模糊數(shù)學法在海洋水質(zhì)評價中的應(yīng)用

曹宇峰 ，林春梅 ，孫 霞

（1.中國海洋大學海洋環(huán)境學院，山東 青島 266003；2.廈門海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，福建 廈門 361008；3.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

模糊數(shù)學法在海洋水質(zhì)評價中的應(yīng)用

曹宇峰1,2，林春梅2，孫 霞3

（1.中國海洋大學海洋環(huán)境學院，山東 青島 266003；2.廈門海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，福建 廈門 361008；3.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

根據(jù)福建東碇臨時海洋傾倒區(qū)2007—2009年間實施的5次海水水質(zhì)監(jiān)測資料，應(yīng)用模糊合成-加權(quán)平均復(fù)合模型對該區(qū)及周邊海域水質(zhì)進行綜合評價，分析傾倒活動對水質(zhì)的影響情況，并與單參數(shù)特征值法評價結(jié)果相比較。結(jié)果表明∶應(yīng)用模糊合成的原理，根據(jù)最大隸屬度原則評價水質(zhì)，體現(xiàn)了分級界限的模糊性，其評價結(jié)果較單參數(shù)特征值法更接近客觀實際。

模糊數(shù)學；海水水質(zhì)；傾倒區(qū)；福建東碇

隨著近些年來我國沿海地區(qū)海洋經(jīng)濟的快速發(fā)展，港口、航道、碼頭和泊位等海洋（涉海）工程的建設(shè)與維護中產(chǎn)生了大量的疏浚物。這些疏浚物大部分傾倒在指定的海洋傾倒區(qū)。為保證適應(yīng)傾倒區(qū)自凈能力，防止傾倒區(qū)污染，必須對傾倒區(qū)及周邊海域?qū)嵤┖Ｑ蟓h(huán)境跟蹤監(jiān)測并進行客觀、科學的質(zhì)量評價，從而掌握傾倒活動對海洋環(huán)境的影響，為海洋管理部門對該傾倒區(qū)采取環(huán)境維護措施和決定是否延期使用提供決策依據(jù)。但由于海水水質(zhì)評價中的污染程度、水質(zhì)分級界限等本身都是一些客觀存在的模糊概念和模糊現(xiàn)象，而以往評價中常用的單參數(shù)和綜合指數(shù)法都不能很好地解決這種“模糊性”，所以近幾年來模糊數(shù)學法逐漸被引入水質(zhì)評價中[1～4]，通過選擇合適的模糊評價模型，客觀、科學地反映水質(zhì)狀況。本文就福建東碇臨時海洋傾倒區(qū)為例，根據(jù)其2007—2009年實施的5次海水水質(zhì)監(jiān)測資料，應(yīng)用模糊合成-加權(quán)平均復(fù)合模型對傾倒區(qū)及周邊海域水質(zhì)進行綜合評價，比較其結(jié)果與單參數(shù)指數(shù)法評價結(jié)果，表明該方法具備較顯著的優(yōu)勢和可操作性。

1 方法原理

模糊合成-加權(quán)平均復(fù)合模型首先是確定評價參數(shù)隸屬于每一質(zhì)量等級的可能性，通過模糊運算法來對水質(zhì)進行綜合評價[5]，其基本步驟如下：

（1）計算評價參數(shù)B的隸屬度：根據(jù)評價參數(shù)B質(zhì)量濃度的實測值 ρ(B)和《海水水質(zhì)標準》（GB 3097-1997）[6]中規(guī)定的j等級該評價參數(shù)的指標ρSj(B)，選用降半梯形公式計算評價參數(shù)B水質(zhì)標準等級j下的隸屬度rj（B）。該參數(shù)隸屬度按式（1.1）-式（1.3）計算：

屬于第j級水質(zhì)的隸屬度

屬于最后一級水質(zhì)的隸屬度：

式中：rj(B)為評價污染參數(shù)對水質(zhì)標準j級的隸屬度，無量綱量；ρ(B)為評價污染要素的實測值，單位按GB 3097-1997海水水質(zhì)標準規(guī)定；ρSj(B)為GB 3097海水水質(zhì)標準中規(guī)定的評價污染要素的j等級指標；B為某評價污染要素,即該要素基本單元：原子、離子、分子、粒子或其組合；j為GB 3097海水水質(zhì)標準中規(guī)定水質(zhì)級別，1997 版規(guī)定：j為 1，2，3，4；n為GB 3097海水水質(zhì)標準中規(guī)定水質(zhì)最大級別，1997版規(guī)定：n=4。

例如：溶解氧的溶質(zhì)為氧，基本單元B為O（氧原子），且GB 3097海水水質(zhì)中規(guī)定的其j等級指標隨著水質(zhì)級數(shù)的升高而降低，所以構(gòu)造其隸屬度時可改寫為如下形式：

（2）計算各評價要素的權(quán)：各要素的權(quán)表示各要素在決定水質(zhì)等級上所起的作用的度量，不僅與實測值大小有關(guān)，而且與其水質(zhì)標準中規(guī)定的各水質(zhì)等級相應(yīng)指標有關(guān)。不同要素，實測值相同，規(guī)定的質(zhì)量濃度指標低的、則對污染的影響較大，也就是該要素超標較嚴重，權(quán)較大，計算公式為：

式中:W（B）為要素 B 的權(quán)；ρ（B）和 ρSj（B）與式（1.1）～（1.3）相同。

鑒于GB 3097海水水質(zhì)中規(guī)定的海水中溶解氧j等級指標隨著水質(zhì)級數(shù)的升高而降低，其權(quán)計算式為式（2）的倒數(shù)：W（B）=ρSj（O）/ρ（O）。

對W（B）按式(3)作歸一化處理。

各級人影部門均按需設(shè)崗，市級人影業(yè)務(wù)人員分為：作業(yè)天氣過程預(yù)報崗、作業(yè)條件潛力預(yù)報崗、作業(yè)條件監(jiān)測崗、聯(lián)合作業(yè)方案制定崗、作業(yè)跟蹤指揮崗、登機作業(yè)指揮崗、登機技術(shù)保障崗、外場地面保障崗、作業(yè)信息管理崗、作業(yè)效益評估崗、云水資源評估崗、指揮平臺運行保障崗、探測設(shè)備保障崗、網(wǎng)絡(luò)運行管理崗、信息上報及效果評估崗；旗縣級人影業(yè)務(wù)人員分為：綜合管理崗、火箭作業(yè)崗、應(yīng)急保障崗、高炮管理崗、信息上報及效果評估崗等；作業(yè)點人員分為現(xiàn)場指揮崗、作業(yè)實施崗、空域請示及信息上報崗。這樣調(diào)整以后，做到了每個崗位均由專人負責，專職專崗、崗崗有人、崗崗有責。

式中：W'（B）為要素B的權(quán)比；n為參加評價的污染要素個數(shù)。

（3）模糊評價運算：根據(jù)各要素的隸屬度構(gòu)造隸屬矩陣R和權(quán)集W'，以式（4）采用廣義模糊算子（·,V）進行合成。

式中：K 為模糊評價結(jié)果，無量綱量；rj（Bi）為第 i要素 Bi對水質(zhì)標準各等級的隸屬度。

2 應(yīng)用實例

本文以對福建東碇臨時海洋傾倒區(qū)為例，運用模糊數(shù)學評價方法對海域海水水質(zhì)進行評價，并與以往常用的單參數(shù)指數(shù)方法相比較，找出兩種方法在海水水質(zhì)評價上的差異。

2.1 傾倒區(qū)情況

廈門港位于我國臺灣海峽西岸，九龍江入海口，是東南沿海的區(qū)域性樞紐港口、對臺航運主要口岸，在2006年合并了廈門市和漳州市的8個港區(qū)之后，逐步向臺灣海峽區(qū)域性航運中心和國際集裝箱樞紐港的目標發(fā)展。港內(nèi)碼頭和航道工程建設(shè)產(chǎn)生大量的疏浚物，除了部分用于港區(qū)吹填成陸外，大部分疏浚物運載至位于福建東碇島附近的“福建東碇臨時海洋傾倒區(qū)”（后稱“東碇傾倒區(qū)”）進行海洋傾倒處理①《福建東碇臨時海洋傾倒區(qū)環(huán)境監(jiān)測評估報告》.廈門海洋環(huán)境監(jiān)測中心站.2009年4月.，傾倒區(qū)位置見圖1。

圖1 福建東碇臨時海洋傾倒區(qū)位置及站位圖

東碇傾倒區(qū)于2006年6月啟用，期限3 a，期間共接受來自廈門港擴建工程的近2.5×107m3疏浚物，年傾倒量見表1。根據(jù)各工程疏浚物成分檢測資料，在海上傾倒的疏浚物均屬于天然疏浚物（Ⅰ類）。

表1 疏浚物年傾倒量/×104m3

2.2 評價材料

2007-2009年期間，我們在東碇傾倒區(qū)及周邊海域布設(shè)14個站位實施了5次（每半年1次）水質(zhì)跟蹤監(jiān)測②《2007年廈門港擴建工程臨時海洋傾倒區(qū)海洋環(huán)境跟蹤監(jiān)測》.廈門海洋環(huán)境監(jiān)測中心站.2007年11月.③《2008年廈門港擴建工程臨時海洋傾倒區(qū)海洋環(huán)境跟蹤監(jiān)測》.廈門海洋環(huán)境監(jiān)測中心站.2008年10月.，站位分布見圖1。所有樣品均按照 《海洋監(jiān)測規(guī)范》（GB 17378-2007）規(guī)定的方法采集、處理、保存和分析。

2.3 評價參數(shù)和標準

本文選取溶解氧、化學需氧量、無機氮、磷酸鹽、石油類、銅、鉛、鋅、鎘、鉻、汞、砷共12項要素的質(zhì)量濃度作為評價參數(shù)，并按照《海水水質(zhì)標準》（GB 3097-1997）中第1～4級水質(zhì)標準進行模糊綜合評價。

2.4 評價結(jié)果

根據(jù)東碇傾倒區(qū)2009年3月航次的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，應(yīng)用模糊合成-加權(quán)平均復(fù)合模型對該海域海水水質(zhì)進行模糊綜合評價，隸屬度及權(quán)重計算結(jié)果見表2（以D01站為例），各站位綜合評價結(jié)果見表3，其他各航次水質(zhì)模糊綜合評價結(jié)果見表4。

表2 隸屬度和權(quán)重（以2009年3月D01站為例）

表3 2009年3月海水水質(zhì)模糊綜合評價結(jié)果

表4 2007—2009年海水水質(zhì)模糊綜合評價結(jié)果

根據(jù)最大隸屬度原則可以看出5個航次的水質(zhì)均為Ⅰ級，水質(zhì)較好。由α值的大小確定東碇傾倒區(qū)海域各航次水質(zhì)優(yōu)劣順序為：2007年 4月＞2009年 3月＞2007年 9月＞2008年3月＞2008年8月。其中2007年4月航次水質(zhì)最好，α值為3.944，同年第2航次水質(zhì)α值略有下降，2008年2個航次水質(zhì)α值為傾倒區(qū)使用期間的低值，分別為3.766和3.750，2009年上半年水質(zhì)α值好于2008年，為3.911。該海域的主要污染源是傾倒的疏浚物，2007-2009年的傾倒量順序為2008年＞2007年＞2009年1-6月，與之對應(yīng)的2008年水質(zhì)α值低于2007年、2009年。通過分析疏浚物中污染物含量的資料發(fā)現(xiàn)3 a來傾倒的疏浚物均為天然疏浚物，基本上未受到污染，并且東碇海域位于臺灣海峽，海水交換能力較好，具有一定的納污能力，雖然2008年傾倒量遠高于2007年、2009年，但海水水質(zhì)仍然較好，為Ⅰ級水質(zhì)。

2.5 與各航次水質(zhì)單參數(shù)評價結(jié)果比較

海水中每一污染物/要素的單參數(shù)實測值與其海水水質(zhì)標準規(guī)定的各等級指標的關(guān)系可以反映該要素在海洋中的環(huán)境影響程度。單參數(shù)評價方法是用諸參數(shù)實測值中歸屬最差等級的那項參數(shù)所屬水質(zhì)級別來確定海域水質(zhì)類別[7]。要素B實測值（評價參數(shù)）的歸屬等級按式（5）求出的評價特征數(shù)確定，將要素B實測值依次按式（5），自最佳等級起，依次與其各級的指標相比，求得的評價特征數(shù)不大于1時水質(zhì)等級指標對應(yīng)的水質(zhì)等級即為該要素歸屬等級。計算式為：

式中： D（B）為要素 B 的評價特征數(shù)，無量綱量；ρ（B）為要素B的實測值，單位按GB 3097海水水質(zhì)規(guī)定；ρSj（B）為GB 3097海水水質(zhì)中規(guī)定的要素B的j等級指標。

因溶解氧的特殊性，海水中溶解氧的評價特征值用下式計算：

式中：D（O）為溶解氧的評價特征值，無量綱量；ρ（O）為溶解氧實測濃度（mg/dm3）；ρf（O）為飽和溶解氧濃度（mg/dm3）；ρSj（O）為GB 3097海水水質(zhì)中規(guī)定的溶解氧的j等級指標（mg/dm3）。

根據(jù)各航次數(shù)據(jù)以單參數(shù)評價法評價，結(jié)果如表5。

由表4、表5可以看出，兩種評價方法存在著較大差異，用模糊綜合評價方法得到的水質(zhì)類別要優(yōu)于單要素指數(shù)評價方法得到的水質(zhì)類別。這是由于單因子指數(shù)法中最差水質(zhì)要素對整個評價結(jié)果的決定性作用，而模糊綜合評價方法對參與評價的每個要素的影響作用都計算其權(quán)重，考慮其對評價結(jié)果的貢獻，可以說其評價結(jié)果是各個評價要素綜合作用的結(jié)果。

表5 2007—2009年海水水質(zhì)單因子綜合評價結(jié)果

3 結(jié)論

本文應(yīng)用模糊綜合-加權(quán)平均復(fù)合模型對福建東碇臨時海洋傾倒區(qū)海水水質(zhì)現(xiàn)狀及使用期間各航次水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果進行了綜合評價，結(jié)果表明：傾倒區(qū)及周邊海域水質(zhì)狀況總體良好，均為Ⅰ級水質(zhì)，海水水質(zhì)情況的變化受到疏浚物傾倒的影響，各航次水質(zhì)優(yōu)劣順序為：2007年4月、2009年3月、2007年9月、2008年3月、2008年8月。將模糊綜合評價結(jié)果與單參數(shù)特征值評價結(jié)果進行對比，可以看出兩種方法的評價結(jié)果相差較大，這是由于單參數(shù)特征值法在評價時其特征值界限值過于明顯，沒有考慮水質(zhì)分級的模糊性，不能客觀地反映海域水質(zhì)的實際情況。而模糊數(shù)學法應(yīng)用模糊合成的原理，將一些邊界不易定量的因素定量化，體現(xiàn)了分級界限的模糊性，考慮了各評價參數(shù)在總體污染中的權(quán)，不僅反映出海域水質(zhì)的級別，還能反映出不同要素對水質(zhì)的污染程度，使得評價結(jié)果更接近客觀實際。

致謝：本文的完成得到國家海洋標準計量中心秦嗣仁教授、國家海洋局東海預(yù)報中心沈幼元教授的指導(dǎo)，并提出寶貴意見，在此表示真摯的感謝。

[1]劉現(xiàn)明，徐恒振.疏浚物傾倒區(qū)海水水質(zhì)級別的模糊綜合評價[J].海岸工程，1995，14（2）：33-37.

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Application of the Fuzzy Mathematics on the Assessment of Water Quality in Coastal Waste-Dumping Zone

CAO Yu-feng1,2,LIN Chun-mei2,SUN Xia3
（1.College of Physical and Environmental Oceanography,Ocean University of China,Qingdao Shandong 266003,China;2.Xiamen Marine Environmental Monitoring Central Station of SOA,Xiamen Fujian 361008,China;3.First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao Shandong 266061,China）

Using the seawater quality monitoring data in Fujian Dongding provisional coastal waste-dumping zone for five surveys from 2007 to 2009,the fuzzy composition and weighted average complex model is adopted to evaluate the seawater quality in the waste-dumping zone and nearby area.The evaluation result was applied in analyzing the influence of dumping activity on seawater quality,while being compared to the assessed result of single factor water quality identification index.The result showed that the fuzzy composition theory based on the"the biggest subordination"principle incarnates the fuzziness of classification limits,which is more impersonal than the result of single factor water quality identification index.

fuzzy Mathematics；sea water quality； waste-dumping zone；Fujian Dongding

O159,X55

B

1003-2029（2011）02-0118-05

2010-12-01

曹宇峰（1978-），男，河北唐山人，主要從事海洋環(huán)境監(jiān)測與質(zhì)量控制工作。