一种河道水体综合评价方法与流程

本发明涉及环保领域，尤其涉及一种河道水体综合评价方法。
背景技术：
：随着我国经济的快速发展与人们生活水平的提高，城市景观河道水体面临着工业废水排放、生活污水汇入、城镇面源污染加剧、生态功能丧失等挑战，国内较多城市出现了河道黑臭现象，给城市发展及居民生活质量带来了众多不利影响。在我国全面深化改革、开启生态文明建设进程中，我国也开始了城市黑臭河道开展综合整治，在开展有效治理与改善措施基础上，如何评价城市河道黑臭水体在整治前后的效果以及长效运行效果，对实现城市水环境可持续提升显得尤为重要。根据住房城乡建设部和环境保护部联合发布的《城市黑臭水体整治工作指南》，城市黑臭水体是指城市建成区内呈现令人不悦的颜色和(或)散发令人不适气味的水体的统称。黑臭河道的形成主要是由于大量有机污染物进入水体后，好氧微生物的生化作用消耗了水体中大量的o2，导致厌氧细菌大量繁殖，使有机物腐败、分解、发酵，分解为nh3-n、腐殖质、h2s等有臭气体逸出水面进入大气，同时水中铁、锰等重金属被还原，与水中的硫离子形成了大量带负电胶体的物质悬浮颗粒，使水体变黑、变臭。然而目前针对黑臭河道的评价，大多数采用比较简单的水质指标评价，并不能全面反映黑臭河道治理前后的综合效果以及长效运行效果，且与《地表水环境质量标准(gb3838-2002)》中规定的水质指标缺少联系。关于评价问题目前的分析方法有很多，诸如聚类分析、典范对应分析法、蒙特卡洛模拟分析法、熵权综合指数法、模糊综合评价法、灰色关联度分析法等。但以上方法针对城市河道黑臭水平的评价相关程度不够契合：聚类分析是探索性分析方法，适用于数据挖掘；典范对应分析法虽然将样方数据与环境因子进行矩阵结合分析关联度，但是原始方法存在“弓形效应”问题；蒙特卡洛模拟分析法是基于概率统计方法基础进行的系统模拟，对于城市黑臭问题的模拟缺乏合适的数学概率模型；熵权综合指数法是一种基于指标变异程度进行权重修正的方法，由于城市黑臭河道选取指标信息量固定，故而该方法修正作用不明显；模糊综合评价法计算较为复杂，且当指标集个数较多时存在分辨率低的问题；灰色关联度分析法多用于分析不同因素对系统随时间影响与关联度的判断。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是：提供一种河道水体综合评价方法，提升河道水体综合评价的准确度。为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种河道水体综合评价方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤s1、建立三级指标评价体系，所述三级指标评价体系包括一级指标、二级指标和三级指标，所述三级指标包括多个等级；步骤s2、通过物元分析法对河道水体的黑臭程度进行量化评价，包括建立三级指标的指标评价矩阵、对指标评价矩阵和指标评价矩阵所对应的指标向量进行归一化处理、以及确定归一化处理后的指标评价矩阵与所述三级指标的各个等级之间的关联度；步骤s3、通过层次-德尔菲分析法确定关联度中各项三级指标的权重，接收多个针对所述各项三级指标的权重判断矩阵，计算各个权重判断矩阵的平均一致度并对所有平均一致度进行归一化处理得到相对一致度，使用所述相对一致度对三级指标的权重进行修正。本发明的有益效果在于：传统的河道生态评价方法中缺乏合适的指标评价权重的修正方法，导致经过层次分析后的结果受主观因素影响较多，本发明采用德尔菲法进行层次分析后的权重修正，其本质上是一种反馈匿名函数法，接收多个针对所述各项三级指标的权重判断矩阵，经归纳、统计后，以简便、直观的方式进行评判比较，相比于传统直接的层次分析法，加入德尔菲修正的结果更加客观公正，对于真实的指标对目标城市河道的黑臭影响评价更加准确，使该方法对于河道的适用范围也更广。附图说明图1所示为本发明的河道水体综合评价方法流程图；图2所示为本发明的河道水体综合评价指数指标体系构建图；具体实施方式为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。本发明最关键的构思在于：引入德尔菲法作为权重修正手段，形成了更为准确的综合评价方法，接收多个针对所述各项三级指标的权重判断矩阵，之后计算各个权重判断矩阵的相对一致度并使用相对一致度对三级指标的权重进行修正，使得整体评价方法的准确度更高，修正的结果更加客观公正，适用的评价指标更为广泛的特性。请参照图1和图2所示，本发明的一种河道水体综合评价方法，包括多指标多层次评价方法的建立和相关权重的赋予和修正，评价目标河道的综合黑臭程度，给城市黑臭河道的综合整治方案的提出以及治理后水质改善效果评估提供参考和建议。步骤s1、建立评价体系：基于城市内河的生态特征等特点，明确评价角度与评价指标，建立三级指标评价体系，对河道黑臭水平、富营养化水平、生物多样性水平、水动力学水平等方面进行评价，城市河道综合评价指标体系及其解释如表1所示。表1城市河道综合评价指标体系及其解释进一步的，确定三级指标的评价等级：根据上述三级指标，参考《地表水环境质量标准(gb3838-2002)》与《生活饮用水卫生标准(gb5749-2006)》，结合实际黑臭河道情况，将各指标划分成六级，并进行区间划分，如表2所示：表2三级指标定量区间划分等级步骤s2、通过物元分析法对河道水体的黑臭程度进行量化评价，包括建立三级指标的指标评价矩阵、对指标评价矩阵和指标评价矩阵所对应的指标向量进行归一化处理、以及确定归一化处理后的指标评价矩阵与所述三级指标的各个等级之间的关联度；具体如下：将三级指标的指标评价矩阵设为y'i，其中y'i的三级指标对每一等级的评价值用l'ij(i＝1、2、……、17，j＝1、2、3、4、5、6)表示，i表示对应的第i个三级指标，j表示对应的一、二、三、四、五、六级。进一步的，对指标评价矩阵和指标评价矩阵所对应的指标向量进行归一化处理的具体方法为：对指标评价矩阵y'i中的评价值进行归一化处理，使其评价值隶属于[0，1]的区间，若指标评价矩阵y'i中三级指标的节域是严格的闭区间，将每个经典域的端点值除以节域的右端点值，若节域是[m，+∞)的半闭半开区间，则将m扩大四倍后的值设为节域右端点值，然后将每个经典域的端点值除以节域的右端点值，最后得到归一化后的指标评价矩阵yi，其中每个三级指标的经典域用lij表示；对指标向量中的评价值的归一化处理，使其评价值隶属于[0，1]的区间，用b'分别除以y'i中第i个三级指标归一化时所除以的数值，得到归一化后的指标向量b，其中b＝(b1、b2、…bi…b17)，bi(i＝1、2、……17)代表规范化处理后第i个三级指标的评价值，b代表规范化处理后的指标向量。进一步的，所述经典域的物元矩阵表示方法为：将三级指标的等级q分为6个等级q1、q2、q3、q4、q5、q6，每个等级中各个指标en对应不同的量值范围，特征en的量值范围为xpj＝[apj，bpj](p＝1，2，3，4，5，6)，则经典域的物元矩阵kp可表示为：所述节域的物元矩阵表示方法为：q0为各个等级的qp构成，则将k0称为节域物元，其量值范围为x0j＝[a0j，b0j]，黑臭河道的综合黑臭程度的节域物元矩阵k0可表示为：进一步的，所述关联度的确定方法为：将关联度设为t，计算评价指标矩阵gi关于等级j的关联度t：上式中，w′为每个指标进过修正后的权重，t(x)为同一指标不同安全等级对应的关联函数值中最大的关联函数值，其中t(x)＝max(t(xj))；根据归一化处理后的评价指标矩阵和指标评价向量，采用关联函数的定义，确定关联度矩阵t，关联矩阵由关联函数的每个值组成，为：上式中：θ(x,x0)表示物元量值x到有限区间x0(x0＝[a，b])，a、b分别为有限元区间的最小值与最大值的距离；θ(x,xp)为待测物元量值x与有限区间xp(xp＝[aj，bj])的距离；x，x0，xj分别为待评河道黑臭程度物元的量值、经典域物元的量值范围和节域物元的量值范围。点与有限元的间距计算公式为：关联度t(x)数值的大小表示待评物元符合标准等级的隶属程度，其值越大，表明符合程度越高，关联度数值与评价等级关系如表3所示:表3关联度数值与评价等级关系表步骤s3、通过层次-德尔菲分析法确定关联度中各项三级指标的权重，接收多个针对所述各项三级指标的权重判断矩阵，计算各个权重判断矩阵的平均一致度并对所有平均一致度进行归一化处理得到相对一致度，使用所述相对一致度对三级指标的权重进行修正。具体包括：步骤s301、采用层次分析法构建判断矩阵，选取同一层级水平下的三级指标，两两比较评估三级指标的相对重要性，形成评估指标的比较矩阵f：rij的取值采用九标度法获得，判断方式如表4所示表4同层级水平下两两指标重要性对比表ri与rj重要性对比rij值的选取rji值的选取ri与rj同等重要11ri比rj稍微重要31/3ri比rj明显重要51/5ri比rj强烈重要71/7ri比rj极端重要91/9步骤s302、层次单排序与权重的确定，采用行和正规化方法，设n阶判断矩阵为：按行求和计算有即得到权重向量w＝(v1、v2…、vn)t，经归一化使向量中各元素之和等于1后，得到向量w＝(w1、w2…、wn)t，w的元素即为同一层次因素对于上一层次因素某因素相对重要性的排序权值，次过程为层次单排序，其中，wi就是层次排序的优先程度，即各个指标的权重。步骤s303、单层次排序的一致性检验，需要进行一致性检验确认层次单排序，一致性检验是指对a确定不一致的允许范围，定义ci为单层次排序的一致性指标，定义ri为单层次排序的随机一致性指标，ri取值如表5所示：表5ri值的选取n123456789ri000.510.891.121.251.341.421.46n101112131415161718ri1.491.521.541.561.581.591.59431.60641.6133定义一致性比率：cr＝ci/ri，当一致性比率cr＝ci/ri≤0.1时，认为a的不一致程度在容许范围之内，有满意的一致性，通过一致性检验，可用其归一化特征向量作为权向量，否则要重新构造成对比较矩阵a，对aij加以调整。步骤s304、利用同一层次中所有层次单排序的结果，针对层次间所有因素，计算某一层次的层次总排序经归一化后，可以得到该层所有因素对于最高层相对重要性的权重值，假设上一层次所有因素a1、a2、…an，的总排序已经完成，的得到权重值分别为a1、a2、…an，与ai对应的本层次因素b1、b2、…bn的单排序的结果为bi1、bi2、…bin，如果bj与aj无关，则有bij＝0。总排序计算表6如下所示：表6城市河道评价总排序计算表步骤s305、层次总排序的一致性检验，设b层b1、b2、…、bn对上层(a层)中因素的层次总排序一致性指标为ci，层次总排序随机一致性指标为ri，则层次总排序的一致性比率为：当cr≤0.1时，认为层次总排序计算结果具有良好的一致性。步骤s306、邀请多位专家参与决策，若由专家z做出的权重判断矩阵形成的权重向量为：wz＝(wz1、wz2、wz3、…、wzn)，(n＝1、2、…、17)，取权重向量wi与wj的夹角为dij＝cos(θij)，dij表示两专家各自的权重判断矩阵wi与wj之间的一致度，依据dij求第i个专家的权重判断矩阵的平均一致度di：步骤s307、对所有专家的平均一致度进行归一化处理，得到专家的权重判断矩阵的相对一致度d'i，用归一化相对一致度d'i与相应权重向量相乘并求和，得修正后的权重：进一步的，确定目标河道综合黑臭等级，根据物元分析城市河道评价指标关联度计算，结合层次分析和德尔菲修正后的各个生态要素的权重分布，进行关联度与权重乘积计算结果，即得到目标城市河道综合黑臭评价等级，根据2015年9月国家环境保护部发布的《黑臭水体治理技术政策》与三级评价指标六级划分情况及目标实际黑臭情况，对城市河道黑臭评价等级进行划分，如表7所示。表7城市河道黑臭评价等级说明表进一步的，基于目标城市河道黑臭等级与实际河道污染状况，判断各治理技术的重要性，选取合适的工艺措施，如表8，提出相应城市河道整治建议，或给出相应的黑臭、生境改善措施等初步方案，为目标河道整体治理与修复提供参考，实现“一河一策”与“模式治理”的有机结合。表8不同级别黑臭河道治理技术的必要性选择★数量越多代表实施该治理技术的必要性越强。请参照图1和图2所示，本发明的实施例一为：(1)确定评价对象与评价内容，建立三级指标评价体系。评价对象是某城区的n河道，评价内容是对n河道的黑臭程度进行评价。(2)确定三级指标的评价标准，将三级指标按河道综合黑臭程度从低到高的顺序分为一、二、三、四、五、六级。(2.1)确定三级指标的评价值，通过调研得到n河道的三级指标的数值，如表9所示。表9城市河道三级指标数值表(2.2)规范化处理三级指标评价向量，按照表1的三级指标顺序，对所有数值进行归一化处理，处理结果如下：(0.208，0.202，0.213，0.735，0.006，0.215，0.053，0.242，0.055，0.643，0.202，0.232，0.074，0.015，0.036，0.013，0.204)。(3)运用物元层次分析法，得到客观科学的评价结果。(3.1)建立评价指标矩阵：(3.2)规范化处理评价指标矩阵，根据关联函数定义，确定关联度矩阵，如表10：表10城市河道评价三级指标关联度矩阵表(3.3)采用九标度法，确定各三级指标的权重，为w＝(0.079，0.074，0.0567，0.0537，0.066，0.047，0.078，0.060，0.057，0.060681876，0.069，0.057，0.053，0.041，0.0467，0.051，0.051)；(3.4)单层次排序的一致性检验；黑臭水平层次下，一致性比率cr＝ci/ri＝0.0297＜0.1，满足一致性要求；富营养化水平层次下，一致性比率cr＝ci/ri＝0.0189＜0.1，满足一致性要求；生物多样性水平层次下，一致性比率cr＝ci/ri＝0.0157＜0.1，满足一致性要求；水动力学水平层次下，一致性比率cr＝ci/ri＝0.0162＜0.1，满足一致性要求；(3.5)层次总排序的一致性检验；总排序计算表11如下所示：表11城市河道评价总排序计算表层次总排序的一致性比率满足一致性要求。(3.6)德尔菲权重修正：(3.6.1)采用德尔菲法来综合多个专家对指标权重的分配并进行修正。此方案征取10位专家的决策意见，并建立由专家评判结果组成的权重向量矩阵。(3.6.2)专家判断矩阵的平均一致度：计算10位专家两两之间评判权重向量wi与wj的夹角为dij＝cos(θij)＝(0.991，0.952，0.929，0.945，0.989，0.967，0.942，0.958，0.937，0.982)，第i个专家判断矩阵的平均一致度di＝(0.489，0.480，0.473，0.481，0.488，0.483，0.480，0.477，0.485，0.482)(i＝1，2，3···10)；对所有专家的平均一致度进行归一化处理d'i＝(0.102，0.100，0.098，0.100，0.101，0.100，0.100，0.099，0.101，0.100)(i＝1，2，3···10)；用归一化相对一致度d'i与相应权重向量相乘并求和，得修正后的权重：w'＝(0.049，0.043，0.051，0.046，0.047，0.047，0.103，0.045，0.048，0.062，0.051，0.048，0.061，0.084，0.070，0.090，0.055)；(4)将各指标对应等级关联度值与修正后权重相乘，获得最终城市内河综合指标评价等级表，如下表12所示：表12城市内河综合指标评价表(5)待评河道相关物元关于综合评价等级的综合关联度为(-0.594，-0.584，-0.518，-0.385，-0.074，-0.067)，该结果表明该河道的黑臭程度在六级，河道水质极度差，生态环境自组织修复能力基本损失，黑臭现象及其严重，需采取物理、化学、生物等相结合的综合治理措施，加强河道管理，改善河道环境。综上所述，本发明提供的一种河道水体综合评价方法，引入德尔菲法作为权重修正手段，形成了更为准确的综合评价方法，通过设置专家评判表、建立专家评价矩阵、计算评价向量夹角，并使用归一化后的专家评判一致度对权重修正，使得整体评价方法的准确度更高，修正的结果更加客观公正，适用的评价指标更为广泛的特性，同时对比分级的城市河道黑臭评价程度进行评级，对各等级对应治理措施，如控源截污、内源控污、水动力调控、曝气富氧、生物修复、生态修复等，并提供必要性建议，使得整个方法完整性更高，集收集、分析、结果和建议一体，形成流程化评价路线，系统性更强。以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的
技术领域：
，均同理包括在本发明的专利保护范围内。当前第1页12