一种适用于长距离明渠输水工程的藻贝类风险评估方法与流程

1.本发明涉及风险评价及管理技术领域，特别是一种适用于长距离明渠输水工程的藻贝类风险评估方法。


背景技术：

2.近年来，全球气候变暖导致地区水资源不平衡变得越来越严重，同时，由于农业、工业和家庭用水的用水量不断增长，水资源短缺将会变得越来越严重；目前，我国为了缓解国内水资源分布不均匀的问题，根据南方水资源丰富，北部地区水资源稀缺的特点，实行南水北调等水利工程，以改善水资源分布不均匀的问题，即通过调水工程能够使得水资源在一定程度上按照人类的意志在时间和空间上重新分配,使人们获得巨大的效益。
3.目前，调水工程多采用渠道引水，且明渠居多，但是明渠调水工程会在一定程度上改变原来的生态环境，打破原有的生态平衡，进而会导致藻贝类快速入侵，最终造成生物污损、水质恶化和生态失衡等生态问题。
4.当前，明渠调水最为常见的入侵物种为贻贝类底栖动物，如果不能对其进行有效监管的话，会产生一系列的生态问题，造成巨大的经济损失，例如，深圳市东江水源工程，该调水工程的输水线路长度不过百余公里，但藻贝类的污损附着问题十分严重，每年导致的直接经济损失高达千万元。
5.现阶段，对于长距离输水工程水质的研究已成为该领域专家研究的热点，但对于南水北调中线藻贝类的风险评价仍处于初始阶段，因此，现在急需一种可以完整评价长距离输水工程线藻贝类风险体系的方法。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于长距离明渠输水工程的藻贝类风险评估方法，该方法的计算过程简单、便于操作，可以快速评价长距离输水工程中藻贝类运行的风险等级，为防范水质大幅度污染提供理论基础，以便更好地治理调水工程的河道。
7.为了实现上述目的，本发明提供了一种适用于长距离明渠输水工程的藻贝类风险评估方法，其中，包括如下步骤：
8.步骤1：根据长距离明渠输水藻贝类风险体系的构成要素和历史发生藻贝类异常增值的原因分析，构建长距离明渠输水藻贝类评价体系；
9.步骤2：对长距离明渠输水工程藻贝类风险体系各项指标进行标准化处理x
′
ij
；
10.步骤3：确定长距离明渠输水藻贝类风险体系各项指标的权重；
11.步骤4：利用经步骤2处理后的长距离明渠输水风险体系各项指标的数据，构建灰色评价矩阵，划分运行风险等级，确定经典域；
12.步骤5：用灰色评价矩阵计算灰色关联系数；
13.步骤6：确定评估年份的运行风险等级。
14.上述的一种适用于长距离明渠输水工程的藻贝类风险评估方法，其中，在步骤1中
的长距离明渠输水藻贝类评价体系分为三层，分别为目标层、准则层和指标层，所述目标层分为致险因子和承载体，所述致险因子分为物理性指标、化学性指标和生物性指标，所述承载体分为工程受损程度、暴露度和脆弱度。
15.上述的一种适用于长距离明渠输水工程的藻贝类风险评估方法，其中，所述指标层包括21个指标，分别为调水工程中的流速、温度、风速、营养盐、tp、tn、cod、bod、叶绿素、藻贝类的生长阶段、藻贝类的生物密度、工程受损的数量、输水率、建筑抗压性、建筑耐久性、经济损失、持续时间、污染区域、事故区敏感指数、事故区工程易损指数和事故区经济易损指数。
16.上述的一种适用于长距离明渠输水工程的藻贝类风险评估方法，其中，所述步骤3中的具体计算公式如下：
17.计算第i项指标的特征比重：
18.第i项指标的熵值为：
19.第i项指标的差异项系数为：y
i
＝1
‑
d
i
20.第i项指标的权重为：
21.上述的一种适用于长距离明渠输水工程的藻贝类风险评估方法，其中，所述步骤6中的风险等级划分为五个等级，分别为安全、低潜在风险、高潜在风险、基本安全和不安全。
22.上述的一种适用于长距离明渠输水工程的藻贝类风险评估方法，其中，在s6中，得到长距离明渠输水工程每一年的藻贝类的风险等级，
23.(1)对m个时间段的实测值按指标权重加权求和，具体公式如下：
[0024][0025]
式中，h为该指标的权重，x
i
(j)为指标的实测值；
[0026]
(2)计算m个时间段的综合风险g'
k
，具体公式如下：
[0027]
综合风险g'
k
＝g
k
(i) γ
i
(k)*(g
k
(i)
‑
g
k
(i
‑
1))
[0028]
其中γ
i
(k)为灰色关联系数。
[0029]
上述的一种适用于长距离明渠输水工程的藻贝类风险评估方法，其中，关联系数
[0030]
式中，x0为参考数列；ρ为分辨系数，ρ取值为0.5；在上述公式中 min
m
min
t
|x0(t)
‑
x
s
(t)|、max
m
max
t
|x0(t)
‑
x
s
(t)|分别为两级最小差和两级最大差。
[0031]
本发明的技术效果在于：
[0032]
(1)本发明提供的一种适用于长距离明渠输水工程的藻贝类风险评估方法，针对长距离明渠输水工程的藻贝类异常增殖问题，构建了一套完整且有效的藻贝类风险评价体
系，并给出了相应的评价方法，为长距离明渠输水线的安全运行提供了有效的保障。
[0033]
(2)本发明提供的一种适用于长距离明渠输水工程的藻贝类风险评估方法，采用了灰色熵权法为评价方法，熵权法能够计算各指标的权重，灰色模型能够计算关联系数，以保证求得的综合风险值更加准确。
[0034]
(3)本发明提供的一种适用于长距离明渠输水工程的藻贝类风险评估方法，该风险评估方法提出了一种更加可靠的指标体系，该体系共分为三层，第一层为目标层，第二层为准则层，第三层为指标层，即该指标体系分层结构清晰、层次分明，能够更加直观的理解评价体系，同时，与其他方法相比较，本发明提供的评估方法计算简单，且便于操作，能够快速评价长距离输水工程藻贝类运行的风险等级。
[0035]
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
[0036]
图1为本发明南水北调中线工程藻贝类风险评价体系图
[0037]
图2为本发明南水北调中线藻贝类风险评价体系准则层权重图
[0038]
图3为本发明南水北调中线藻贝类风险评价体系指标层权重图
[0039]
其中，附图标记为:
[0040]
a1
‑
物理指标；a2
‑
化学指标；a3
‑
生物指标；a4
‑
损害承度；a5
‑
暴露度；a6
‑ꢀ
脆弱性；b1
‑
流速；b2
‑
温度；b3
‑
风速；b4
‑
营养盐；b5
‑
tp；b 6
‑
tn；b7
‑
cod； b8
‑
bod；b9
‑
叶绿素；b10
‑
藻贝类的生长阶段；b11
‑
藻贝类的生物密度；b12
‑ꢀ
工程受损的数量；b13
‑
输水率；b14
‑
建筑抗压性；b15
‑
建筑耐久性；b16
‑ꢀ
经济损失；b17
‑
持续时间；b18
‑
污染区域；b19
‑
事故区敏感指数；b20
‑
事故区工程易损指数；b21
‑
事故区经济易损指数。
具体实施方式
[0041]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0042]
请参阅图1
‑
3，一种适用于长距离明渠输水工程的藻贝类风险评估方法，包括如下步骤：
[0043]
步骤1：根据长距离明渠输水藻贝类风险体系的构成要素和历史发生藻贝类异常增值的原因分析，构建长距离明渠输水藻贝类评价体系；
[0044]
步骤2：对长距离明渠输水工程藻贝类风险体系各项指标进行标准化处理x
′
ij
，所述各项指标分为正向指标和逆向指标，计算公式如下：
[0045]
对于正向指标：
[0046]
对于逆向指标：
[0047]
式中，n
j
为x
ij
最大值；n
j
为x
ij
的最小值。
[0048]
步骤3：确定长距离明渠输水藻贝类风险体系各项指标的权重；具体计算公式如下：
[0049]
计算第i项指标的特征比重：
[0050]
第i项指标的熵值为：
[0051]
第i项指标的差异项系数为：y
i
＝1
‑
d
i
(3
‑
3)
[0052]
第i项指标的权重为：
[0053]
步骤4：利用经步骤2处理后的长距离明渠输水风险体系各项指标的数据，构建灰色评价矩阵，划分运行风险等级，确定经典域，计算公式如下：
[0054]
灰色评价矩阵
[0055]
其中，s
k
为第k个风险等级；l为指标体系；v
k
(j)为第j个评价指标在第 k个风险等级；
[0056]
步骤5：用灰色评价矩阵计算灰色关联系数，具体计算公式如下：
[0057]
关联系数
[0058]
式中，x0为参考数列；ρ为分辨系数，ρ取值为0.5；在上述公式中 min
m
min
t
|x0(t)
‑
x
s
(t)|、max
m
max
t
|x0(t)
‑
x
s
(t)|分别为两级最小差和两级最大差。
[0059]
步骤6：确定评估年份的运行风险等级，具体计算过程如下：
[0060]
得到长距离明渠输水工程每一年的藻贝类的风险等级，
[0061]
(1)对m个时间段的实测值按指标权重加权求和，具体公式如下：
[0062][0063]
式中，h为该指标的权重，x
i
(j)为指标的实测值；
[0064]
(2)计算m个时间段的综合风险g'
k
，具体公式如下：
[0065]
综合风险g'
k
＝g
k
(i) γ
i
(k)*(g
k
(i)
‑
g
k
(i
‑
1))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6
‑
2)
[0066]
其中γ
i
(k)为灰色关联系数。
[0067]
进一步地，在步骤1中的长距离明渠输水藻贝类评价体系分为三层，分别为目标层、准则层和指标层，所述目标层分为致险因子和承载体，所述致险因子分为物理性指标、化学性指标和生物性指标，所述承载体分为工程受损程度、暴露度和脆弱度。
[0068]
进一步地，所述指标层包括21个指标，分别为调水工程中的流速、温度、风速、营养盐、tp、tn、cod、bod、叶绿素、藻贝类的生长阶段、藻贝类的生物密度、工程受损的数量、输水率、建筑抗压性、建筑耐久性、经济损失、持续时间、污染区域、事故区敏感指数、事故区工程易损指数和事故区经济易损指数。
[0069]
本实施例以南水北调工程为研究对象，南水北调工程自2014年末开通，部分区段调水的明渠藻贝类异常增殖，严重影响调水渠道的安全，本实施例根据2016年至2019年的数据为基础进行计算。
[0070]
根据步骤2中的方法，将2016年至2019年的数据标准化，各项指标的单位不同，没办法进行比较，所以在进行评价之前要对数据进行标准化处理，以使得数据具有比较的意义，本实施例采用极值法进行无量纲化，即对于正向指标采用式计算，对于逆向指标采用式计算，最终计算得到的标准化数据如表1所示。
[0071]
表1标准化数据处理表
[0072]
指标层2016年2017年2018年2019年流速0.0000.3331.0000.667温度0.0000.6851.0000.315风速0.8421.0000.0000.183营养盐0.8670.0110.0001.000tp1.0001.0000.0000.667tn1.0000.0000.0001.000cod0.5001.0000.0000.500bod0.5450.0000.7500.750叶绿素1.0000.8000.0000.400藻贝阶段1.0000.5000.0000.000藻贝密度0.0910.2731.0000.000数量0.0000.2730.6361.000输水率1.0000.6460.4790.000建筑抗压性1.0000.0000.8680.623建筑耐久性1.0000.6150.1540.000经济损失1.0000.6110.3520.000持续时间0.0000.1110.6671.000污染区域1.0000.7820.4010.000敏感指数1.0000.0000.3330.083工程易损程度1.0000.0000.6870.313经济损失指数0.5000.0001.0000.182
[0073]
在完成数据标准化以后，根据步骤3计算各项指标权重，即根据式子3
‑
1、 3
‑
2、3
‑
3和3
‑
4计算各指标权重，所述指标权重能够展现指标在整体中的重要程度，各个指标的权重相互制约、相互联系，计算得到的各项指标权重如表2所示。
[0074]
表2指标权重表
[0075][0076]
从指标权重表、图2和图3中可以得出，南水北调中线影响藻贝风险的最重要的影响因子为化学性指标和对承载体的损害程度，而在准则层中影响藻贝类风险的最重要因素为藻贝密度。
[0077]
进一步地，所述风险等级划分为五个等级，分别为安全、低潜在风险、高潜在风险、基本安全和不安全；安全是干渠运行安全无风险；低潜在风险是干渠运行基本安全有低度潜在风险；高潜在风险是干渠可以安全运行有高度潜在风险；基本安全是干渠可以安全运行，但是部分干渠出现藻贝类爆发；不安全是，南水北调干渠不能安全运行，出现大面积藻贝类爆发，具体计算公式如4
‑
1所示，具体的风险等级评定等级表如下：
[0078]
表3综合指标风险评定等级表
[0079]
风险等级安全低潜在风险高潜在风险基本安全不安全综合风险值[0,200][201,400][401,600][601,800][800,1000]
[0080]
在完成各项指标权重的计算后，通过步骤5中的公式5
‑
1计算各项指标中的关联系数，本实施例中关联系数是用spssau计算完成的，分辨系数ρ取值为0.5，各项指标的关联系数如表4所示。
[0081]
表4关联系数表
[0082]
指标层2016年2017年2018年2019年流速0.7210.5980.3880.605温度0.7230.6000.3890.606
风速0.7210.5980.3880.605营养盐0.7210.5980.3880.605tp0.7250.6000.3890.607tn0.7280.6020.3900.609cod0.7250.6010.3890.608bod0.7210.5980.3880.605叶绿素0.7240.6000.3890.607藻贝阶段0.7260.6000.3880.605藻贝密度1.0000.9150.8170.733数量0.7420.6350.4160.713输水率0.7210.5980.3880.605建筑抗压性0.7240.6000.3890.607建筑耐久性0.7340.6090.3930.618经济损失0.7210.5980.3880.605持续时间0.7250.6000.3890.606污染区域0.7310.6170.4050.673敏感指数0.7210.5980.3880.605工程易损程度0.7210.5980.3880.605经济损失指数0.7210.5980.3880.605
[0083]
最后将计算的关联系数等参数代入步骤6中的计算公式6
‑
1计算风险等级，实测值为指标权重加权求和所得，具体结果如表5所示，
[0084]
表5 2016年
‑
2019年实测权重加权求和表
[0085]
年份2016年2017年2018年2019年g
k
(i)125.111192.877407.583188.469
[0086]
将表5的数据带入式6
‑
2可得各年份的风险值，并将风险值与步骤4 中的风险等级对比，即可获知该年份的风险等级，各年份的风险值如表6所示。
[0087]
表6 2017年
‑
2019年综合风险值表
[0088]
年份2017年2018年2019年g'
k
234.701495.86852.441
[0089]
根据步骤3中的综合风险评定等级表，能够得到如下结论：2017年，南水北调中线干渠的运行风险为低潜在风险；2018年，南水北调中线干渠运行的风险等级为运行风险为高潜在风险；2019年，南水北调中线干渠的运行风险为安全，预测的风险评定等级和实际调研数据相近，能够验证本方法的可行性。
[0090]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。