[发明专利]一种城市河道断面动态水质目标确定方法

权利要求书

1.一种城市河道断面动态水质目标确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1.1建立影响城市河道断面水质目标确定的指标框架体系

指标框架共分成目标层(O)、准则层(C)、指标层(P)三个层次，目标层用O表示，准则层用C表示，相应指标用C_k表示，指标层用P表示，相应指标用P_m表示；目标层指标(O)为确定城市河道断面水污染物浓度；准则层(C)为水文水力因素(C₁)、水质因素(C₂)、需求因素(C₃)三项指标，即C＝{C₁，C₂，C₃}；水文水力因素(C₁)包括水体容积(P₁)、流速(P₂)、流量(P₃)、跌水数量(P₄)、河流弯曲系数(P₅)、断面形态(P₆)、生态护岸比例(P₇)、河床基质(P₈)、河岸宽度(P₉)、河岸植被覆盖率(P₁₀)10项指标，即C₁＝{P₁，P₂，…，P₁₀}；水质因素(C₂)包括上游来水水质(P₁₁)、河段本底水质(P₁₂)、流域汇水水质(P₁₃)、底泥指标(P₁₄)、污染物降解性(P₁₅)、水生植物多样性(P₁₆)、浮游植物多样性(P₁₇)、浮游动物多样性(P₁₈)、鱼类多样性(P₁₉)、底栖动物多样性(P₂₀)10项指标，即C₂＝{P₁₁，P₁₂，…，P₂₀}；需求因素(C₃)包括亲水空间人均占有面积(P₂₁)1项指标，即C₃＝{P₂₁}；形成由3项因素21项指标组成的城市河道断面水质目标影响因素层次结构框架；

1.2通过层次分析法对指标重要性进行判断，分析计算指标权重，包括：

1)令判断矩阵B＝(b_ij)_n×n，b_ij为矩阵元素，i、j分别为矩阵元素所在的行号和列号，n为矩阵阶数，数值上与同一上层指标影响下本层次的指标个数相等；矩阵的行和列均为同一层次的n个指标，b_ij表示行因素与列因素相比，对上一层次指标重要的程度，可量化成数值区间[1,2,3,4,5,6,7,8,9,1/2,1/3,1/4,1/5,1/6,1/7,1/8,1/9]中的具体数值，数值1～9代表行因素比列因素重要，数值越大越重要，数值1/2～1/9代表列因素比行因素重要，数值越小越重要；

2)判断矩阵B通过一致性比率CR判断一致性，若CR＜0.1，判断矩阵具有满意的一致性；CR＝CI/RI，其中CI为偏离一致性指标，CI＝(λ_max–n)/(n–1)，式中λ_max为矩阵最大特征根；RI为随机一致性指标，矩阵阶数为3～15时，RI取值分别为0.52、0.89、1.12、1.26、1.36、1.41、1.46、1.49、1.52、1.54、1.56、1.58、1.59；

3)判断矩阵B通过一致性检验后，其特征向量中各数值经归一化后得到本层次指标在本层次中的初始权重，各指标(P_m)权重与各指标所属因素(C_k)的权重相乘得出各指标(P_m)对总目标(O)的综合权重，则21个指标的综合权重为ω_m，即ω₁、ω₂、…、ω₂₁；

4)采用熵技术对指标权重进行修正，由判断矩阵B＝(b_ij)_n×n得到标准矩阵R＝(r_ij)_n×n，其中r_ij为b_ij归一化的结果，即第i项指标输出的熵为第i项指标的偏差度为d_j＝1–E_j，第i项指标的信息权重为则第i项指标的修正权重为

5)经修正后各指标(P_m)权重与各指标所属因素(C_k)的权重相乘得出各指标(P_m)对总目标(O)的综合权重，最终形成21个指标的综合权重a_m，即a₁、a₂、a₃、…、a₂₁；

1.3对单项评价指标进行分级量化评价

将各单项指标对高、中、低三个目标等级的适应程度进行分级量化，共分为高、中、低三个适应等级，其中高适应等级表示该指标有利于达到较高的水质目标或由于客观条件必须选择较高的水质目标，低适应等级表示该指标不利于达到较高的水质目标或由于客观条件选择较低的水质目标，中适应等级则介于两者之间；各评价指标的适应性等级分级量化标准如下：

1)水体容积(P₁)以10m水深为界分别确定适应性等级，不同水深情况下，不同适应性等级均与水面面积相关；水深≥10m时，水面面积以≥25km²、[2.5km²，25km²)、＜2.5km²对应高、中、低适应性等级，水深＜10m时，水面面积以≥50km²、[5km²，50km²)、＜5km²对应高、中、低适应性等级；

2)流速(P₂)以处于不冲不淤流速范围内最适宜，P₂以[v_不冲－0.5*(v_不冲－v_不淤)，v_不冲)、(v_不淤,v_不淤+0.5*(v_不冲－v_不淤))、≤v_不淤或≥v_不冲对应高、中、低适应性等级，其中v_不冲为不冲允许流速，根据式(1)计算，v_不淤为不淤允许流速，根据式(2)计算；

v_不冲＝K·Q^0.1 (1)

式中，K为与河底土质有关的系数，Q为河道流量，m³/s；

v_不淤＝βh₀^0.64 (2)

式中，h₀为平均水深，m；β为与河道泥沙特性有关的系数，粗砂取0.60～0.70，中砂取0.54～0.57，细砂取0.39～0.41；

3)流量(P₃)根据平均流量或平水期平均流量确定，P₃以≥150m³/s、[15m³/s，150m³/s)、＜15m³/s对应高、中、低适应性等级；

4)跌水有利于水体溶解氧的补充和污染物的降解，P₄以≥3处跌水、[1，3)处跌水、无跌水对应高、中、低适应性等级；

5)河流弯曲系数(P₅)通过河段实际长度与直线长度之比计算，P₅以≥1.5、[1，1.5)、＜1对应高、中、低适应性等级；

6)断面形态(P₆)考虑断面的自然生态程度，P₆以“天然抛物线形断面”、“天然抛物线形、人工矩形或梯形断面均存在”、“单一人工矩形或梯形断面”对应高、中、低适应性等级；

7)生态护岸比例(P₇)指使用生态型护岸材料的河道长度比例，P₇以≥80％、[50％，80％)、＜50％对应高、中、低适应性等级；

8)河床基质(P₈)指河床的生态化程度，P₈以“天然泥质”、“石头或泥沙”、“完全硬质或淤泥、黏质土”对应高、中、低适应性等级；

9)河岸宽度(P₉)及河岸植被覆盖率(P₁₀)反映河岸植物、动物、微生物的生长环境，P₉以≥河宽、[0.1*河宽，河宽)、＜0.1*河宽对应高、中、低适应性等级，P₁₀以≥60％、[20％，60％)、＜20％对应高、中、低适应性等级；

10)上游来水水质(P₁₁)、河段本底水质(P₁₂)、流域汇水水质(P₁₃)将高锰酸盐指数、化学需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD₅)、氨氮(NH₃-N)、总磷(TP)、总氮(TN)的水质与水功能区水质标准比较，P₁₁、P₁₂、P₁₃以优于水功能区水质、达到水功能区水质、劣于水功能区水质对应高、中、低适应性等级；

11)底泥指标(P₁₄)由碳、氮、磷污染含量来评价，通过有机指数法评价底泥碳、氮的污染状况，由式(3)～式(5)计算，通过单因子指数法评价底泥磷的污染状况，如式(6)所示，P₁₄以“OI＜0.2、ON＜0.066、S_TP＜0.5”、“0.2≤OI＜0.5、0.066≤ON＜0.133、0.5≤S_TP＜1.5”、“OI≥0.5、ON≥0.133、S_TP≥1.5”对应高、中、低适应性等级；

OI＝OC×ON (3)

ON＝TN×0.95 (4)

OC＝OM/1.724 (5)

式中，OI为有机指数；OC为有机碳，％；ON为有机氮，％；TN为总氮，％；OM为有机质，％；

S_TP＝C_i/C_s (6)

式中，S_TP为TP污染指数；C_i为实测值，mg/kg；C_s为评价标准值，参照国内湖泊沉积物评价标准，取440mg/kg；

12)污染物降解性(P₁₅)以易降解、可降解、难降解对应高、中、低适应性等级，高锰酸盐指数、COD、BOD₅、NH₃-N、SS为易降解，TP、TN、氰化物、石油类、硫化物、粪大肠菌群为可降解，重金属、氟化物、挥发酚、阴离子表面活性剂为难降解；

13)水生植物多样性(P₁₆)、浮游植物多样性(P₁₇)、浮游动物多样性(P₁₈)、底栖动物多样性(P₂₀)用香农多样性指数评价，如式(7)所示；P₁₆、P₁₇、P₁₈、P₂₀以≥2、[1，2)、＜1对应高、中、低适应性等级；

式中，H表示香农多样性指数，S表示总的物种数，p_i表示第i个种占总数的比例；

14)鱼类多样性(P₁₉)用G-F指数评价；

15)亲水空间人均占有面积(P₂₁)以公众对水环境的需求情况来评价，P₂₁以＜20m²、[20m²，60m²)、≥60m²对应高、中、低适应性等级；

1.4计算指标集综合得分，确定水质目标等级

对高、中、低适应等级分别赋予3、2、1的分值，计算各指标得分；记21个指标得分集为f＝(f₁，f₂，…，f₂₁)，则指标集综合得分如式(11)所示；

式中，S为指标集综合得分，f_m和a_m分别为评价指标P_i的得分及权重；

对综合得分分成高、中、低三个等级，建立动态河道水质目标；2.3≤C≤3时为高等级，高锰酸盐指数、COD、BOD₅、NH₃-N、TP执行水功能区标准，TN执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A排放标准，感官良好；1.6＜C＜2.3时为中等级，高锰酸盐指数、COD、BOD₅、NH₃-N、TP比水功能区标准宽松1～2个等级，水功能区标准为Ⅴ类时宽松至《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A或一级B排放标准，TN执行一级B标准，感官良好；1≤C≤1.6时为低等级，不考虑化学指标，仅考虑感官指标，不产生令人感官不快的色、嗅、味、沉淀物、漂浮物。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：

鱼类多样性(P₁₉)用G-F指数评价，通过式(8)计算；P₁₉以≥0.25、[0.05，0.25)、＜0.05对应高、中、低适应性等级；

式中，D_G为属多样性，通过式(9)计算；D_F为科多样性，通过式(10)计算；

式中，q_i＝S_j/S，S为j属中的物种数，S为名录中鱼类的物种数，p为名录中鱼类的属数；

式中，p_i＝S_ki/S_k，S_ki为名录中科属中的物种数，S_k为名录中k科中的物种数，n为k科中的属数，m为名录中鱼类的科数。