一種基于指數分解的區域水質影響因素貢獻量化分析方法與流程

本發明屬于地表水質變化歸因分析，尤其涉及一種基于指數分解的區域水質影響因素貢獻量化分析方法。

背景技術：

1、河流作為輸送維系陸生及水生生物所需物質的重要紐帶，為人類生活、生產及生態用水提供了重要保障。河流污染不僅威脅著其作為人類飲用水來源的用途，還會導致河流生態系統退化。影響區域河流水質狀況的直接因素是污染物，而污染物的產生、遷移和轉化等環節受自然環境和人類活動共同作用影響，例如，降雨徑流、土地利用、水利工程建設、經濟社會發展以及當地水資源保護政策等。辨識區域河流水質變化的影響因素，是開展地表水水質模擬與預測的重要基礎，對于區域水資源保護和可持續利用具有重要意義。

2、基于物理過程的水質模型與參數敏感性分析相結合的方法可以較為精細地識別水質影響因素及其貢獻程度，但水質模型構建所需基礎數據較多，研究尺度通常也較小，如單一流域或相對孤立的單一水體。針對行政區域尺度的水質影響因素分析，采用數據分析或挖掘類方法更為有效，當前常用的方法主要包括主成分分析、相關性分析、多元回歸等。上述方法雖然可以定量反映各影響因素對目標變量變化的影響程度，但無法解釋任意時段各個影響因素對目標變量變化的影響程度。此外，上述方法基于統計檢驗，具有嚴格的數學假設，對樣本量和樣本數據分布有較高要求，一般的水質監測數據很難達到要求。因此，亟需一種靈活的區域水質影響因素貢獻量化分析方法，以揭示區域長期水質變化驅動機制，為動態制訂區域水資源保護與污染防治政策提供參考。

技術實現思路

1、本發明的目的在于提供一種基于指數分解的區域水質影響因素貢獻量化分析方法，以解決上述技術問題。

2、為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

3、本發明公開一種基于指數分解的區域水質影響因素貢獻量化分析方法，所述方法包括以下步驟：

4、步驟1、基礎數據獲取：獲取研究區基礎數據，包括行政區域河流水質數據、水資源數據以及社會經濟數據；所述行政區域河流水質數據即行政區域范圍內河流水質測站歷史長系列水質監測指標逐月水質監測數據，水質監測指標為《地表水環境質量標準》中規定的24個地表水環境質量標準基本項目，包括水溫、ph值、溶解氧、高錳酸鹽指數、化學需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷、總氮、銅、鋅、氟化物、硒、砷、汞、鎘、鉻、鉛、氰化物、揮發酚、石油類、陰離子表面活性劑、硫化物、糞大腸桿菌；所述水資源數據包括行政區域逐年降水量、水資源量、用水量統計數據；所述社會經濟數據包括行政區域逐年萬元工業增加值、國內生產總值、人口總數統計數據；

5、步驟2、區域水質評價指標選取：根據《地表水環境質量標準》規定的地表水環境質量標準基本項目標準限值，對行政區域范圍內各河流水質測站單項水質監測指標逐月水質監測數據進行評價，統計除水溫、ph值兩項水質監測指標外的各項水質監測指標超標頻率，即水質監測指標濃度值超過該項指標對應的水質類別等級ⅲ類標準限值的次數占歷史監測總次數的比例，選取超標頻率超過設定閾值的水質監測指標作為區域水質評價指標；水溫、ph值兩項水質監測指標直接納入區域水質評價指標；

6、步驟3、單站水質綜合指數計算：基于所選取的區域水質評價指標，計算行政區域范圍內各河流水質測站的單站水質綜合指數，計算公式為：

7、

8、式中：wqij為第j個水質測站單站水質綜合指數；n為區域水質評價指標總項數；ci為賦值給第i項區域水質評價指標的歸一化值；pi為第i項區域水質評價指標的權重系數；

9、其中，第i項區域水質評價指標的歸一化值ci采用下式計算：

10、

11、式中：ti為第i項區域水質評價指標的實測濃度值；si,1、si,2、si,3、si,4、si,5分別為第i項區域水質評價指標對應的《地表水環境質量標準》中規定的水質類別等級為i類、ii類、iii類、iv類、v類的標準限值；

12、步驟4、區域水質綜合指數計算：根據行政區域范圍內所有河流水質測站的單站水質綜合指數，結合該水質測站代表河長進行加權平均得到區域水質綜合指數wqi，計算公式為：

13、

14、式中：wqi為區域水質綜合指數；lj為行政區域內第j個水質測站代表河長；p為行政區域內水質測站總個數；

15、步驟5、區域水質影響因素分解模型構建：選取降水量、水資源量、用水量、萬元工業增加值、國內生產總值、人口總數因素作為區域水質影響因素，建立以區域水質綜合指數為目標變量的區域水質影響因素分解模型，公式為：

16、

17、式中：wqi為區域水質綜合指數；r為區域降水量；w為區域地表水資源量；u為區域用水量；v為區域萬元工業增加值；gdp為區域國內生產總值；pop為區域人口總數；wqr表示單位降水量對水質的作用影響；rw表示降雨-徑流關系；wu表示供用水結構；uv表示萬元工業增加值用水量；vg表示工業結構；gp表示人均gdp；p表示人口規模；

18、步驟6、區域水質影響因素逐時段變化量計算：采用對數平均迪氏指數分解法lmdi測算各區域水質影響因素對目標變量的貢獻值，選取lmdi加法分解模式，則t-1至t時刻區域水質綜合指數的變化量分解為l個區域水質影響因素的變化量δxk，k＝1,…l之和，即：

19、

20、式中：δwqi為t-1至t時刻區域水質綜合指數的變化量；wqit-1和wqit分別為t-1和t時刻的區域水質綜合指數；δxk為第k個區域水質影響因素的變化量；

21、根據對數均值權數函數推導出δxk計算公式為：

22、

23、其中：

24、

25、代入逐時段區域水質綜合指數、降水量、水資源量、用水量、萬元工業增加值、國內生產總值、人口總數各項數據，計算得到各區域水質影響因素逐時段變化量；

26、步驟7、區域水質影響因素貢獻分析：基于各區域水質影響因素逐時段變化量的計算結果，分析各區域水質影響因素貢獻值，以正值為正向驅動效應，負值為負向驅動效應。

27、進一步的是，步驟1中所述長系列水質監測指標逐月水質監測數據為10年以上水質監測指標逐月水質監測數據。

28、進一步的是，步驟1中所述水資源數據來源為行政區域水資源公報；所述社會經濟數據來源為行政區域統計年鑒。

29、進一步的是，步驟2中所述選取超標頻率超過設定閾值的水質監測指標作為區域水質評價指標中的設定閾值為25％；并且總氮不參與水質評價，若選取的區域水質評價指標中包括總氮，則剔除。

30、進一步的是，步驟3中所述區域水質評價指標的權重系數根據水生生物保護建議值確定，并結合區域水質評價指標污染嚴重程度進行修正；所述區域水質評價指標的歸一化值根據《地表水環境質量標準》中規定的地表水環境質量基本項目各水質類別等級對應的標準限值進行區間賦值，其中對于水溫、ph值這兩項區域水質評價指標采用一票否決的打分原則，即為：當6≤ph≤9時,ci＝0，否則ci＝100；當-6℃≤wt≤45℃時,ci＝0，否則ci＝100。

31、進一步的是，步驟3中所述單站水質綜合指數wqij不同取值范圍對應的水質狀況評價結果為：wqij≤20，水質狀況為極好；21<wqij≤40，水質狀況為較好；41<wqij≤60，水質狀況為一般；60<wqij≤80，水質狀況為較差；81<wqij≤100，水質狀況為極差、不適宜飲用。

32、進一步的是，步驟7中所述分析各區域水質影響因素貢獻值的具體過程為：將各區域水質影響因素逐時段變化量分別進行累計加和，若加和結果大于0，則表明該區域水質影響因素對于區域水質綜合指數的增加為促進作用，即對于區域總體水質提升為抑制作用；若加和結果小于0，表明該區域水質影響因素對于區域水質綜合指數的增加為抑制作用，即對于區域總體水質提升為促進作用；加和結果的絕對值越大表明該區域水質影響因素的貢獻程度越大。

33、本發明的有益效果是：本發明所述方法不受限于數據樣本量和數據分布，克服了現有水質歸因分析方法對數據樣本量和數據分布要求嚴格的問題，并可以處理數據序列中存在的零值，對區域水質影響因素識別具有極強的靈活性；采用對數平均迪氏指數分解法可以有效地解決影響因素分解中的余量問題，實現無殘差分解；同時解決了現有水質歸因分析方法無法解釋任意時段上各影響因素對目標變量變化的貢獻程度的問題。本發明所述方法有助于解析區域尺度上長期水質變化規律及驅動機制，可作為區域水資源保護與污染防治措施成效評估及政策制定的依據，并可為區域水質變化趨勢預測提供基礎支撐，適用范圍廣，可擴展性強。

34、下面結合附圖及具體實施方式對本發明作進一步詳細說明。