地下水水质评价与预测方法综述

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(6)因子分 析 法。 因 子 分 析 法 可 以 依 据 相 关 性 的大小把变量分组,使 同 组 内 的 变 量 之 间 相 关 性 较 高 ,不 同 组 的 变 量 相 关 性 则 较 低 或 不 相 关 ,形 成 的 每 一 组 变 量 称 为 公 共 的 因 子 ,使 研 究 的 问 题 得 到 简 化 , 在水质评价中广泛应用。
当前几种广泛应用的水质评价与预测方法,对比了各 自 的 适 用 性 与 局 限 性,展 望 了 今 后 水 质 评 价 与 预 测 发 展 的 趋
势 ,以 期 为 地 下 水 管 理 、开 发 利 用 提 供 参 考 依 据 。
关 键 词 :水 质 评 价 ;水 质 预 测 ;适 用 性 ;局 限 性 ;发 展 趋 势
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(1)回归分 析 法。 根 据 地 下 水 环 境 形 成 和 演 变 的 基 本 规 律 ,在 充 分 分 析 已 有 观 测 资 料 的 基 础 上 ,建 立预测要素与前期 因 子 之 间 的 经 验 关 系,利 用 近 期 的地下水环境信息,从 所 建 立 的 经 验 关 系 中 获 取 所 需的预测值。
(5)人工神 经 网 络 评 价 法。 人 工 神 经 网 络 通 过 对 大 量 的 数 据 进 行 分 析 ,而 且 模 拟 人 类 的 思 维 方 式 , 直观判断事物的特征特点。在进行人工神经网络评 价 时 ,首 先 确 定 水 质 评 价 指 标 ,将 参 评 的 水 质 监 测 值 与标准样本进行比 较 分 析,模 式 识 别 参 评 水 质 与 哪 种标准样本更为接 近,目 前 神 经 网 络 研 究 中 基 本 采 用人工 BP 网络 。 [79]
水质信息定义为已知信息部分与未知信息部分。灰
色评价法首先对水质各指标的实测浓度与各级水质
评价标准的关联度 进 行 计 算,然 后 根 据 关 联 度 大 小
确定被测水体水质的类别。灰色系统可以通过处理
收稿日期:2014 10 12;修订日期:2014 12 01;编辑:陶卫卫 基 金 项 目 :山 东 省 地 质 矿 产 勘 查 开 发 局 地 质 勘 查 科 研 项 目 “岩 溶 地 下 水 水 质 演 化 机 制 及 趋 势 预 测 研 究 ”(KY201515) 作者简介:李扬(1986—),男,山东莒南人,主要从事地下水可持续发展研究工作;E mail:liyangbfu@163.com
(3)时间序 列 法。 时 间 序 列 指 水 质 指 标 中 的 某 一 指 标 监 测 值 ,按 其 出 现 时 间 的 先 后 次 序 ,且 间 隔 时
第 31 卷 第 8 期
水文地质与环境地质
2015 年 8 月
间相同而排列的一列数值。时间序列预测是用水质 变化的过去和现在 的 观 测 数 据,构 造 依 时 间 变 化 的 序 列 模 型 ,通 过 数 理 统 计 的 方 法 ,并 借 助 一 定 规 则 推 测未来水质。
中 图 分 类 号 :X824
文 献 标 识 码 :B
引文格式:李扬,窦炳 臣,陈 振,等.地 下 水 水 质 评 价 与 预 测 方 法 综 述 [J].山 东 国 土 资 源,2015,31(8):33 36.LI
Yang,DOU Bingchen,CHENZhen,etc.StudyonEvaluationandPredication MethodsofGroundwaterQuality[J].
(4)污染指 数 评 价 法。 污 染 指 数 就 是 水 体 各 指 标的检测值与其评 价 标 准 之 比,将 各 指 标 的 分 指 数 进 行 数 学 综 合 运 算 ,得 出 综 合 指 数 ,用 综 合 指 数 代 表 水体的污染程度,以 此 来 评 价 水 质。 常 用 的 污 染 指 数法主要有综合指 数 法、加 权 均 值 法 和 尼 梅 罗 指 数 法 等[56]。
第 31 卷 第 8 期
山东国土资源
2015 年 8 月
地下水水质评价与预测方法综述
李扬,窦炳臣,陈振,王学民,原明考
(山东省物化探勘查院,山东 济南 250013)
摘要:近年来,地下水水质安全引起了社会广泛的关 注,国 内 外 学 者 开 展 了 大 量 水 质 评 价 与 预 测 研 究,本 文 综 合 了
(4)灰色预 测 法。 灰 色 系 统 理 论 将 随 机 变 量 看 作是在一定范围内 变 化 的 灰 色 参 量,将 随 机 过 程 视 为在一定 范 围 内 变 化,且 与 时 间 有 关 的 灰 色 过 程。 应用灰色系统理论建立的模型 GM(1,1)进行预测, 称为灰色预测。
(5)溶 质 运 移 模 型。 在 溶 质 运 移 模 型 方 面, MODFLOW 是全世界范围 内 应 用 最 为 广 泛 的 模 拟 地下水流的应用程序。它是一套用于孔隙介质中地 下水流动数值模拟 的 软 件,采 用 单 元 中 心 有 限 差 分 法模拟地下水在含 水 层 中 的 运 动,有 限 差 分 方 程 组 可 以 用 强 隐 式 法 或 超 松 弛 法 进 行 求 解 ,误 差 较 小 ,精 度 较 高 。 [14]
1 水质评价方法研究进展
1.1 水质评价方法综述 水质评价是指对水环境各个要素进行单项及综
合评价,通过对水环 境 质 量 变 化 规 律 的 研 究 以 及 对 水环境要 素 或 区 域 水 环 境 性 质 的 优 劣 进 行 定 量 描
述,探究 改 善 和 提 高 水 环 境 质 量 的 方 法 和 途 径 。 [2]
ShandongLandandResources,2015,31(8):33 36.
水是生命的源 泉,是 人 类 赖 以 生 存 和 发 展 的 不 可缺少的最重要的物质资源之一 。 [1] 水质是水体 质 量 的 简 称 ,它 标 志 着 水 体 的 物 理 、化 学 和 生 物 的 特 性 及 其 组 成 的 状 况 ,而 随 着 现 代 工 业 的 快 速 发 展 ,危 险 废 物 堆 、地 下 排 污 管 道 的 泄 漏 、农 业 生 产 中 的 化 肥 农 药等化学用品、各种 矿 场 和 工 业 废 水 都 能 对 地 下 水 环 境 造 成 污 染 ,使 原 本 极 为 短 缺 的 水 资 源 更 为 “雪 上 加 霜 ”。 当 前 我 国 的 城 市 化 进 程 加 快 ,工 业 经 济 在 整 个经济结构中依然 是 主 体,很 多 地 区 的 地 下 水 超 采 严 重 ,地 下 水 位 不 断 下 降 ,人 为 因 素 对 地 下 水 水 环 境 的污染越来越严重,因 此 地 下 水 水 质 评 价 与 预 测 显 得 尤 为 重 要 ,许 多 学 者 开 展 了 一 系 列 相 关 的 研 究 ,衍 生了一系列的地下 水 水 质 评 价 与 预 测 方 法,这 些 评 价 与 预 测 方 法 在 水 资 源 的 管 理 、开 发 、利 用 中 起 着 至 关重要的作用。
1.2 水质评价方法适用性分析 水质 评 价 方 法 各 有 适 用 性 与 局 限 性,从 表 1 中
可以看出,单因子评 价 法 与 污 染 指 数 评 价 法 计 算 较 为 简 便 ,但 局 限 性 也 较 明 显 ,均 缺 乏 对 水 质 总 体 的 评 价。人工神经网络评价法与因子分析法均可进行定 量 与 定 性 分 析 ,但 对 样 本 数 量 有 一 定 的 要 求 ,如 样 本 数量少,则评价 精 度 会 降 低。 灰 色 评 价 法 在 一 定 程 度上能够避免水质 参 数 异 常 值 的 干 扰 性,但 是 评 价 因 子 序 列 只 有 在 满 足 “曲 线 相 似 ”的 情 况 下 评 价 精 度 较高。模糊综合评 价 法 符 合 客 观 规 律,能 够 体 现 出 水环境中客观存在 的 模 糊 性 与 不 确 定 性,但 计 算 较 复 杂 ,存 在 对 水 质 类 别 判 别 不 准 确 的 问 题 。
的因子分析法等。
(1)单因子 评 价 法。 单 因 子 评 价 法 是 将 每 个 评 价因子的实测浓度 与 该 评 价 因 子 的 评 价 标 准 《国 家
地表水环境质量标准(GB3838 2002)》进行逐 一 对 比 ,将 最 差 因 子 的 类 别 作 为 评 价 水 质 的 类 别 ,其 计 算
表1 水质评价方法分析
评价方法 单因子评价法
灰色评价法
模糊综合评价法
污染指数评价法 人工神经网络 评价法
适用性
局限性
计 算 简 便,通 过 评 价结果能直观地反 映水质中哪一类或 几类因子超标
只能进行定性评 价,评价 结 果 难 以 进 行比较,在 水 环 境 的 总体概念上存在缺 陷
推 理 严 谨,从 灰 关 联差异度和最优从 属度来进行最优化 处理。一 定 程 度 上 避免了由于水质参 数异常值而对水质 评价造成的影响
公式表述为:
Ii =LCiij
(1)
式中:Ci 为第i 类 评 价 因 子 的 测 定 值;Lij 为 第i 类
评价因子的评价标准值;Ii 为单因子i 的水质指数。
(2)灰色评 价 法。 灰 色 评 价 法 将 水 环 境 体 系 视
为一个灰色系统,将 在 有 限 的 时 间 和 空 间 内 获 得 的
(2)模糊聚 类 分 析 法。 模 糊 聚 类 分 析 法 是 一 种 通过建立 模 糊 相 似 关 系 将 客 观 事 物 进 行 分 类 的 方 法,水环境要素模糊 聚 类 分 析 预 测 方 法 就 是 通 过 模 糊 聚 类 分 析 ,把 预 测 因 子 状 态 分 类 ,建 立 起 待 预 测 水 环境要素变量与因 子 状 态 之 间 的 对 应 关 系,进 而 实 现对水环境变量的状态预测。
在 评 价 方 法 领 域 ,随 着 大 量 数 学 方 法 的 应 用 与 推 广 ,
水质评价的方法得 到 了 广 泛 的 发 展,主 要 的 评 价 方
法有单因子评价法、基 于 灰 色 系 统 理 论 的 水 环 境 评
价法、基于模糊理 论 的 水 环 境 评 价 法、指 数 评 价 法、
基于人工神经网络 的 水 环 境 评 价 法、基 于 统 计 理 论
2 水质预测方法研究进展
2.1 水质预测方法综述 水质 预 测 是 水 质 监 督 和 管 理 的 基 础 工 作,是 预
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防水质污染事件的 有 效 措 施,在 水 环 境 保 护 中 占 有 举足轻重的地位。关于水质预测方法主要有时间序 列 预 测 法 、灰 色 预 测 法 、模 糊 数 学 法 、回 归 分 析 法 、溶 质运移模 型 和 人 工 神 经 网 络 在 水 质 动 态 预 测 等 方 法 。 [1013]
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第 31 卷 第 8 期
山东国土资源
2015 年 8 月
水 质 分 级 界 限 的 模 糊 性 ,提 高 数 据 信 息 的 利 用 率 ,从 而有效解决水质评价中的不确定因素 。 [3]
(3)模糊综 合 评 价 法。 模 糊 数 学 综 合 评 价 法 的 基本思路是:依照检 测 数 据 建 立 各 指 标 对 各 级 标 准 的 隶 属 度 集 ,形 成 隶 属 度 矩 阵 ,计 算 指 标 权 重 集 与 隶 属度矩阵的积,形 成 模 糊 集,得 到 综 合 评 价 集,来 阐 述被评价水体水质 对 各 级 标 准 水 质 的 隶 属 程 度,最 后通过该隶属程度反映出水质级别的模糊性 。 [4]
需 满 足 “曲 线 相 似”
本身具有定性与 定量相结合的特点, 体现了水环境中客 观存在的模糊性和 不确定 性,符 合 客 观 规律
计 算 简 便、结 果 表 达简洁,便 于 比 较 同 一水系或不同水系 之间同一时间上的 基本污染状况和变 化
具 有 自 学 习、联 想、容错 和 抗 干 扰 功 能,有 客 观 性,可 模 拟人脑解决某些有 模糊性和不确定性 的问题。
计 算 复 杂 繁 琐,存 在水质类别判断不 准确或者结果不可 比的问题
缺少完善的环境 质量分 级 系 统,无 法 与质量标准统一起 来
建立人工神经网 络须以大量样本资 料为基础
因子分析法
能很好的涵盖原 始数据 的 各 个 项,同 时将分析过程简化 为因子项的分析
因子分析只能面 对综合 性 的 评 价,同 时对数据的数据量 和成分也有要求
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