本發(fā)明涉及一種水環(huán)境評價方法，具體涉及一種調(diào)水引流水環(huán)境改善效果綜合評價方法。

背景技術(shù)：

隨著城市人口的持續(xù)增長、城市經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的不斷推進，在人類活動的影響下，水環(huán)境問題日益嚴重。目前，調(diào)水引流因其見效快、效果明顯的特點，在全國范圍內(nèi)廣泛應用于河道治污、生態(tài)環(huán)境修復，同時，對于水資源空間分布不均衡的國家或地區(qū)，調(diào)水引流工程也是水資源再分配的有效措施和途徑之一。

調(diào)水引流通常是以相對清潔的水體為供水水源，將水質(zhì)較好的水引入受污染的河道，能快速稀釋降低污染物質(zhì)在水體中的相對濃度，從而增大了水體的凈污比，使其稀釋容量大大提高，減輕了污染物質(zhì)在水體中的危害程度。調(diào)水期間水體的水動力條件得到改善，水體的復氧量增加，有利于水體自凈能力的提高，同時調(diào)水也使死水區(qū)和非主流區(qū)的污染水體得到置換。與此同時，調(diào)水還改變了河網(wǎng)水體的流向，使水體由靜止或往復流變成單向流，加速了污染物向區(qū)域外圍的遷移。

由于水文、水質(zhì)、邊界情況、水工構(gòu)筑物的復雜性，可制定多種調(diào)水引流方案，不同調(diào)水方案的調(diào)水效果也各不相同。為研究不同工況條件下調(diào)水引流的最佳組合，常通過野外調(diào)水實驗以及建立水環(huán)境數(shù)學模型對水動力水質(zhì)進行模擬，從而獲得調(diào)水引流方案的效果，包括各項水質(zhì)指標的改善率、換水率等。傳統(tǒng)的調(diào)水引流方案研究中，大多以單項指標作為評價標準，或?qū)Χ囗椫笜诉M行主觀評價，存在以偏概全的缺陷，考慮因素不夠全面，缺乏對調(diào)水引流水環(huán)境改善效果客觀、科學、合理的綜合評價方法。

為了客觀、科學、合理地評價調(diào)水引流水環(huán)境改善效果，綜合、全面地考慮各因素，得出水動力、水質(zhì)、經(jīng)濟上最優(yōu)的調(diào)水引流方案，本發(fā)明提出了一種調(diào)水引流水環(huán)境改善效果綜合評價的新方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種綜合、全面地考慮各因素，得出水動力、水質(zhì)、經(jīng)濟上最優(yōu)的調(diào)水引流水環(huán)境改善效果綜合評價的新方法。

為了實現(xiàn)上述目標，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種調(diào)水引流水環(huán)境改善效果綜合評價方法，包括以下步驟：

s1、獲取反映調(diào)水引流水環(huán)境改善效果的指標及數(shù)據(jù)；

s2、建立水環(huán)境改善效果綜合評價體系；

s3、采用主成分分析法與熵值法對上述指標進行賦權(quán)；

s4、合成各斷面得分，然后確定各方案得分，對調(diào)水引流水環(huán)境改善效果進行綜合評價分析。

上述步驟s1中的指標及數(shù)據(jù)來源于實際檢測或數(shù)學模型模擬計算。

上述步驟s1中的指標包括水質(zhì)改善指標、水動力改善指標、經(jīng)濟指標；

其中水質(zhì)改善指標包括化學需氧量改善率(cod)、五日生化需氧量改善率(bod5)、氨氮改善率(nh3-n)、總氮改善率(tn)、總磷改善率(tp)、高錳酸鹽指數(shù)改善率(codmn)，

水動力改善指標為換水率，

經(jīng)濟指標為費用節(jié)約率。

上述步驟s1中的數(shù)據(jù)包括水文數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)和經(jīng)濟數(shù)據(jù)；

水文數(shù)據(jù)包括河道斷面面積、水深、水位；

水質(zhì)數(shù)據(jù)包括調(diào)水引流前和引流后的化學需氧量(cod)、五日生化需氧量(bod5)、氨氮(nh3-n)、總氮(tn)、總磷(tp)、高錳酸鹽指數(shù)(codmn)；

經(jīng)濟數(shù)據(jù)包括項目預算、水工建筑物建設維護成本。

上述步驟s2中水環(huán)境改善效果綜合評價體系包括目標層、指標層及子指標層；

所述目標層為水環(huán)境改善效果綜合評價指標；

指標層包括水動力改善效果評價指標、水質(zhì)改善效果評價指標、經(jīng)濟評價指標；

水質(zhì)改善效果評價指標下設子指標層，包括化學需氧量(cod)改善率評價指標、五日生化需氧量(bod5)改善率評價指標、氨氮(nh3-n)改善率評價指標、總氮(tn)改善率評價指標、總磷(tp)改善率評價指標、高錳酸鹽指數(shù)(codmn)改善率評價指標。

上述步驟s3中對指標進行賦權(quán)，包括以下步驟：

a1、確定水質(zhì)改善效果評價指標的主成分

采用主成分分析法對水質(zhì)改善效果評價指標體系進行降維處理，將眾多水質(zhì)評價指標(x1，x2，…，xm)轉(zhuǎn)化為一組較少個數(shù)的水質(zhì)綜合指標(f1，f2，…，fn)。

假設a個方案各包括k個斷面共有p組水質(zhì)數(shù)據(jù)(p＝a×k)，m個評價指標的原始數(shù)據(jù)構(gòu)成矩陣[xij^*]p×m，對數(shù)據(jù)進行標準化處理，消除量綱的影響，得到標準化矩陣[xij]p×m：

其中，i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，m；minxj^*和maxxj^*分別為各組中第j項指標的最小值和最大值；

計算協(xié)方差矩陣∑＝(sij)m×m：

其中，sij為水質(zhì)評價指標的原始變量xi與xj的相關系數(shù)；i，j＝1，2，…，m；

數(shù)據(jù)標準化后的協(xié)方差矩陣即為相關系數(shù)矩陣，計算∑的特征值λi(i＝1，2，…，m；降序排列)及相應的單位特征向量ai(i＝1，2，…，m)，aij表示向量ai的第j個分量，計算累積貢獻率g(n)：

根據(jù)選取主成分個數(shù)的原則，特征值要求大于1且累計貢獻率大于85％的特征值λ1，λ2，…，λn所對應的1，2，…，n，其中整數(shù)n即為主成分個數(shù)。

主成分函數(shù)表達式為：

其中aij表示主成分系數(shù)，也是單位特征向量ai的第j個分量，xj表示水質(zhì)評價指標(原始變量)，fi表示水質(zhì)綜合評價指標(主成分)，i＝1，2，…，n。

綜上，每個水質(zhì)綜合指標表示為水質(zhì)評價指標的線性組合，眾多水質(zhì)評價指標(x1，x2，…，xm)轉(zhuǎn)化為一組較少個數(shù)的水質(zhì)綜合指標(f1，f2，…，fn)。

a2、換水率計算如下：

α＝v1/v0(6)

式中，α為換水率，v1為引排水量，v0為原河道水量。

a3、費用節(jié)約率計算如下：

費用節(jié)約率作為經(jīng)濟指標，正數(shù)表示節(jié)約，負數(shù)表示超支。

s＝ep-er(7)

rs＝s/ep×100％(8)

式中，s為費用節(jié)約額，ep為總費用預算支出額，er為費用實際支出額，

rs為費用節(jié)約率。

a4、計算水環(huán)境改善效果評價指標的熵權(quán)

通過主成分分析，m項水質(zhì)評價指標簡化為n項水質(zhì)綜合指標。

如步驟a1中假設，a個方案各包括k個斷面共有p組數(shù)據(jù)(p＝a×k)，這里n(n＝n+2)個評價指標(水質(zhì)綜合指標、水動力指標、經(jīng)濟指標)的原始數(shù)據(jù)構(gòu)成矩陣[rij^*]p×n，各項指標均為正向指標，對數(shù)據(jù)進行標準化處理，消除量綱的影響，標準化后的矩陣為[rij]p×n，公式如下：

其中i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，n；

式中，rij表示第i組數(shù)據(jù)第j項指標的數(shù)值，minrj^*和maxrj^*分別為各組中第j項指標的最小值和最大值。

計算第i組數(shù)據(jù)第j項指標值的比重fij、信息熵hj、信息冗余度dj、指標權(quán)重wj：

其中i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，n；

其中i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，n；常數(shù)k＝1/ln(p)；

dj＝1-hj(12)

其中j＝1，2，…，n；

其中j＝1，2，…，n；

則單指標評價得分為：

sij＝wj×rij(14)

其中i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，n；

上述步驟s4中合成各斷面得分及確定各方案得分，方法如下：a個方案各包括k個斷面共有p組數(shù)據(jù)，n個評價指標，則單個斷面評價得分si為：

其中i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，n；

各方案得分ti則為對應k個斷面的得分之和

其中h＝1，2，…，a；i＝1，2，…，p(p＝a×k)。

本發(fā)明的有益之處在于：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明克服了傳統(tǒng)評價方法中存在以偏概全、考慮因素不夠全面的缺陷。

本發(fā)明綜合、全面地考慮各指標因素，客觀、科學、合理地評價調(diào)水引流水環(huán)境改善效果，為得出水動力、水質(zhì)、經(jīng)濟上最優(yōu)的調(diào)水引流方案提供依據(jù)。具有很強的實用性和廣泛的適用性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的一種調(diào)水引流水環(huán)境改善效果綜合評價方法流程圖；

圖2是本發(fā)明實施例提供的一種調(diào)水引流水環(huán)境改善效果綜合評價系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作具體的介紹。

一種調(diào)水引流水環(huán)境改善效果綜合評價方法，包括以下步驟：

s1、根據(jù)實際檢測或數(shù)學模型模擬計算，獲取反映調(diào)水引流水環(huán)境改善效果的指標及數(shù)據(jù)；指標包括水質(zhì)改善指標、水動力改善指標、經(jīng)濟指標。

其中，水質(zhì)改善指標包括化學需氧量改善率(cod)、五日生化需氧量改善率(bod5)、氨氮改善率(nh3-n)、總氮改善率(tn)、總磷改善率(tp)、高錳酸鹽指數(shù)改善率(codmn)，

水動力改善指標為換水率；

經(jīng)濟指標為費用節(jié)約率；

數(shù)據(jù)包括水文數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)和經(jīng)濟數(shù)據(jù)；

其中，水文數(shù)據(jù)包括河道斷面面積、水深、水位；

水質(zhì)數(shù)據(jù)包括調(diào)水引流前和引流后的化學需氧量(cod)、五日生化需氧量(bod5)、氨氮(nh3-n)、總氮(tn)、總磷(tp)、高錳酸鹽指數(shù)(codmn)；

經(jīng)濟數(shù)據(jù)包括項目預算、水工建筑物建設維護成本。

s2、建立水環(huán)境改善效果綜合評價體系，包括目標層、指標層及子指標層。

目標層為水環(huán)境改善效果綜合評價指標；

指標層包括水動力改善效果評價指標、水質(zhì)改善效果評價指標、經(jīng)濟評價指標；

水質(zhì)改善效果評價指標下設子指標層，包括化學需氧量(cod)改善率評價指標、五日生化需氧量(bod5)改善率評價指標、氨氮(nh3-n)改善率評價指標、總氮(tn)改善率評價指標、總磷(tp)改善率評價指標、高錳酸鹽指數(shù)(codmn)改善率評價指標。

s3、采用主成分分析法與熵值法對上述指標進行賦權(quán)，包括以下步驟：

a1、確定水質(zhì)改善效果評價指標的主成分

采用主成分分析法對水質(zhì)改善效果評價指標體系進行降維處理，將眾多水質(zhì)評價指標(x1，x2，…，xm)轉(zhuǎn)化為一組較少個數(shù)的水質(zhì)綜合指標(f1，f2，…，fn)。

假設a個方案各包括k個斷面共有p組水質(zhì)數(shù)據(jù)(p＝a×k)，m個評價指標的原始數(shù)據(jù)構(gòu)成矩陣[xij^*]p×m，對數(shù)據(jù)進行標準化處理，消除量綱的影響，得到標準化矩陣[xij]p×m：

其中，i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，m；minxj^*和maxxj^*分別為各組中第j項指標的最小值和最大值；

計算協(xié)方差矩陣∑＝(sij)m×m：

其中，sij為水質(zhì)評價指標的原始變量xi與xj的相關系數(shù)；i，j＝1，2，…，m；

數(shù)據(jù)標準化后的協(xié)方差矩陣即為相關系數(shù)矩陣，計算∑的特征值λi(i＝1，2，…，m；降序排列)及相應的單位特征向量ai(i＝1，2，…，m)，aij表示向量ai的第j個分量，計算累積貢獻率g(n)：

根據(jù)選取主成分個數(shù)的原則，特征值要求大于1且累計貢獻率大于85％的特征值λ1，λ2，…，λn所對應的1，2，…，n，其中整數(shù)n即為主成分個數(shù)。

主成分函數(shù)表達式為：

其中aij表示主成分系數(shù)，也是單位特征向量ai的第j個分量，xj表示水質(zhì)評價指標(原始變量)，fi表示水質(zhì)綜合評價指標(主成分)，i＝1，2，…，n。

綜上，每個水質(zhì)綜合指標表示為水質(zhì)評價指標的線性組合，眾多水質(zhì)評價指標(x1，x2，…，xm)轉(zhuǎn)化為一組較少個數(shù)的水質(zhì)綜合指標(f1，f2，…，fn)。

a2、換水率計算如下：

α＝v1/v0(6)

式中，α為換水率，v1為引排水量，v0為原河道水量。

a3、費用節(jié)約率計算如下：

費用節(jié)約率作為經(jīng)濟指標，正數(shù)表示節(jié)約，負數(shù)表示超支。

s＝ep-er(7)

rs＝s/ep×100％(8)

式中，s為費用節(jié)約額，ep為總費用預算支出額，er為費用實際支出額，rs為費用節(jié)約率。

a4、計算水環(huán)境改善效果評價指標的熵權(quán)

通過主成分分析，m項水質(zhì)評價指標簡化為n項水質(zhì)綜合指標。

如步驟a1中假設，a個方案各包括k個斷面共有p組數(shù)據(jù)(p＝a×k)，這里n(n＝n+2)個評價指標(水質(zhì)綜合指標、水動力指標、經(jīng)濟指標)的原始數(shù)據(jù)構(gòu)成矩陣[rij^*]p×n，各項指標均為正向指標，對數(shù)據(jù)進行標準化處理，消除量綱的影響，標準化后的矩陣為[rij]p×n，公式如下：

其中i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，n；

式中，rij表示第i組數(shù)據(jù)第j項指標的數(shù)值，minrj^*和maxrj^*分別為各組中第j項指標的最小值和最大值。

計算第i組數(shù)據(jù)第j項指標值的比重fij、信息熵hj、信息冗余度dj、指標權(quán)重wj：

其中i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，n；

其中i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，n；常數(shù)k＝1/ln(p)；

dj＝1-hj(12)

其中j＝1，2，…，n；

其中j＝1，2，…，n；

則單指標評價得分為：

sij＝wj×rij(14)

其中i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，n；

s4、合成各斷面得分，然后確定各方案得分，對調(diào)水引流水環(huán)境改善效果進行綜合評價分析，方法如下：a個方案各包括k個斷面共有p組數(shù)據(jù)，n個評價指標，則單個斷面評價得分si為：

其中i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，n；

各方案得分ti則為對應k個斷面的得分之和

其中h＝1，2，…，a；i＝1，2，…，p(p＝a×k)。

降序排列后即可得到最優(yōu)方案。

下面以取自于某城市河網(wǎng)調(diào)水引流試驗的數(shù)據(jù)為例，說明本發(fā)明實施例方法的處理過程。

1、獲取反映調(diào)水引流水環(huán)境改善效果的多項指標相關數(shù)據(jù)如表1所示。

表1相關指標及數(shù)據(jù)(單位：％)

2、建立水環(huán)境改善效果綜合評價體系，見附圖2，

本實施例中水環(huán)境改善效果綜合評價體系包括目標層、指標層及子指標層。目標層為調(diào)水引流水環(huán)境改善效果綜合評價指標；指標層包括水動力改善效果評價指標(具體為換水率)、水質(zhì)改善效果評價指標、經(jīng)濟評價指標(具體為費用節(jié)約率)；其中水質(zhì)改善效果評價指標含有子指標層，包括化學需氧量(cod)、五日生化需氧量(bod5)、氨氮(nh3-n)、總氮(tn)、總磷(tp)、高錳酸鹽指數(shù)(codmn)等水質(zhì)改善率評價指標。

3、采用主成分分析法與熵值法對各項指標進行賦權(quán)。首先通過主成分分析法將眾多水質(zhì)評價指標轉(zhuǎn)化為一組較少個數(shù)的水質(zhì)綜合指標，累積貢獻率與主成分系數(shù)結(jié)果見表2、表3。根據(jù)選取主成分個數(shù)的原則，一般情況下，特征值要求大于1且累計貢獻率大于85％，所以取前兩個，命名為主成分f1、f2。

表2累積貢獻率

表3主成分系數(shù)

即可獲得主成分函數(shù)表達式：

f1＝a11×x1+a12×x2+a13×x3+a14×x4

f2＝a21×x1+a22×x2+a23×x3+a24×x4

代入各系數(shù)值，得：

f1＝-0.32×x1+0.67×x2+0.63×x3-0.20×x4

f2＝0.63×x1+0.22×x2+0.30×x3+0.68×x4

將四項水質(zhì)評價指標轉(zhuǎn)化為f1、f2兩項綜合水質(zhì)評價指標，簡化后的相關指標及數(shù)據(jù)作為熵值法賦權(quán)的初始數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4簡化后的相關指標及數(shù)據(jù)(單位：％)

然后，計算水環(huán)境改善效果評價指標的熵權(quán)，結(jié)果如表5所示。其中，主成分f2權(quán)重最大，超過50％，費用節(jié)約率權(quán)重最小，不足1％。因此，經(jīng)過計算，在本實施例中，對調(diào)水引流水環(huán)境改善效果的綜合評價主要考慮水質(zhì)改善效果，其次為水動力改善效果，經(jīng)濟指標對綜合評價的影響較小。

表5各項指標熵權(quán)

4、合成各斷面得分，然后確定各方案得分，得出各方案在水質(zhì)改善效果、水動力改善效果、經(jīng)濟指標、水環(huán)境綜合評價指標的總分，從而得出不同目標下的最優(yōu)方案，結(jié)果如表6、表7所示。

表6調(diào)水引流方案綜合得分

表7調(diào)水引流方案多目標得分

在本實施例中，經(jīng)過計算，從水質(zhì)改善效果、水動力改善效果、經(jīng)濟指標、水環(huán)境綜合評價指標的得分情況來看，均為方案3得分最高，因此方案3不僅是水質(zhì)、水動力或經(jīng)濟單目標下的最優(yōu)方案，也是水環(huán)境綜合改善效果最佳的方案。

綜上所述，本發(fā)明提出的一種調(diào)水引流水環(huán)境改善效果綜合評價方法，綜合、全面地考慮各指標因素，客觀、科學、合理地評價調(diào)水引流水環(huán)境改善效果，為得出水動力、水質(zhì)、經(jīng)濟上最優(yōu)的調(diào)水引流方案提供依據(jù)。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應該了解，上述實施例不以任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。