模糊綜合評價在渤海灣生態(tài)監(jiān)控區(qū)水質(zhì)評價中的應(yīng)用

趙蓓，馬文齋，唐偉

（1.國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心 青島市 266033；

2.國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島市 266033）

模糊綜合評價在渤海灣生態(tài)監(jiān)控區(qū)水質(zhì)評價中的應(yīng)用

趙蓓1，2，馬文齋1，2，唐偉1，2

（1.國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心 青島市 266033；

2.國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島市 266033）

將模糊綜合評價方法應(yīng)用于渤海灣生態(tài)監(jiān)控區(qū)的水質(zhì)評價中，通過確定評價指標(biāo)、評價等級、隸屬函數(shù)、權(quán)重等構(gòu)建了模糊綜合評價模型，實(shí)現(xiàn)對各水體樣本集水質(zhì)的總體評價，增加對水質(zhì)總體評價的精確性和可對比性，以期為制定科學(xué)的生態(tài)監(jiān)控區(qū)環(huán)境污染綜合防治規(guī)劃及綜合管理等提供依據(jù)。

模糊綜合評價渤海灣生態(tài)監(jiān)控區(qū)海水水質(zhì)評價

海水環(huán)境質(zhì)量評價作為海洋環(huán)境質(zhì)量評價的一項重要的基礎(chǔ)性內(nèi)容，是進(jìn)行海洋環(huán)境保護(hù)和海洋綜合管理工作的重要組成部分，其評價結(jié)論可為海洋環(huán)保和綜合管理提供決策性科學(xué)依據(jù)。自2004年國家海洋局組織沿海?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）在我國近岸海域部分生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)和敏感區(qū)建立生態(tài)監(jiān)控區(qū)以來，監(jiān)控區(qū)數(shù)量已達(dá)到 18個，監(jiān)控區(qū)總面積已達(dá)到 5.2 萬km2，主要生態(tài)類型包括海灣、河口、濱海濕地、珊瑚礁、紅樹林和海草床等典型生態(tài)系統(tǒng)[1]。渤海灣生態(tài)監(jiān)控區(qū)作為我國重要的海灣，周邊有天津?yàn)I海新區(qū)、河北省曹妃甸循環(huán)經(jīng)濟(jì)區(qū)和滄州渤海新區(qū)等已被列入國家發(fā)展戰(zhàn)略的重大開發(fā)區(qū)域，其水質(zhì)評價對于掌握監(jiān)控區(qū)水質(zhì)污染狀況及變化趨勢，改善生態(tài)監(jiān)控區(qū)環(huán)境，保護(hù)監(jiān)控區(qū)內(nèi)典型的生態(tài)系統(tǒng)具有重要作用。

目前，對監(jiān)控區(qū)內(nèi)水環(huán)境質(zhì)量評價多采用單因子污染指數(shù)評價法。單因子指數(shù)評價法能夠比較直接地反應(yīng)出單一評價指標(biāo)的優(yōu)劣狀況，但是可能會忽略海洋環(huán)境中兩種以上污染物的聯(lián)合作用，造成夸大或縮小海洋環(huán)境污染的實(shí)際狀況[2]。而隨著近代數(shù)學(xué)，如模糊數(shù)學(xué)、灰色理論等相關(guān)理論的廣泛應(yīng)用，水環(huán)境質(zhì)量評價的合理性和精確度有所提高。將模糊數(shù)學(xué)理論應(yīng)用到渤海灣生態(tài)監(jiān)控區(qū)的水質(zhì)評價中，可以增加對水質(zhì)總體評價的精確性和可對比性。

1 渤海灣模糊綜合評價模型建立

模糊綜合評價是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理，將一些邊界不清，不易定量的因素定量化，進(jìn)行綜合評價的一種方法。水質(zhì)評價由于不能用一個簡單的“是”或“否”，“非此即彼”來回答。對于這種界限（邊界）不分明的事物，需要有一種能對事物漸變過程中的不分明性加以描述的數(shù)學(xué)形式[3]。模糊模式識別模型是處理這類外延邊界“模糊不清”問題的最好方法。因此，在進(jìn)行評價時，采用模糊綜合評價的方法進(jìn)行定量化處理，評價出水體的質(zhì)量等級。但權(quán)重的確定需要專家的知識和經(jīng)驗(yàn)，具有一定的缺陷，為此，采用污染因子貢獻(xiàn)率來確定各指標(biāo)的權(quán)系數(shù)，使其更有合理性，更符合客觀實(shí)際并易于定量表示，從而提高模糊綜合評判結(jié)果的準(zhǔn)確性。

模糊綜合評價模型作為一種功能強(qiáng)大的分析方法，在水環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)取得了很好的效果[4]。本研究利用年—年月渤海灣200620085生態(tài)監(jiān)控區(qū)的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用模糊綜合評價方法評價渤海灣生態(tài)監(jiān)控區(qū)在這一時期的水質(zhì)狀況。調(diào)查站位見圖 1 。

1.1 評價指標(biāo)及等級標(biāo)準(zhǔn)的確定

因渤海灣生態(tài)監(jiān)控區(qū)未進(jìn)行重金屬的監(jiān)測，且2006、2007年該監(jiān)控區(qū)未進(jìn)行 COD 監(jiān)測，因此未將 COD 列入選取指標(biāo)。選取水質(zhì)評價指標(biāo)為DO、磷酸鹽、無機(jī)氮以及石油類 4 項重要因子。評價等級采用國家《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3097-1997）中對海水水質(zhì)的分級標(biāo)準(zhǔn)（Ⅰ～Ⅳ類）。評價指標(biāo)數(shù)值見表 1 。

圖1 渤海灣生態(tài)監(jiān)控區(qū)調(diào)查站位

表1 水質(zhì)評價指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)（單位：mg/L）

1.2 隸屬函數(shù)的建立

通常有兩種不同的指標(biāo)類型：①評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值隨級別 v 的增大而增大；②評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值隨級別 v 的增大而減小。選取的渤海灣生態(tài)監(jiān)控區(qū)水質(zhì)評價的評價指標(biāo) DO 屬于第②種情況，其余各項因子均屬于第①種情況。第①種情況的評價指標(biāo)建立隸屬函數(shù)如下所示：

式中，ui為評價指標(biāo)i的實(shí)測值。vij為評價項目第i級的指標(biāo)值。j為海水的第Ⅰ類到第Ⅳ類海水水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)。

DO 的隸屬函數(shù)與上述函數(shù)相反，不在詳述。

1.3 模糊關(guān)系矩陣R的建立

依據(jù)上述隸屬函數(shù)，建立模糊關(guān)系矩陣R。

其中，評價指標(biāo)的實(shí)測值采用各監(jiān)測站位的平均值來評價。2006年—2008年的評價指標(biāo)實(shí)測值濃度見表2。

表2 2006年—2008年5月渤海灣生態(tài)監(jiān)控區(qū)評價指標(biāo)實(shí)測值濃度（單位：mg/L）

2006年渤海生態(tài)監(jiān)控區(qū)水質(zhì)評價模糊關(guān)系矩陣 R1為：

同理可求得2007、2008年模糊矩陣 R2、R3。

1.4 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

由于磷酸鹽、無機(jī)氮等評價指標(biāo)對水質(zhì)的影響程度不同，因此對各指標(biāo)應(yīng)賦予不同的權(quán)重。評價指標(biāo)權(quán)重的計算采用污染因子貢獻(xiàn)率，根據(jù)污染物對水質(zhì)的污染大，權(quán)重大的原則來決定權(quán)重的大小。評價指標(biāo)的權(quán)重為：

由于DO 濃度越大，對水質(zhì)的影響程度越小，因此其權(quán)重為：

其中ai 為評價指標(biāo) i 的權(quán)重，si為評價指標(biāo) i 各評價等級標(biāo)準(zhǔn)值的平均值，i＝1，…，4。對 ai 進(jìn)行歸一化處理，即：

確定權(quán)重

2006年至2008年 DO、磷酸鹽、無機(jī)氮及油類評價指標(biāo)權(quán)重依次為：

2 模糊綜合評價

依據(jù)建立的隸屬函數(shù)以及評價指標(biāo)權(quán)重，確定渤海灣生態(tài)監(jiān)控區(qū)模糊綜合評價結(jié)果見表 3 。

表3 2006—2008年5月渤海灣生態(tài)監(jiān)控區(qū)模糊綜合評價結(jié)果

模糊評價結(jié)果的選取一般采用最大隸屬度原則，按照最大隸屬度原則，2006年至2008年渤海灣生態(tài)監(jiān)控區(qū)的水質(zhì)分別為Ⅰ類、Ⅳ類、超Ⅳ類，污染水平呈現(xiàn)持續(xù)加重的趨勢。但這種方法由于未能包含所有的信息容量，容易造成信息缺失的情況存在，在某些條件下可能會導(dǎo)致不合理的評價結(jié)果，且采用這種原則不能對多個樣本進(jìn)行排序，因此采用加權(quán)平均法對模糊綜合評價結(jié)果向量進(jìn)行分析[4]，這樣不僅能評價出水質(zhì)的等級，而且能對多個樣本進(jìn)行比較排序。

分別對評價等級Ⅰ～Ⅳ級賦值1～4，進(jìn)行加權(quán)平均后得出2006年至2008年評價結(jié)果分別為2.278、2.945、2.946。即2006年渤海灣生態(tài)監(jiān)控區(qū)水質(zhì)總體評價結(jié)果為Ⅱ類，稍微偏向Ⅲ類，2007、2008年水質(zhì)基本保持不變，總體評價結(jié)果為Ⅲ類，稍微偏向Ⅱ類。整體來看，2006年至2008年渤海灣生態(tài)監(jiān)控區(qū)水質(zhì)總體呈現(xiàn)污染加重的趨勢。主要污染因子為無機(jī)氮。

3 結(jié)論

對于海水水質(zhì)評價，采用模糊綜合評價法避免了采用單因子指數(shù)法不能分析兩種及兩種以上因子對海水水質(zhì)的綜合作用，能夠綜合評價出待評價海域海水的總體情況及其變化趨勢。評價指標(biāo)權(quán)重采用污染因子貢獻(xiàn)率的方法，科學(xué)客觀，避免了采用層次分析法專家打分的主觀性?？傊?，模糊綜合評價在海水水質(zhì)綜合評價與排序研究中得以應(yīng)用，效果較好，是一種行之有效的先進(jìn)方法。

[1]2008年中國海洋環(huán)境質(zhì)量公報[R]. 國家海洋局，2009.

[2]李亞楠，隋吉學(xué). 海洋環(huán)境質(zhì)量評價技術(shù)要點(diǎn)研究[J].水系污染與保護(hù)，2003(29)：76-77.

[3]尚守忠，田世義. 水資源及其利用[M].北京：科學(xué)技術(shù)出版社，1993：238-245.

[4]劉新銘. 淮河流域水環(huán)境模糊評價與容量研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2005.

[5]胡永宏，賀思輝. 綜合評價方法. 北京：科學(xué)出版社[M]，2000(10)：167-169.

2010年11月9日

渤海環(huán)境污染基本評價研究（AOCZDA20080201）。