一种地下水水质的多指标正态云综合评价方法与流程

本发明涉及一种地下水水质的多指标正态云综合评价方法。

背景技术：

水是人类社会赖以生存和发展的不可缺少的自然资源，推动着社会进步和国民经济发展。作为水资源的重要组成部分，地下水在人民生活、经济建设和环保等方面扮演着十分重要的角色。近年来，对地下水的不合理开发、过度利用，导致地下水水位下降、水质恶化污染严重等问题频发，我国大多数城市的地下水已受到不同程度的污染，严重阻碍了经济繁荣和社会发展。地下水水质评价是水资源评价中一项重要内容，如何科学地选取地下水水质评价方法，对研究区域地下水水质要素或区域水环境性质的优劣作出准确、真实的定量评价，是地下水水资源保护、开发利用的一个关键问题。

在水质评价领域，不同数学方式方法的引入，带动推进了传统地下水水质评价方法的进展，如单因子指数法、内梅罗指数法、模糊综合评价法、灰色系统法、神经网络法等。但以上评价方法很少同时考虑地下水水质评价问题的模糊性、随机性和不确定性，在实际应用中存在一定缺陷，如单因子指数法不能反映地下水质量的整体状况，在多种污染共存时难以评价或检验，不适宜地下水水质的综合评价；内梅罗指数法相对集中在污染严重的水质级别上，对水质变化灵敏度低；模糊综合评价法不能解决评价指标相关造成的信息重复问题，评价精度较低等。因此，为解决评价指标的随机性、指标划分的模糊性以及人为因素的影响，亟待需要一种新方法对地下水水质进行评价。

技术实现要素：

本发明为克服现有技术存在的不足，本发明公开了一种地下水水质的多指标正态云综合评价方法。

所述的地下水水质的多指标正态云综合评价方法，包括以下步骤：

步骤一：根据影响地下水水质优劣的主要因素，结合水体中物理成分、化学成分和生物成分的综合作用，建立地下水水质评估指标体系；

步骤二：依据我国地下水水质现状、地下水质量标准以及生活饮用水、工业、农业用水水质最高要求，将地下水质量分类，确定地下水水质评估等级；

步骤三：采用聚类权法确定各个风险评估指标的权重；

步骤四：计算确定不同等级地下水水质评估的云模型数字特征，借助正态云发生器，生成该评价因子隶属于某稳定性级别的云模型；

步骤五：读取待评样本的实测数据，结合计算得到的各评价指标隶属确定度和权重，由综合确定度最大值对应级别来评定地下水水质等级；

所述步骤一中，根据影响地下水水质优劣的的主要因素，结合水体中物理成分、化学成分和生物成分的综合作用以及地质背景条件、地理条件、人类活动的共同作用，选择其中最具典型的评价指标，建立地下水水质评估指标体系。

所述步骤一中，综合考虑地下水水质的诸多影响因素，从感官物理性状指标、一般化学指标、无机毒理指标、毒性重金属指标、挥发性有机指标、半挥发性有机指标、生物水质指标以及其他指标中，选取总硬度、矿化度、铅、砷、汞、氯化物、氟化物、硝酸盐、硫酸盐和亚硝酸盐作为云模型评估地下水水质等级的风险评估指标。

所述步骤二中，结合《地下水质量标准》(gb/t14848-93)，将地下水水质等级定为ⅰ(适宜饮用)、ⅱ(基本适宜饮用)、ⅲ(需处理进行饮用)、ⅳ(需严格处理进行饮用)、ⅴ(不宜饮用)五类；对各项风险评估指标依照依照ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ、ⅴ五类进行标准值的划分。

所述步骤三中，在计算水质评价指标权重的常用方法中进行比选，为弥补了人为因素对评价效果的影响，综合考虑地下水质量标准中各个等级的标准值以及数据实测值，采用聚类权法确定各个风险评估指标的权重。

所述步骤四中，选定好评估地下水水质等级指标后，计算确定不同等级地下水水质评估的云模型数字特征；具体公式如下：

he＝k(6)

上式中，bimax和bimin分别为某一评价指标的地下水质量等级为i级时对应区间的最大和最小值，而对于单边界的等级，如[-∞,bimin]或[bimax,+∞]，可根据上下限确定缺省的边界参数或期望值计算exi。he取一个合适的常数，与云滴厚度有关，一般情况下he小于0.5，可根据变量的模糊阈度进行调整，此次计算取0.01。

所述步骤四中，编写正态云发生器程序，正态云模型实现的关键在于建立正态云发生器，正态云发生器由数字特征期望exi、熵eni和超熵he共同决定。具体的正态云发生器算法如下：

(1)计算熵eni和超熵he；

(2)生成正态随机数:eni'～normrnd(eni,he),其中eni'～n(eni,he²)；

(3)生成正态随机数xi～normrnd(exi,eni')，其中xi～n(exi,eni'²)；

(4)计算确定度：

(5)将确定度μ(xi)与对应的xi形成数域中的一个云滴；

(6)重复步骤1～5，直至产生出n个云滴。

借助编写的正态云发生器，生成该评价因子隶属于某稳定性级别的云模型。

所述步骤五中，根据云发生器算法程序得的云模型，计算得到地下水水质评价指标各个等级确定度，结合依据聚类权法得出的指标权重，最终计算求取各等级的综合确定度m。依据最大综合确定度，判定地下水水质的评价等级:

在上式中，μ代表指标隶属于云模型某个等级的确定度，ai代表第i个评级指标的权重。

本发明公开了一种地下水水质的多指标正态云综合评价方法，具有以下优点：

1)充分考虑了地下水水质评估过程中存在的模糊性及随机性，对影响地下水水质的因素进行客观分析，为随机、模糊的评级指标实现定量度量，完成定性概念对定量评价的不确定性映射；

2)确定了地下水水质评估等级，给出由已知实测数据推算出各等级的发生概率的方法，从而更好的实现对灾害风险的定量评价；

3)采用聚类权法确定评价指标的权重，综合考虑地下水质量标准中各个等级的标准值以及数据实测值，克服了人为因素在风险评价过程中对结果影响较大的缺陷。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的评价步骤流程图；

图2-图11是本发明的地下水水质评估云滴图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在评价方法很少同时考虑地下水水质评价问题的模糊性、随机性和不确定性，在实际应用中存在一定缺陷，如单因子指数法不能反映地下水质量的整体状况，在多种污染共存时难以评价或检验，不适宜地下水水质的综合评价；内梅罗指数法相对集中在污染严重的水质级别上，对水质变化灵敏度低；模糊综合评价法不能解决评价指标相关造成的信息重复问题，评价精度较低等。因此，为解决评价指标的随机性、指标划分的模糊性以及人为因素的影响，亟待需要一种新方法对地下水水质进行评价。

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

根据影响地下水水质优劣的主要因素，结合水体中物理成分、化学成分和生物成分的综合作用以及地质背景条件、地理条件、人类活动的共同作用，选择其中最具典型的评价指标，建立地下水水质评估指标体系。综合考虑地下水水质的诸多影响因素，从感官物理性状指标、一般化学指标、无机毒理指标、毒性重金属指标、挥发性有机指标、半挥发性有机指标、生物水质指标、其他指标等八大类地下水水质评价指标中，选取总硬度、矿化度、铅、砷、汞、氯化物、氟化物、硝酸盐、硫酸盐和亚硝酸盐作为云模型评估地下水水质等级的指标。

结合《地下水质量标准》(gb/t14848-93)，将地下水水质等级定为ⅰ(适宜饮用)、ⅱ(基本适宜饮用)、ⅲ(需处理进行饮用)、ⅳ(需严格处理进行饮用)、ⅴ(不宜饮用)五类，如表1所示，对各项指标依照依照ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ、ⅴ五类进行标准值的划分，如表2所示。

表1地下水质量标准等级

表2地下水水质评价指标分类标准

注:以上单位均为mg/l。

在计算水质评价指标权重的常用方法中进行比选，为弥补了人为因素对评价效果的影响，综合考虑地下水质量标准中各个等级的标准值以及数据实测值，采用聚类权法确定各个风险评估指标的权重。具体地，设:评价中有b项水质影响因子，某一个因子i的实测值为xi(i＝1,2，…，b)，地下水水质分为p个等级(即:j＝1，2，…，p)，其j级标准值为cij，则归一化的实测值wij为：

进行归一化处理，得到第i个因子的权重值aij为：

将b个单因子的实测值和评价标准值分别代入上式，便可求得各单因子的权重值：

再进行归一化，组成模糊矩阵a，即因子权重集a＝{a1,a2,…,ai}。

选定好评估地下水水质等级指标后，计算确定不同等级地下水水质评估的云模型数字特征。具体公式如下：

he＝k(6)

上式中，bimax和bimin分别为某一评价指标的地下水质量等级为i级时对应区间的最大和最小值，而对于单边界的等级，如[-∞,bimin]或[bimax,+∞]，可根据上下限确定缺省的边界参数或期望值计算exi。he取一个合适的常数，与云滴厚度有关，一般情况下he小于0.5，可根据变量的模糊阈度进行调整，此次计算取0.01。

编写正态云发生器程序，正态云模型实现的关键在于建立正态云发生器，正态云发生器由数字特征期望exi、熵eni和超熵he共同决定。具体的正态云发生器算法如下：

(1)计算熵eni和超熵he；

(2)生成正态随机数:eni'～normrnd(eni,he),其中eni'～n(eni,he²)；

(3)生成正态随机数xi～normrnd(exi,eni')，其中xi～n(exi,eni'²)；

(4)计算确定度：

(5)将确定度μ(xi)与对应的xi形成数域中的一个云滴；

(6)重复步骤1～5，直至产生出n个云滴。

借助编写的正态云发生器，生成该评价因子隶属于某稳定性级别的云模型。

根据云发生器算法程序得的云模型，计算得到地下水水质评价指标各个等级确定度，结合依据聚类权法得出的指标权重，最终计算求取各等级的综合确定度m。依据最大综合确定度，判定地下水水质的评价等级:

在上式中，μ代表指标隶属于云模型某个等级的确定度，ai代表第i个评级指标的权重。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。