一种基于指标权重优化的河流水生态质量评价方法与流程

1.本发明涉及水生态质量评价技术领域，具体涉及一种基于指标权重优化的河流水生态质量评价方法。


背景技术：

2.针对各类河流、流域质量评价的指标体系层出不穷，发达国家将水生态作为环境管理的基本单元，在实践应用上开展了长期细致的工作，与这些国家相比，我国水环境管理依然以污染源减排、水污染物控制为主，不符合水环境评价逐渐由水质考核向水质、水生态综合考核转变的需求导向，纵观国内外河流水生态评价的有关研究，总结发现相关技术存在一些不足：
3.(1)缺少系统评价，评价指标角度较为单一。指标多只集中于水质理化指标或水生态健康等某一方面，缺乏综合性，不能系统地反映河流水环境健康和体现河流水生态系统的循环链，导致评价结果有所偏颇；亦或评价指标过于冗杂，虽具有全面性，但未兼顾实际运用的便利性，不易操作；
4.(2)指标权重确定方法存在不足。对河流水生态质量等级评价来说，计算各项指标数据的权重是综合评价体系的重要环节。权重的合理与否直接关系到评价结果是否客观、合理。目前确定指标权重的方法主要有专家打分法、层次分析法、主成分分析法和模糊综合评价法等，运用层次分析法的较多，但根据当前对于层次分析法的研究可知，该方法具有一定缺陷：一是未考虑不同类别指标数据权重的差异性；二是不同指标数据之间存在关联性，计算时未考虑指标数据之间的重叠部分，导致权重分配存在不均衡问题。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于指标权重优化的河流水生态质量评价方法，旨在解决现有技术中评价方法的评价指标较为单一或过于繁杂的不足，有效解决了层次分析法中不同评价值的差异性和数据指标不独立导致权重分配存在不均衡的问题。
6.本发明采取以下技术方案实现：
7.一种基于指标权重优化的河流水生态质量评价方法，包括如下步骤：
8.步骤s1：采集河流的各指标数据，所述指标数据包括水质要素a、水生态要素b和沉积物要素c，所述水质要素a包括化学需氧量指标a1、氨氮指标a2和总磷指标a3，所述水生态要素b包括底栖动物bmwp指数b1、底栖动物bpi指数b2、浮游动物shannon-wiener多样性指数b3和浮游动物丰富度指数b4，所述沉积物要素c包括沉积物全氮指数c1、沉积物总磷指数c2和沉积物重金属潜在风险生态指数c3；
9.步骤s2：按正向指标处理序列和逆向指标处理序列对各指标数据进行划分和标准化处理，得到正向指标处理值和逆向指标处理值；
10.步骤s3：构建包括目标层、准则层和指标层的河流水生态质量综合评价模型，所述
目标层、准则层和指标层为阶梯层次且由高到低依次降序排列，所述目标层包括河流水生态质量要素s；所述准则层包括水质要素a、水生态要素b和沉积物要素c；将与水质要素a、水生态要素b和沉积物要素c对应的正向指标处理值和逆向指标处理值划分至各指标层；
11.步骤s4：结合河流水生态质量综合评价模型，计算各项指标数据的理论权重值，采用改进层次分析法优化理论权重值，对河流水生态质量综合评价模型进行修正，得到实际权重值；
12.步骤s5：根据正向指标处理值和逆向指标处理值，结合各指标数据对应的实际权重值，计算河流水生态质量综合指数，依据河流水生态质量综合指数划分水生态质量等级。
13.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
14.进一步地，所述步骤s2中正向指标处理值和逆向指标处理值的具体计算过程为：
15.s21：对各指标数据进行划分，得到正向指标原值和逆向指标原值；
16.s22：按正向指标处理序列和逆向指标处理序列将正向指标原值和逆向指标原值进行标准化处理，得到正向指标处理值和逆向指标处理值，
17.正向指标处理序列：
18.逆向指标处理序列：
[0019][0020]
式中：y
′
zk
表示第k项正向指标处理值，y
′
zk
∈(0，1)；y
zk
表示第k项正向指标原值；y
zksu
表示第k项正向指标标准的上限值；y
′
nj
表示第j项逆向指标处理值，y
′
nj
∈(0，1)；y
nj
表示表示第j项逆向指标原值；y
njsu
表示第j项逆向指标标准的上限值；y
njsd
表示第j项逆向指标原值的下限值。
[0021]
进一步地，所述步骤s4中对河流水生态质量综合评价模型进行修正的过程具体包括如下步骤：
[0022]
s41：建立评价模型，同层指标数据进行与上一层对应各要素的两两对比，并按设定的 ahp标度表得到多个评价值；
[0023]
s42：建立关于评价值的判断矩阵，利用matlab对判断矩阵进行层次单排序并计算检验系数cr，对检验系数cr进行检验系数阈值判断，计算满足检验系数阈值条件的检验系数 cr对应的理论权重值；
[0024]
s43：按照各评价值与准则层各要素的对应关系，对评价模型的理论权重值进行优化修改，利用sl395-2007技术准则结合分类统计法计算得到修正权重值，公式如下：
[0025][0026]
式中：表示指标数据yi的修正权重值，y＝a，b，c，i≤4；
[0027]
表示m个评价值计算得到的指标数据yi的理论权重值，m∈(1，n)；
[0028]
表示n-m个评价值计算得到的指标数据yi的理论权重值；
[0029]
n表示评价值的总数，m表示第m个评价值；
[0030]
s44：基于各指标数据之间的相关系数，选取超过设定的相关系数阈值的相关系数对应的指标数据，对指标数据的修正权重值进行权重值再分配，消除其重叠部分，对所有选取超过设定的相关系数阈值的相关系数对应的指标数据进行权重值再分配后，对其余未超过设定的相关系数阈值对应的指标数据进行相应加权调整，使所有指标数据实际权重值之和为1。
[0031]
进一步地，所述步骤s42中建立关于评价值的判断矩阵，利用matlab对评价值进行层次单排序并计算检验系数cr，对检验系数cr进行阈值判断的具体过程如下：
[0032]
s421：计算判断矩阵一致性指标ci：
[0033][0034][0035]
式中，λ
max
表示矩阵的最大特征值，n表示判断矩阵的阶数，为衡量ci的大小，引入随机一致性指标ri，cim表示第m个一致性指标ci，其中m＝n
[0036]
s422：将一致性指ci和随机一致性指标ri进行比较，得出检验系数cr，公式如下：
[0037][0038]
s423：将检验系数cr与检验系数阈值进行对比，若检验系数cr＜0.1，则判断矩阵通过一致性检验，采集各指标数据的理论权重值，若检验系数cr＞0.1，对判断矩阵进行调整使检验系数cr＜0.1后，计算各指标数据的理论权重值。
[0039]
进一步地，所述步骤s423中理论权重值的计算方法如下：
[0040]
按照河流水生态质量综合评价模型的层级分布，将准则层各要素对应的权重值作为第一权重值，将指标层各指标的权重值作为第二权重值，第一权重值和第二权重值相乘，得到理论权重值。
[0041]
进一步地，所述步骤s44中对各指标数据的修正权重值进行权重值再分配的具体方法为：
[0042]
s441：计算指标数据yi和指标数据ye的相关系数计算方法如下：
[0043][0044]
式中，l
xx
表示指标数据yi处理值的离均差平方和；l
yy
表示指标数据ye处理值的离均差平方和；l
xy
表示指标数据yi处理值和指标数据ye处理值的离均差积和。
[0045]
s442：将相关系数与相关系数阈值进行对比，若相关系数大于相关系数阈值，则计算指标数据yi和指标数据ye修正后的实际权重值：
[0046]
[0047][0048][0049]
式中：y＝a，b，c，i≤4，e≤4；表示指标数据yi的实际权重值，表示指标数据ye的实际权重值；表示指标数据yi的修正权重值，表示指标数据ye的修正权重值；表示指标数据yi和指标数据ye修正权重值的重叠部分；
[0050]
s443：对其余未进行步骤s442独立修正的指标数据yh进行相应加权调整，使所有指标数据的实际权重值之和为1，调整公式如下：
[0051][0052]
式中：表示指标数据yh的实际权重值；表示指标数据yh的修正权重值；表示指标数据yi的实际权重值，表示指标数据ye的实际权重值；表示指标数据yi的修正权重值，表示指标数据ye的修正权重值。
[0053]
进一步地，所述河流水生态质量等级评价综合指数的具体计算过程如下：
[0054]
s51：计算河流水生态质量的子项评价指数，所述子项评价指数包括水质子项评价指数、水生态子项评价指数、沉积物子项评价指数，计算公式如下：
[0055][0056][0057][0058]
式中：t
ax
为该河流第x个监测断面的水质子项评价指数；t
bx
为该河流第x个监测断面的水生态子项评价指数；t
cx
为该河流第x个监测断面的沉积物子项评价指数；为准则层水质要素ai指标数据的处理值结果；为准则层水生态要素bi指标数据处理值；为准则层沉积物要素ci指标数据处理值；为水质要素ai指标数据的实际权重值；为水生态要素bi指标数据的实际权重值；分别为沉积物要素ci指标数据的实际权重值；
[0059]
s52：计算河流水生态质量等级评价综合指数：
[0060]
ts＝∑(t
ax
t
bx
t
cx
)
×
(c
x
/c)
[0061]
式中：ts为河流水生态质量等级评价综合指数；c表示河流总长度；c
x
表示该河流第x个监测断面上溯至第x-1个监测断面的河流区间长度，当x-1为0时代表河流起点，第x个监测断面的c
x
表示第x-1个监测断面到河流终点的长度，若该河流只有一个监测断面则c
x
＝c；
[0062]
s53：依据河流水生态质量等级评价综合指数，将河流水生态质量等级评价综合指数按照不同阈值区间划分为五级：i级、ii级、iii级、iv级、v级；
[0063]
s54：对河流水生态进行质量等级评价。
[0064]
本发明的有益效果：
[0065]
本发明一种河流水生态质量等级评价方法具有如下有益效果：本发明提供的河流水生态质量等级评价方法弥补了当前河流水生态质量评价指标较为单一或过于繁杂的不足，有效解决了层次分析法中未考虑指标权重的差异性以及指标不独立导致权重分配存在不均衡的问题。本发明的评级方法综合性高、可操作性强，对指标权重进行多次修正，使得赋权所用的改进层次分析法更加可信，整体评价体系可反映河流水生态环境自身的完整循环链，全方位地体现水环境质量状态，开拓了以河流水生态环境水-生态-沉积物全链条为核心理念的评价新模式，为管理层全面掌握河流水生态现状并开展监督考核工作提供了支撑。
附图说明
[0066]
图1为本发明提供的评价方法流程示意图。
[0067]
图2是本发明提供的改进层次分析法计算步骤示意图。
具体实施方式
[0068]
为了阐明本发明的技术方案和工作原理，下面结合附图于具体实施例对本发明作进一步详细描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
[0069]
如图1所示，一种基于指标权重优化的河流水生态质量评价方法，所述的方法包括如下步骤：
[0070]
步骤s1、采集河流的各指标数据。对试验河流的常规水样、沉积物及水生生物按照各自对应的标准、指南及规范进行采集、处理和测试，以获取该试验河流各种类型的指标数据，对采集的各种类型的指标数据进行分类，将各指标数据划分为水质要素a、水生态要素b和沉积物要素c；其中水质要素a包括化学需氧量指标a1、氨氮指标a2和总磷指标a3；水生态要素b包括底栖动物bmwp指数b1、底栖动物bpi指数b2、浮游动物shannon-wiener多样性指数b3和浮游动物丰富度指数b4；沉积物要素c包括沉积物全氮指数c1、沉积物总磷指数c2和沉积物重金属潜在风险生态指数c3。
[0071]
其中对于水质要素直接测量获取，对于水生态要素和沉积物要素根据采集的水生生物和沉积物进行对应的计算，从而得到相应的各指标。
[0072]
步骤s11：计算底栖动物bmwp指数，计算公式如下：
[0073]
bmwp＝∑ti[0074]
式中：ti表示采集样品中出现的物种i的科一级敏感值，该指标根据大型底栖动物耐污特性的差异，对敏感值进行1-10的分值划分，河流水体淡水大型底栖无脊椎动物bmwp期望值取值为69。底栖动物bmwp指数越高表明水生态环境受干扰和污染的程度越小。
[0075]
步骤s12：计算底栖动物bpi指数，公式如下：
[0076][0077]
式中：n1表示采集样品中的寡毛类、蛭类和摇蚊个体数；n2表示多毛类、甲壳类和除摇蚊以外其他水生昆虫个体数；n3表示软体动物个体数，底栖动物bpi指数大于5时表明水生态环境状态为重污染，小于0.1时表明水生态环境状态为清洁。
[0078]
步骤s13：计算浮游动物shannon-wiener多样性y，公式如下：
[0079]
y＝∑(ni/n)
×
ln ni/n
[0080]
式中：ni表示第i种个体数，n表示所有种类个体数。
[0081]
步骤s14：计算浮游动物margalef物种丰富度指数d
ma
，公式如下：
[0082]dma
＝(q
s-1)/log2s
[0083]
式中：qs表示样品中的种类总数；s表示采集样品中的生物总个体数；
[0084]
步骤s15：计算沉积物重金属潜在风险生态指数e，沉积物重金属潜在风险生态指数e 涉及沉积物中cu、cd、cr、zn、as、pb和hg等金属元素，若金属元素大于280时表明污染程度很强，若金属元素小于70时表明污染程度为轻度，计算公式如下；
[0085]
e＝∑er×csr
/c
nr
[0086]
式中：er表示第r种重金属元素的毒性系数(cu、cd、cr、zn、as、pb和hg的毒性系数分别为5、30、2、1、10、5、40)；c
sr
表示第r种元素含量实测值；c
nr
表示第r种元素土壤元素背景值；
[0087]
步骤s2：按正向指标处理序列和逆向指标处理序列对各指标数据进行划分和标准化处理，得到正向指标处理值和逆向指标处理值。
[0088]
具体而言，由于各指标数据的计量单位不统一，因此需要将步骤s1中各指标数据进行标准化处理，解决各项不同质指标值的同质化问题。
[0089]
步骤s2中正向指标处理值和逆向指标处理值的具体计算过程为：
[0090]
s21：对各指标数据进行划分，得到正向指标原值和逆向指标原值；
[0091]
s22：按正向指标处理序列和逆向指标处理序列将正向指标原值和逆向指标原值进行标准化处理，得到正向指标处理值和逆向指标处理值；
[0092]
正向指标处理序列：
[0093]
逆向指标处理序列：
[0094][0095]
式中：y
′
zk
表示第k项正向指标处理值，y
′
zk
∈(0，1)；y
zk
表示第k项正向指标原值；y
zksu
表示第k项正向指标标准的上限值；y
′
nj
表示第j项逆向指标处理值，y
′
nj
∈(0，1)；y
nj
表示表示第j项逆向指标原值；y
njsu
表示第j项逆向指标标准的上限值；y
njsd
表示第j项逆向指标原值的下限值。
[0096]
如表1所示，为指标数据的划分表。
[0097]
表1指标数据划分表
[0098][0099]
步骤s3：构建包括目标层、准则层和指标层的河流水生态质量综合评价模型，所述目标层、准则层和指标层为阶梯层次且由高到低依次降序排列，所述目标层包括河流水生态质量要素s；所述准则层包括水质要素a、水生态要素b和沉积物要素c；将与水质要素a、水生态要素b和沉积物要素c对应的正向指标标准值和逆向指标标准值划分至各指标层。
[0100]
具体而言，通过建立河流水生态质量综合评价模型，可以方便求取各指标数据的权重值；
[0101]
步骤s4：结合河流水生态质量综合评价模型，计算各正向指标标准值和各逆向指标标准值的理论权重值，采用改进层次分析法优化理论权重值，得到实际权重值，根据实际权重值对河流水生态质量综合评价模型进行修正。
[0102]
s41：建立评价模型，同层指标数据进行与上一层对应各要素的两两对比，并按设定的ahp标度表得到多个评价值；
[0103]
s42：建立关于评价值的判断矩阵，利用matlab对判断矩阵进行层次单排序并计算检验系数cr，对检验系数cr进行检验系数阈值判断，计算满足检验系数阈值条件的检验系数 cr对应的理论权重值；
[0104]
s421：计算判断矩阵的一致性指标ci：
[0105][0106][0107]
式中，λ
max
表示矩阵的最大特征值，n表示判断矩阵的阶数，为衡量ci的大小，引入随机一致性指标ri，cim表示第m个一致性指标ci，其中m＝n；
[0108]
s422：将一致性指标ci和随机一致性指标ri进行比较，计算检验系数cr，公式如下：
[0109][0110]
s423：将检验系数cr与检验系数阈值进行对比，若检验系数cr＜0.1，则判断矩阵通过一致性检验，采集各指标数据的理论权重值，若检验系数cr＞0.1，对判断矩阵进行调整使检验系数cr＜0.1后，计算各指标数据的理论权重值。
[0111]
其中，理论权重值的计算方法如下：
[0112]
按照河流水生态质量综合评价模型的层级分布，将准则层各要素对应的权重值作为第一权重值，将指标层各指标的权重值作为第二权重值，第一权重值和第二权重值相乘，得到理论权重值。
[0113]
s43：按照各评价值与准则层各要素的对应关系，对评价模型的理论权重值进行优化修改，利用sl395-2007技术准则结合分类统计法计算得到修正权重值，公式如下：
[0114][0115]
式中：表示指标数据yi的修正权重值，y＝a，b，c，i≤4；
[0116]
表示m个评价值计算得到的指标数据yi的理论权重值，m∈(1，n)；
[0117]
为n-m个评价值计算得到的指标数据yi的理论权重值；
[0118]
n表示评价值的总数，m表示第m个评价值；
[0119]
s44：基于各指标数据之间的相关系数，选取超过设定的相关系数阈值的相关系数对应的指标数据，对指标数据的修正权重值进行权重值再分配，消除其重叠部分，对所有选取超过设定的相关系数阈值的相关系数对应的指标数据进行权重值再分配后，对其余未超过设定的相关系数阈值对应的指标数据进行相应加权调整，使所有指标数据实际权重值之和为1。
[0120]
其中，各指标数据的修正权重值进行权重值再分配的具体方法为：
[0121]
s441：计算指标数据yi和指标数据ye的相关系数计算方法如下：
[0122][0123]
式中，l
xx
表示指标数据yi处理值的离均差平方和；l
yy
表示指标数据ye处理值的离均差平方和；l
xy
表示指标数据yi处理值和指标数据ye处理值的离均差积和。
[0124]
s442：将相关系数与相关系数阈值进行对比，若相关系数大于相关系数阈值，则计算指标数据yi和指标数据ye修正后的实际权重值：
[0125][0126][0127][0128]
式中：y＝a，b，c，i≤4，e≤4；表示指标数据yi的实际权重值，表示指标数据ye的实际权重值；表示指标数据yi的修正权重值，表示指标数据ye的修正权重值；表示指标数据yi和指标数据ye修正权重值的重叠部分；
[0129]
s443：对其余未进行步骤s442独立修正的指标数据yh进行相应加权调整，使所有指标数据的实际权重值之和为1，调整公式如下：
[0130][0131]
式中：表示指标数据yh的实际权重值；表示指标数据yh的修正权重值；表示指标数据yi的实际权重值，表示指标数据ye的实际权重值；表示指标数据yi的修正权重值，表示指标数据ye的修正权重值。
[0132]
步骤s5：计算河流水生态质量综合指数，依据河流水生态质量综合指数划分水生态质量等级。
[0133]
步骤s51：计算河流水生态质量的子项评价指数，所述子项评价指数包括水质子项评价指数、水生态子项评价指数、沉积物子项评价指数，计算公式如下：
[0134][0135][0136][0137]
式中：t
ax
为该河流第x个监测断面的水质子项评价指数；t
bx
为该河流第x个监测断面的水生态子项评价指数；t
cx
为该河流第x个监测断面的沉积物子项评价指数；为准则层水质要素ai指标数据的处理值结果；为准则层水生态要素bi指标数据处理值；为准则层沉积物要素ci指标数据处理值；为水质要素ai指标数据的实际权重值；为水生态要素bi指标数据的实际权重值；分别为沉积物要素ci指标数据的实际权重值。
[0138]
步骤s52：河流水生态质量等级评价综合指数计算公式如下：
[0139]
ts＝∑(t
ax
t
bx
t
cx
)
×
(c
x
/c)
[0140]
式中：ts为河流水生态质量等级评价综合指数；c表示河流总长度；c
x
表示该河流第x个监测断面上溯至第x-1个监测断面的河流区间长度，当x-1为0时代表河流起点，第x个监测断面的c
x
表示第x-1个监测断面到河流终点的长度，若该河流只有一个监测断面则c
x
＝c；
[0141]
步骤s53：依据河流水生态质量等级评价综合指数，将河流水生态质量等级评价综合指数按照不同阈值区间划分为五级：i级、ii级、iii级、iv级、v级；
[0142]
步骤s54：对河流水生态进行质量等级评价，其中i级为最优，v级为最差。阈值区间为0～1，按照正态分布划分，具体区间如下。
[0143]
表2等级划分表
[0144]
等级i级ii级iii级iv级v级区间(0.964，1](0.726，0.964](0.274，0.726](0.036，0.274][0，0.036)
[0145]
实验例：
[0146]
在河流1、河流2上各设有两个监测断面，获取指标数据后进行指标数据标准化处理，标准化后的处理值如下表所示：
[0147]
表3指标数据标准化处理值对应表
[0148][0149]
利用层次分析法求取指标数据的理论权重值，理论权重值结果见下表：
[0150]
表4指标数据理论权重值表
[0151][0152][0153]
对上述理论权重值进行优化分配，依次计算修正权重值和实际权重值，结果如下：
[0154]
表5指标数据的修正权重值和实际权重值计算结果
[0155][0156][0157]
计算得到化学需氧量(a1)、氨氮(a2)、总磷(a3)、底栖动物bmwp指数(b1)、底栖动物 bpi指数(b2)、浮游动物shannon-wiener多样性指数(b3)、浮游动物丰富度指数(b4)、沉积物全氮(c1)、沉积物总磷(c2)及沉积物重金属潜在风险生态指数(c3)的实际权重值分别为：5.0％、 6.6％、26.1％、19.2％、14.0％、10.7％、8.7％、2.1％、3.5％、4.1％；
[0158]
基于以上指标的各实际权重值，算得河流1水生态质量子项评价结果断面1t
a11
为0.15， t
b11
为0.24，t
c11
为0.06；断面2t
a12
为0.33，t
b12
为0.21，t
c12
为0.05；河流2水生态质量子项评价结果断面3t
a21
为0.35，t
b21
为0.21，y
c21
为0.06；断面4t
a22
为0.32，t
b22
为0.16， t
c22
为0.04。
[0159]
开展河流水生态质量等级评价，河流1断面1所控河流长度为14公里，断面2所控长度为24公里，算得河流1水生态质量等级评价综合指数t
s1
为0.54，等级为iii级；河流2断面3 所控河流长度为7公里，断面4所控河流长度为26.7公里，算得河流2水生态质量等级评价综合指数t
s2
为0.54，等级为iii级。
[0160]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。