一种流域水质综合评价方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种流域水质综合评价方法及系统，建立水质综合评估分析模型和信度分布函数，将水质指标的监测值转化为各评估等级的置信度；结合证据推理的合成规则和算法，将隶属于同一评估等级的指标进行证据递归合成，计算出各评估等级的概率分布；引入效用理论，实现水质的相互比较。本发明专利技术通过建立流域水质综合评估分析模型和信度分布函数，实现了水质监测数据的归一化处理，避免了打分法对源数据信息的损害，使得各指标监测值的处理更加科学精确，更能反映水质状况；采用证据理论的合成规则和证据推理算法，实现了多指标、多评估等级的证据合成，并充分考虑了不确定信息的处理，使得评价结果更符合实际情况。

A comprehensive evaluation method and system for water quality in a basin

【技术实现步骤摘要】
一种流域水质综合评价方法及系统
本专利技术涉及多指标、多评价评估等级的情况下的流域水质状况综合评估模型与实现方法。
技术介绍
水对于社会和经济发展起着至关重要的作用，但伴随着人们生活水平的提高和国民经济的快速发展，产生的废水、污水、流泻水也在增加，废污水处理、排放监管不到位，导致水污染问题越来越多。水污染因素多种多样，不同流域水质的评价因子也各不相同，多个水质评价指标并不能科学、直观的反映水质状况，并且各评价指标与各评估等级之间的隶属关系非常复杂，目前还没有统一的处理方法。我国《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》中采用的是单因子评价法，选择水质最差的单项指标所在的水质类别作为所属水域的综合水质类别，该方法无法科学有效的评估水体的综合水质，同一水质类别之间也无法进行有效比较。而常用的水质指数评价法都是将水质监测按照不同的浓度进行梯度划分，并对不同的浓度区间进行百分制打分，然后根据专家建议确定不同水质评价指标的权重，最终加权和，得到水质的综合评价结果。除此之外，比较典型的还有模糊综合评价法、人工神经网络发、灰度分析法等。现有的水质评价方法存在三方面的不足：第一，学者们对水质监测数据进行归一化处理时，各指标监测值并不一定刚好等于某个类别的限值，采用打分法，不够精确；第二，多指标评价时，通过专家建议法或算术平均法确定各指标权重，具有主观性，不能科学的反应指标的重要程度；第三，在水质评价时，只考虑了在可评价范围内的监测数据，且数据是完备确定的，没有考虑不确定性数据和缺口数据的处理方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种流域水质综合评价方法及系统。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种流域水质综合评价方法，包括以下步骤：1)根据流域的污染因素，确定水质评价指标和评估等级，建立流域水质综合评估分析模型；2)根据所述流域水质综合评估分析模型，建立各水质评价指标关于水质评估等级的置信度分布函数，将各水质评价指标的单因子水质描述转化为对评估等级的信度评估；3)对隶属于同一评估等级的多个水质评价指标进行证据合成，计算各评估等级的局部概率分布，求得局部概率分布矩阵；4)将多个评估等级的局部概率分布矩阵进行证据合成，得到综合评估等级的综合概率分布向量；5)构建水质期望效用函数，根据不同类别水质的水域功能，分配相应的效用值，将综合概率分布向量代入效用函数，求得流域的水质综合评估结果。步骤1)中，水质评价指标和评估等级的确定过程包括：将一个断面或一条河流称为一个评价方案，则流域的评价方案集合A＝{al,l＝1,2,…,M}，M为评价方案的个数；评价方案al有L个参与评价的水质评价指标ei，i＝1,2,…,L，则水质评价指标集合E＝{e1,…,eL}；设al有N个评估等级，表示为H＝{H1,…,Hn,Hn+1,…,HN}，其中Hn+1的级别优于Hn。步骤2)中，所述水质评价指标指地表水环境质量标准的基本项目，例如：pH值、溶解氧、非溶解氧指标。步骤2)中，评价方案al的水质评价指标ei支持Hn的置信度为βn,i(al)，满足βn,i(al)≥0且步骤3)中，如果水质评价指标ei同时支持Hn和/或Hn+1，用表示，则局部概率分布矩阵Q的表达式如下：其中，和分别表示支持Hn,Hn+1和Θ的局部概率分布，Θ为未被评估的水质评价指标集合；n＝1,2,…,N；假设支持Hn和Hn+1的水质评价指标有Rn个，则所有支持Hn和Hn+1的水质评价指标集合为表示集合中的第k个元素。步骤4)中，综合概率分布向量G的表达式为：其中，表示前j个评估等级的合成概率，表示前j个评估等级的水质评价指标集合，为N个评估等级的合成概率。步骤5)中，效用函数表达式为：其中，u(Hn)<u(Hn+1)且u(Hn)∈[0,1]，u(Hn)表示评估等级Hn的效用值。相应地，本专利技术还提供了一种流域水质综合评价系统，包括：输入单元：用于根据流域的污染因素，确定水质评价指标和评估等级，建立流域水质综合评估分析模型；处理单元：用于根据所述水质综合评估分析模型，建立各水质评价指标关于水质评估等级的置信度分布函数，对隶属于同一评估等级的多个水质评价指标进行证据合成，计算各评估等级的局部概率分布，求得局部概率分布矩阵，并将多个评估等级的局部概率分布矩阵进行证据合成，得到综合评估等级的综合概率分布向量；输出单元：用于构建水质期望效用函数，根据不同类别水质的水域功能，分配相应的效用值，将综合概率分布向量代入效用函数，求得流域的水质综合评估结果。所述水质综合评估分析模型包括：评价方案层：用于确定流域的评价方案集合A：A＝{al,l＝1,2,…,M}；其中，M为评价方案的个数；al为评价方案，且一个断面或一条河流称为一个评价方案；水质指标层：用于确定水质评价指标集合E：E＝{e1,…,eL}；其中，i＝1,2,…,L，ei为评价方案al中参与评价的水质评价指标；L为评价方案al中参与评价的水质评价指标的个数；水质评估等级层：用于确定评价方案al的N个评估等级，表示为H＝{H1,…,Hn,Hn+1,…,HN}，其中Hn+1的级别优于Hn。所述处理单元包括：第一处理模块：用于根据所述输入单元输出的流域水质综合评估分析模型，建立各水质评价指标关于水质评估等级的置信度分布函数，将各水质评价指标的单因子水质描述转化为对评估等级的信度评估；第二处理模块：用于对隶属于同一评估等级的多个水质评价指标进行证据合成，计算各评估等级的局部概率分布，求得局部概率分布矩阵；第三处理模块：用于将多个评估等级的局部概率分布矩阵进行证据合成，得到综合评估等级的综合概率分布向量。与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果为：本专利技术通过建立流域水质综合评估分析模型和信度分布函数，实现了水质监测数据的归一化处理，避免了打分法对源数据信息的损害，使得各指标监测值的处理更加科学精确，更能反映水质状况；采用证据理论的合成规则和证据推理算法，实现了多指标、多评估等级的证据合成，并充分考虑了不确定信息的处理，使得评价结果更符合实际情况；最后通过构建效用函数，将由证据推理计算出的各水质评估等级的概率描述，转化为水质综合评估结果，该结果不仅能体现水环境功能，而且便于流域水质的相互比较。附图说明图1是根据本专利技术实施例的流域水质综合评价流程图；图2是本专利技术的流域水质综合评估分析模型图；图3是应用本专利技术方法与模糊综合评价法对某一断面一年的水质数据进行水质综合评估的对比图。具体实施方式本专利技术方法包括以下步骤：步骤一：根据流域的污染因素，确定水质评价指标和评估等级，建立流域水质综合评估分析模型；步骤二：建立各指标关于水质平度等级的信度分布函数，将各监测指标的单因子水质描述转化为对评估等级的信度评估；步骤三：采用证据理论的合成规则和证据推理算法，对隶属于同一评估等级的多个评价指标进行证据合成，计算各评估等级的局部概率分布，求得局部概率分布矩阵；步骤四：运用证据组合算法，将多个评估等级的概率分进行证据合成，得到综合评估等级的综合概率分布向量；步骤五：构建水质期望效用函数，根据不同类别水质的水域功能，分配相应的效用值，将由证据推理计算出的综合概率分布向量，代入效用函数，求得流域的水质综合评本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种流域水质综合评价方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据流域的污染因素，确定水质评价指标和评估等级，建立流域水质综合评估分析模型；2)根据所述流域水质综合评估分析模型，建立各水质评价指标关于水质评估等级的置信度分布函数，将各水质评价指标的单因子水质描述转化为对评估等级的信度评估；3)对隶属于同一评估等级的多个水质评价指标进行证据合成，计算各评估等级的局部概率分布，求得局部概率分布矩阵；4)将多个评估等级的局部概率分布矩阵进行证据合成，得到综合评估等级的综合概率分布向量；5)构建水质期望效用函数，根据不同类别水质的水域功能，分配相应的效用值，将综合概率分布向量代入效用函数，求得流域的水质综合评估结果。

【技术特征摘要】
1.一种流域水质综合评价方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据流域的污染因素，确定水质评价指标和评估等级，建立流域水质综合评估分析模型；2)根据所述流域水质综合评估分析模型，建立各水质评价指标关于水质评估等级的置信度分布函数，将各水质评价指标的单因子水质描述转化为对评估等级的信度评估；3)对隶属于同一评估等级的多个水质评价指标进行证据合成，计算各评估等级的局部概率分布，求得局部概率分布矩阵；4)将多个评估等级的局部概率分布矩阵进行证据合成，得到综合评估等级的综合概率分布向量；5)构建水质期望效用函数，根据不同类别水质的水域功能，分配相应的效用值，将综合概率分布向量代入效用函数，求得流域的水质综合评估结果。2.根据权利要求1所述的流域水质综合评价方法，其特征在于，步骤1)中，水质评价指标和评估等级的确定过程包括：将一个断面或一条河流称为一个评价方案，则流域的评价方案集合A＝{al,l＝1,2,…,M}，M为评价方案的个数；评价方案al有L个参与评价的水质评价指标ei，i＝1,2,…,L，则水质评价指标集合E＝{e1,…,eL}；设al有N个评估等级，表示为H＝{H1,…,Hn,Hn+1,…,HN}，其中Hn+1的级别优于Hn。3.根据权利要求1所述的流域水质综合评价方法，其特征在于，步骤2)中，所述水质评价指标指地表水环境质量标准的基本项目。4.根据权利要求2所述的流域水质综合评价方法，其特征在于，步骤2)中，评价方案al的水质评价指标ei支持Hn的置信度为βn,i(al)，满足βn,i(al)≥0且5.根据权利要求4所述的流域水质综合评价方法，其特征在于，步骤3)中，如果水质评价指标ei同时支持Hn和/或Hn+1，用表示，则局部概率分布矩阵Q的表达式如下：其中，和分别表示支持Hn,Hn+1和Θ的局部概率分布，Θ为未被评估的水质评价指标集合；n＝1,2,…,N；假设支持Hn和Hn+1的水质评价指标有Rn个，则所有支持Hn和Hn+1的水质...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓红，胡东滨，蔡洪鹏，孟凡永，罗跃平，潘海婷，
申请(专利权)人：中南大学，湖南省环境监测中心站，
类型：发明
国别省市：湖南,43