綜合水質評價方法概述

2021-05-27 21:25:57 字數 4641 閱讀 7627

目前在綜合水質評價中應用較多典型評價方法包括:單因子評價法、汙染指數法、模糊數學評價法、灰色系統評價法、層次分析評價法、物源分析評價法、人工神經網路評價法,以及水質標識指數評價法。

單因子評價法

單因子評價法是分別將各個水質標準規定的水質指標進行對比分析,在所有參與綜合水質評價的水質指標中,選擇水質最差的單項指標所屬類別來確定所屬水域綜合水質類別;單因子指數評價計算簡單,且可清晰判斷出主要汙染因子及其主要汙染區水域。我國在水質監測公報中,便採用了單因子評價水體綜合水質。

單因子指數p由一位整數、小數點後二位或三位有效數字組成,表示為:

式中:x1————第i項水質指標的水質類別;

x2————監測資料在x1類水質變化區間中所處位置根據公式按四捨五入的

原則計算確定。

x3————水質類別與功能區劃設定類別的比較結果,視評價指標的汙染程度,

x3為一位或兩位有效數字。

根據pi的數值可以確定水質類別、水質資料、水環境功能區類別,可以比較水質的汙染程度,pi 越大,水質越差,汙染越嚴重,如果pi大於6.0,水質劣於v類水。

單因子評價法,優點:是簡單、易操作。缺點:但單因子評價中汙染因子佔100%權

重,其餘因子權重為零,而隨水質監測結果不斷變化,濃度越大權重越大,隨意性較大,不去考慮各因子對水環境影響的差異性,會忽略很多有用的資訊,具有一定的侷限性。

汙染指數法

汙染指數法的基本思想是:針對單項水質指標,將其實測值與對應的水環境功能區類別與水質標準相比,形成單項汙染指數;對所有參與綜合水質評價的單項水質指標,將各指標的單項汙染指數通過算數平均、加權平均、連乘及指數等各種數學方法得到乙個綜合指數,來評價綜合水質。

優點:指數法綜合評價對水質描述是定量的,只要專案、標準、監測結果可靠,綜

合評價從總體上來講是能基本反映汙染的性質和程度的。並且對於全國流域尺度而言,汙染指數法計算簡便,便於進行不同水系之間或同一水系不同時問上的基本汙染狀況和變化的比較。 缺點:

選擇不同的汙染因子會使汙染指數值出現波動,當水體的某些汙染物評價標準值很低,而這些汙染物未被檢出時,依據資料的填報原則,就將其報為檢出限的一半。此時進行汙染指數計算就會誇大水汙染程度。

模糊數學評價法

模糊數學理論是美國理論控制專家l.a.zadeh於2023年提出的。

在水環境質量綜合評價中,涉及大量的複雜現象和多種因素的相互作用,也存在大量的模糊現象和模糊概念,因此水質評價也可以採用模糊數學的方法進行定量化處理。模糊數學評價法包括模糊綜合評判法、模糊聚類法、模糊模式識別法等,其中最典型的方法是模糊綜合評判法,其基本思想是:構造水質指針對各類水質類別的隸屬函式;根據隸屬度函式,計算水質指標實測值對各類水質類別的隸屬度,構造模糊關係矩陣;計算各類水質指標的權重,構造權重向量;將權重向量和模糊關係矩陣相乘,得到綜合水質對各類水質類別的隸屬度,最終判斷出評價樣本的綜合水質級別。

優點:當在水環境質量綜合評價中,涉及到大量的複雜現象和多種因素的相互作用

時,用模糊關係合成原理,可將一些邊界不清、不易定量化的因素定量化。缺點:當水質評價指標較多時,常用的取大取小演算法可能導致資訊丟失過多,出現評價結果趨於均化、模糊失效的現象。

灰色系統評價法

灰色系統理論是我國學者鄧聚龍於2023年提出的一門新理論。灰色系統理論用已知的白化引數通過分析、建模、控制和優化等程式,將灰色問題淡化和白化。應用於綜合水質評價的灰色系統理論方法中,最為常用的為灰色聚類法,其基本思想是:

將評價樣本標準化;將水環境質量類別對應的質量濃度值標準化,形成對應的水環境質量灰類;並基於水質灰類,構造白化函式;根據白化函式計算出各評價指標對於各灰色的白化係數;根據各評價指標的權重,求得綜合水質對於各灰色的聚類係數,最終判斷出評價樣本的綜合水質類別。除灰色聚類法外,還有其他的灰色系統理論評價方法,包括灰色關聯分析法、灰色統計法、灰色局勢決策法等。

灰色評價法, 優點:是對白化資料的灰化處理,能夠客觀注意到水質分級界

線的模糊性,又提高了資訊利用率,對單一汙染指標,能準確判斷出所屬類別。

缺點:灰色聚類法最後評價結果是按照最大隸屬原則,取最大聚類係數所在類別,所以對整體來說,會忽略掉一些特殊的資料,以至結果趨於均化、解析度不高;且汙染因子(專案)選取數量的多少直接影響最終的質量係數,即水質評價的級別。

物源分析評價法

我國學者蔡文教授所創立的物源分析理論剔除了「可拓」的思想和概念,開創了用以解決不相容問題的物元理論,用關聯度將模糊集合的[0,1]閉區間連續取值,拓展到(—∞,+∞)實數軸,將物源的量值表達為實軸上的一點,既豐富了事物的內涵,又能客觀的反映物質世界的真實狀態。基於物源分析理論的綜合水質評價的基本思想是:建立物源模型,包括各水質類別的經典域物源矩陣、各評價指標最大值的節域物源矩陣、評價樣本的待評物源矩陣;計算各水質指針對各水質類別的關聯度;確定各水質指針對各水質類別的權重,計算綜合水質對各水質類別的關聯度;選擇最大關聯度對應的水質類別,作為綜合水質級別。

如果對於任何水質類別,關聯度均小於0,表明待評價樣本的水質類別已經不屬於所劃分的各類之內,評價水體嚴重汙染,超過v類水質標準。

優點:物元分析法在水環境質量評價中的應用,解決了水體各單項水質指標評價結果往往不相容的瓶頸。考慮了級別區間內外的變化特徵,對物理意義的表達更加精確。

且在物元模型中,關聯函式可取負值,分辨能力強,能全面分析判別待評物件屬於某一級別的程度,從而提供的資訊更為豐富,判斷更加準確。缺點:應用該方法時,經典域、節域的量值範圍的確定、關聯函式的選取等問題都不夠成熟,有待進一步研究**。

人工神經網路評價法

人工神經網路早期的研究工作應追溯至20世紀40年代。近10年來,人工神經網路在模式識別和系統辨識領域得到廣泛應用。人工神經網路(ann)是乙個由簡單資訊處理元(類似於神經,稱之為單元)組成的高度相關綜合體,神經從單方面或多方面的**採集輸入資料,並根據預先確定的非線性函式得到輸出。

乙個神經網路是由許多個相互聯絡的神經按已知形勢構築的。神經網路的主要特徵是:資訊的分布表達方式、區域性運算和非線性處理。

人工神經網路涉及區域包括協調優化、資料壓縮和函式優化。神經網路解題技術有一下幾方面的優點:神經網路的應用不需要基本過程的前期認識;在調查研究中,可不用識別過程的各部分之間的複雜關係;人工神經網路方法既不需要任何約束,也不需要假設解的結構。

學習方法或訓練構成神經間的相互聯絡,並利用已知的輸入或輸出來完成。用誤差收斂技術調解神經間相互聯絡的極限,以便根據已知的輸入形勢得到所要求的輸出。

在水質評價領域,最典型的方法是基於bp網路的水質評價,其基本思想是:選定樣本,通過不斷的正向和反向反饋,對bp神經網路進行訓練,直至得出滿意的、與樣本預期輸出相符合的計算結果;基於訓練好的bp網路,對評價樣本進行綜合水質評價。除bp人工神經網路外,基於hopfiled網路的水質評價也有**。

神經網路評價法,優點:在分類問題的應用中,用線性演算法來完成以往非線性演算法所做的工作,並能保持非線性演算法的高精度等特性,解決了評價指標值不是剛好處於某個類別中而是往往分布於幾個類別間的難題。缺點:

此方法存在隨機性大,人為賦權帶來干擾大的缺點。

水質標識指數評價法

水質標識指數法是我國學者徐祖信教授於2023年提出的新的水質評價方法,已經在我國部分省市河流水質評價中得到全面推廣應用。其基本思想:首先對單項水質指標,根據《地表水環境質量標準(gb3838——2002)》的水域功能類別質量濃度標準,形成評價單項水質指標類別和水質汙染程度的單因子水質指數;再將參與綜合水質評價的單因子水質指數通過算數平均或加權平均的方式,得到反映綜合水質類別和綜合水質汙染程度的綜合水質指數,通過判斷水體功能達標情況,得到綜合水質標識碼,最終形成綜合水質標識指數。

綜合水質標識指數能夠以一組資料反映綜合水質類別、水質汙染程度、水環境功能區達標情況等關鍵性管理資訊,特別是能夠對水體黑臭直接作出評價。

綜合水質標識指數法,是以單因子水質標識指數為基礎,對河流水質進行綜合分析評價。綜合水質標識指數由一位整數和三位或四位小數組成,它完整的標識了綜合水質類別、水質情況、與水環境功能區類別的比較結果等令人關心的資訊。

綜合水質標識指數的特點是以一組有機汙染指標和富營養化指標綜合評價河流水質。既結合了國家標準規定的水質類別比較,又考慮了水質汙染程度的比較,可以對河道綜合水質進行定性評價和定量評價,還可以對劣v類的河流進行水質評價,並判別河流水體是否黑臭。評價結果可以說明水質的達標情況,還可以反映水環境整治取得的成效。

綜合水質標識指數法克服了目前常用的一些評價方法的不足,是一種較好的河流水質評價方法。計算方法簡單,分析結果直觀,評價結論合理,易於在我國河流水質評價中推廣應用,以提高水環境管理水平,進一步推進水汙染治理工作。

單因子水質標識指數評價法

單因子水質標識指數的組成

單因子指數p由一位整數、小數點後二位或三位有效數字組成,表示為:

1)式中:x1————第i項水質指標的水質類別;

x2————監測資料在x1類水質變化區間中所處位置根據公式按四捨五入的

原則計算確定。

x3————水質類別與功能區劃設定類別的比較結果,視評價指標的汙染程度,

x3為一位或兩位有效數字。

圖1 x2符號示意圖

ρdok下限dodok上限

水質好於v類水上限值時,x1和x2的確定

x1的確定

當水質介於i類和v類水之間時,可以根據水質監測資料與國家標準的比較確定x1,其意義為x1=1,表示該指標為i類水;x1=2 ,表示該指標為ii類水;x1=3,表示該指標為iii類水;x1=4,表示該指標為iv類水;x1=5,表示該指標為v類水。

x2的確定

在地表水環境質量標準(gb3838——2002)中,溶解氧質量濃度隨水質類別數的增大而減小,除水溫和ph外的其餘21項指標值隨水質類別數的增大而增加,因此水質標識指數pi按溶解氧指標和非溶解氧指標分別計算。

礦泉水的水質評價

表7 8 某些元素的組分的限量指標 3 汙染物指標不得超過表7 9所規定的標準,比一般飲用水標準要求更嚴格,因為它直接用於飲用。表7 9 汙染物限量指標 二 飲用礦泉水水質評價原則 為了確保飲用礦泉水的質量和產量,在進行水質評價時,必須以國寶規定的標準為依據。本標準中沒有規定的某些成分,則應參照一般...

飲用水水質評價實驗報告

一 實驗目的及要求 1.掌握測定水質色度 渾濁度 臭和味 肉眼可見物 ph 飲用水中溶解性總固體等一般化學指標的方法。2.掌握測定水質中硝酸鹽 以n計 等毒理學指標的方法。3.了解生活中飲用水和自來水的水質狀況。二 實驗原理 水質評價指按照評價目標,選擇相應的水質引數 水質標準和評價方法,對水體的質...

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