本發(fā)明涉及一種地下水水質(zhì)的多指標(biāo)正態(tài)云綜合評(píng)價(jià)方法。

背景技術(shù)：

水是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的不可缺少的自然資源，推動(dòng)著社會(huì)進(jìn)步和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展。作為水資源的重要組成部分，地下水在人民生活、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和環(huán)保等方面扮演著十分重要的角色。近年來(lái)，對(duì)地下水的不合理開發(fā)、過(guò)度利用，導(dǎo)致地下水水位下降、水質(zhì)惡化污染嚴(yán)重等問(wèn)題頻發(fā)，我國(guó)大多數(shù)城市的地下水已受到不同程度的污染，嚴(yán)重阻礙了經(jīng)濟(jì)繁榮和社會(huì)發(fā)展。地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)是水資源評(píng)價(jià)中一項(xiàng)重要內(nèi)容，如何科學(xué)地選取地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，對(duì)研究區(qū)域地下水水質(zhì)要素或區(qū)域水環(huán)境性質(zhì)的優(yōu)劣作出準(zhǔn)確、真實(shí)的定量評(píng)價(jià)，是地下水水資源保護(hù)、開發(fā)利用的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

在水質(zhì)評(píng)價(jià)領(lǐng)域，不同數(shù)學(xué)方式方法的引入，帶動(dòng)推進(jìn)了傳統(tǒng)地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)方法的進(jìn)展，如單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、灰色系統(tǒng)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。但以上評(píng)價(jià)方法很少同時(shí)考慮地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)問(wèn)題的模糊性、隨機(jī)性和不確定性，在實(shí)際應(yīng)用中存在一定缺陷，如單因子指數(shù)法不能反映地下水質(zhì)量的整體狀況，在多種污染共存時(shí)難以評(píng)價(jià)或檢驗(yàn)，不適宜地下水水質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)；內(nèi)梅羅指數(shù)法相對(duì)集中在污染嚴(yán)重的水質(zhì)級(jí)別上，對(duì)水質(zhì)變化靈敏度低；模糊綜合評(píng)價(jià)法不能解決評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)造成的信息重復(fù)問(wèn)題，評(píng)價(jià)精度較低等。因此，為解決評(píng)價(jià)指標(biāo)的隨機(jī)性、指標(biāo)劃分的模糊性以及人為因素的影響，亟待需要一種新方法對(duì)地下水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開了一種地下水水質(zhì)的多指標(biāo)正態(tài)云綜合評(píng)價(jià)方法。

所述的地下水水質(zhì)的多指標(biāo)正態(tài)云綜合評(píng)價(jià)方法，包括以下步驟：

步驟一：根據(jù)影響地下水水質(zhì)優(yōu)劣的主要因素，結(jié)合水體中物理成分、化學(xué)成分和生物成分的綜合作用，建立地下水水質(zhì)評(píng)估指標(biāo)體系；

步驟二：依據(jù)我國(guó)地下水水質(zhì)現(xiàn)狀、地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及生活飲用水、工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水水質(zhì)最高要求，將地下水質(zhì)量分類，確定地下水水質(zhì)評(píng)估等級(jí)；

步驟三：采用聚類權(quán)法確定各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重；

步驟四：計(jì)算確定不同等級(jí)地下水水質(zhì)評(píng)估的云模型數(shù)字特征，借助正態(tài)云發(fā)生器，生成該評(píng)價(jià)因子隸屬于某穩(wěn)定性級(jí)別的云模型；

步驟五：讀取待評(píng)樣本的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合計(jì)算得到的各評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬確定度和權(quán)重，由綜合確定度最大值對(duì)應(yīng)級(jí)別來(lái)評(píng)定地下水水質(zhì)等級(jí)；

所述步驟一中，根據(jù)影響地下水水質(zhì)優(yōu)劣的的主要因素，結(jié)合水體中物理成分、化學(xué)成分和生物成分的綜合作用以及地質(zhì)背景條件、地理?xiàng)l件、人類活動(dòng)的共同作用，選擇其中最具典型的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立地下水水質(zhì)評(píng)估指標(biāo)體系。

所述步驟一中，綜合考慮地下水水質(zhì)的諸多影響因素，從感官物理性狀指標(biāo)、一般化學(xué)指標(biāo)、無(wú)機(jī)毒理指標(biāo)、毒性重金屬指標(biāo)、揮發(fā)性有機(jī)指標(biāo)、半揮發(fā)性有機(jī)指標(biāo)、生物水質(zhì)指標(biāo)以及其他指標(biāo)中，選取總硬度、礦化度、鉛、砷、汞、氯化物、氟化物、硝酸鹽、硫酸鹽和亞硝酸鹽作為云模型評(píng)估地下水水質(zhì)等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)。

所述步驟二中，結(jié)合《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(gb/t14848-93)，將地下水水質(zhì)等級(jí)定為ⅰ(適宜飲用)、ⅱ(基本適宜飲用)、ⅲ(需處理進(jìn)行飲用)、ⅳ(需嚴(yán)格處理進(jìn)行飲用)、ⅴ(不宜飲用)五類；對(duì)各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)依照依照ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ、ⅴ五類進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)值的劃分。

所述步驟三中，在計(jì)算水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的常用方法中進(jìn)行比選，為彌補(bǔ)了人為因素對(duì)評(píng)價(jià)效果的影響，綜合考慮地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中各個(gè)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)值以及數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)值，采用聚類權(quán)法確定各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重。

所述步驟四中，選定好評(píng)估地下水水質(zhì)等級(jí)指標(biāo)后，計(jì)算確定不同等級(jí)地下水水質(zhì)評(píng)估的云模型數(shù)字特征；具體公式如下：

he＝k(6)

上式中，bimax和bimin分別為某一評(píng)價(jià)指標(biāo)的地下水質(zhì)量等級(jí)為i級(jí)時(shí)對(duì)應(yīng)區(qū)間的最大和最小值，而對(duì)于單邊界的等級(jí)，如[-∞,bimin]或[bimax,+∞]，可根據(jù)上下限確定缺省的邊界參數(shù)或期望值計(jì)算exi。he取一個(gè)合適的常數(shù)，與云滴厚度有關(guān)，一般情況下he小于0.5，可根據(jù)變量的模糊閾度進(jìn)行調(diào)整，此次計(jì)算取0.01。

所述步驟四中，編寫正態(tài)云發(fā)生器程序，正態(tài)云模型實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于建立正態(tài)云發(fā)生器，正態(tài)云發(fā)生器由數(shù)字特征期望exi、熵eni和超熵he共同決定。具體的正態(tài)云發(fā)生器算法如下：

(1)計(jì)算熵eni和超熵he；

(2)生成正態(tài)隨機(jī)數(shù):eni'～normrnd(eni,he),其中eni'～n(eni,he²)；

(3)生成正態(tài)隨機(jī)數(shù)xi～normrnd(exi,eni')，其中xi～n(exi,eni'²)；

(4)計(jì)算確定度：

(5)將確定度μ(xi)與對(duì)應(yīng)的xi形成數(shù)域中的一個(gè)云滴；

(6)重復(fù)步驟1～5，直至產(chǎn)生出n個(gè)云滴。

借助編寫的正態(tài)云發(fā)生器，生成該評(píng)價(jià)因子隸屬于某穩(wěn)定性級(jí)別的云模型。

所述步驟五中，根據(jù)云發(fā)生器算法程序得的云模型，計(jì)算得到地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)各個(gè)等級(jí)確定度，結(jié)合依據(jù)聚類權(quán)法得出的指標(biāo)權(quán)重，最終計(jì)算求取各等級(jí)的綜合確定度m。依據(jù)最大綜合確定度，判定地下水水質(zhì)的評(píng)價(jià)等級(jí):

在上式中，μ代表指標(biāo)隸屬于云模型某個(gè)等級(jí)的確定度，ai代表第i個(gè)評(píng)級(jí)指標(biāo)的權(quán)重。

本發(fā)明公開了一種地下水水質(zhì)的多指標(biāo)正態(tài)云綜合評(píng)價(jià)方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)充分考慮了地下水水質(zhì)評(píng)估過(guò)程中存在的模糊性及隨機(jī)性，對(duì)影響地下水水質(zhì)的因素進(jìn)行客觀分析，為隨機(jī)、模糊的評(píng)級(jí)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)定量度量，完成定性概念對(duì)定量評(píng)價(jià)的不確定性映射；

2)確定了地下水水質(zhì)評(píng)估等級(jí)，給出由已知實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推算出各等級(jí)的發(fā)生概率的方法，從而更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)價(jià)；

3)采用聚類權(quán)法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，綜合考慮地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中各個(gè)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)值以及數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)值，克服了人為因素在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過(guò)程中對(duì)結(jié)果影響較大的缺陷。

附圖說(shuō)明

構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說(shuō)明書附圖用來(lái)提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。

圖1是本發(fā)明的評(píng)價(jià)步驟流程圖；

圖2-圖11是本發(fā)明的地下水水質(zhì)評(píng)估云滴圖。

具體實(shí)施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說(shuō)明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┻M(jìn)一步的說(shuō)明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語(yǔ)僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說(shuō)明書中使用術(shù)語(yǔ)“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術(shù)所介紹的，現(xiàn)有技術(shù)中存在評(píng)價(jià)方法很少同時(shí)考慮地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)問(wèn)題的模糊性、隨機(jī)性和不確定性，在實(shí)際應(yīng)用中存在一定缺陷，如單因子指數(shù)法不能反映地下水質(zhì)量的整體狀況，在多種污染共存時(shí)難以評(píng)價(jià)或檢驗(yàn)，不適宜地下水水質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)；內(nèi)梅羅指數(shù)法相對(duì)集中在污染嚴(yán)重的水質(zhì)級(jí)別上，對(duì)水質(zhì)變化靈敏度低；模糊綜合評(píng)價(jià)法不能解決評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)造成的信息重復(fù)問(wèn)題，評(píng)價(jià)精度較低等。因此，為解決評(píng)價(jià)指標(biāo)的隨機(jī)性、指標(biāo)劃分的模糊性以及人為因素的影響，亟待需要一種新方法對(duì)地下水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

根據(jù)影響地下水水質(zhì)優(yōu)劣的主要因素，結(jié)合水體中物理成分、化學(xué)成分和生物成分的綜合作用以及地質(zhì)背景條件、地理?xiàng)l件、人類活動(dòng)的共同作用，選擇其中最具典型的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立地下水水質(zhì)評(píng)估指標(biāo)體系。綜合考慮地下水水質(zhì)的諸多影響因素，從感官物理性狀指標(biāo)、一般化學(xué)指標(biāo)、無(wú)機(jī)毒理指標(biāo)、毒性重金屬指標(biāo)、揮發(fā)性有機(jī)指標(biāo)、半揮發(fā)性有機(jī)指標(biāo)、生物水質(zhì)指標(biāo)、其他指標(biāo)等八大類地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)中，選取總硬度、礦化度、鉛、砷、汞、氯化物、氟化物、硝酸鹽、硫酸鹽和亞硝酸鹽作為云模型評(píng)估地下水水質(zhì)等級(jí)的指標(biāo)。

結(jié)合《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(gb/t14848-93)，將地下水水質(zhì)等級(jí)定為ⅰ(適宜飲用)、ⅱ(基本適宜飲用)、ⅲ(需處理進(jìn)行飲用)、ⅳ(需嚴(yán)格處理進(jìn)行飲用)、ⅴ(不宜飲用)五類，如表1所示，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)依照依照ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ、ⅴ五類進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)值的劃分，如表2所示。

表1地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)

表2地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)分類標(biāo)準(zhǔn)

注:以上單位均為mg/l。

在計(jì)算水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的常用方法中進(jìn)行比選，為彌補(bǔ)了人為因素對(duì)評(píng)價(jià)效果的影響，綜合考慮地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中各個(gè)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)值以及數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)值，采用聚類權(quán)法確定各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重。具體地，設(shè):評(píng)價(jià)中有b項(xiàng)水質(zhì)影響因子，某一個(gè)因子i的實(shí)測(cè)值為xi(i＝1,2，…，b)，地下水水質(zhì)分為p個(gè)等級(jí)(即:j＝1，2，…，p)，其j級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值為cij，則歸一化的實(shí)測(cè)值wij為：

進(jìn)行歸一化處理，得到第i個(gè)因子的權(quán)重值aij為：

將b個(gè)單因子的實(shí)測(cè)值和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值分別代入上式，便可求得各單因子的權(quán)重值：

再進(jìn)行歸一化，組成模糊矩陣a，即因子權(quán)重集a＝{a1,a2,…,ai}。

選定好評(píng)估地下水水質(zhì)等級(jí)指標(biāo)后，計(jì)算確定不同等級(jí)地下水水質(zhì)評(píng)估的云模型數(shù)字特征。具體公式如下：

he＝k(6)

上式中，bimax和bimin分別為某一評(píng)價(jià)指標(biāo)的地下水質(zhì)量等級(jí)為i級(jí)時(shí)對(duì)應(yīng)區(qū)間的最大和最小值，而對(duì)于單邊界的等級(jí)，如[-∞,bimin]或[bimax,+∞]，可根據(jù)上下限確定缺省的邊界參數(shù)或期望值計(jì)算exi。he取一個(gè)合適的常數(shù)，與云滴厚度有關(guān)，一般情況下he小于0.5，可根據(jù)變量的模糊閾度進(jìn)行調(diào)整，此次計(jì)算取0.01。

編寫正態(tài)云發(fā)生器程序，正態(tài)云模型實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于建立正態(tài)云發(fā)生器，正態(tài)云發(fā)生器由數(shù)字特征期望exi、熵eni和超熵he共同決定。具體的正態(tài)云發(fā)生器算法如下：

(1)計(jì)算熵eni和超熵he；

(2)生成正態(tài)隨機(jī)數(shù):eni'～normrnd(eni,he),其中eni'～n(eni,he²)；

(3)生成正態(tài)隨機(jī)數(shù)xi～normrnd(exi,eni')，其中xi～n(exi,eni'²)；

(4)計(jì)算確定度：

(5)將確定度μ(xi)與對(duì)應(yīng)的xi形成數(shù)域中的一個(gè)云滴；

(6)重復(fù)步驟1～5，直至產(chǎn)生出n個(gè)云滴。

借助編寫的正態(tài)云發(fā)生器，生成該評(píng)價(jià)因子隸屬于某穩(wěn)定性級(jí)別的云模型。

根據(jù)云發(fā)生器算法程序得的云模型，計(jì)算得到地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)各個(gè)等級(jí)確定度，結(jié)合依據(jù)聚類權(quán)法得出的指標(biāo)權(quán)重，最終計(jì)算求取各等級(jí)的綜合確定度m。依據(jù)最大綜合確定度，判定地下水水質(zhì)的評(píng)價(jià)等級(jí):

在上式中，μ代表指標(biāo)隸屬于云模型某個(gè)等級(jí)的確定度，ai代表第i個(gè)評(píng)級(jí)指標(biāo)的權(quán)重。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。