基于指標規范值的綜合水質標識指數法

張宏富

(成都信息工程學院,四川成都610225)

0 引言

目前常用的水質評價方法有多種,這些方法各有其優點,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造眾多的評價函數,當指標數較多時設計和計算工作量皆很大,且評價函數設計又無規律可循,主觀性較大[1-4]。BP神經網絡、徑向基神經網絡和投影尋蹤技術等水質評價模型中有大量參數需要優化確定,不僅編程復雜,而且模型優化效果會受模型的初始參數和動態調整參數選擇的影響。水質標識指數法可以完整表達某個水質指標的污染水平,且計算簡便[5-9]。不過,傳統的綜合水質標識指數法只是各單因子水質標識指數的算術平均值,不能反映各指標對整體水質的污染貢獻的差異[10]。針對傳統的綜合水質標識指數法的不足,提出基于指標規范值的綜合水質標識指數法。該方法在設定指標參照值和指標規范變換式及對指標值進行規范化處理基礎上,采用超標法對各指標加權,得到基于指標規范值的綜合水質標識指數,以此作為依據進行水質評價。將基于指標規范值的綜合水質標識指數評價法應用于浮橋河水庫水質評價,并與其他評價法的評價結果進行比較。

1 地表水指標的選取及指標參照值和指標值的規范變換式

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

式(1)和式(2)分別稱為指標j的變換式和規范變換式;與此相應,xj和x′j分別稱為指標j的變換值和規范值;cj為指標j的國家標準值或監測值;cj0為設定的指標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及其規范值x′jk

2 地表水指標規范值的分級標準

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范變換,將同級標準規范值 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范值差異很小,因而同屬一類的指標皆可用一個“等效”規范指標替代,并將它們同級標準規范值的平均值作為該類“等效”指標的分級標準值。

表2 各類地表水指標規范值的分級標準值 x′lk

3 基于指標規范值的單因子水質標識指數公式

單因子水質標識指數就是依據單因子水質指標規范值的分級標準(表2),在水質指標的水質第k級下限值上加上在該類中的線性增量值。基于此,依據表2判斷,當水質介于Ⅰ類水和Ⅴ類水之間時,地表水24項指標的單因子水質標識指數 pj為:

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

4 確定權重

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

式中,ωj為指標j的歸一化權值;αj為由式(6)確定的指標j的超標倍數;n為數據指標個數。

式中,x′j5為指標j的Ⅴ類水質評價標準規范值。

5 基于指標規范值的綜合水質標識指數

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

式中,p為綜合水質標識指數,pj為指標j的單因子水質標識指數,ωj為各相應指標j的歸一化權值權重,n為數據指標個數。

6 綜合水質級別的判定

綜合水質標識指數p與綜合水質級別判定的對應關系見表3。

表3 水質級別判定

7 實例分析

河橋枯水期的5個監測斷面的DO,CODCr,CODMn,BOD5,TP,NH3-N和TN共7項地表水水質指標監測數據如表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范值 x′j,亦見表4。再依據表2各指標規范值的分級標準值,用式(3)～式(7)計算得到各斷面綜合水質標識指數及根據水質綜合標識指數分級標準作出的綜合水質評價結果見表5。

表4 河橋枯水期指標監測數據cj及其規范值x′j(cj:mg·L-1)

表5 河橋枯水期各監測斷面的綜合水質標識指數及水質評價結果

[11]用熵權屬性識別法和數據驅動權重屬性識別法對本實例作出的評價結果見與用指標規范值的綜合水質標識指數法的評價結果基本一致。表明:此方法具有科學性、合理性、實用性。

8 結論

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

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

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

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