一种调水引流水环境改善效果综合评价方法与流程

本发明涉及一种水环境评价方法，具体涉及一种调水引流水环境改善效果综合评价方法。

背景技术：

随着城市人口的持续增长、城市经济的快速发展和城市化进程的不断推进，在人类活动的影响下，水环境问题日益严重。目前，调水引流因其见效快、效果明显的特点，在全国范围内广泛应用于河道治污、生态环境修复，同时，对于水资源空间分布不均衡的国家或地区，调水引流工程也是水资源再分配的有效措施和途径之一。

调水引流通常是以相对清洁的水体为供水水源，将水质较好的水引入受污染的河道，能快速稀释降低污染物质在水体中的相对浓度，从而增大了水体的净污比，使其稀释容量大大提高，减轻了污染物质在水体中的危害程度。调水期间水体的水动力条件得到改善，水体的复氧量增加，有利于水体自净能力的提高，同时调水也使死水区和非主流区的污染水体得到置换。与此同时，调水还改变了河网水体的流向，使水体由静止或往复流变成单向流，加速了污染物向区域外围的迁移。

由于水文、水质、边界情况、水工构筑物的复杂性，可制定多种调水引流方案，不同调水方案的调水效果也各不相同。为研究不同工况条件下调水引流的最佳组合，常通过野外调水实验以及建立水环境数学模型对水动力水质进行模拟，从而获得调水引流方案的效果，包括各项水质指标的改善率、换水率等。传统的调水引流方案研究中，大多以单项指标作为评价标准，或对多项指标进行主观评价，存在以偏概全的缺陷，考虑因素不够全面，缺乏对调水引流水环境改善效果客观、科学、合理的综合评价方法。

为了客观、科学、合理地评价调水引流水环境改善效果，综合、全面地考虑各因素，得出水动力、水质、经济上最优的调水引流方案，本发明提出了一种调水引流水环境改善效果综合评价的新方法。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种综合、全面地考虑各因素，得出水动力、水质、经济上最优的调水引流水环境改善效果综合评价的新方法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种调水引流水环境改善效果综合评价方法，包括以下步骤：

s1、获取反映调水引流水环境改善效果的指标及数据；

s2、建立水环境改善效果综合评价体系；

s3、采用主成分分析法与熵值法对上述指标进行赋权；

s4、合成各断面得分，然后确定各方案得分，对调水引流水环境改善效果进行综合评价分析。

上述步骤s1中的指标及数据来源于实际检测或数学模型模拟计算。

上述步骤s1中的指标包括水质改善指标、水动力改善指标、经济指标；

其中水质改善指标包括化学需氧量改善率(cod)、五日生化需氧量改善率(bod5)、氨氮改善率(nh3-n)、总氮改善率(tn)、总磷改善率(tp)、高锰酸盐指数改善率(codmn)，

水动力改善指标为换水率，

经济指标为费用节约率。

上述步骤s1中的数据包括水文数据、水质数据和经济数据；

水文数据包括河道断面面积、水深、水位；

水质数据包括调水引流前和引流后的化学需氧量(cod)、五日生化需氧量(bod5)、氨氮(nh3-n)、总氮(tn)、总磷(tp)、高锰酸盐指数(codmn)；

经济数据包括项目预算、水工建筑物建设维护成本。

上述步骤s2中水环境改善效果综合评价体系包括目标层、指标层及子指标层；

所述目标层为水环境改善效果综合评价指标；

指标层包括水动力改善效果评价指标、水质改善效果评价指标、经济评价指标；

水质改善效果评价指标下设子指标层，包括化学需氧量(cod)改善率评价指标、五日生化需氧量(bod5)改善率评价指标、氨氮(nh3-n)改善率评价指标、总氮(tn)改善率评价指标、总磷(tp)改善率评价指标、高锰酸盐指数(codmn)改善率评价指标。

上述步骤s3中对指标进行赋权，包括以下步骤：

a1、确定水质改善效果评价指标的主成分

采用主成分分析法对水质改善效果评价指标体系进行降维处理，将众多水质评价指标(x1，x2，…，xm)转化为一组较少个数的水质综合指标(f1，f2，…，fn)。

假设a个方案各包括k个断面共有p组水质数据(p＝a×k)，m个评价指标的原始数据构成矩阵[xij^*]p×m，对数据进行标准化处理，消除量纲的影响，得到标准化矩阵[xij]p×m：

其中，i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，m；minxj^*和maxxj^*分别为各组中第j项指标的最小值和最大值；

计算协方差矩阵∑＝(sij)m×m：

其中，sij为水质评价指标的原始变量xi与xj的相关系数；i，j＝1，2，…，m；

数据标准化后的协方差矩阵即为相关系数矩阵，计算∑的特征值λi(i＝1，2，…，m；降序排列)及相应的单位特征向量ai(i＝1，2，…，m)，aij表示向量ai的第j个分量，计算累积贡献率g(n)：

根据选取主成分个数的原则，特征值要求大于1且累计贡献率大于85％的特征值λ1，λ2，…，λn所对应的1，2，…，n，其中整数n即为主成分个数。

主成分函数表达式为：

其中aij表示主成分系数，也是单位特征向量ai的第j个分量，xj表示水质评价指标(原始变量)，fi表示水质综合评价指标(主成分)，i＝1，2，…，n。

综上，每个水质综合指标表示为水质评价指标的线性组合，众多水质评价指标(x1，x2，…，xm)转化为一组较少个数的水质综合指标(f1，f2，…，fn)。

a2、换水率计算如下：

α＝v1/v0(6)

式中，α为换水率，v1为引排水量，v0为原河道水量。

a3、费用节约率计算如下：

费用节约率作为经济指标，正数表示节约，负数表示超支。

s＝ep-er(7)

rs＝s/ep×100％(8)

式中，s为费用节约额，ep为总费用预算支出额，er为费用实际支出额，

rs为费用节约率。

a4、计算水环境改善效果评价指标的熵权

通过主成分分析，m项水质评价指标简化为n项水质综合指标。

如步骤a1中假设，a个方案各包括k个断面共有p组数据(p＝a×k)，这里n(n＝n+2)个评价指标(水质综合指标、水动力指标、经济指标)的原始数据构成矩阵[rij^*]p×n，各项指标均为正向指标，对数据进行标准化处理，消除量纲的影响，标准化后的矩阵为[rij]p×n，公式如下：

其中i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，n；

式中，rij表示第i组数据第j项指标的数值，minrj^*和maxrj^*分别为各组中第j项指标的最小值和最大值。

计算第i组数据第j项指标值的比重fij、信息熵hj、信息冗余度dj、指标权重wj：

其中i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，n；

其中i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，n；常数k＝1/ln(p)；

dj＝1-hj(12)

其中j＝1，2，…，n；

其中j＝1，2，…，n；

则单指标评价得分为：

sij＝wj×rij(14)

其中i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，n；

上述步骤s4中合成各断面得分及确定各方案得分，方法如下：a个方案各包括k个断面共有p组数据，n个评价指标，则单个断面评价得分si为：

其中i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，n；

各方案得分ti则为对应k个断面的得分之和

其中h＝1，2，…，a；i＝1，2，…，p(p＝a×k)。

本发明的有益之处在于：

与现有技术相比，本发明克服了传统评价方法中存在以偏概全、考虑因素不够全面的缺陷。

本发明综合、全面地考虑各指标因素，客观、科学、合理地评价调水引流水环境改善效果，为得出水动力、水质、经济上最优的调水引流方案提供依据。具有很强的实用性和广泛的适用性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种调水引流水环境改善效果综合评价方法流程图；

图2是本发明实施例提供的一种调水引流水环境改善效果综合评价系统结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

一种调水引流水环境改善效果综合评价方法，包括以下步骤：

s1、根据实际检测或数学模型模拟计算，获取反映调水引流水环境改善效果的指标及数据；指标包括水质改善指标、水动力改善指标、经济指标。

其中，水质改善指标包括化学需氧量改善率(cod)、五日生化需氧量改善率(bod5)、氨氮改善率(nh3-n)、总氮改善率(tn)、总磷改善率(tp)、高锰酸盐指数改善率(codmn)，

水动力改善指标为换水率；

经济指标为费用节约率；

数据包括水文数据、水质数据和经济数据；

其中，水文数据包括河道断面面积、水深、水位；

水质数据包括调水引流前和引流后的化学需氧量(cod)、五日生化需氧量(bod5)、氨氮(nh3-n)、总氮(tn)、总磷(tp)、高锰酸盐指数(codmn)；

经济数据包括项目预算、水工建筑物建设维护成本。

s2、建立水环境改善效果综合评价体系，包括目标层、指标层及子指标层。

目标层为水环境改善效果综合评价指标；

指标层包括水动力改善效果评价指标、水质改善效果评价指标、经济评价指标；

水质改善效果评价指标下设子指标层，包括化学需氧量(cod)改善率评价指标、五日生化需氧量(bod5)改善率评价指标、氨氮(nh3-n)改善率评价指标、总氮(tn)改善率评价指标、总磷(tp)改善率评价指标、高锰酸盐指数(codmn)改善率评价指标。

s3、采用主成分分析法与熵值法对上述指标进行赋权，包括以下步骤：

a1、确定水质改善效果评价指标的主成分

采用主成分分析法对水质改善效果评价指标体系进行降维处理，将众多水质评价指标(x1，x2，…，xm)转化为一组较少个数的水质综合指标(f1，f2，…，fn)。

假设a个方案各包括k个断面共有p组水质数据(p＝a×k)，m个评价指标的原始数据构成矩阵[xij^*]p×m，对数据进行标准化处理，消除量纲的影响，得到标准化矩阵[xij]p×m：

其中，i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，m；minxj^*和maxxj^*分别为各组中第j项指标的最小值和最大值；

计算协方差矩阵∑＝(sij)m×m：

其中，sij为水质评价指标的原始变量xi与xj的相关系数；i，j＝1，2，…，m；

数据标准化后的协方差矩阵即为相关系数矩阵，计算∑的特征值λi(i＝1，2，…，m；降序排列)及相应的单位特征向量ai(i＝1，2，…，m)，aij表示向量ai的第j个分量，计算累积贡献率g(n)：

根据选取主成分个数的原则，特征值要求大于1且累计贡献率大于85％的特征值λ1，λ2，…，λn所对应的1，2，…，n，其中整数n即为主成分个数。

主成分函数表达式为：

其中aij表示主成分系数，也是单位特征向量ai的第j个分量，xj表示水质评价指标(原始变量)，fi表示水质综合评价指标(主成分)，i＝1，2，…，n。

综上，每个水质综合指标表示为水质评价指标的线性组合，众多水质评价指标(x1，x2，…，xm)转化为一组较少个数的水质综合指标(f1，f2，…，fn)。

a2、换水率计算如下：

α＝v1/v0(6)

式中，α为换水率，v1为引排水量，v0为原河道水量。

a3、费用节约率计算如下：

费用节约率作为经济指标，正数表示节约，负数表示超支。

s＝ep-er(7)

rs＝s/ep×100％(8)

式中，s为费用节约额，ep为总费用预算支出额，er为费用实际支出额，rs为费用节约率。

a4、计算水环境改善效果评价指标的熵权

通过主成分分析，m项水质评价指标简化为n项水质综合指标。

如步骤a1中假设，a个方案各包括k个断面共有p组数据(p＝a×k)，这里n(n＝n+2)个评价指标(水质综合指标、水动力指标、经济指标)的原始数据构成矩阵[rij^*]p×n，各项指标均为正向指标，对数据进行标准化处理，消除量纲的影响，标准化后的矩阵为[rij]p×n，公式如下：

其中i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，n；

式中，rij表示第i组数据第j项指标的数值，minrj^*和maxrj^*分别为各组中第j项指标的最小值和最大值。

计算第i组数据第j项指标值的比重fij、信息熵hj、信息冗余度dj、指标权重wj：

其中i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，n；

其中i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，n；常数k＝1/ln(p)；

dj＝1-hj(12)

其中j＝1，2，…，n；

其中j＝1，2，…，n；

则单指标评价得分为：

sij＝wj×rij(14)

其中i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，n；

s4、合成各断面得分，然后确定各方案得分，对调水引流水环境改善效果进行综合评价分析，方法如下：a个方案各包括k个断面共有p组数据，n个评价指标，则单个断面评价得分si为：

其中i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，n；

各方案得分ti则为对应k个断面的得分之和

其中h＝1，2，…，a；i＝1，2，…，p(p＝a×k)。

降序排列后即可得到最优方案。

下面以取自于某城市河网调水引流试验的数据为例，说明本发明实施例方法的处理过程。

1、获取反映调水引流水环境改善效果的多项指标相关数据如表1所示。

表1相关指标及数据(单位：％)

2、建立水环境改善效果综合评价体系，见附图2，

本实施例中水环境改善效果综合评价体系包括目标层、指标层及子指标层。目标层为调水引流水环境改善效果综合评价指标；指标层包括水动力改善效果评价指标(具体为换水率)、水质改善效果评价指标、经济评价指标(具体为费用节约率)；其中水质改善效果评价指标含有子指标层，包括化学需氧量(cod)、五日生化需氧量(bod5)、氨氮(nh3-n)、总氮(tn)、总磷(tp)、高锰酸盐指数(codmn)等水质改善率评价指标。

3、采用主成分分析法与熵值法对各项指标进行赋权。首先通过主成分分析法将众多水质评价指标转化为一组较少个数的水质综合指标，累积贡献率与主成分系数结果见表2、表3。根据选取主成分个数的原则，一般情况下，特征值要求大于1且累计贡献率大于85％，所以取前两个，命名为主成分f1、f2。

表2累积贡献率

表3主成分系数

即可获得主成分函数表达式：

f1＝a11×x1+a12×x2+a13×x3+a14×x4

f2＝a21×x1+a22×x2+a23×x3+a24×x4

代入各系数值，得：

f1＝-0.32×x1+0.67×x2+0.63×x3-0.20×x4

f2＝0.63×x1+0.22×x2+0.30×x3+0.68×x4

将四项水质评价指标转化为f1、f2两项综合水质评价指标，简化后的相关指标及数据作为熵值法赋权的初始数据，如表4所示。

表4简化后的相关指标及数据(单位：％)

然后，计算水环境改善效果评价指标的熵权，结果如表5所示。其中，主成分f2权重最大，超过50％，费用节约率权重最小，不足1％。因此，经过计算，在本实施例中，对调水引流水环境改善效果的综合评价主要考虑水质改善效果，其次为水动力改善效果，经济指标对综合评价的影响较小。

表5各项指标熵权

4、合成各断面得分，然后确定各方案得分，得出各方案在水质改善效果、水动力改善效果、经济指标、水环境综合评价指标的总分，从而得出不同目标下的最优方案，结果如表6、表7所示。

表6调水引流方案综合得分

表7调水引流方案多目标得分

在本实施例中，经过计算，从水质改善效果、水动力改善效果、经济指标、水环境综合评价指标的得分情况来看，均为方案3得分最高，因此方案3不仅是水质、水动力或经济单目标下的最优方案，也是水环境综合改善效果最佳的方案。

综上所述，本发明提出的一种调水引流水环境改善效果综合评价方法，综合、全面地考虑各指标因素，客观、科学、合理地评价调水引流水环境改善效果，为得出水动力、水质、经济上最优的调水引流方案提供依据。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。