基于模糊綜合－聚類評價(jià)模型的煙臺市區(qū)排污混合區(qū)范圍論證

桑恒春，孫英蘭

（中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100）

基于模糊綜合－聚類評價(jià)模型的煙臺市區(qū)排污混合區(qū)范圍論證

桑恒春，孫英蘭

（中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100）

基于煙臺市區(qū)排污混合區(qū)2009年2月的海水水質(zhì)監(jiān)測資料，應(yīng)用模糊綜合—聚類評價(jià)模型對混合區(qū)的水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行綜合評價(jià)，并利用克里格插值法對水質(zhì)進(jìn)行平面空間分析，進(jìn)而論證混合區(qū)范圍劃定的合理性。該模型克服了單獨(dú)應(yīng)用模糊綜合評價(jià)或模糊聚類分析進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)的不足，結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)果表明：混合區(qū)中部水質(zhì)為四類或劣四類，邊緣水質(zhì)為二類或三類，西北部水質(zhì)優(yōu)于東南部?；旌蠀^(qū)相鄰海域水質(zhì)已達(dá)到相應(yīng)的海域功能要求，可見該混合區(qū)范圍的劃定是合理的。

模糊綜合—聚類評價(jià)；海水水質(zhì)；排污混合區(qū)；煙臺

海水在風(fēng)、波浪、潮汐和潮流的耦合作用下，對流和湍擴(kuò)散效應(yīng)強(qiáng)烈，污染物隨海水的運(yùn)動(dòng)遷移變化過程非常復(fù)雜，水質(zhì)變化具有連續(xù)、漸變和模糊的特性。海水的污染程度、水質(zhì)分級界限是客觀存在的模糊現(xiàn)象和模糊概念，因此應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)是合理的。目前常用于水質(zhì)評價(jià)的模糊數(shù)學(xué)方法有模糊綜合評價(jià)法、模糊聚類分析等。但模糊綜合評價(jià)按最大隸屬度原則進(jìn)行評價(jià)，對隸屬度相差不大的等級只取最大等級；模糊聚類分析是對各站位進(jìn)行歸類，水質(zhì)等級較難判斷。這就降低了兩種方法的實(shí)用性。本文應(yīng)用模糊綜合—聚類評價(jià)模型[1,2]，前半部根據(jù)各評價(jià)因子對各站位水質(zhì)進(jìn)行模糊綜合評價(jià)，后半部結(jié)合模糊聚類分析對各站位進(jìn)行歸類，最后確定水質(zhì)等級和歸類，綜合了兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，提高了水質(zhì)評價(jià)的置信度。

污水自擴(kuò)散器連續(xù)排出，各個(gè)瞬時(shí)造成附近水域污染物濃度超過該水域水質(zhì)目標(biāo)限值的平面范圍的疊加稱為混合區(qū)[3]。合理評價(jià)混合區(qū)水質(zhì)并劃定范圍，對計(jì)算所在海域環(huán)境容量具有重要意義。目前已有一些評價(jià)混合區(qū)水質(zhì)和范圍的報(bào)道[4,5]，而應(yīng)用模糊綜合—聚類評價(jià)模型對混合區(qū)水質(zhì)進(jìn)行綜合評價(jià)，進(jìn)而論證混合區(qū)范圍的報(bào)道還較少見。本文應(yīng)用該模型對水質(zhì)進(jìn)行綜合評價(jià)，根據(jù)評價(jià)結(jié)果，論證了煙臺市區(qū)排污混合區(qū)范圍劃定的合理性。

1 材料來源

煙臺市區(qū)排污混合區(qū)位于煙臺市芝罘島北側(cè)中西部海域，面積約410 hm2，芝罘島北岸坡度陡峭，北側(cè)海域水深較大，海面開闊，潮流流速大，水交換活躍，利于污染物擴(kuò)散，且不是主航道，也不是主要養(yǎng)殖區(qū)，被煙臺市政府批準(zhǔn)為排他性使用水域和污水排放混合區(qū)，套子灣污水廠等處理的污水在此深海排放。本文依據(jù)煙臺市城市排水監(jiān)測站2009年2月在該混合區(qū)及附近海域的監(jiān)測資料，各站位監(jiān)測數(shù)據(jù)為高潮時(shí)表、中、底層水質(zhì)的平均數(shù)據(jù)。根據(jù)《海洋監(jiān)測規(guī)范》（GB17378.4-2007），共布設(shè)13個(gè)站位，分布于混合區(qū)中部、邊緣和外部，具體站位見圖1。并按該規(guī)范對樣品進(jìn)行采集、處理、保存和分析測定。選取評價(jià)因子：DO、SS、C ODMn、無機(jī)氮、活性磷酸鹽、石油類、銅和鋅等8項(xiàng)。各站位水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果見表1。

圖1 混合區(qū)位置及監(jiān)測站位Fig. 1 Location of mixing zone and distribution of sampling stations

表1 2009年2月的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果（ mg? L-1）Tab. 1 Monitoring results of water quality in February 2009（ mg? L-1）

2 模型的建立

模糊綜合—聚類評價(jià)模型由模糊綜合評價(jià)子模型和模糊聚類分析子模型構(gòu)成，應(yīng)用兩個(gè)子模型的評價(jià)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，確定水質(zhì)的最優(yōu)評價(jià)結(jié)果，從而論證混合區(qū)范圍劃定的合理性。

2.1 模糊綜合評價(jià)子模型的建立[6]

屬于第一類水質(zhì)的隸屬度函數(shù)為：

式中： 為隸屬度；c為污染因子監(jiān)測值； 為海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值；i為某評價(jià)因子；下標(biāo) j?1、 j、 j+1為對應(yīng)海水標(biāo)準(zhǔn)等級， j=2，3。構(gòu)造DO的隸屬度函數(shù)時(shí)上式要做相應(yīng)變化。根據(jù)各評價(jià)因子對各類水質(zhì)的隸屬度，構(gòu)造隸屬度矩陣R。

2.2 模糊聚類分析子模型的建立[9]

用水體飽和DO濃度減去各站位DO監(jiān)測值，使DO與其它污染因子具有一致性。海水中飽和DO濃度按UNESCO值進(jìn)行查表取得[10]，溫度取2月的平均水溫3℃，鹽度取30，再將所查的飽和DO濃度乘以氧氣分子量32，使與DO監(jiān)測數(shù)據(jù)單位一致。

3 結(jié)果與討論

3.1 水質(zhì)現(xiàn)狀綜合評價(jià)與歸類

基于水質(zhì)監(jiān)測資料，根據(jù)模糊綜合—聚類評價(jià)模型進(jìn)行評價(jià)：應(yīng)用“隸屬度加權(quán)型”模糊綜合評價(jià)子模型進(jìn)行計(jì)算，權(quán)重及隸屬度見表2（以1和6站位為例）。各站位模糊綜合評價(jià)結(jié)果見表3；應(yīng)用模糊聚類分析子模型對各站位進(jìn)行歸類，生成動(dòng)態(tài)聚類圖，見圖2。模糊綜合評價(jià)是根據(jù)最大隸屬度確定水質(zhì)等級，根據(jù)模糊綜合評價(jià)的綜合值w值大小確定水質(zhì)優(yōu)劣排序；模糊聚類分析排序則是越先聚為一類的站位，其水質(zhì)越接近。將兩種方法相結(jié)合，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合分析，選擇合理的置信水平 λ=0.773，將各站位水質(zhì)分為五類，見表4。由表3、4和圖2可看到：13、12、1、2站位水質(zhì)為一類且優(yōu)劣順序?yàn)?3＞12＞1＞2；10站位水質(zhì)為二類；11、9、3、4、5、6站位水質(zhì)為三類且優(yōu)劣順序?yàn)?1＞9＞3＞4＞5＞6；7站位水質(zhì)為四類；8站位為劣四類水質(zhì)。

表2 權(quán)重和隸屬度（以1和6號站位為例）Tab. 2 Weight coefficients and subordinating degree of sampling stations 1 and 6 (for example)

表3 水質(zhì)模糊綜合評價(jià)結(jié)果Tab. 3 Results of fuzzy comprehensive evaluation on water quality

表4 各站位的水質(zhì)等級Tab. 4 Sea water quality grade of sampling stations

3.2 水質(zhì)等級的空間分布

在繪圖軟件surfer8.0中應(yīng)用克里格插值法，根據(jù)表3的w值，對水質(zhì)變化進(jìn)行線性無偏分析和最佳估值[11]，揭示水質(zhì)的空間變化分布規(guī)律，生成水質(zhì)等值線圖，見圖3。

由表3和圖3可看出：混合區(qū)西北部水質(zhì)優(yōu)于東南部。這是因?yàn)橹ヮ穽u北側(cè)海域的潮流為往復(fù)流，落潮流由西北流向東南，漲潮流向正好相反，落潮流速明顯大于漲潮流速，導(dǎo)致污染物更易往東南方向擴(kuò)散輸運(yùn)所致。

圖2 各站位動(dòng)態(tài)聚類圖Fig. 2 Dynamic clustering figure of sampling stations

圖3 水質(zhì)等級空間分布 Fig. 3 Distributing grade of sea water quality

4 結(jié) 論

由表2中6站位可看出（6站位代表混合區(qū)內(nèi)站位）：無機(jī)氮權(quán)重最大，其次是活性磷酸鹽，它們是芝罘島北側(cè)海域的主要污染物，超標(biāo)嚴(yán)重。套子灣污水處理廠應(yīng)大幅度提高脫氮除磷能力。

應(yīng)用模糊綜合—聚類評價(jià)模型進(jìn)行水質(zhì)現(xiàn)狀評價(jià)，將模糊綜合評價(jià)和模糊聚類分析的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，結(jié)果表明：各站位水質(zhì)優(yōu)劣順序?yàn)?13＞12＞1＞2＞10＞11＞9＞3＞4＞5＞6＞7＞8，混合區(qū)中部（污水?dāng)U散器周圍很小的范圍）水質(zhì)為四類或劣四類，邊緣水質(zhì)已達(dá)到三類甚至二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，外部水質(zhì)為一類，西北部水質(zhì)優(yōu)于東南部，可見排污影響主要集中在混合區(qū)內(nèi)。芝罘島北側(cè)海域海闊水深，潮流流速大，水交換活躍，利于污染物擴(kuò)散，混合區(qū)位置的確定是合理的。根據(jù)《山東省近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃》，煙臺市區(qū)排污混合區(qū)相鄰海域?yàn)槎惡腿惌h(huán)境功能區(qū)?；旌蠀^(qū)邊緣水質(zhì)已達(dá)到相鄰海域的環(huán)境功能要求，可見混合區(qū)范圍的劃定從環(huán)境和規(guī)劃角度看是合理的。

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[5] 吳航, 王澤良, 黃劍等. 深圳市政污水排海工程排污混合區(qū)范圍的確定 [J]. 環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù), 2002, 14(6)： 37-40.

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Range verification based on the model of fuzzy comprehensive-cluster evaluation in pollution mixing zone located in Yantai city

SANG Heng-chun, SUN Ying-Lan
(College of Environmental Science & Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Based on the investigation data of pollution mixing zone located in Yantai city in February 2009, the model of fuzzy comprehensive-cluster evaluation is used to evaluate the present sea water quality, and the distribution for the water quality is analyzed by Kriging interpolation, then the rational range of mixing zone is proved. This model overcomes the deficiency which the fuzzy comprehensive evaluation or fuzzy cluster analysis is used solely for water quality evaluation, and combines their advantages. The results show that the center quality is the fourth or inferior fourth level, the edge quality is the second or third level, and the northwest quality is better than the southeast of the mixing zone. The water quality of adjacent mixing zone has come up to corresponding marine area functional demands,so the range of this mixing zone is rational.

fuzzy comprehensive-cluster evaluation; sea water quality; pollution mixing zone; Yantai

X192

A

1001-6932(2010)02-0219-06

2009-06-25；

2009-09-17

國家自然科學(xué)基金 ( 40742011 )

桑恒春 (1984－)，男，山東濰坊人，碩士研究生，從事海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)和海洋環(huán)境影響評價(jià)研究，電子郵箱：hengchunsang@126.com