基于指標規(guī)范值的綜合水質(zhì)標識指數(shù)法

張宏富

(成都信息工程學院,四川成都610225)

0 引言

目前常用的水質(zhì)評價方法有多種,這些方法各有其優(yōu)點,但也存在一些不足。比如,模糊評價法、灰色評價法、物元可拓評價法、集對分析評價法及未確知測度評價法等均需要構(gòu)造眾多的評價函數(shù),當指標數(shù)較多時設(shè)計和計算工作量皆很大,且評價函數(shù)設(shè)計又無規(guī)律可循,主觀性較大[1-4]。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和投影尋蹤技術(shù)等水質(zhì)評價模型中有大量參數(shù)需要優(yōu)化確定,不僅編程復雜,而且模型優(yōu)化效果會受模型的初始參數(shù)和動態(tài)調(diào)整參數(shù)選擇的影響。水質(zhì)標識指數(shù)法可以完整表達某個水質(zhì)指標的污染水平,且計算簡便[5-9]。不過,傳統(tǒng)的綜合水質(zhì)標識指數(shù)法只是各單因子水質(zhì)標識指數(shù)的算術(shù)平均值,不能反映各指標對整體水質(zhì)的污染貢獻的差異[10]。針對傳統(tǒng)的綜合水質(zhì)標識指數(shù)法的不足,提出基于指標規(guī)范值的綜合水質(zhì)標識指數(shù)法。該方法在設(shè)定指標參照值和指標規(guī)范變換式及對指標值進行規(guī)范化處理基礎(chǔ)上,采用超標法對各指標加權(quán),得到基于指標規(guī)范值的綜合水質(zhì)標識指數(shù),以此作為依據(jù)進行水質(zhì)評價。將基于指標規(guī)范值的綜合水質(zhì)標識指數(shù)評價法應(yīng)用于浮橋河水庫水質(zhì)評價,并與其他評價法的評價結(jié)果進行比較。

1 地表水指標的選取及指標參照值和指標值的規(guī)范變換式

依照國家制定的地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB/3838-2002),選取如表1所示的24項地表水指標。通過反復的調(diào)整和試算,適當設(shè)定各指標的參照值cj0,并對各指標值設(shè)計如式(1)和式(2)所示的規(guī)范變換式。

式(1)和式(2)分別稱為指標j的變換式和規(guī)范變換式;與此相應(yīng),xj和x′j分別稱為指標j的變換值和規(guī)范值;cj為指標j的國家標準值或監(jiān)測值;cj0為設(shè)定的指標j的參照值。24項地表水指標的參照值cj0、各分級標準值cjk(j=1～24;k=1～5)及其規(guī)范值 x′jk如表1所示。

表1 24項地表水指標的參照值cj0、各分級標準值cjk及其規(guī)范值x′jk

2 地表水指標規(guī)范值的分級標準

用式(1)和式(2)對表1中的24項地表水指標的各級標準值進行規(guī)范變換,將同級標準規(guī)范值 x′jk差異較小的指標進行歸類,則24項指標可歸為A、B、C 3大類,如表2所示。由于同屬一類的指標的同級標準規(guī)范值差異很小,因而同屬一類的指標皆可用一個“等效”規(guī)范指標替代,并將它們同級標準規(guī)范值的平均值作為該類“等效”指標的分級標準值。

表2 各類地表水指標規(guī)范值的分級標準值 x′lk

3 基于指標規(guī)范值的單因子水質(zhì)標識指數(shù)公式

單因子水質(zhì)標識指數(shù)就是依據(jù)單因子水質(zhì)指標規(guī)范值的分級標準(表2),在水質(zhì)指標的水質(zhì)第k級下限值上加上在該類中的線性增量值?；诖?依據(jù)表2判斷,當水質(zhì)介于Ⅰ類水和Ⅴ類水之間時,地表水24項指標的單因子水質(zhì)標識指數(shù) pj為:

式中kj為第j項水質(zhì)指標的水質(zhì)類別,取值1,2,…,5;χ′jk下為第j項水質(zhì)指標第kj類水區(qū)間的下限值的規(guī)范值;χ′jk上為第j項水質(zhì)指標第kj類水區(qū)間的上限值的規(guī)范值;x′j為第j項指標的實測濃度規(guī)范值。當水質(zhì)屬于劣Ⅴ類標準時,其單因子水質(zhì)標識指數(shù) pj為:

4 確定權(quán)重

常用的權(quán)值確定方法有變異系數(shù)法、熵權(quán)賦權(quán)法和因子分析法[8]等,這些方法存在一些不足。采用式(5)所示的超標賦權(quán)法確定權(quán)值[8]。

式中,ωj為指標j的歸一化權(quán)值;αj為由式(6)確定的指標j的超標倍數(shù);n為數(shù)據(jù)指標個數(shù)。

式中,x′j5為指標j的Ⅴ類水質(zhì)評價標準規(guī)范值。

5 基于指標規(guī)范值的綜合水質(zhì)標識指數(shù)

在用式(5)和式(6)超標賦權(quán)法確定各指標(單因子)權(quán)重后,再用各單因子水質(zhì)標識指數(shù)的加權(quán)和作為綜合水質(zhì)標識指數(shù),如式(7)所示。

式中,p為綜合水質(zhì)標識指數(shù),pj為指標j的單因子水質(zhì)標識指數(shù),ωj為各相應(yīng)指標j的歸一化權(quán)值權(quán)重,n為數(shù)據(jù)指標個數(shù)。

6 綜合水質(zhì)級別的判定

綜合水質(zhì)標識指數(shù)p與綜合水質(zhì)級別判定的對應(yīng)關(guān)系見表3。

表3 水質(zhì)級別判定

7 實例分析

河橋枯水期的5個監(jiān)測斷面的DO,CODCr,CODMn,BOD5,TP,NH3-N和TN共7項地表水水質(zhì)指標監(jiān)測數(shù)據(jù)如表4所示[11]。

從表1中查出表4中的7項指標的參照值cj0,并用式(1)和式(2)求出各個斷面各指標的規(guī)范值 x′j,亦見表4。再依據(jù)表2各指標規(guī)范值的分級標準值,用式(3)～式(7)計算得到各斷面綜合水質(zhì)標識指數(shù)及根據(jù)水質(zhì)綜合標識指數(shù)分級標準作出的綜合水質(zhì)評價結(jié)果見表5。

表4 河橋枯水期指標監(jiān)測數(shù)據(jù)cj及其規(guī)范值x′j(cj:mg·L-1)

表5 河橋枯水期各監(jiān)測斷面的綜合水質(zhì)標識指數(shù)及水質(zhì)評價結(jié)果

[11]用熵權(quán)屬性識別法和數(shù)據(jù)驅(qū)動權(quán)重屬性識別法對本實例作出的評價結(jié)果見與用指標規(guī)范值的綜合水質(zhì)標識指數(shù)法的評價結(jié)果基本一致。表明:此方法具有科學性、合理性、實用性。

8 結(jié)論

(1)基于指標規(guī)范值的綜合水質(zhì)標識指數(shù)法更加精確、客觀地反映水質(zhì)指標的污染狀況,能比較全面準確的反映整體水質(zhì)信息,而且評價結(jié)果直觀。

(2)采用超標賦權(quán)法克服了某些賦權(quán)方法的不足,既能增加超標指標的權(quán)重,突出超標因子的影響,又能夠反映同一指標在不同斷面、不同監(jiān)測時段的污染貢獻差異,直觀地比較不同斷面水質(zhì)的優(yōu)劣。

(3)基于指標規(guī)范值的綜合水質(zhì)標識指數(shù)的判別標準不隨指標數(shù)目的多少而改變,因而與傳統(tǒng)的綜合水質(zhì)標識指數(shù)法相比,該方法計算更簡便,更具有普適性和通用性。

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