[發明專利]一種清潔河流的斷面綜合評價方法

有效

• 申請號: 201710098434.3
• 申請日: 2017-02-23
• 公開（公告）號: CN106813645B
• 公開（公告）日: 2018-12-25
• 發明（設計）人: 王莉;張文;于魯冀;徐聰;范鵬宇;徐艷紅;呂曉燕
• 申請（專利權）人: 鄭州大學
• 主分類號: G01C7/00
• 分類號: G01C7/00;G01C13/00;G06F17/16
• 代理公司: 鄭州天陽專利事務所(普通合伙) 41113
• 代理人: 聶孟民

1.一種清潔河流的斷面綜合評價方法，包括以下步驟：

(1)構建清潔河流斷面綜合評價要素及指標：

清潔河流斷面評價要素包括水文水質特征Y₁、生物特征Y₂、功能特征Y₃與地貌特征Y₄；

水文水質特征Y₁包括流速X₁、單位m/s；

河流生態需水保證率X₂，記為W_E，單位％,計算公式為：

式(1)中W_E為生態需水保證率，M_E為流量大于或等于生態環境需水流量的天數，M_T為總天數；

濁度X₃、單位NTU；

溶解氧X₄、單位mg/L；

化學需氧量X₅、單位mg/L；

氨氮X₆、單位mg/L；

總磷X₇、單位mg/L；

鉛X₈、單位mg/L；

六價鉻X₉、單位mg/L；

有機質X₁₀、單位mg/kg；

底泥潛在生態危害指數X₁₁，記為RI，計算公式為：

RI＝∑E_rⁱ＝∑T_rⁱ×C_rⁱ 式(2)；

式(2)中：RI表示底泥潛在生態危害指數，E_rⁱ表示某單個重金屬i的潛在生態危害指數；T_rⁱ為第i種重金屬的毒性系數，反映重金屬的毒性水平及水體對重金屬污染的敏感程度；C_rⁱ(C_rⁱ＝C_sⁱ/C_nⁱ)表示某單個重金屬i的污染指數，C_sⁱ為底泥重金屬i的濃度實測值，C_nⁱ為底泥重金屬i的背景參比值；

X₁～X₁₁構成水文水質特征評價指標；

生物特征Y₂包括浮游動物香農多樣性指數X₁₂、浮游植物香農多樣性指數X₁₃、固著藻類香農多樣性指數X₁₄，底棲動物種數X₁₅，X₁₂、X₁₃、X₁₄的香農多樣性指數記為H,計算公式為：

H＝-∑p_ilnp_i 式(3)；

式(3)中：p_i表示第i種物種個數占總物種個數的比例；

X₁₂～X₁₅構成生物特征評價指標；

功能特征Y₃包括景觀效應X₁₆，面源污染強度X₁₇、單位kg/km²，污水處理率X₁₈、單位％，污水處理率X₁₈計算公式為：

X₁₆～X₁₈構成功能特征評價指標；

地貌特征Y₄包括縱向連通性指標X₁₉和河岸帶穩定性指標X₂₀，縱向連通性指標X₁₉的計算公式為：

X₁₉～X₂₀構成地貌特征評價指標；

(2)對河流斷面的現場采樣和監測：

利用分析儀器進行現場監測、對河流斷面進行物理化學指標測定和生物鑒定，物理指標包括流速、河寬、水深，化學指標包括水體污染物指標和底泥污染物指標，水體污染物指標為濁度、溶解氧、化學需氧量、氨氮、總磷、鉛、六價鉻；底泥污染物指標包括Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、Hg、As和有機質，表征地貌數據的縱向連通性采用ArcGIS軟件進行數據提取計算獲得，用水樣采集器、底泥采樣器、激光測距儀、卷尺、便攜式流速儀、便攜式溶解氧測定儀、多參數水質分析儀、便攜式冰箱、電子稱對河流現場采樣，對河流現場采集的樣品用原子吸收分光光度計、原子熒光光度計、電感耦合等離子體發射光譜儀進行水質分析，對浮游動物、浮游植物、固著藻類采用生物顯微鏡鑒定，根據現場測定結果，計算得到清潔河流斷面評價指標的實測值；

(3)數據的標準化處理：

由于不同評價指標間的量綱不同，為了消除量綱，提高不同指標數據的可比性，需要對n個評價斷面，20個評價指標的實測值r_ij進行標準化處理；根據各評價指標的內涵，評價指標分為“效益型”和“成本型”兩類指標，對于“效益型”指標屬性值越大越好；而“成本型”指標為屬性值越小越好，為了對評價指標建立懲罰機制，采用極差標準化法對各指標數據進行標準化處理，對于效益型和成本型兩類指標實測值的標準化結果均用x_ij表示，具體計算公式如下：

對于效益型評價指標，實測值標準化計算公式為：

對于成本型評價指標，實測值標準化計算公式為：

式(6)、式(7)中max{r_ij}、min{r_ij}分別為指標實測值的最大值和最小值；根據以上的標準化結果可知，對于效益型指標，r_ij越大，水質越好，x_ij越小，其指標情況越好；對于“成本型”評價指標，r_ij越小水質越好，x_ij越小，其指標情況越好；

(4)評價指標數據轉換矩陣的建立：

河流有n個評價斷面O₁,O₂,…,O_n，20個評價指標X₁,X₂,…,X₂₀構成評價指標系統，x_ij(i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,20)為被評價斷面O_i關于指標X_j實測值的規范化值，記為N＝{1,2,…,n}(3≤n≤100),M＝{1,2,…,20}，評價斷面O_i的指標值集合為Z_i＝{x_i1,x_i2,…,x_i20}，將清潔河流斷面各評價指標分級限值作為標準斷面處理，建立標準評價斷面數據矩陣，對清潔河流斷面分為不清潔、較不清潔、較清潔、清潔、很清潔5級；

標準化處理的評價矩陣為x_Ⅰj、x_Ⅱj、x_Ⅲj、x_Ⅳj 4個清潔河流標準斷面O_Ⅰ、O_Ⅱ、O_Ⅲ、O_Ⅳ的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類標準上限值標準化處理后的數據，則標準斷面O_Ⅰ的指標值集合為Z_I＝{x_I1,x_I2,...,x_I20}，記為N^*＝{Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ}，因此，N擴展為(N∪N^*)；

評價指標數據轉換矩陣A為：

其中，x_ij(i＝1,2,…,n,Ⅰ，…，Ⅳ；j＝1,2,…,20)；

(5)自主優勢量矩陣的建立：

根據式(8)：

式(9)：

λ_ij＝μα_ij+υβ_ij i∈(N∪N^*),j∈M 式(9)

其中：μ為競爭性目標偏愛系數，υ為發展性目標懲罰系數，計算出自主優勢量λ_ij(i∈(N∪N^*),j∈M)，得到自主優勢量矩陣B＝[λ_ij]_(n+4)×20；

λ_ij為評價斷面O_i(i∈(N∪N^*))關于指標X_j(j∈M)的自主優勢量，其值越大說明評價斷面自主優勢量越大，μ,υ∈[0,1],μ+υ＝1；k表示第k個列優勢評價斷面，p表示第k個列優勢評價斷面下第p個指標；α_ij,β_ij為評價斷面O_i(i∈(N∪N^*))在指標X_j(j∈M)上的列優勢量及行優勢量，列優勢量α_ij(i∈(N∪N^*),j∈M)反映了評價斷面O_i的第j項指標與其他(n+4)-1個評價斷面整體之間改善的差異，行優勢量β_ij(i∈(N∪N^*),j∈M)反映了評價斷面O_i的第j項指標與其他m-1項指標整體的優勢狀況差異，評價指標m，1≤m≤20；

自主優勢量矩陣B＝[λ_ij]_(n+4)×20，評價斷面O_i的自主優勢量向量為λ_i＝(λ_i1,λ_i2,…,λ_i20)(i∈(N∪N^*))，B是根據式(8)與式(9)對評價指標數據轉換矩陣A上的信息轉換而成，其λ_ij(i∈(N∪N^*),j∈M)表征出評價斷面O_i在指標X_j上的優勢程度，因而，對應的指標分別是評價斷面O_i的最優勢及最劣勢指標；

(6)計算得到指標優勢序組：

對自主優勢量向量λ_i＝(λ_i1,λ_i2,…,λ_i20)(i∈(N∪N^*))中各分量由大到小降序排列，得到一個有序組，將{1,2,…,n,Ⅰ,…，Ⅳ}上的元素指定給有序(n+4)元組上的對應元素，記λ_ij對應的序值為d_ij，稱d_ij為評價斷面O_i在指標X_j上的優勢數；

對評價斷面O_i的優勢數集合{d_ij|j∈M}中元素按由小到大升序排序，得到評價斷面O_i的指標優勢序組，記為D_i,i∈(N∪N^*)；

(7)計算評價指標的最終優勢權向量：

最終優勢權向量計算公式為：

其中，u為連續遞增函數；1≤m≤20；

b(b≥0)為可變參數；

當b＝0時，ω_ij＝1/m，此時，ω_i完全均衡各指標的作用，指標自身優勢削弱程度最弱；當b→+∞時，ω_i1→1；此時，ω_i2,ω_i3,…,ω_im→0，ω_i1最大化削弱了評價斷面O_i的自身指標優勢，優勢弱化能力達到最大；

為關于指標X_j(j∈M)的優勢權向量，其中i∈(N∪N^*)；將中分量按照被評價斷面O_i優勢數d_ij升序排列的結果，即為指標優勢序組的優勢權向量；

清潔河流斷面評價指標分為多個評價要素體系，需要計算重新排列后的評價要素優勢權向量與相應的評價要素下的指標優勢權向量并得到評價指標的最終優勢權向量

(8)計算評價斷面O_i綜合評價值；

清潔河流綜合評價值為：

其中，λ_ij為評價斷面O_i關于評價指標X_j的自主優勢量，為評價斷面O_i關于評價指標X_j的優勢權向量，

(9)清潔河流評價斷面的優劣排序：

通過比較綜合評價值y_i(i∈(N∪N^*))得到各評價斷面O_i的相對優劣；根據n個評價斷面的y_i值與標準斷面y_Ⅰ、y_Ⅱ、y_Ⅲ、y_Ⅳ值的相對情況，對n個評價斷面O₁,O₂,…,O_n進行評價等級劃分，得到清潔河流的評價斷面O_i的優劣排序，綜合評價值y_i(i∈(N∪N^*))越小，其綜合評價結果越好，從而實現對清潔河流的斷面綜合評價。