄水运行条件下水文水质预测成果，重点 考虑965m蓄水位条件下各评估单元水位、流量/断面面积及污染物浓 度指标值实测值与基准值的差异。依据某水电站的近期运行情况，该 假定是合适的。待库尾河段水环境保护措施落实后，本发明中所选指 标实测值(未与基准值进行计算的原始值)均可通过库尾河段各污水 处理厂进出水水量和水质实时监测、各评估单元内水质自动监测站水 文和水质实施监测获取，在任意时刻可获取一组指标数据，通过计算 确定度并确定各个评估单元实时水环境安全状况。
本实施例采用本发明所述基于环境异质性的水库库尾河段水环 境安全评估方法对某水电站运行情况下库尾河段水环境安全状况进 行评估，本实施例考虑某水电站库尾河段水质自动监测站网建设和数 据实时记录功能，提出指标确定度实时计算方法，为准确反映某水电 站运行情况下库尾河段不同区域水环境安全状况、促进具有调节性能 的水库库尾河段水环境健康管理提供技术支撑。
验证试验
采用现有技术对上述某水电站运行情况下库尾河段水环境安全 状况进行评估，包括如下内容：
(1)评价指标体系
为确保本发明和已有技术的对比可操作性，在已有技术的实现过 程中采用与本发明相同的指标体系，但指标均采用统计值或监测值， 并未通过本发明提出的基准值进行换算。其中水位指标采用年均水位 与年度最低水位的差值。指标体系详见表8。
表8某水电站库尾河段水环境安全评估指标体系
(2)评价数据
选用2013年、2015年、2017～2019年5组样本构成数据矩阵， 对某水电站库尾河段水环境安全状况进行评估，见表9。
表9某水电站库尾河段水环境安全评估数据
(3)评价方法和结果
1)指标标准化
由于所选用指标作用在水环境安全上有正负之分，所以标准化处 理过程分为正、负两种类型，并分别进行计算：计算公式如下：
正向指标标准化所使用的公式为：
负向指标标准化所使用的公式为：
上式中：yij代表第i年第j个指标标准化后的数值，xij代表第i 年第j个指标原有数值，max(xij)与min(xij)分别代表数据组第j个指标 的最大值与最小值。其中，流量/断面面积为正向指标，其他指标均 为逆向指标。
2)指标权重
采用熵值法计算各指标权重，计算公式如下：
上式(1)、(2)中：ejej为熵值；pij为第i组第j项指标对各组数 据第j项指标加和的贡献度；常数k＝(In 5)-1。
第j项指标wj的权重为：
3)水环境安全评估
根据各指标权重和标准化值，计算水环境安全综合指数，将计算 数值与不同水环境安全等级划分阈值对比确定水环境安全等级，计算 如下：
上式(4)中，wj表示第j项指标；uj表示指标确定度；n为指标 个数，n＝13。
类似于本发明提出的水环境安全等级划分方案，将库尾河段水环 境安全等级划分为“不安全”、“敏感”和“安全”3个等级，并对各等级 下水环境安全综合指数阈值赋值，详见表10。
表10某水电站库尾河段水环境安全评估指标体系
| 等级 | 不安全 | 敏感 | 安全 |
| 水环境安全综合指数 | 0.0～0.3 | 0.3～0.7 | 0.7～1.0 |
基于已有技术的某水电站库尾河段水环境安全评价结果，2017 年～2019年某水电站库尾河段水环境安全状况均为敏感，与该河段污 染物入河量显著小于纳污能力以及年均水质类别均达到《地表水环境 质量标准》(GB3838-2002)规定的Ⅱ类标准相矛盾，见表11。相反， 基于本发明提出的水环境安全评估方法，某河段水环境安全状况均为 安全，与实际情况相符，见表12。与此同时，本发明将库尾河段划 分为不同评估单元，结合确定的指标权重，可对任意一组数据进行水 环境安全评估，见表6和表7。
表11基于已有技术的某水电站库尾河段水环境安全评估
表12基于本发明的某水电站库尾河段水环境安全评估
本发明与已有技术水环境安全评估成果比较如下：
在采用相同水环境安全评估指标体系和评估标准的前提下，通过 与现有常规水库水环境安全评估技术进行对比，本发明具有明显的优 势：
(1)已有技术将评价区域作为一个整体开展水环境安全评估(见 表11)，本发明考虑库尾河段敏感保护对象和污染风险源分布情况， 将库尾河段进一步划分为不同的评估单元，对各个单元进行水环境安 全评估，有利于库尾河段水环境精细化管理，见表6和表7。
(2)已有技术体系通过多组数据标准化方法确定指标确定度， 该结果受样本数量的影响，不能反映水环境系统变化特征(见表11)。 在人类社会周期性活动影响下，河流湖库等水域水环境质量亦呈现周 期性波动，寻找该变化的临界状态(既可能改善也可能恶化的状态) 及其波动幅度，有利于准确评估水环境状况。本发明以现状条件各指 标状况建立指标基准值，即为变化的临界状态，并对不同等级下的指 标变化幅度进行规定(见表2和表3)，相比现有技术能更科学描述 水域水环境变化特征。
(3)通过历史多组数据进行指标标准化和权重确定工作，现有 技术主要应用于对水域历史水环境状况的评估(见表11)，缺乏对水 环境安全状况实时评估机制。本发明构建指标确定度实时计算方法 (见表5)，所选指标原始值(未与基准值进行计算的实测或统计值) 均可通过库尾河段各污水处理厂进出水水量和水质、各评估单元内水 质自动监测站水文和水质实施监测获取，在任意时刻可获取一组指标 原始数据，通过基准值进行转换，进而计算各指标确定度并结合各指 标权重确定各个评估单元实时水环境安全状况。
(4)基于本发明的水环境安全评估结果与水环境现状相符，相 比已有技术，更能准确评估库尾不同河段水环境安全状况(见表12)。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围， 凡是利用本发明说明书所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间 接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围 内。
其它未说明的部分均属于现有技术。
Claims (8)
1.一种基于环境异质性的水库库尾河段水环境安全评估方法，其特征在于：包括如下步骤，
(1)资料收集与现场调研；
收集库尾河段水系分布、水功能区和水环境控制单元、敏感保护目标分布、城市总体规划及特色工业企业园区分布的成果；
收集库尾河段典型控制断面实测地形资料、水文站日均水位和流量资料、控制断面例行监测资料、污水处理厂运行管理台账、水质自动监测站建设运行情况、基于水环境安全评估单元划分成果的COD和氨氮纳污能力计算成果；
(2)水环境安全评估单元划分；
以河段内子流域分布为基础，考虑水功能区划、水环境控制单元、敏感保护目标分布，结合库尾污染源风险识别成果，划分库尾河段水环境安全评估单元；
(3)评价指标体系构建；
构建库尾河段水环境安全评估指标体系，建立基于“压力-状态-响应”PSR模型的水环境安全评估模型；
(4)水环境安全等级划分和阈值确定；
(5)指标权重的确定；
(6)指标确定度计算；
(7)对各评估单元水环境安全状况进行评估，确定库尾河段不同区域水环境安全等级。
2.根据权利要求1所述的基于环境异质性的水库库尾河段水环境安全评估方法，其特征在于：在步骤(2)中，水环境安全评估单元划分的具体方法为：
识别库尾河段干流及其主要支流，开展干支流汇水关系分析，确定不同汇水区域；
叠加库尾河段水环境控制单元划分成果，对不同汇水区域进行初步分区；
根据库尾河段水功能区划成果将河流进行分段，并识别其所在汇水范围；对比水环境控制单元划分成果，取精细化程度较高的成果作为当前划分成果；
识别区域水生态环境敏感目标分布特征；结合污染源调查成果，开展水环境风险识别分析，识别优先保护对象和重点管控对象；
结合优先保护对象、重点管控对象分布情况，细化控制单元得到水环境管控分区，其中法定保护地所在区域按法定保护地边界细化，城镇重点开发区、工业园区按开发边界细化；并根据细化结果，将包括饮用水水源地、生态保护对象活动区的高功能水体所在的管控分区识别为水环境优先保护区；将城镇重点开发区所在的管控分区识别为城镇生活污染重点管控区，将工业园区所在的管控分区识别为工业污染重点管控区，两者合称重点管控区；优先保护区、重点管控区之外的区域识别为一般管控区。
3.根据权利要求2所述的基于环境异质性的水库库尾河段水环境安全评估方法，其特征在于：在步骤(3)中，库尾河段水环境安全评估指标体系包括“压力”准则层下的指标因素、“状态”准则层下的指标因素和“响应”准则层下的指标因素；
“压力”准则层下的指标因素包括COD排放量、氨氮排放量、水位和流量/断面面积；
“状态”准则层下的指标因素包括COD浓度、氨氮浓度、总磷浓度、总氮浓度、特征污染物浓度；
“响应”准则层下的指标因素包括污水处理厂COD或氨氮排放量。
4.根据权利要求3所述的基于环境异质性的水库库尾河段水环境安全评估方法，其特征在于：在步骤(4)中，将库尾河段水环境安全等级划分为“不安全”、“敏感”和“安全”3个等级，并对各等级赋值，具体如下：
安全(0.7～1.0)：河段水质状况处于稳定达标状态，水域功能正常发挥得到保障；
敏感(0.3～0.7)：河段水质状况处于超标临界状态，若各水质指标浓度进一步增加，水域将处于明显超标状态；
不安全(0.0～0.3)：河段水质状况处于不达标状态，水域功能正常发挥受到威胁。
5.根据权利要求4所述的基于环境异质性的水库库尾河段水环境安全评估方法，其特征在于：在步骤(4)中，根据库尾河段现状污染物排放水平和纳污能力，合理确定不同等级下“压力”准则层和“响应”准则层指标上下限；“状态”准则层下指标上下限根据河段水质管理目标确定，考虑水质检测误差影响，水质指标浓度取水质目标上限值(X)偏差±20％范围，即0.8X～1.2X为敏感，取水质指标浓度小于0.8X的情形为安全，取水质指标浓度大于1.2X的情形为不安全。
6.根据权利要求5所述的基于环境异质性的水库库尾河段水环境安全评估方法，其特征在于：在步骤(5)中，指标数值均为年均值或年统计值，其中水位指标采用年均水位与年度最低水位的差值；
假定指标体系具有n个指标，选用m组样本构成数据矩阵(xij)m×n；采用熵值法计算指标权重，计算公式如下：
式中：ej为熵值；m为样本数据组数量；pij为第i组第j项指标对各组数据第j项指标加和的贡献度；常数k＝(In m)-1；
第j项指标的权重wj为：
上式(3)中，n为指标个数。
7.根据权利要求6所述的基于环境异质性的水库库尾河段水环境安全评估方法，其特征在于：在步骤(6)中，根据不同水环境安全等级划分阈值以及各指标不同等级上下限值，采用数学模型计算各指标确定度uj；
数学模型包括线性模型和指数模型。
8.根据权利要求7所述的基于环境异质性的水库库尾河段水环境安全评估方法，其特征在于：在步骤(7)中，水环境安全评估的具体方法为：根据各指标权重和确定度，计算水环境安全综合指数R，将计算数值与不同水环境安全等级划分阈值对比确定水环境安全等级，计算如下：
在公式(4)中，wj表示第j项指标；uj表示指标确定度；n为指标个数。
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