基于指标规范值的综合水质标识指数法

张宏富

(成都信息工程学院,四川成都610225)

0 引言

目前常用的水质评价方法有多种,这些方法各有其优点,但也存在一些不足。比如,模糊评价法、灰色评价法、物元可拓评价法、集对分析评价法及未确知测度评价法等均需要构造众多的评价函数,当指标数较多时设计和计算工作量皆很大,且评价函数设计又无规律可循,主观性较大[1-4]。BP神经网络、径向基神经网络和投影寻踪技术等水质评价模型中有大量参数需要优化确定,不仅编程复杂,而且模型优化效果会受模型的初始参数和动态调整参数选择的影响。水质标识指数法可以完整表达某个水质指标的污染水平,且计算简便[5-9]。不过,传统的综合水质标识指数法只是各单因子水质标识指数的算术平均值,不能反映各指标对整体水质的污染贡献的差异[10]。针对传统的综合水质标识指数法的不足,提出基于指标规范值的综合水质标识指数法。该方法在设定指标参照值和指标规范变换式及对指标值进行规范化处理基础上,采用超标法对各指标加权,得到基于指标规范值的综合水质标识指数,以此作为依据进行水质评价。将基于指标规范值的综合水质标识指数评价法应用于浮桥河水库水质评价,并与其他评价法的评价结果进行比较。

1 地表水指标的选取及指标参照值和指标值的规范变换式

依照国家制定的地表水环境质量标准(GB/3838-2002),选取如表1所示的24项地表水指标。通过反复的调整和试算,适当设定各指标的参照值cj0,并对各指标值设计如式(1)和式(2)所示的规范变换式。

式(1)和式(2)分别称为指标j的变换式和规范变换式;与此相应,xj和x′j分别称为指标j的变换值和规范值;cj为指标j的国家标准值或监测值;cj0为设定的指标j的参照值。24项地表水指标的参照值cj0、各分级标准值cjk(j=1～24;k=1～5)及其规范值 x′jk如表1所示。

表1 24项地表水指标的参照值cj0、各分级标准值cjk及其规范值x′jk

2 地表水指标规范值的分级标准

用式(1)和式(2)对表1中的24项地表水指标的各级标准值进行规范变换,将同级标准规范值 x′jk差异较小的指标进行归类,则24项指标可归为A、B、C 3大类,如表2所示。由于同属一类的指标的同级标准规范值差异很小,因而同属一类的指标皆可用一个“等效”规范指标替代,并将它们同级标准规范值的平均值作为该类“等效”指标的分级标准值。

表2 各类地表水指标规范值的分级标准值 x′lk

3 基于指标规范值的单因子水质标识指数公式

单因子水质标识指数就是依据单因子水质指标规范值的分级标准(表2),在水质指标的水质第k级下限值上加上在该类中的线性增量值。基于此,依据表2判断,当水质介于Ⅰ类水和Ⅴ类水之间时,地表水24项指标的单因子水质标识指数 pj为:

式中kj为第j项水质指标的水质类别,取值1,2,…,5;χ′jk下为第j项水质指标第kj类水区间的下限值的规范值;χ′jk上为第j项水质指标第kj类水区间的上限值的规范值;x′j为第j项指标的实测浓度规范值。当水质属于劣Ⅴ类标准时,其单因子水质标识指数 pj为:

4 确定权重

常用的权值确定方法有变异系数法、熵权赋权法和因子分析法[8]等,这些方法存在一些不足。采用式(5)所示的超标赋权法确定权值[8]。

式中,ωj为指标j的归一化权值;αj为由式(6)确定的指标j的超标倍数;n为数据指标个数。

式中,x′j5为指标j的Ⅴ类水质评价标准规范值。

5 基于指标规范值的综合水质标识指数

在用式(5)和式(6)超标赋权法确定各指标(单因子)权重后,再用各单因子水质标识指数的加权和作为综合水质标识指数,如式(7)所示。

式中,p为综合水质标识指数,pj为指标j的单因子水质标识指数,ωj为各相应指标j的归一化权值权重,n为数据指标个数。

6 综合水质级别的判定

综合水质标识指数p与综合水质级别判定的对应关系见表3。

表3 水质级别判定

7 实例分析

河桥枯水期的5个监测断面的DO,CODCr,CODMn,BOD5,TP,NH3-N和TN共7项地表水水质指标监测数据如表4所示[11]。

从表1中查出表4中的7项指标的参照值cj0,并用式(1)和式(2)求出各个断面各指标的规范值 x′j,亦见表4。再依据表2各指标规范值的分级标准值,用式(3)～式(7)计算得到各断面综合水质标识指数及根据水质综合标识指数分级标准作出的综合水质评价结果见表5。

表4 河桥枯水期指标监测数据cj及其规范值x′j(cj:mg·L-1)

表5 河桥枯水期各监测断面的综合水质标识指数及水质评价结果

[11]用熵权属性识别法和数据驱动权重属性识别法对本实例作出的评价结果见与用指标规范值的综合水质标识指数法的评价结果基本一致。表明:此方法具有科学性、合理性、实用性。

8 结论

(1)基于指标规范值的综合水质标识指数法更加精确、客观地反映水质指标的污染状况,能比较全面准确的反映整体水质信息,而且评价结果直观。

(2)采用超标赋权法克服了某些赋权方法的不足,既能增加超标指标的权重,突出超标因子的影响,又能够反映同一指标在不同断面、不同监测时段的污染贡献差异,直观地比较不同断面水质的优劣。

(3)基于指标规范值的综合水质标识指数的判别标准不随指标数目的多少而改变,因而与传统的综合水质标识指数法相比,该方法计算更简便,更具有普适性和通用性。

参考文献:

[1] Sanchez E,Colmenarejo M F,Vicente J,et al.Use of the water quality index and dissolved oxyjen deficit as simple indicators of watersheds pollution[J].Ecological Indicators,2007,7(2):315-328.

[2] 李祚泳,张正健,汪嘉杨.基于蛙跳算法优化的地下水水质韦伯普适指数式[J].水文,2010,30(3):1-4,21.

[3] 唐立新,李东日.改进的密切值法在图门江干流地表水水质评价中的应用[J].吉林水利,2010,(6):36-38.

[4] 姚志远,郝庆菊,江长胜,等.模糊综合评价法在北碚主要支流河流水质评价中的应用[J].中国农学通报,2009,25(13):211-215.

[5] 徐祖信.我国河流单因子水质标识指数评价方法研究[J].同济大学学报,2005,33(3):321-325.

[6] 徐祖信.我国河流综合水质标识指数评价方法研究[J].同济大学学报(自然科学版),2005,33(4):482-488.

[7] 汪红军,彭建华,梁开封.综合水质标识指数法在水库水质评价中的应用[J].人民长江,2007,38(1):92-94.

[8] 范志峰,王丽卿,陈林兴,李燕,彭自然,季高华.水质标识指数法在淀山湖水质评价中的应用[J].上海海洋大学学报,2009,18(3):314-320.

[9] 于森,王启山,张旋,吴京.基于指标权重的综合水质标识指数法的应用[J].安全与环境学报,2010,10(4):55-58.

[10] 郭明明.标识指数法在河流水质评价中的应用[J].环境科学与管理,2006,31(7):175-178.

[11] 王乐娟,邹志红.改进属性识别法在水质评价中的应用[J].环境工程学报,2008,2(4):553-556.