基于PCA-AHP降维组合赋权模型的河流水质综合评价

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流域内多河流水质情况的综合评价对于区域环境保护和水资源生态平衡,以及流域生态规划和管理具有重要的作用和意义。大多数河流水质的评价方法主要是依据评价目标和水质标准来实现单河流的分析,很难实现流域范围内多河流水质污染指标的定量化。此外,随着水质检测技术和分析仪器的不断开发,水质指标种类也越来越繁多,快速、准确、全面的水质综合评价模型,对流域整体水质的量化评价具有重要的现实意义。为了定量评价大清河流域中游五条河流25个断面,18项水质指标的检测数据,本文提出将主成分分析法(PCA)和层次分析法(AHP)相结合,构建了PCA-AHP降维组合赋权水质综合量化评价模型。PCA可以快速对水质参数进行筛选、降维,计算客观权重;AHP可对降维后的水质参数进行类别分析,计算主观权重;主、客观权重采用乘法归一法进行整合,通过统计分析软件R编程实现。主要研究工作及成果如下:(1)2017年7-8月对大清河流域中游五条河流的整体污染情况进行了调查取样,通过污染指数法对18项水质指标(高锰酸盐指数、化学需氧量、氨氮、总磷、总氮、铜、锌、氟化物、硒、砷、汞、镉、铬、铅、石油类、挥发酚、阴离子表面活性、硫化物)的结果进行了分析。采用单因子指数评价法,结果表明各河流总氮、总磷普遍超标严重,超标倍数大于5,高锰酸盐指数、化学需氧量普遍超标,超标倍数在1~3之间。采用内梅罗综合指数评价法,结果表明河流总体污染程度从重到轻顺序为瀑河>府河>大清河>孝义河>白沟引河。(2)为了全面、准确、快速的定量评价流域内多河流的污染情况,解决水质指标赋权不全面的问题,提出了构建PCA-AHP降维组合赋权水质综合评价模型。采用统计分析软件R编程运算,编写了一套水质评价方法运行程序代码,可方便、快速地得出流域水质综合分析数据。应用所构建的水质评价模型对大清河流域中游五条河流水质进行综合评价。(3)PCA将水质参数由原来的18个降维至5个,分别为高锰酸盐指数、化学需氧量、氨氮、总磷以及总氮,客观量化权重分别为0.208、0.078、0.306、0.098、0.31。以水体富营养化作为总目标,构建了5个水质参数的层次分析模型,通过AHP求得高锰酸盐指数、化学需氧量、氨氮、总磷、总氮的主观量化权重分别为0.11、0.22、0.13、0.27、0.27。最后由乘法归一法将主、客观权重组合,得到的组合量化权重,大小依次为TN(0.441)>NH3-N(0.209)>TP(0.139)>CODMn(0.121)>COD(0.090),此结果对流域水环境治理修复与流域规划方案的制定均具有重要的参考价值。
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