[发明专利]一种清洁河流的断面综合评价方法

摘要

本发明涉及清洁河流的断面综合评价方法，可有效解决对清洁河流断面的准确评价，实现河流治理和生态修复的问题，构建清洁河流断面综合评价要素及指标，包括水文水质特征、生物特征、功能特征与地貌特征；对河流断面的现场采样和监测，进行物理化学指标测定和生物鉴定，计算得到清洁河流断面评价指标的实测值，进行标准化处理，建立评价指标数据转换矩阵，对清洁河流断面采用不清洁、较不清洁、较清洁、清洁、很清洁5级分级，建立自主优势量矩阵，计算得到指标优势序组，计算评价指标的最终优势权向量，计算评价断面综合评价值，综合评价值越小越好，本发明易操作使用，效果好，实现对清洁河流断面的准确评价，指导河流治理和生态修复。

主权项

1.一种清洁河流的断面综合评价方法，包括以下步骤：(1)构建清洁河流断面综合评价要素及指标：清洁河流断面评价要素包括水文水质特征Y1、生物特征Y2、功能特征Y3与地貌特征Y4；水文水质特征Y1包括流速X1、单位m/s；河流生态需水保证率X2，记为WE，单位％,计算公式为：式(1)中WE为生态需水保证率，ME为流量大于或等于生态环境需水流量的天数，MT为总天数；浊度X3、单位NTU；溶解氧X4、单位mg/L；化学需氧量X5、单位mg/L；氨氮X6、单位mg/L；总磷X7、单位mg/L；铅X8、单位mg/L；六价铬X9、单位mg/L；有机质X10、单位mg/kg；底泥潜在生态危害指数X11，记为RI，计算公式为：RI＝∑Eri＝∑Tri×Cri     式(2)；式(2)中：RI表示底泥潜在生态危害指数，Eri表示某单个重金属i的潜在生态危害指数；Tri为第i种重金属的毒性系数，反映重金属的毒性水平及水体对重金属污染的敏感程度；Cri(Cri＝Csi/Cni)表示某单个重金属i的污染指数，Csi为底泥重金属i的浓度实测值，Cni为底泥重金属i的背景参比值；X1～X11构成水文水质特征评价指标；生物特征Y2包括浮游动物香农多样性指数X12、浮游植物香农多样性指数X13、固着藻类香农多样性指数X14，底栖动物种数X15，X12、X13、X14的香农多样性指数记为H,计算公式为：H＝‑∑pilnpi           式(3)；式(3)中：pi表示第i种物种个数占总物种个数的比例；X12～X15构成生物特征评价指标；功能特征Y3包括景观效应X16，面源污染强度X17、单位kg/km2，污水处理率X18、单位％，污水处理率X18计算公式为：X16～X18构成功能特征评价指标；地貌特征Y4包括纵向连通性指标X19和河岸带稳定性指标X20，纵向连通性指标X19的计算公式为：X19～X20构成地貌特征评价指标；(2)对河流断面的现场采样和监测：利用分析仪器进行现场监测、对河流断面进行物理化学指标测定和生物鉴定，物理指标包括流速、河宽、水深，化学指标包括水体污染物指标和底泥污染物指标，水体污染物指标为浊度、溶解氧、化学需氧量、氨氮、总磷、铅、六价铬；底泥污染物指标包括Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、Hg、As和有机质，表征地貌数据的纵向连通性采用ArcGIS软件进行数据提取计算获得，用水样采集器、底泥采样器、激光测距仪、卷尺、便携式流速仪、便携式溶解氧测定仪、多参数水质分析仪、便携式冰箱、电子称对河流现场采样，对河流现场采集的样品用原子吸收分光光度计、原子荧光光度计、电感耦合等离子体发射光谱仪进行水质分析，对浮游动物、浮游植物、固着藻类采用生物显微镜鉴定，根据现场测定结果，计算得到清洁河流断面评价指标的实测值；(3)数据的标准化处理：由于不同评价指标间的量纲不同，为了消除量纲，提高不同指标数据的可比性，需要对n个评价断面，20个评价指标的实测值rij进行标准化处理；根据各评价指标的内涵，评价指标分为“效益型”和“成本型”两类指标，对于“效益型”指标属性值越大越好；而“成本型”指标为属性值越小越好，为了对评价指标建立惩罚机制，采用极差标准化法对各指标数据进行标准化处理，对于效益型和成本型两类指标实测值的标准化结果均用xij表示，具体计算公式如下：对于效益型评价指标，实测值标准化计算公式为：对于成本型评价指标，实测值标准化计算公式为：式(6)、式(7)中max{rij}、min{rij}分别为指标实测值的最大值和最小值；根据以上的标准化结果可知，对于效益型指标，rij越大，水质越好，xij越小，其指标情况越好；对于“成本型”评价指标，rij越小水质越好，xij越小，其指标情况越好；(4)评价指标数据转换矩阵的建立：河流有n个评价断面O1,O2,…,On，20个评价指标X1,X2,…,X20构成评价指标系统，xij(i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,20)为被评价断面Oi关于指标Xj实测值的规范化值，记为N＝{1,2,…,n}(3≤n≤100),M＝{1,2,…,20}，评价断面Oi的指标值集合为Zi＝{xi1,xi2,…,xi20}，将清洁河流断面各评价指标分级限值作为标准断面处理，建立标准评价断面数据矩阵，对清洁河流断面分为不清洁、较不清洁、较清洁、清洁、很清洁5级；标准化处理的评价矩阵为xⅠj、xⅡj、xⅢj、xⅣj 4个清洁河流标准断面OⅠ、OⅡ、OⅢ、OⅣ的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类标准上限值标准化处理后的数据，则标准断面OⅠ的指标值集合为ZI＝{xI1,xI2,...,xI20}，记为N*＝{Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ}，因此，N扩展为(N∪N*)；评价指标数据转换矩阵A为：其中，xij(i＝1,2,…,n,Ⅰ，…，Ⅳ；j＝1,2,…,20)；(5)自主优势量矩阵的建立：根据式(8)：式(9)：λij＝μαij+υβij i∈(N∪N*),j∈M                  式(9)其中：μ为竞争性目标偏爱系数，υ为发展性目标惩罚系数，计算出自主优势量λij(i∈(N∪N*),j∈M)，得到自主优势量矩阵B＝[λij](n+4)×20；λij为评价断面Oi(i∈(N∪N*))关于指标Xj(j∈M)的自主优势量，其值越大说明评价断面自主优势量越大，μ,υ∈[0,1],μ+υ＝1；k表示第k个列优势评价断面，p表示第k个列优势评价断面下第p个指标；αij,βij为评价断面Oi(i∈(N∪N*))在指标Xj(j∈M)上的列优势量及行优势量，列优势量αij(i∈(N∪N*),j∈M)反映了评价断面Oi的第j项指标与其他(n+4)‑1个评价断面整体之间改善的差异，行优势量βij(i∈(N∪N*),j∈M)反映了评价断面Oi的第j项指标与其他m‑1项指标整体的优势状况差异，评价指标m，1≤m≤20；自主优势量矩阵B＝[λ_ij]_(n+4)×20，评价断面O_i的自主优势量向量为λ_i＝(λ_i1,λ_i2,…,λ_i20)(i∈(N∪N^*))，B是根据式(8)与式(9)对评价指标数据转换矩阵A上的信息转换而成，其λ_ij(i∈(N∪N^*),j∈M)表征出评价断面O_i在指标X_j上的优势程度，因而，对应的指标分别是评价断面O_i的最优势及最劣势指标；(6)计算得到指标优势序组：对自主优势量向量λi＝(λi1,λi2,…,λi20)(i∈(N∪N*))中各分量由大到小降序排列，得到一个有序组，将{1,2,…,n,Ⅰ,…，Ⅳ}上的元素指定给有序(n+4)元组上的对应元素，记λij对应的序值为dij，称dij为评价断面Oi在指标Xj上的优势数；对评价断面Oi的优势数集合{dij|j∈M}中元素按由小到大升序排序，得到评价断面Oi的指标优势序组，记为Di,i∈(N∪N*)；(7)计算评价指标的最终优势权向量：最终优势权向量计算公式为：其中，u为连续递增函数；1≤m≤20；b(b≥0)为可变参数；当b＝0时，ωij＝1/m，此时，ωi完全均衡各指标的作用，指标自身优势削弱程度最弱；当b→+∞时，ωi1→1；此时，ωi2,ωi3,…,ωim→0，ωi1最大化削弱了评价断面Oi的自身指标优势，优势弱化能力达到最大；为关于指标X_j(j∈M)的优势权向量，其中i∈(N∪N^*)；将中分量按照被评价断面O_i优势数d_ij升序排列的结果，即为指标优势序组的优势权向量；清洁河流断面评价指标分为多个评价要素体系，需要计算重新排列后的评价要素优势权向量与相应的评价要素下的指标优势权向量并得到评价指标的最终优势权向量(8)计算评价断面Oi综合评价值；清洁河流综合评价值为：其中，λ_ij为评价断面O_i关于评价指标X_j的自主优势量，为评价断面O_i关于评价指标X_j的优势权向量，(9)清洁河流评价断面的优劣排序：通过比较综合评价值yi(i∈(N∪N*))得到各评价断面Oi的相对优劣；根据n个评价断面的yi值与标准断面yⅠ、yⅡ、yⅢ、yⅣ值的相对情况，对n个评价断面O1,O2,…,On进行评价等级划分，得到清洁河流的评价断面Oi的优劣排序，综合评价值yi(i∈(N∪N*))越小，其综合评价结果越好，从而实现对清洁河流的断面综合评价。