張宏富

(成都信息工程學(xué)院,四川成都610225)

0 引言

目前常用的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法有多種,這些方法各有其優(yōu)點(diǎn),但也存在一些不足。比如,模糊評(píng)價(jià)法、灰色評(píng)價(jià)法、物元可拓評(píng)價(jià)法、集對(duì)分析評(píng)價(jià)法及未確知測(cè)度評(píng)價(jià)法等均需要構(gòu)造眾多的評(píng)價(jià)函數(shù),當(dāng)指標(biāo)數(shù)較多時(shí)設(shè)計(jì)和計(jì)算工作量皆很大,且評(píng)價(jià)函數(shù)設(shè)計(jì)又無(wú)規(guī)律可循,主觀性較大[1-4]。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和投影尋蹤技術(shù)等水質(zhì)評(píng)價(jià)模型中有大量參數(shù)需要優(yōu)化確定,不僅編程復(fù)雜,而且模型優(yōu)化效果會(huì)受模型的初始參數(shù)和動(dòng)態(tài)調(diào)整參數(shù)選擇的影響。水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法可以完整表達(dá)某個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的污染水平,且計(jì)算簡(jiǎn)便[5-9]。不過(guò),傳統(tǒng)的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法只是各單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的算術(shù)平均值,不能反映各指標(biāo)對(duì)整體水質(zhì)的污染貢獻(xiàn)的差異[10]。針對(duì)傳統(tǒng)的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法的不足,提出基于指標(biāo)規(guī)范值的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法。該方法在設(shè)定指標(biāo)參照值和指標(biāo)規(guī)范變換式及對(duì)指標(biāo)值進(jìn)行規(guī)范化處理基礎(chǔ)上,采用超標(biāo)法對(duì)各指標(biāo)加權(quán),得到基于指標(biāo)規(guī)范值的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù),以此作為依據(jù)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。將基于指標(biāo)規(guī)范值的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)法應(yīng)用于浮橋河水庫(kù)水質(zhì)評(píng)價(jià),并與其他評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行比較。

1 地表水指標(biāo)的選取及指標(biāo)參照值和指標(biāo)值的規(guī)范變換式

依照國(guó)家制定的地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/3838-2002),選取如表1所示的24項(xiàng)地表水指標(biāo)。通過(guò)反復(fù)的調(diào)整和試算,適當(dāng)設(shè)定各指標(biāo)的參照值cj0,并對(duì)各指標(biāo)值設(shè)計(jì)如式(1)和式(2)所示的規(guī)范變換式。

式(1)和式(2)分別稱為指標(biāo)j的變換式和規(guī)范變換式;與此相應(yīng),xj和x′j分別稱為指標(biāo)j的變換值和規(guī)范值;cj為指標(biāo)j的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值或監(jiān)測(cè)值;cj0為設(shè)定的指標(biāo)j的參照值。24項(xiàng)地表水指標(biāo)的參照值cj0、各分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值cjk(j=1～24;k=1～5)及其規(guī)范值 x′jk如表1所示。

表1 24項(xiàng)地表水指標(biāo)的參照值cj0、各分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值cjk及其規(guī)范值x′jk

2 地表水指標(biāo)規(guī)范值的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

用式(1)和式(2)對(duì)表1中的24項(xiàng)地表水指標(biāo)的各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行規(guī)范變換,將同級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范值 x′jk差異較小的指標(biāo)進(jìn)行歸類,則24項(xiàng)指標(biāo)可歸為A、B、C 3大類,如表2所示。由于同屬一類的指標(biāo)的同級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范值差異很小,因而同屬一類的指標(biāo)皆可用一個(gè)“等效”規(guī)范指標(biāo)替代,并將它們同級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范值的平均值作為該類“等效”指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值。

表2 各類地表水指標(biāo)規(guī)范值的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值 x′lk

3 基于指標(biāo)規(guī)范值的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)公式

單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)就是依據(jù)單因子水質(zhì)指標(biāo)規(guī)范值的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表2),在水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)第k級(jí)下限值上加上在該類中的線性增量值?；诖?依據(jù)表2判斷,當(dāng)水質(zhì)介于Ⅰ類水和Ⅴ類水之間時(shí),地表水24項(xiàng)指標(biāo)的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù) pj為:

式中kj為第j項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)類別,取值1,2,…,5;χ′jk下為第j項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)第kj類水區(qū)間的下限值的規(guī)范值;χ′jk上為第j項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)第kj類水區(qū)間的上限值的規(guī)范值;x′j為第j項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)測(cè)濃度規(guī)范值。當(dāng)水質(zhì)屬于劣Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)時(shí),其單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù) pj為:

4 確定權(quán)重

常用的權(quán)值確定方法有變異系數(shù)法、熵權(quán)賦權(quán)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(biāo)賦權(quán)法確定權(quán)值[8]。

式中,ωj為指標(biāo)j的歸一化權(quán)值;αj為由式(6)確定的指標(biāo)j的超標(biāo)倍數(shù);n為數(shù)據(jù)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

式中,x′j5為指標(biāo)j的Ⅴ類水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范值。

5 基于指標(biāo)規(guī)范值的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)

在用式(5)和式(6)超標(biāo)賦權(quán)法確定各指標(biāo)(單因子)權(quán)重后,再用各單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的加權(quán)和作為綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù),如式(7)所示。

式中,p為綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù),pj為指標(biāo)j的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù),ωj為各相應(yīng)指標(biāo)j的歸一化權(quán)值權(quán)重,n為數(shù)據(jù)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

6 綜合水質(zhì)級(jí)別的判定

綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)p與綜合水質(zhì)級(jí)別判定的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表3。

表3 水質(zhì)級(jí)別判定

7 實(shí)例分析

河橋枯水期的5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的DO,CODCr,CODMn,BOD5,TP,NH3-N和TN共7項(xiàng)地表水水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表4所示[11]。

從表1中查出表4中的7項(xiàng)指標(biāo)的參照值cj0,并用式(1)和式(2)求出各個(gè)斷面各指標(biāo)的規(guī)范值 x′j,亦見(jiàn)表4。再依據(jù)表2各指標(biāo)規(guī)范值的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值,用式(3)～式(7)計(jì)算得到各斷面綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)及根據(jù)水質(zhì)綜合標(biāo)識(shí)指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作出的綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 河橋枯水期指標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)cj及其規(guī)范值x′j(cj:mg·L-1)

表5 河橋枯水期各監(jiān)測(cè)斷面的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)及水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

[11]用熵權(quán)屬性識(shí)別法和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)權(quán)重屬性識(shí)別法對(duì)本實(shí)例作出的評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)與用指標(biāo)規(guī)范值的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。表明:此方法具有科學(xué)性、合理性、實(shí)用性。

8 結(jié)論

(1)基于指標(biāo)規(guī)范值的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法更加精確、客觀地反映水質(zhì)指標(biāo)的污染狀況,能比較全面準(zhǔn)確的反映整體水質(zhì)信息,而且評(píng)價(jià)結(jié)果直觀。

(2)采用超標(biāo)賦權(quán)法克服了某些賦權(quán)方法的不足,既能增加超標(biāo)指標(biāo)的權(quán)重,突出超標(biāo)因子的影響,又能夠反映同一指標(biāo)在不同斷面、不同監(jiān)測(cè)時(shí)段的污染貢獻(xiàn)差異,直觀地比較不同斷面水質(zhì)的優(yōu)劣。

(3)基于指標(biāo)規(guī)范值的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的判別標(biāo)準(zhǔn)不隨指標(biāo)數(shù)目的多少而改變,因而與傳統(tǒng)的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法相比,該方法計(jì)算更簡(jiǎn)便,更具有普適性和通用性。

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