一种基于水质参数浓度梯度的地表水水质评价方法

1.本发明属于地表水水质等级评价技术领域，具体而言，涉及一种基于水质参数浓度梯度的地表水水质评价方法。


背景技术：

2.水质评价是根据某些水质参数浓度，通过一定的方法对水环境质量的优劣性进行定性或定量的描述，明确水体的质量等级或类别。国家地表水环境质量标准(gb3838-2002)根据水质参数浓度的高低，将我国地表水分为了5类，其中i至iii类水普遍被认为是优良的，而iv至v类水则被认为是存在一定污染的。同时，综合目前的水质评价研究，使用的主要方法有：单因子指数法、综合指数法、模糊综合评价法、物元分析法、神经网络法、灰色系统法和遗传算法等。但目前的水质评价方法普遍存在过于依靠人为主观因素、计算复杂、样本量需求大等缺陷。同时，由于日益严峻的水环境问题，开发计算简便，实用性高和符合水环境客观状态的地表水水质评价方法显得尤为重要。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种基于水质参数浓度梯度的地表水水质评价方法，其综合国家地表水环境质量标准(gb3838-2002)中i至iii类水与iv至v类水对水体的使用功能有不同程度的影响，提出一种计算简便、实用性高并且符合水环境客观状态的地表水水质评价方法。
4.本发明的实施例通过以下技术方案实现：
5.一种基于水质参数浓度梯度的地表水水质评价方法，包括以下步骤：
6.s1、水质数据准备
7.根据国家地表水环境质量标准(gb3838-2002)收集待评价地表水水质数据并整理，得到剔除异常值的水质数据；
8.s2、评价参数选择
9.对s1得到的水质数据进行主成分分析，选取主成分负荷量绝对值大于0.60的变量进行相关性分析，得到相关性不显著的变量；
10.s3、水质参数上下限阈值浓度建立
11.以国家地表水环境质量标准的第三类水质标准为上限阈值，以第i类水标准值为下限阈值；
12.s4、上下限阈值范围计算
13.以公式一计算上下限阈值范围，
14.r＝utl-ltl，公式一；
15.其中，r为上下限阈值范围，utl为上限阈值，ltl为下限阈值；
16.s5、优化水质参数上限阈值浓度
17.以上限阈值与s4得到的上下限阈值范围的20％之间的差值作为优化后的水质参
数上限阈值浓度；
18.s6、子指数计算
19.以水质浓度低于下限阈值的水质为没有受到污染的地表水，并根据测量的第i个参数将水质划分为第一部分、第二部分和第三部分，计算子指数；
20.s7、综合指数计算
21.以s6所得的各子指数进行加和处理，得到综合指数，通过综合指数得到水质评价标准并进行地下饮用水水质评价。
22.优选的，s1中的水质指数应包含物理指数、化学指数等国家地表水环境质量标准(gb3838-2002)中要求的基本项目24项。
23.优选的，s2中的相关性分析遵循以下原则：
24.第一，若一个参数与其他所有参数相关性均不显著(p＞0.05)，那么这个参数被保留；
25.第二，若一个参数与其他水质参数的相关性系数大于0.95，那么这个参数被排除；
26.第三，若两个参数相关性显著，但同时对研究区域水环境评价具有重要作用，则这两个参数均保留。
27.优选的，s3中的水质参数上下限阈值浓度是根据地表水水质功能差异确定。
28.优选的，s5中的水质参数上限阈值浓度通过公式二计算：
29.mutl＝utl-(20％r)，公式二；
30.其中，mutl为优化后的水质参数上限阈值浓度。
31.优选的，s6中第一部分为测量的水质参数浓度低于下限阈值的地表水，其子指数为零。
32.优选的，s6中第二部分为测量的水质参数浓度介于下限阈值和优化后的水质参数上限阈值浓度之间的地表水，其子指数通过公式三计算；
[0033][0034]
其中，ci为测量的第i个参数，si2为第二部分子指数。
[0035]
优选的，s6中第三部分为测量的水质参数浓度高于优化后的水质参数上限阈值浓度之间的地表水，其通过公式四计算；
[0036][0037]
其中，ci为测量的第i个参数，si3为第三部分子指数。
[0038]
优选的，子指数(si)的计算是基于任何水质浓度高于ltl和mutl的水质参数的浓度对水环境产生影响的的严重程度不一样，而低于ltl的水体认为没有受到污染的原理。而第二部分与第三部分对水体质量的贡献又有所差别，即水质参数浓度高于mutl所带来的污染要比第二部分大。
[0039]
优选的，s7中通过公式五计算综合指数，
[0040][0041]
其中，miwqi为综合指数，sin为子指数。
[0042]
优选的，水质评价标准包括以下内容：
[0043]
(1)综合指数≤1，水质为优；
[0044]
(2)1＜综合指数≤4，水质良好；
[0045]
(3)5＜综合指数≤9，水质中等；
[0046]
(4)10＜综合指数≤15，水质较差；
[0047]
(5)综合指数＞16，水质极差。
[0048]
优选的，若s6中计算的是溶氧的子指数，由于溶氧在水质评价中属于正向指标，因此在计算溶氧的子指数时遵循以下原则：
[0049]
若测量的溶氧参数≥优化后的水质参数上限阈值浓度，则溶氧的子指数为零；
[0050]
若测量的溶氧参数介于下限阈值和优化后的水质参数上限阈值浓度之间，则溶氧的子指数通过以下公式计算：
[0051][0052]
若测量的溶氧参数小于低于下限阈值，则溶氧的子指数通过以下公式计算：
[0053][0054]
其中c
do
为测量的溶氧参数，即溶解氧的浓度，mg/l。
[0055]
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
[0056]
本发明的评价方法是在国家地表水环境质量标准(gb3838-2002)的基础上作出的改进，既充分考虑了i至iii类水与iv至v类水对水体的使用功能产生的不同程度的影响，又避免了目前水质评价方法中大量人为主观因素的影响，降低了复杂的计算量，同时克服了样本量需求大的缺陷，使地表水水质评价方法更加客观、简便和实用。
附图说明
[0057]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0058]
图1为本发明实施例1提供的综合指数的概念图。
具体实施方式
[0059]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0060]
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0061]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0062]
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0063]
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0064]
实施例1
[0065]
本实施例提供了一种基于水质参数浓度梯度的地表水水质评价方法，包括以下步骤：
[0066]
s1、水质数据准备
[0067]
依据国家地表水环境质量标准(gb3838-2002)的要求，对监测的水质数据集进行整理，剔除异常值。主要的指标有化学需氧量、溶解氧、五日生化需氧量、高锰酸盐指数、总氮、总磷、氨氮、硝酸盐、硫酸盐、氟化物、氯化物、ph、氰化物、硫化物、阴离子表面活性剂、石油类、挥发酚、电导率、粪大肠菌群、汞、铅、铜、锌、铁、锰、六价铬、镉和温度28项。
[0068]
s2、评价参数选择
[0069]
对水质数据集进行主成分分析，并选取主成分负荷量绝对值大于0.60的变量作为备选变量。进一步对备选变量进行相关性分析，仅保留相关性不显著的变量。经筛选后，包含bod5、f-、tp、no
3-、tn、cod
mn
和so
42-等7个参数。
[0070]
s3、水质参数上下限阈值浓度建立
[0071]
根据水质参数浓度对水生态环境和人类健康的影响程度的差异性，本实施例提出了建立水质参数的上下限阈值。上限阈值(utl)定义为国家地表水环境质量标准(gb3838-2002)的第三类水质标准，下限阈值(ltl)定义为i类水标准值。
[0072]
s4、上下限阈值范围计算
[0073]
r＝utl-ltl，
[0074]
其中，r为上下限阈值范围；utl为上限阈值；ltl为下限阈值。
[0075]
s5、优化水质参数上限阈值浓度
[0076]
将优化后的上限阈值(mutl)重新定义为utl与各自参数范围的20％之间的差值。计算公式为：
[0077]
mutl＝utl-(20％r)，
[0078]
式中mutl为优化后的上限阈值。
[0079]
计算得到的数值如表1所示。
[0080]
表1各参数的修正上限和下限浓度
[0081][0082]
s6、子指数计算
[0083]
子指数(si)的计算是基于任何水质浓度高于ltl和mutl的水质参数的浓度对水环境产生影响的的严重程度不一样，而低于ltl的水体认为没有受到污染的原理。其可以三部分，第一部分为参数浓度低于ltl，第二部分为水质参数浓度介于ltl和mutl之间，第三部分为水质参数浓度高于mutl，而第二部分与第三部分对水体质量的贡献又有所差别，即水质参数浓度高于mutl所带来的污染要比第二部分大。各部分子指数计算如下：
[0084]
第一部分，如果测量的第i个参数(ci)浓度低于ltl，则si1为零，即ci≤ltl时，si1＝0；
[0085]
第二部分，如果ci小于mutl，即当ltl＜ci≤mutl时,si2的计算方式如：
[0086][0087]
第三部分，如果ci大于mutl，则si3由下式计算，即当ci＞mutl时，
[0088][0089]
s7、综合指数计算
[0090]
综合指数(miwqi)是各子指数的加和，计算方式如下所示：
[0091]
本实施例经计算后得到的miwqi为17.8，根据评价标准，此水样判定为极差。
[0092]
本实施例中，ci是第i个水质参数的浓度，ltl为下限阈值浓度，utl为上限阈值浓度，mutl为优化后的上限阈值浓度，sin为子指数。
[0093]
本实施例中的评价标准为：
[0094]
(1)综合指数≤1，水质为优；
[0095]
(2)1＜综合指数≤4，水质良好；
[0096]
(3)5＜综合指数≤9，水质中等；
[0097]
(4)10＜综合指数≤15，水质较差；
[0098]
(5)综合指数＞16，水质极差。
[0099]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于水质参数浓度梯度的地表水水质评价方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、水质数据准备根据国家地表水环境质量标准收集待评价地表水水质数据并整理，得到剔除异常值的水质数据；s2、评价参数选择对s1得到的水质数据进行主成分分析，选取主成分负荷量绝对值大于0.60的变量进行相关性分析，得到相关性不显著的变量；s3、水质参数上下限阈值浓度建立以国家地表水环境质量标准的第三类水质标准为上限阈值，以第i类水标准值为下限阈值；s4、上下限阈值范围计算以公式一计算上下限阈值范围，r＝utl-ltl，公式一；其中，r为上下限阈值范围，utl为上限阈值，ltl为下限阈值；s5、优化水质参数上限阈值浓度以上限阈值与s4得到的上下限阈值范围的20％之间的差值作为优化后的水质参数上限阈值浓度；s6、子指数计算以水质浓度低于下限阈值的水质为没有受到污染的地表水，并根据测量的第i个参数将水质划分为第一部分、第二部分和第三部分，计算子指数；s7、综合指数计算以s6所得的各子指数进行加和处理，得到综合指数，通过综合指数得到水质评价标准并进行地下饮用水水质评价。2.根据权利要求1所述的基于水质参数浓度梯度的地表水水质评价方法，其特征在于，所述s2中的相关性分析遵循以下原则：第一，若一个参数与其他所有参数相关性均不显著，p＞0.05，那么这个参数被保留；第二，若一个参数与其他水质参数的相关性系数大于0.95，那么这个参数被排除；第三，若两个参数相关性显著，但同时对研究区域水环境评价具有重要作用，则这两个参数均保留。3.根据权利要求1所述的基于水质参数浓度梯度的地表水水质评价方法，其特征在于，所述s3中的水质参数上下限阈值浓度是根据地表水水质功能差异确定。4.根据权利要求1所述的基于水质参数浓度梯度的地表水水质评价方法，其特征在于，所述s5中的水质参数上限阈值浓度通过公式二计算：mutl＝utl-(20％r)，公式二；其中，mutl为优化后的水质参数上限阈值浓度。5.根据权利要求1所述的基于水质参数浓度梯度的地表水水质评价方法，其特征在于，所述s6中第一部分为测量的水质参数浓度低于下限阈值的地表水，其子指数为零。6.根据权利要求1所述的基于水质参数浓度梯度的地表水水质评价方法，其特征在于，所述s6中第二部分为测量的水质参数浓度介于下限阈值和优化后的水质参数上限阈值浓
度之间的地表水，其子指数通过公式三计算；其中，c
i
为测量的第i个参数，si2为第二部分子指数。7.根据权利要求1所述的基于水质参数浓度梯度的地表水水质评价方法，其特征在于，所述s6中第三部分为测量的水质参数浓度高于优化后的水质参数上限阈值浓度之间的地表水，其通过公式四计算；其中，c
i
为测量的第i个参数，si3为第三部分子指数。8.根据权利要求1所述的基于水质参数浓度梯度的地表水水质评价方法，其特征在于，所述s7中通过公式五计算综合指数，其中，miwqi为综合指数，si
n
为子指数。9.根据权利要求1所述的基于水质参数浓度梯度的地表水水质评价方法，其特征在于，所述水质评价标准包括以下内容：(1)综合指数≤1，水质为优；(2)1＜综合指数≤4，水质良好；(3)5＜综合指数≤9，水质中等；(4)10＜综合指数≤15，水质较差；(5)综合指数＞16，水质极差。10.根据权利要求1所述的基于水质参数浓度梯度的地表水水质评价方法，其特征在于，若s6中计算的是溶氧的子指数，则遵循以下原则：若测量的溶氧参数≥优化后的水质参数上限阈值浓度，则溶氧的子指数为零；若测量的溶氧参数介于下限阈值和优化后的水质参数上限阈值浓度之间，则溶氧的子指数通过以下公式计算：若测量的溶氧参数小于低于下限阈值，则溶氧的子指数通过以下公式计算：其中c
do
为测量的溶氧参数，即溶解氧的浓度，mg/l。

技术总结
本发明提供了一种基于水质参数浓度梯度的地表水水质评价方法，属于地表水水质等级评价技术领域。本发明提供的基于水质参数浓度梯度的地表水水质评价方法，包括(1)水质数据准备；(2)评价参数选择；(3)水质参数上下限阈值浓度建立；(4)上下限阈值范围计算；(5)优化水质参数上限阈值浓度；(6)子指数计算；(7)综合指数计算，最后根据得到的综合指数并基于水质评价标准对地表水进行科学得评价，可以简便、客观地得到准确的地表水水质。客观地得到准确的地表水水质。客观地得到准确的地表水水质。


技术研发人员：符东 赖川 胡藴明 龚燕川 叶剑桥 向文军 陈春坛 刘禾培 桂骁 李珂 陈静 徐维源 侯冰洁
受保护的技术使用者：达州市生态环境科学研究院 四川省达州生态环境监测中心站 四川轻化工大学
技术研发日：2023.04.23
技术公布日：2023/10/15