一种基于可控标准的地表水质综合评价体系

摘要

本发明公开了一种基于可控标准的地表水质综合评价体系，主要包括：利用箱型图法进行水质数据的预处理；利用污染贡献率法和加权主成分分析结合的方式计算水质指标的权重；根据绝对标准和相对标准对单项水质指标进行绝对评价和相对评价；用百分制表示水质评价结果，并用雷达扫描图直观的展示出来。本发明用精细定量的百分制评价方式代替粗放的地表五类水水质标准划分，评价结果更加直观、客观、精细、合理。绝对评价和相对评价相结合，不仅可以用于不同水体水质状况的横向对比，还可以反映评价水体水质状况在时间维度上的纵向变化。

权利要求

1.一种基于可控标准的地表水质综合评价方法，其特征在于：针对水域水质控制目标，根据国家绝对标准或达标相对标准，对水质进行绝对评价或相对评价，所述的绝对评价和所述的相对评价结果均为定量分值；所述绝对评价的方法包括如下步骤：步骤1计算各单向评价指标的类别标识值，所述类别标识值依据下表水质指标浓度和标识值之间的关系线性插值得出；

步骤2计算各单向评价指标的评价分数，依据非线性关系计算评价分数，公式如下：式中：a为评价类别标识值；y为绝对评价方法的评价分数；

步骤3根据各单向评价指标的权重和单项指标评价结果，进行水质综合评价。

2.根据权利要求1所述的基于可控标准的地表水质综合评价方法，其特征在于：所述的评价的具体方法为：步骤一：输入多指标水质样本，利用箱型图法对水质数据进行预处理;步骤二：利用污染贡献率法赋予各指标初始权重，进一步利用加权主成分分析法确定评价指标的最终权重；

步骤三：针对特定水域水质控制目标，根据国家绝对标准和达标相对标准，对单项水质指标进行绝对评价和相对评价；

步骤四：根据步骤二的最终权重和步骤三的单项指标评价结果，进行水质综合评价。

3.根据权利要求1或2所述的基于可控标准的地表水质综合评价方法，其特征在于：所述的水质综合评价结果利用雷达扫描图的方式，直观的表达出来。

4.根据权利要求1或2所述的基于可控标准的地表水质综合评价方法，其特征在于：所述绝对标准确定为：对《地表水环境质量标准》基本项目标准限值进行扩充，添加最优限值和最劣限值; 对于非溶解氧项目，最优限值为I类水标准值的2/3倍，最劣限值为V类水标准值的2倍；对于溶解氧，最优限值为I类水标准值的1.5倍，最劣限值为V类水标准值的0.5倍。

5.根据权利要求1或2所述基于可控标准的地表水质综合评价方法，其特征在于，所述相对标准确定为：以评价水域水功能区目标为基准，采用浮动的评价准则，在达到水功能区目标时，评价结果为80分；评价准则见下表，各分数梯度之间采用线性评价方式。

6.根据权利要求1或2所述基于可控标准的地表水质综合评价方法，其特征在于，最终评价结果展示采用雷达扫描图展示，按照评价权重从小到大的顺序，由内向外将各评价指标的评价结果展示出来，最终阴影环形面积即为水质综合评价结果。

7.根据权利要求1所述的基于可控标准的地表水质综合评价方法，其特征在于：所述的评价结果选用百分制。

说明书

一种基于可控标准的地表水质综合评价体系

技术领域

[0001] 本发明属于环境评价领域，更具体地，是涉及一种基于绝对标准和相对标准的、以百分制为基础的地表水质综合评价体系。

背景技术

[0002] 在“河长制”引领我国水利发展的背景之下，水环境治理工作的重要性提高到了新的高度，客观合理反映河长负责水域水质状况的评价方法则是开展河湖管理工作的基础。水质评价的结果不仅应提供水质类别、污染程度等，还应准确反应水质状况的时空变化。另外，为了方便水环境管理者决策、公众监督及河长工作考核，评价方法应具备较高的数据可视化特点和直观的评价结果。

[0003] 现阶段水质评价方法可分为确定性方法和不确定性方法。确定性方法主要包括：单因子评价法，其一票否决的评价原则过于严苛；污染指数评价法，其评价方式不能反映不同指标的重要性差异，评价结果不够客观合理。不确定性方法主要包括：模糊数学评价法，其隶属度函数的计算主观性较大；人工神经网络法，其计算过于繁琐复杂，不利于推广运用。另外，以上方法最终的评价结果均落于五类水的划分上，在目前监测水平的提高和大数据技术的发展下，显得过于粗放。因此，对水质进行更加精细的定量评价尤为必要。

发明内容

[0004] 本发明目的是针对目前粗放的水质评价方式，建立一种标准可控、精细定量、基于百分制的地表水质综合评价体系，并采用雷达扫描图，对评价结果进行直观的表达。

[0005] 为实现上述目的，本发明基于可控标准的地表水质百分制综合评价体系，可采用如下技术方案实现：

[0006] 1.水质数据预处理

[0007] 输入多指标水质样本后，利用箱型图对水质数据进行筛选和剔除。

[0008] 2.评价指标权重的确定

[0009] 利用污染贡献率法赋予各指标初始权重，利用加权主成分分析法确定评价指标的最终权重。将标准化后的水质数据进行赋权后，计算其协方差矩阵、特征向量、信息贡献率和累积贡献率。将特征向量进行绝对值变换后，以信息贡献率为权重，计算各评价指标的最终权重。

[0010] 3.单项指标的评价

[0011] 评价标准分为绝对标准(《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，以下简称《标准》)和相对标准(评价水域水功能区目标)。对《标准》基本项目标准限值进行扩充，添加最优限值和最劣限值。对于非溶解氧项目，最优限值为I类水标准值的2/3倍，最劣限值为V类水标准值的2倍；对于溶解氧，最优限值为I类水标准值的1.5倍，最劣限值为V类水标准值的0.5倍。

[0012] 相应的评价方法分为绝对评价方法和相对评价方法，均以百分制为基础。

[0013] (1)绝对评价方法

[0014] 绝对评价方法引入评价类别标识值，将水质数据转化为类别标识值后，再用式(1)计算评价分数。评价类别标识值与水功能区类别标准值的关系见表1，各标识值之间采用线性插值的方式进行计算。

[0015]

[0016] 式中：a为水质类别标识值；y为绝对评价方法的评价分数，保留一位小数。

[0017] 表1类别标识值计算表

[0018]

[0019] (2)相对评价方法

[0020] 相对评价方法以评价水域水功能区目标标准值为基准，采用浮动的评价准则。在达到水功能区目标时，评价结果为80分，其它评价分数控制点见表2，各控制点之间采用线性评价方式。

[0021] 表2相对评价方法评价准则表

[0022]

[0023] 4.水质综合评价

[0024] 水质综合评价同样分为绝对评价和相对评价。将步骤3中单项指标绝对和相对评价的结果，分别与步骤2中各指标的最终权重相乘并求和，即得到以百分制为基础的水质综合评价结果。

[0025] 5.评价结果的展示

[0026] 评价结果采用雷达扫描图的表达方式，按照评价权重从小到大的顺序，由内向外将各评价指标的评价结果展示出来，最终阴影环形面积即为水质综合评价结果。

[0027] 优选地，步骤2在进行加权主成分分析之前，数据标准化采用z-score方法。

[0028] 优选地，步骤2加权主成分分析的初始权重由污染贡献率法算得，主成分个数等于特征向量的个数。

[0029] 优选地，步骤3中相对评价法在达到水功能区目标时，评价结果计为80分。

[0030] 本发明的优点在于：用精细定量的百分制评价方式代替粗放的五类水划分方式，评价结果更加客观合理。评价标准采用绝对评价和相对评价结合的方式，绝对评价考虑了水质状况的非线性变化，可用于不同水体水质状况的横向对比；相对评价因地制宜，可贴切反映评价水体水质状况在时间维度上的纵向变化。评价结果采用雷达扫描图的展示方法，直观明了，有利于管理者的决策和公众的认知。在“河长制”的管理背景下，本发明方便对河长管理成果进行定量考核，可以与软件系统结合进行有效运用,有助于水质演化过程趋势的定量评价，全面正确评价管理者的工作业绩。采用雷达扫描图展示水质评价结果的直观方式，也有利于本发明在实际运用中得到推广应用。

附图说明

[0031] 图1为本发明用箱型图进行水质数据预处理时的过程图，以高锰酸盐指数为例。

[0032] 图2为本发明的雷达扫描图，用于直观地展示水质评价结果。

具体实施方式

[0033] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明，应理解这些实施例仅用于解释说明本发明，并不用于限定本发明的范围。本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

[0034] 1.水质数据预处理

[0035] 实施例采用江苏省某淡水湖泊一水质监测点2016年6月至2017年4月氨氮(NH3-N)、高锰酸盐指数(CODMn)、总氮(TN)、总磷(TP)、溶解氧(DO)的日监测数据，利用箱型图法对水质数据进行筛选和剔除。箱型图异常值的识别标准设计为：小于Q1-1.5IQR或大于Q3+1.5IQR的值。其中，Q1为数据的上四分位数，Q3为数据的下四分位数，IQR为数据的四分位距。以高锰酸盐指数为例，其箱型图法筛选过程见附图1，第5、66、67数据点位于上边缘之外，第44、50数据点位于下边缘之外，均为异常值，予以剔除。

[0036] 2.评价指标权重的确定

[0037] (1)利用污染贡献率法赋予各指标初始权重，计算方法如式(2)：

[0038]

[0039] 式中：woj为第j项水质评价指标初始权重；Ij为第j项水质评价指标的污染指数。

[0040] 对于非溶解氧指标，污染指数计算方法为：

[0041]

[0042] 式中：Cj为第j项水质评价指标实测浓度；Soj为与水环境功能区对应的第j项水质指标的浓度限值。

[0043] 对于溶解氧，污染指数Ij即公式中的IDO计算公式为：

[0044]

[0045] 式中：IDO为溶解氧的污染指数；CDO为溶解氧的实测浓度；CDO,f为饱和溶解氧浓度；So,DO与水环境功能区对应的溶解氧浓度限值。

[0046] (2)利用加权主成分分析法确定评价指标的最终权重。将z-score标准化后的水质数据赋予初始权重后，进行主成分分析，计算其协方差矩阵、特征向量、信息贡献率和累积贡献率。将特征向量进行绝对值变换后，以信息贡献率为权重，计算各评价指标的最终权重，计算方法如式(4)：

[0047]

[0048] 式中：wj为各评价指标的最终权重；λk为第k个特征向量；ηk为第k个特征向量的信息贡献率；Q为特征向量的计入个数。

[0049] 以实施例数据为例，其水功能区目标为Ⅱ类水，主成分分析的初始权重和评价指标最终权重计算结果见表3。

[0050] 表3权重计算表

[0051]项目 氨氮 高锰酸盐指数 总氮 总磷 溶解氧
水质目标 0.50 4.00 0.50 0.025 6.00
初始权重 0.201 0.119 0.249 0.356 0.045
最终权重 0.210 0.070 0.252 0.445 0.023

[0052] 3.单项指标的评价

[0053] (1)绝对评价方法

[0054] 将水质数据按照表1转化为水质类别标识值，各标识值之间采用线性插值的方式进行计算。再根据类别标识值利用公式(1)计算单项指标的评价分数。以实施例2016年6月20日氨氮数据为例，氨氮浓度为0 .64mg/L，其水 质类别标识值a为：
则评价分数y为：
水质类别标识值具体计算公式如下。其中
氨氮、高锰酸盐指数、总氮、总磷、溶解氧的相对评价分数分别用aNH3N、aCODMn、aTN、aTP和aDO表示。

[0055]

[0056]

[0057]

[0058]

[0059]

[0060] (2)相对评价方法

[0061] 相对评价方法以评价水域水功能区目标标准值为基准，采用浮动的评价准则。在达到水功能区目标时，评价结果为80分。同样以实施例2016年6月20日氨氮数据为例，氨氮浓度为0.64mg/L，则评价分数z为： 根据表2，各指标相对评价分数可用如下公式计算。其中氨氮、高锰酸盐指数、总氮、总磷、溶解氧的相对评价分数分别用 zTN、zTP和zDO表示。

[0062]

[0063]

[0064]

[0065]

[0066]

[0067] 4.水质综合评价

[0068] 将单项指标绝对和相对评价的结果，分别与各指标的最终权重相乘并求和，即得到以百分制为基础的水质综合评价结果。实施例2016年6月20日五个指标的浓度和采用两个标准的评价分数见表4，结合表3中的最终权重，可算得绝对评价分数为0.210*78.8+0.070*81.1+0.252*82.8+0.445*56.3+0.023*87.9＝70.2分，相对评价分数为0.210*77.3+
0.070*79.6+0.252*81.2+0.445*58.1+0.023*86.4＝70.1分。

[0069] 表4单项指标评价表

[0070]项目 氨氮 高锰酸盐指数 总氮 总磷 溶解氧
浓度(mg/L) 0.64 4.12 0.47 0.11 6.96
绝对评价 78.8 81.1 82.8 56.3 87.9
相对评价 77.3 79.6 81.2 58.1 86.4

[0071] 5.评价结果的展示

[0072] 评价结果采用雷达扫描图的表达方式，按照评价权重从小到大的顺序，由内向外将各评价指标的评价结果展示出来，环形阴影颜色越深，代表水质状况越差，总圆的面积为100，环形阴影面积即为水质综合评价分数。上述案例相对评价的结果展示见附图2。