一种基于多指标评价指数的水质评估方法及系统

技术领域

本发明涉及水质评价领域，尤其涉及一种基于多指标评价指数的水质评估方法及系统。

背景技术

充足和优质的水资源是人类生活、生产的基本保障。随着社会的进步发展和人口的不断增加，大量的工业废水、农业废水、生活废水和医疗废水被排放到水体之中，水环境污染问题日益严重。水质恶化已经成为全世界都在面临的严峻问题，采取合理有效的管理措施来预防和控制水质恶化迫在眉睫。其中首当其冲的便是运用科学有效的水质评价体系评估水质的污染状况，从而能够快速应对水质恶化问题，制定合理的治理方案。合理准确的水质分析和评估不仅可以帮助快速了解水质的基本状态，掌握水质的污染情况和程度，对自然资源的开发和有效利用也有着的不可或缺的重要意义。

依据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)规定的地表水环境质量的等级划分标准，可以将水质等级划分为I、II、III、IV、V和劣V六个等级。虽然现有的水质参数测量工具已经非常成熟，可以测取的水质指标种类也非常繁多。但众多的水质指标会使得水质参数的测量和获取过程过于繁琐复杂。同时不同水质指标间的等级判断相互独立、评价等级离散，难以依据多个水质评价指标给出确定的水质评估和等级划分，这也影响了对水体的总体污染状态评估的全面性和合理性。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种能够综合多个指标实现对水质数据快速、高效、全面地评估和水质划分的基于多指标评价指数的水质评估方法及系统。

技术方案：本发明所述的一种基于多指标评价指数的水质评估方法，包括以下步骤：

(1)构建水质评价指标体系并确定每个评价指标的权重；

(2)基于《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)规定的地表水环境质量标准确定水质指标等级限值，并计算每个评价指标评价指数等级限值以及不同水质等级限值下的多指标评价指数等级限值；

(3)获取水质样本，计算每个评价指标的实测单因子评价指数以及多指标评价指数；

(4)基于多指标评价指数等级限值和多指标评价指数，划分水质等级。

优选地，步骤(1)中所述构建水质评价指标体系是指从《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)规定的地表水环境质量标准中涉及到的水质评价指标中选取n个构建水质评价指标体系，其中《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)规定的地表水环境质量标准中涉及到的水质评价指标包括水温、pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总磷、总氮、铜、锌、氟化物、硒、砷、汞、镉、六价铬、铅、氰化物、挥发酚、石油类、阴离子表面活性剂、硫化物和粪大肠菌群。

优选地，步骤(2)中所述水质指标等级限值如下表所示：

其中，I

优选地，步骤(2)还包括定义每个评价指标的0级标准限值，对于“溶解氧”指标，其0级标准限值为

优选地，步骤(2)中每个评价指标评价指数等级限值为FI

优选地，步骤(3)中计算每个评价指标的单因子评价指数FI包括：

对于“水温偏离度”指标，其单因子评价指数的计算公式为：

其中，T

对于“pH值”指标，其单因子评价指数的计算公式为：

其中，pH

对于“溶解氧”指标，其单因子评价指数的计算公式为：

其中，C

对于其他污染类指标，其单因子评价指数的计算公式为：

其中，C

优选地，步骤(3)中多指标评价指数MFI的计算基于每个评价指标的单因子评价指数FI，计算公式为：

其中，w

优选地，步骤(4)中所述多指标评价指数等级限值MFI

优选地，步骤(4)包括根据不同水质等级的多指标评价指数等级限值范围和待评估水样的多指标评价指数MFI，确定水样的水质等级L，若多指标评价指数MFI满足MFI

本发明所述的一种基于多指标评价指数的水质评估系统，包括：

水质评价指标体系构建模块，用于从《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)规定的地表水环境质量标准中涉及到的水质评价指标中选取n个构建水质评价指标体系并确定每个评价指标的权重；

水质等级的多指标评价指数确定模块，用于根据各评价指标等级限值计算各评价指标评价指数等级限值以及不同水质等级限值下的多指标评价指数等级限值；

水质样本多指标评价指数确定模块，用于根据每个评价指标的单因子评价指数计算多指标评价指数；

水质评估和划分模块，用于根据多指标评价指数等级限值和多指标评价指数划分水质等级，所述水质等级划分标准为若多指标评价指数MFI满足MFI

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：1、综合采用多指标评价指数进行水质评估，将不确定的、离散的、半定量的水质等级判定转变为直观的、确定的、定量的评价指数运算，并参照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)的地表水环境水质分类标准划分等级，既实现对水质数据的快速、高效、全面地评估和水质等级划分，又减少了对水质污染状态的监控和评价成本；2、可以灵活选择水质评价指标，并依据实际情况和需求对不同的水质参数进行权重分配和调整，适用于不同的水质评估场景和水质基准数据评估。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明所述的一种基于多指标评价指数的水质评估方法，包括以下步骤：

(1)构建水质评价指标体系并确定每个评价指标的权重。

依据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)规定的地表水环境质量标准中涉及到的水质评价指标，可选择的指标包括：水温、pH值、溶解氧(DO)、高锰酸盐指数、化学需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD

从可选择的指标中选取n个指标(X

(2)基于水质标准设置每个评价指标等级限值并计算每个评价指标评价指数等级限值。

参考《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)规定的地表水环境质量标准制定等级限值表，制定的水质指标等级限值如下表所示：

其中，I

同时，定义每个评价指标的0级标准限值，对于“溶解氧”指标，其0级标准限值为

每个评价指标评价指数等级限值为：对于第m个水质指标的k级限值评价指数FI

(3)获取水质样本每个评价指标的实测值，计算每个评价指标的实测评价指数，并根据每个评价指标的权重计算多指标评价指数。

每个评价指标的评价指数FI包括：“水温(偏离度)”指标的评价指数FI

其中，

对于“水温(偏离度)”指标，其评价指数的计算公式为：

其中，T

对于“pH值”指标，其评价指数的计算公式为：

其中，pH

对于“溶解氧”指标，其评价指数的计算公式为：

其中，C

对于其他污染类指标，其评价指数的计算公式为：

其中，C

基于每个评价指标的单因子评价指数FI计算多指标评价指数MFI，计算公式为：

其中，w

(4)基于多指标评价指数等级限值和多指标评价指数，将水质分为I-VI六个等级。

根据不同水质等级的多指标评价指数等级限值范围和待评估水样的多指标评价指数MFI，确定水样的水质等级L，若多指标评价指数MFI满足MFI

其中，所述多指标评价指数等级限值MFI

本发明所述的一种基于多指标评价指数的水质评估系统，包括

水质评价指标体系构建模块，用于从《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)规定的地表水环境质量标准中涉及到的水质评价指标中选取n个构建水质评价指标体系并确定每个评价指标的权重；

水质等级的多指标评价指数确定模块，用于根据各评价指标等级限值计算各评价指标评价指数等级限值以及不同水质等级限值下的多指标评价指数等级限值；

水质样本多指标评价指数确定模块，用于根据每个评价指标的单因子评价指数计算多指标评价指数；

水质评估和划分模块，用于根据多指标评价指数等级限值和多指标评价指数划分水质等级，所述水质等级划分标准为若多指标评价指数MFI满足MFI

为了进一步说明本发明的方法，对某河水样品的水质进行分析。具体的水质评估和等级划分步骤如下：

(1)构建水质评价指标体系并确定每个评价指标的权重。

从《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)规定的地表水环境质量标准中涉及到的水质评价指标，获取了6种水质评价指标：水温、pH值、溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、总磷(TP)和总氮(TN)。

根据六种不同水质评价指标对于水质影响的敏感性和重要性，为各个评价指标赋权重w

(2)基于水质标准设置每个评价指标等级限值并计算每个评价指标评价指数等级限值。

参考六种不同水质评价指标的《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)规定的等级标准，设置所选水质指标的水质等级标准限值如下：

其中，I

同时，定义每个评价指标的0级标准限值，对于“溶解氧”指标，其0级标准限值为

每个评价指标评价指数等级限值为：对于第m个水质指标的k级限值评价指数FI

(3)计算水质样本每个评价指标的单因子评价指数以及多指标评价指数。

(3.1)获取水质样品的六种水质评价指标的实测值，水温为35.2℃、pH值为6.8、溶解氧(DO)为4.5mg/L、化学需氧量(COD)为17mg/L、总磷(TP)为0.19mg/L以及总氮(TN)为1.25mg/L。

(3.2)依据水质样本各个评价指标的实测值，计算“水温(偏离度)”指标的评价指数FI

(a)对于水质指标“水温(偏离度)”，单因子评价指数的具体计算过程如下：

水质实测温度偏离值T

单因子评价指数FI

(b)对于水质指标“pH值”，单因子评价指数的具体计算过程如下：

单因子评价指数FI

(c)对于水质指标“溶解氧(DO)”，单因子评价指数的具体计算过程如下：

单因子评价指数FI

(d)对于其他水质指标，单因子评价指数的具体计算过程如下：

水质指标“化学需氧量(COD)”评价指数FI

水质指标“总磷(TP)”评价指数FI

水质指标“总氮(TN)”评价指数FI

(3.3)依据权重计算多指标评价指数，具体步骤如下：

最大的单因子评价指数FI

FI

多指标评价指数MFI的具体计算过程如下：

(4)基于多指标评价指数等级限值和多指标评价指数，获取最终水质评价等级。

根据多指标评价指数的MFI计算公式，得到多指标评价指数k级上限值MFI

所述河水样本的多指标评价指数MFI＝2.93，满足MFI