全文摘要
本发明公开了一种季节性河流的水质评价方法，首先测定地表水的流量和水质指标，并归类为数据集；然后测定的流量划分各地区丰、枯水期；再根据所划分的丰、枯水期，将水质指标的各参数进行方差分析，筛选出影响丰、枯水期有差异性的主控因子，将筛选出的主控因子作为评价河流水质的主要指标；基于筛选出的主要指标计算其标准归一化值，并根据参数的标准归一化值结合熵值法计算指标权重；基于主要指标和权重采用湖泊河流生态系统健康综合指数对北方河流水质进行健康转态划评估，本发明适用于季节性河流的水质评价，计算快速准确，为进一步推进季节性河流水质现状研究和理论体系提供科学参考。
主设计要求
1.一种季节性河流的水质评价方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、测定地表水的流量和水质指标，并归类为数据集；步骤2、根基于步骤1中测定的流量划分各地区丰、枯水期；步骤3、根据步骤2中所划分的丰、枯水期，将水质指标的各参数进行方差分析，筛选出影响丰、枯水期有差异性的主控因子，将筛选出的主控因子作为评价河流水质的主要指标；步骤4、基于步骤3筛选出的主要指标计算其标准归一化值，并根据参数的标准归一化值结合熵值法计算指标权重；步骤5、基于步骤3中主要指标和权重采用湖泊河流生态系统健康综合指数对北方河流水质进行健康转态划评估，湖泊河流生态系统健康综合指数公式如下：上式中，EHCI表示湖泊河流生态系统健康综合指数，其值的大小在0～1之间；Wi表示主要指标在综合评估指标体系中的权重值，其值的大小在0～1之间；Bi为主要指标的标准归一化值，其值的大小在0～1之间；m为主要指标个数。
设计方案
1.一种季节性河流的水质评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、测定地表水的流量和水质指标，并归类为数据集；
步骤2、根基于步骤1中测定的流量划分各地区丰、枯水期；
步骤3、根据步骤2中所划分的丰、枯水期，将水质指标的各参数进行方差分析，筛选出影响丰、枯水期有差异性的主控因子，将筛选出的主控因子作为评价河流水质的主要指标；
步骤4、基于步骤3筛选出的主要指标计算其标准归一化值，并根据参数的标准归一化值结合熵值法计算指标权重；
步骤5、基于步骤3中主要指标和权重采用湖泊河流生态系统健康综合指数对北方河流水质进行健康转态划评估，湖泊河流生态系统健康综合指数公式如下：
设计说明书
技术领域
本发明涉及环境监测技术领域，涉及一种水质评价方法，尤其涉及一种季节性河流的水质评价方法，是一种克服传统水质评价方法表现出的缺点，针对北方河流水量少、丰、枯水期季节性差异明显等特点开展的河流水质快速评价方法。
背景技术
水资源是人类生存的基本需求,但淡水资源非常有限，以中国北方张家口为例，全年降雨量约400mm且降雨量年际变化明显，“十年九旱”是其典型气候特征。其多年平均水资源约为22亿m3<\/sup>，约为全国平均值的1\/5，仅为世界平均值的1\/20。面对非常有限的淡水资源，不仅需要考虑水资源“水量”紧张问题更应该关注“水质”问题。为了更好的治理、管理水污染问题,需要对目前水污染情况进行合理有效的评价。
目前传统的水质评价方法主要根据《GB3838-2002地表水环境质量标准》、《GB5749生活饮用水卫生标准》、《GB5084-2005农田灌溉水质标准》对水体物理、化学指标进行测定，但此方法需对各项指标进行一一测定，评价时间周期长，指标操作复杂，使用大量的化学试剂对环境会造成一定污染且实验较为依赖实验者主观性；目前国内还有包括生物水质评价方法，其将传统意义上对水质的鉴别方法转移到水生植物、鱼类等与水质的耦合关系上，探索生物群落演替、活动与水质的关系，但该方法需要大量历史资料，时间周期长。
针对现有的研究，目前传统、生物水质评价方法费时耗力，而现有水质快速评价方法其针对的是全国性大小河流，不适用于对中国北方季节性河流水质快速评价的研究。本发明可以最大程度的评价北方河流水质污染状况，基于北方河流春冬两季雨水少，河道易“断流”；夏秋两季雨水较多季节性差异明显的特点，若通过传统水质评价方法显得费时耗力。因此针对北方河道的特点，筛选出影响丰、枯水期有差异性的主控因子，根据筛选出的主控因子形成一套适用于中国北方河流的水质评价方法。为进一步推进中国北方河流水质现状研究和理论体系提供科学参考。
发明内容
本发明的目的是建立一种适用于中国北方季节差异明显河流的多参数水质指标评价方法，简化了传统水质评价方法带来的缺点，易于在中国北方河流推广和应用。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种季节性河流的水质评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、测定地表水的流量和水质指标，并归类为数据集；
步骤2、根基于步骤1中测定的流量划分各地区丰、枯水期；
步骤3、根据步骤2中所划分的丰、枯水期，将水质指标的各参数进行方差分析，筛选出影响丰、枯水期有差异性的主控因子，将筛选出的主控因子作为评价河流水质的主要指标；
步骤4、基于步骤3筛选出的主要指标计算其标准归一化值，并根据参数的标准归一化值结合熵值法计算指标权重；
步骤5、基于步骤3中主要指标和权重采用湖泊河流生态系统健康综合指数对北方河流水质进行健康转态划评估，湖泊河流生态系统健康综合指数公式如下：
上式中，EHCI表示湖泊河流生态系统健康综合指数，其值的大小在0～1之间；Wi<\/sub>表示主要指标在综合评估指标体系中的权重值，其值的大小在0～1之间；Bi<\/sub>为主要指标的标准归一化值，其值的大小在0～1之间；m为主要指标个数。
作为优选，所述水质指标包括水温、PH值、溶解氧、高锰酸盐指数、生化需氧量、氨氮、挥发酚、氰化物、总砷、总汞、总铅、总镉、六价铬、硒、阴离子表面活性剂、电导率、石油类、铜、锌、总氮、总磷、化学需氧量、氟化物、粪大肠菌群和硫化物。
作为优选，所述步骤2中，根据河流典型断面及水文资料采用各月径流量占年度总径流量的比例来表示各断面天然径流时间变化，并以此来划分各地区丰、枯水期。
作为优选，所述步骤4中，权重计算公式如下：
上式中：Wi<\/sub>表示主要评估指标在综合评估指标体系中的权重值，其值的大小在0～1之间； H i<\/sub>表示主要评估指标的熵值，其值的大小在0～1之间；n表示评价对象河流典型断面的数量；m表示主要评估指标个数；bij<\/sub>表示归一化矩阵B中的元素，当bij<\/sub>＝0，为使lnfij<\/sub>有意义，使 b ij<\/sub>＝1+bij<\/sub>，j为归一化矩阵中的编号，1≤j≤m。
作为优选，所述步骤3中，筛选出评价河流水质的主要指标包括溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、电导率、总磷和粪大肠菌群。
作为优选，所述步骤5中，根据湖泊河流生态系统健康综合指数将水质分为五类，具体如下：
80％≤EHCL≤100％属于Ⅰ类水质；80％＜EHCL≤60％属于Ⅱ类水质；60％＜EHCL≤40％属于Ⅲ类水质；40％＜EHCL≤20％属于Ⅳ类水质；20％＜EHCL≤0属于Ⅴ类水质。
本发明的方法，所述步骤1中，高锰酸盐指数、生化需氧量、氨氮，挥发酚等室内化学指标采用《水和废水监测分析方法(第四版)》中的方法进行测定；溶解氧，电导率采用多参数水质速测仪进行测定；流量采用点式流速仪进行测定。
本发明的方法，所述步骤4中，指标权重的计算根据步骤2方差分析筛选出的主控因子依据熵值法计算指标权重.
本发明的方法，所述步骤5中，水质类别依据河流生态系统健康综合指数值EHCL进行划分。
作为优选，步骤3中，进行数据归集，归一化处理具体步骤为：
(1)、构建评估指标体系矩阵Xn×m<\/sub>，n表示河流典型断面的数量，m表示筛选出的主要评估指标个数，矩阵Xn×m<\/sub>元素记为xij<\/sub>；
(2)、将矩阵Xn×m<\/sub>归一化处理，得到归一化矩阵Bn×m<\/sub>，矩阵B中元素的记为bij<\/sub>，计算公式为：
越大越优型：bij<\/sub>＝(xij<\/sub>-xmin<\/sub>)\/(xmax<\/sub>-xmin<\/sub>)
越小越优型：bij<\/sub>＝(xmax<\/sub>-xij<\/sub>)\/(xmax<\/sub>-xmin<\/sub>)
式中，xmax<\/sub>，xmin<\/sub>为同一指标下不同样本中最满意者或最不满意者(越小越满意或越大越满意)。
本发明的方法，利用流生态系统健康综合指数值EHCL所得结果与传统水质单因素评价法所得结果进行比较。
针对现有的研究，目前传统、生物水质评价方法费时耗力，而现有水质快速评价方法其针对的是全国性大小河流，不适用于对中国北方季节性河流水质快速评价的研究。本发明可以最大程度的评价北方河流水质污染状况，基于北方河流春冬两季雨水少，河道易“断流”；夏秋两季雨水较多季节性差异明显的特点，若通过传统水质评价方法显得费时耗力。因此针对北方河道的特点，筛选出影响丰、枯水期有差异性的主控因子，根据筛选出的主控因子形成一套适用于中国北方河流的水质评价方法。为进一步推进中国北方河流水质现状研究和理论体系提供科学参考。
本发明与现有技术相比较，具有如下明显特点与优点：(1)评价过程相对于传统水质评价方法更加快速、便捷；(2)科学原理清晰明了，依据北方季节性差异明显的河流，采用适宜于此河流的主控因子进行评价，相对于传统水质评价方法更加准确；(3)本发明强化、丰富了河流水质指数评价体系，为季节性河流水质评价工作打下夯实的理论基础。
附图说明
图1为洋河干流各断面径流量年内分布示意图。
具体实施方式
下面结合实例，以海河流域为例对本发明作进一步详细阐述。
(1)测定洋河、桑干河、清水河水体溶解氧、高锰酸盐指数、生化需氧量、氨氮、挥发酚、氰化物、总砷、总汞、总铅、总镉、六价铬、硒、阴离子表面活性剂、电导率、石油类、铜、锌、总氮、总磷、化学需氧量、氟化物、粪大肠菌群、硫化物、流量水质指标。
选定洋河流域内三大河流(洋河、桑干河、清水河)为研究对象，主要涉及11个主要断面(左卫、八号桥、响水铺、鸡鸣驿、石匣里、温泉屯、小渡口、揣骨疃、老鸦庄、北泵房、官堡桥)于2013年-2016年对步骤(1)所选指标进行水样采集及分析。
基于步骤(2)测定的各断面流量数据，根据各月径流量占年度总径流量的比例划分个地区丰、枯水期，以洋河干流各断面(左卫、八号桥、响水铺、鸡鸣驿)为例如图1所示，划分12月—次年2月为枯水期，3月—11月为丰水期。
基于步骤(3)划分的丰、枯水期，对海河流域3大河流、11大典型断面进行数据方差分析，筛选出影响丰、枯水期有差异性的主控因子，因此得到的结果将溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、电导率、总磷、粪大肠菌群这6项指标作为评价河流水质的主要指标。所选取的河流、断面具有代表性，时间跨度长，因此此数据能够代表北方河流进行水质评价。
基于步骤(4)筛选出的主控因子计算其标准化矩阵。
表1、水质参数标准化
基于步骤(5)计算主要评价指标的熵及熵权值：
第i个指标的熵权值Wi<\/sub>采用公式(1)进行计算，如表(2)所示：
式中：Wi<\/sub>-表示主要评估指标在综合评估指标体系中的权重值，其值的大小在0～1之间； H i<\/sub>-主要评估指标的熵值，其值的大小在0～1之间；n-评估对象河流典型断面的数量，即表1 中左列断面的总数；m-主要评估指标个数；b ij<\/sub>-归一化矩B中的元素。当bij<\/sub>＝0，为使lnfij<\/sub>有意义，使bij<\/sub>＝1+bij<\/sub>，j为归一化矩阵中的编号，1≤j≤m。
归一化处理具体步骤为：
(1)、构建评估指标体系矩阵Xn×m<\/sub>，n表示河流典型断面的数量，m表示筛选出的主要评估指标个数，矩阵Xn×m<\/sub>元素记为xij<\/sub>；
(2)、将矩阵Xn×m<\/sub>归一化处理，得到归一化矩阵Bn×m<\/sub>，矩阵B中元素的记为bij<\/sub>，计算公式为：
越大越优型：bij<\/sub>＝(xij<\/sub>-xmin<\/sub>)\/(xmax<\/sub>-xmin<\/sub>)
越小越优型：bij<\/sub>＝(xmax<\/sub>-xij<\/sub>)\/(xmax<\/sub>-xmin<\/sub>)
式中，xmax<\/sub>，xmin<\/sub>为同一指标下不同样本中最满意者或最不满意者(越小越满意或越大越满意)。
表2、2013—2016年海河流域各典型断面水质主控因子熵及熵权值
依据河湖生态系统中的健康评估-河流生态系统健康综合指数，公式(4)对海河流域水质进行评价：
式中:EHCI-河流生态系统健康的综合指数值，其值的大小在0～1之间；Wi<\/sub>-表示评估指标在综合评估指标体系中的权重值，其值的大小在0～1之间；Bi<\/sub>-评估指标的归一化值，其值的大小在0～1之间；m-主要评估指标个数。
80％≤EHCL≤100％属于Ⅰ类水质；80％＜EHCL≤60％属于Ⅱ类水质；60％＜EHCL≤40％属于Ⅲ类水质；40％＜EHCL≤20％属于Ⅳ类水质；20％＜EHCL≤0属于Ⅴ类水质。
利用流生态系统健康综合指数值EHCL所得结果与传统水质单因素评价法所得结果进行比较，如表(3)所示。
从上述实例可以看出，基于本发明提出的水质评价方法，除左卫、揣骨疃断面常年断流所测结果为Ⅴ类水，其它各断面均与传统水质单因素评价法所得结果相符，可应用于中国北方季节性河流。
表3、实例综合评价结果
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201910593569.6
申请日:2019-07-03
公开号:CN110286204A
公开日:2019-09-27
国家:CN
国家/省市:83(武汉)
授权编号:授权时间:主分类号:G01N 33/18
专利分类号:G01N33/18;G01N27/06;G01D21/02;G06Q10/06
范畴分类:31E;
申请人:湖北工业大学
第一申请人:湖北工业大学
申请人地址:430068 湖北省武汉市武昌区南湖李家墩1村1号
发明人:张佳磊;翁传松;刘德富;陈佳俊;汪业稳;沈旭舟;龚川;王勇;韩汉
第一发明人:张佳磊
当前权利人:湖北工业大学
代理人:杨宏伟
代理机构:42222
代理机构编号:武汉科皓知识产权代理事务所（特殊普通合伙）
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计