基于密切值法的水质单因子评价体系研究

2022-07-25汪钥龙魏炜覃家飞范文阳吴佳昌

科学技术创新 2022年23期

汪钥龙魏炜覃家飞范文阳吴佳昌

（1、广西交通职业技术学院，广西南宁 530023 2、广西交科集团有限公司，广西南宁 530023）

水质评价是按照选定的指标，对各类型的水体质量进行定性或定量的检测，根据一定的水质评价方法和水质分类标准进行客观评价的过程。2018 年1 月1 日，经第二次修订的《中国人民共和国水污染防治法》正式实行，其中与水质要求相关的条款更趋严格，而水质评价作为水体情况评定、水资源管理和水污染防治问题的主要途径，对水资源的开发利用和污水处理等起着决定性作用。

水质评价方法有单因子评价法[1]、主成分分析法[2]、BP神经网络法[3]和健康风险综合指数法[4]等。在《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中明确指出，地表水质评价应根据水域功能类别，选择相应标准，进行单因子评价，评价的结果应该说明水质达标情况，超标部分应说明清楚超标项目、倍数以及达到的标准。单因子评价法可以直观的观察出各个水质指标水质污染程度，以单项最差的水质因子所对应的类别作为此评价区域的等级。虽然该方法概念明确、易于操作、计算简单，但是由于其“一票否决”和范围性原则，该方法不能准确的表达出各同类水体的综合情况，存在单一性和局限性。因此，本文将密切值法[5]引入到水质评价中的单因子评价法中，作为对单因子评价方法的补充和完善。

1 密切值法在水质评价单因子评价法中的步骤

密切值法（Close Value Method）是工程学中一种常用的多目标决策的优选方法，此方法通过找出各评价对象中影响因子指标的“最优点”和“最劣点”界限，分别计算出对应指标到“最优点”和“最劣点”之间的欧氏距离，求出评价对象的密切值，再按照所求密切值的大小排列出评价对象间的优劣顺序，从而将多目标决策转换为单一的综合值进行评价，密切值越小，则表明评价对象越优。对同类型的水质进行优劣评价是典型的多目标评价，因此，本文尝试将密切值法应用到水质评价单因子评价法中，为单因子评价法中同类型水质情况提供科学合理的排序，具体步骤如下:

1.1 构建原始的影响因子指标矩阵

假定某水资源论证项目n 个拟定取水口均为某类水，各拟定取水口的水样中有m 个影响因子指标，则可以构建n×m 阶的影响因子指标矩阵Y:

其中，m 表示影响因子指标的项数；n 表示取水样品的个数；anm表示第m 个取水样品的第n 项影响因子指标的值。

1.2 影响因子指标矩的同向化和规范化

在构建原始影响因子矩阵的评价指标中，既有对水质评价产生正向作用的因子，也有对水质评价产生负向作用的因子，为了使各指标具有可比性，需对其进行同向化处理，即将对水质评价结果产生负向作用的指标前添加负号。又因为不同评价指标的数量级和量纲不同，为了获得无量纲的规范化矩阵，需要对原始矩阵（1）按规范化公式（3）进行处理。

1.3 确定各项的“最优点”和“最劣点”

利用Excel 计算出各项“最优点”和“最劣点”，构建构建“最优点”矩阵A+（4）和“最劣点”矩阵A-（5）。

各项“最优点”和“最劣点”计算公式：

1.4 计算各水质评价因子到最优点和最劣点的距离

1.5 计算各水质密切值并排序

分别计算各水质的密切值Ci，然后根据密切值的大小进行排序。

2 水质评价工程实例

2021 年，编者所在课题组承接的广西隆安县某水厂取水口设置项目中，计划从三个取水口处择优进行取水，因此需对项目所在水功能区水质现状进行分析，在项目所在的论证河段的拟取水的3 个断面进行连续监测，评价根据《全国重要江河湖泊水功能区划（2011-2030 年）》（2017），3 个断面水质均执行《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类水质标准，课题组委托某监测公司与2021 年10 月17-10 月19 日连续三天对三个断面的水质进行了监测，根据地表水环境质量标准限值（表1）和地表水监测结果（表2），计算出各影响因子项目平均值及各指标属性（表3）：

表1 地表水环境质量标准限值单位：mg/L（pH 值除外）

表2 地表水监测结果单位：mg/L，特别注明除外

根据表3 按照公式（1）构建判断矩阵Y：

表3 各断面水质监测结果均值及各指标属性情况表单位：mg/L，特别注明除外

按公式（3）对矩阵Y 进行同向化和规范化处理，得到规范化矩阵R:

按公式（4）和公式（5）求出各指标的最优矩阵A+和最劣矩阵A-:

按公式（8）和公式（9）计算出各断面影响因子指标到其“最优点”和“最劣点”的欧氏距离：

根据公式（10）求出各断面水质的密切值，得到1#断面的密切值0.036，2#断面的密切值0.240，3#断面的密切值0.487，由于密切值越小代表越水质越好，因此1#断面的水质最好，取水口应设于此处。

3 讨论

根据工程实例的计算，最终选择水质最优的1#取水

点进行取水，因为综合来看，1#断面的水质情况最好，在9 项水质指标中，有溶解氧、化学需氧量、氨氮和总磷4项是最优指标，仅有1 项是最差指标，因此在综合计算中，1#断面水质评价得到的密切值最小，水质最优。广西隆安县某水厂取水口设置项目中实例的计算结果表示1#断面水质是最好的，在实际的取水口选择钟，项目评审专家认定1#断面水质相对更好，在其他条件相似的情况下最终选择1#断面为取水口，与实际工程选择是相同的，这说明密切值法在水质评价中是切实可行的。