本發(fā)明屬于地表水質(zhì)變化歸因分析，尤其涉及一種基于指數(shù)分解的區(qū)域水質(zhì)影響因素貢獻(xiàn)量化分析方法。

背景技術(shù)：

1、河流作為輸送維系陸生及水生生物所需物質(zhì)的重要紐帶，為人類生活、生產(chǎn)及生態(tài)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(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)退化。影響區(qū)域河流水質(zhì)狀況的直接因素是污染物，而污染物的產(chǎn)生、遷移和轉(zhuǎn)化等環(huán)節(jié)受自然環(huán)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(shè)、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展以及當(dāng)?shù)厮Y源保護(hù)政策等。辨識區(qū)域河流水質(zhì)變化的影響因素，是開展地表水水質(zhì)模擬與預(yù)測的重要基礎(chǔ)，對于區(qū)域水資源保護(hù)和可持續(xù)利用具有重要意義。

2、基于物理過程的水質(zhì)模型與參數(shù)敏感性分析相結(jié)合的方法可以較為精細(xì)地識別水質(zhì)影響因素及其貢獻(xiàn)程度，但水質(zhì)模型構(gòu)建所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)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(qū)域尺度的水質(zhì)影響因素分析，采用數(shù)據(jù)分析或挖掘類方法更為有效，當(dāng)前常用的方法主要包括主成分分析、相關(guān)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(biāo)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(biāo)變量變化的影響程度。此外，上述方法基于統(tǒng)計檢驗，具有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)假設(shè)，對樣本量和樣本數(shù)據(jù)分布有較高要求，一般的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)很難達(dá)到要求。因此，亟需一種靈活的區(qū)域水質(zhì)影響因素貢獻(xiàn)量化分析方法，以揭示區(qū)域長期水質(zhì)變化驅(qū)動機(jī)制，為動態(tài)制訂區(qū)域水資源保護(hù)與污染防治政策提供參考。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于指數(shù)分解的區(qū)域水質(zhì)影響因素貢獻(xiàn)量化分析方法，以解決上述技術(shù)問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明公開一種基于指數(shù)分解的區(qū)域水質(zhì)影響因素貢獻(xiàn)量化分析方法，所述方法包括以下步驟：

4、步驟1、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取：獲取研究區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括行政區(qū)域河流水質(zhì)數(shù)據(jù)、水資源數(shù)據(jù)以及社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)；所述行政區(qū)域河流水質(zhì)數(shù)據(jù)即行政區(qū)域范圍內(nèi)河流水質(zhì)測站歷史長系列水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)逐月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的24個地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項目，包括水溫、ph值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)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(fā)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(shù)據(jù)包括行政區(qū)域逐年降水量、水資源量、用水量統(tǒng)計數(shù)據(jù)；所述社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)包括行政區(qū)域逐年萬元工業(yè)增加值、國內(nèi)生產(chǎn)總值、人口總數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)；

5、步驟2、區(qū)域水質(zhì)評價指標(biāo)選?。焊鶕?jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項目標(biāo)準(zhǔn)限值，對行政區(qū)域范圍內(nèi)各河流水質(zhì)測站單項水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)逐月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行評價，統(tǒng)計除水溫、ph值兩項水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)外的各項水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)超標(biāo)頻率，即水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)濃度值超過該項指標(biāo)對應(yīng)的水質(zhì)類別等級ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值的次數(shù)占?xì)v史監(jiān)測總次數(shù)的比例，選取超標(biāo)頻率超過設(shè)定閾值的水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)作為區(qū)域水質(zhì)評價指標(biāo)；水溫、ph值兩項水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)直接納入?yún)^(qū)域水質(zhì)評價指標(biāo)；

6、步驟3、單站水質(zhì)綜合指數(shù)計算：基于所選取的區(qū)域水質(zhì)評價指標(biāo)，計算行政區(qū)域范圍內(nèi)各河流水質(zhì)測站的單站水質(zhì)綜合指數(shù)，計算公式為：

7、

8、式中：wqij為第j個水質(zhì)測站單站水質(zhì)綜合指數(shù)；n為區(qū)域水質(zhì)評價指標(biāo)總項數(shù)；ci為賦值給第i項區(qū)域水質(zhì)評價指標(biāo)的歸一化值；pi為第i項區(qū)域水質(zhì)評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)；

9、其中，第i項區(qū)域水質(zhì)評價指標(biāo)的歸一化值ci采用下式計算：

10、

11、式中：ti為第i項區(qū)域水質(zhì)評價指標(biāo)的實測濃度值；si,1、si,2、si,3、si,4、si,5分別為第i項區(qū)域水質(zhì)評價指標(biāo)對應(yīng)的《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的水質(zhì)類別等級為i類、ii類、iii類、iv類、v類的標(biāo)準(zhǔn)限值；

12、步驟4、區(qū)域水質(zhì)綜合指數(shù)計算：根據(jù)行政區(qū)域范圍內(nèi)所有河流水質(zhì)測站的單站水質(zhì)綜合指數(shù)，結(jié)合該水質(zhì)測站代表河長進(jìn)行加權(quán)平均得到區(qū)域水質(zhì)綜合指數(shù)wqi，計算公式為：

13、

14、式中：wqi為區(qū)域水質(zhì)綜合指數(shù)；lj為行政區(qū)域內(nèi)第j個水質(zhì)測站代表河長；p為行政區(qū)域內(nèi)水質(zhì)測站總個數(shù)；

15、步驟5、區(qū)域水質(zhì)影響因素分解模型構(gòu)建：選取降水量、水資源量、用水量、萬元工業(yè)增加值、國內(nèi)生產(chǎn)總值、人口總數(shù)因素作為區(qū)域水質(zhì)影響因素，建立以區(qū)域水質(zhì)綜合指數(shù)為目標(biāo)變量的區(qū)域水質(zhì)影響因素分解模型，公式為：

16、

17、式中：wqi為區(qū)域水質(zhì)綜合指數(shù)；r為區(qū)域降水量；w為區(qū)域地表水資源量；u為區(qū)域用水量；v為區(qū)域萬元工業(yè)增加值；gdp為區(qū)域國內(nèi)生產(chǎn)總值；pop為區(qū)域人口總數(shù)；wqr表示單位降水量對水質(zhì)的作用影響；rw表示降雨-徑流關(guān)系；wu表示供用水結(jié)構(gòu)；uv表示萬元工業(yè)增加值用水量；vg表示工業(yè)結(jié)構(gòu)；gp表示人均gdp；p表示人口規(guī)模；

18、步驟6、區(qū)域水質(zhì)影響因素逐時段變化量計算：采用對數(shù)平均迪氏指數(shù)分解法lmdi測算各區(qū)域水質(zhì)影響因素對目標(biāo)變量的貢獻(xiàn)值，選取lmdi加法分解模式，則t-1至t時刻區(qū)域水質(zhì)綜合指數(shù)的變化量分解為l個區(qū)域水質(zhì)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(qū)域水質(zhì)綜合指數(shù)的變化量；wqit-1和wqit分別為t-1和t時刻的區(qū)域水質(zhì)綜合指數(shù)；δxk為第k個區(qū)域水質(zhì)影響因素的變化量；

21、根據(jù)對數(shù)均值權(quán)數(shù)函數(shù)推導(dǎo)出δxk計算公式為：

22、

23、其中：

24、

25、代入逐時段區(qū)域水質(zhì)綜合指數(shù)、降水量、水資源量、用水量、萬元工業(yè)增加值、國內(nèi)生產(chǎn)總值、人口總數(shù)各項數(shù)據(jù)，計算得到各區(qū)域水質(zhì)影響因素逐時段變化量；

26、步驟7、區(qū)域水質(zhì)影響因素貢獻(xiàn)分析：基于各區(qū)域水質(zhì)影響因素逐時段變化量的計算結(jié)果，分析各區(qū)域水質(zhì)影響因素貢獻(xiàn)值，以正值為正向驅(qū)動效應(yīng)，負(fù)值為負(fù)向驅(qū)動效應(yīng)。

27、進(jìn)一步的是，步驟1中所述長系列水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)逐月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)為10年以上水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)逐月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

28、進(jìn)一步的是，步驟1中所述水資源數(shù)據(jù)來源為行政區(qū)域水資源公報；所述社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源為行政區(qū)域統(tǒng)計年鑒。

29、進(jìn)一步的是，步驟2中所述選取超標(biāo)頻率超過設(shè)定閾值的水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)作為區(qū)域水質(zhì)評價指標(biāo)中的設(shè)定閾值為25％；并且總氮不參與水質(zhì)評價，若選取的區(qū)域水質(zhì)評價指標(biāo)中包括總氮，則剔除。

30、進(jìn)一步的是，步驟3中所述區(qū)域水質(zhì)評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)根據(jù)水生生物保護(hù)建議值確定，并結(jié)合區(qū)域水質(zhì)評價指標(biāo)污染嚴(yán)重程度進(jìn)行修正；所述區(qū)域水質(zhì)評價指標(biāo)的歸一化值根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的地表水環(huán)境質(zhì)量基本項目各水質(zhì)類別等級對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行區(qū)間賦值，其中對于水溫、ph值這兩項區(qū)域水質(zhì)評價指標(biāo)采用一票否決的打分原則，即為：當(dāng)6≤ph≤9時,ci＝0，否則ci＝100；當(dāng)-6℃≤wt≤45℃時,ci＝0，否則ci＝100。

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

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

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

34、下面結(jié)合附圖及具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。