[发明专利]基于两步TOPSIS法的地下水污染监测网优化方法

说明书

本发明公开一种基于两步TOPSIS法的地下水污染监测网优化方法，包括以下步骤：(1)获取地下水监测井的坐标数据、污染物浓度数据和区域水文地质数据；(2)计算各监测井点位的典型污染物加权综合污染指数和防污性能指数；(3)结合两种指数，使用TOPSIS法进行监测井监测能力的排序；(4)基于分层抽样思想，对现有监测网方案分层，得到各监测井数量的优化备选方案；(5)基于综合考虑备选方案空间和统计特征的4个指标，采用TOPSIS法对备选方案排序，得分最高的备选方案即为最佳优化方案。本发明提出一种在现有地下水污染监测网基础上进行优化的方法，其适用于其它区域特点相近、优化需求相似的研究区，具备一定的可推广性。

技术领域

本发明属于优化布点领域，具体涉及一种基于两步TOPSIS法的地下水污染监测网优化方法。

背景技术

地下水污染监测网是区域地下水污染监测井联结而成的网络，地下污染监测网的布设影响地下水污染信息获取的精确程度和效率，然而监测网布设空间位置不合理的情况时常发生。因此需要提高监测井位置布设的有效性，从而尽可能全面地获取地下水污染相关参数的具体信息。

传统的地下水污染监测网优化设计方法有水文地质分析法、聚类分析法和克里格插值法等。其中水文地质分析法通过分析水文地质信息来确定监测井的布设位置，是主观、定性的分析方法。聚类分析法和克里格插值法使用污染相关信息进行监测井的聚类筛选，但依然依靠主观经验判断，未能定量结合场地的污染风险等信息。

因此，为定量结合地下水污染现状和风险信息，提高监测井布设的代表性，需要综合多个目标对优化方案进行评价。优劣解距离法(TOPSIS)是一种常用的多目标决策方法，能基于多个方面对评价单位进行排序。该方法已被运用于辐射环境监测、地下水水源地污染调查等领域的优化布点研究中。然而，已有研究在进行排序时仅用污染物浓度作为指标，即只考虑了污染现状与情况，而没有考虑水文地质条件，未能充分发挥TOPSIS法在优化布点研究中的作用。

在传统空间抽样研究中，如基于模拟退火等机器学习方法的空间抽样，通常直接对备选方案的均方根误差(RMSE)进行计算，以判断备选方案在空间插值模拟上的精度，并直接作为方案的筛选指标。然而，在实际应用中为保持地下水污染监测网监测的连续性，且考虑到改动监测井位置需要较大成本，不宜轻易改变监测井位置。因此，在优化时应将优化重点置于减少监测井数量和降低冗余度，从而达到降低监测井维护成本的目的。此外，在实践过程中还会遇到备选方案的克里格插值RMSE变化较小，难以凭此对备选方案进行筛选的情况，因此，需要更多评价指标对备选方案进行综合评价。

发明内容

为解决传统地下水污染监测网优化方法不能综合考虑区域污染现状和水文地质条件，以及不能兼顾监测网空间分布和统计特征对备选方案进行筛选的问题，本发明提供了一种以地下水污染数据、水文地质条件数据以及现有监测井空间位置数据为条件的地下水污染监测网优化方法，该方法能够综合区域污染现状和水文地质条件对监测井进行排序，并兼顾方案的空间和统计特征筛选得到最佳优化方案。

为实现上述目的，本发明的基于两步TOPSIS法的地下水污染监测网优化方法，包含如下步骤：

(1)采集测量得到目标区域地下水污染监测井的污染物浓度数据、水文地质数据和监测井空间位置信息；

(2)使用顾及中位数统计特征的因子乘积法，根据污染物浓度数据计算确定研究区域的典型污染物，并计算每个监测井的典型污染物加权综合污染指数，并根据研究区的水文地质数据，使用DRTA模型进行每个监测井的防污性能指数的计算；

(3)基于典型污染物的加权综合污染指数和地下水防污性能指数，使用TOPSIS方法对各监测井进行综合指标排序，并基于分层抽样思想对现有监测网方案基于自然断点法进行分层聚类得到优化备选方案；

(4)基于各备选方案的空间和统计特征，采用TOPSIS法综合排序得到最佳优化方案。