基于模糊綜合評價(jià)法與單因子指數(shù)評價(jià)法的水質(zhì)評價(jià)

尚佰曉，呂子楠，李杰年，李鐵慶

（1.鐵嶺市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，遼寧 鐵嶺 112000；2.鐵嶺市南城子水庫管理局，遼寧 鐵嶺 112300；3.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021）

水質(zhì)評價(jià)是水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)的基礎(chǔ)部分，對河流水環(huán)境質(zhì)量做出科學(xué)、客觀的評價(jià)是社會(huì)發(fā)展的需要，也是人類身體健康的需要，更重要的是通過評價(jià)可以對某些關(guān)鍵的污染因子進(jìn)行防范和控制[1]。因此，進(jìn)行水流水質(zhì)評價(jià)時(shí)，選擇合理的評價(jià)方法是水質(zhì)評價(jià)的關(guān)鍵。在對河流評價(jià)時(shí)需選取很多相關(guān)評價(jià)指標(biāo)，而各評價(jià)指標(biāo)間也存在內(nèi)在的聯(lián)系，因此可以認(rèn)為河流水質(zhì)是由多因素控制的、復(fù)雜的、非線性的模糊系統(tǒng)，對這類系統(tǒng)進(jìn)行評價(jià)具有模糊性[2]。模糊數(shù)學(xué)綜合評判法作為一種比較成熟的水質(zhì)評價(jià)方法，是通過函數(shù)關(guān)系把反映各種水質(zhì)污染問題的實(shí)測值，轉(zhuǎn)化為反映水質(zhì)質(zhì)量優(yōu)劣程度的質(zhì)量值，它考慮到了水質(zhì)界限的模糊性，克服了其他水質(zhì)評價(jià)中人為清晰化的不足。因此，相比較而言，采用模糊數(shù)學(xué)綜合評判法可使水質(zhì)污染評價(jià)更具有科學(xué)性[3]。

本研究通過對凡河榛子嶺水庫上游河段設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測斷面，在2012年5～10月采集各監(jiān)測斷面的水樣，在室內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測分析，分別采用模糊綜合評價(jià)法及單因子指數(shù)評價(jià)法對各監(jiān)測斷面水體進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)，對比分析各評價(jià)結(jié)果。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

凡河屬遼河水系，是遼河的一級支流，發(fā)源于鐵嶺縣白旗寨鄉(xiāng)東滾馬嶺，其干流流經(jīng)白旗寨滿族鄉(xiāng)、雞冠山鄉(xiāng)、大甸子鎮(zhèn)、李千戶鄉(xiāng)、鐵嶺經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、凡河鎮(zhèn)，在凡河鎮(zhèn)藥王廟村北匯入遼河。凡河全長102 km，流域面積為1180.5 km2，在距河源40.7 km處建有一座大型水庫——榛子嶺水庫。凡河榛子嶺水庫上游河段指流經(jīng)白旗寨滿族鄉(xiāng)的上游干支流及其流經(jīng)雞冠山鄉(xiāng)的一條一級支流[4]。

1.2 水質(zhì)監(jiān)測

根據(jù)研究需要，凡河榛子嶺水庫上游河段水質(zhì)監(jiān)測斷面選擇在有代表性的水域，共設(shè)置3個(gè)監(jiān)測斷面。在凡河源頭夾河廠村設(shè)立1個(gè)監(jiān)測斷面；白旗寨滿族鄉(xiāng)楊墳溝村設(shè)立1個(gè)監(jiān)測斷面；雞冠山鄉(xiāng)岱海寨村設(shè)立1個(gè)監(jiān)測斷面，該監(jiān)測斷面位于凡河的一個(gè)一級支流下游，即該支流入榛子嶺水庫前1 km處。各監(jiān)測斷面位置如圖1所示。各監(jiān)測斷面的水樣采集與分析測定于2012年5～10月進(jìn)行，每月中旬采集一次。監(jiān)測指標(biāo)為pH、溶解氧、電導(dǎo)率、硫化物、氨氮、總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、化學(xué)需氧量、六價(jià)鉻、葉綠素a等。

圖1 凡河榛子嶺水庫上游河段水質(zhì)監(jiān)測斷面

1.3 模糊綜合評價(jià)方法

1.3.1 隸屬函數(shù)確定

目前有多種確立隸屬函數(shù)的方法，其中降半梯形分布函數(shù)確定各元素的隸屬度是比較成熟的方法。其隸屬函數(shù)表達(dá)式如下：

第1級評價(jià)隸屬函數(shù)表達(dá)式為：

第j級評價(jià)隸屬函數(shù)表達(dá)式為：

第n級評價(jià)隸屬函數(shù)表達(dá)式為：

式中：νi為各評價(jià)因子的實(shí)測值，ui為相應(yīng)級別水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.2 計(jì)算模糊關(guān)系矩陣

選取評價(jià)因子作為因素集V，記V={v1，v2，…vm}；與V相對應(yīng)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分級的集合作為評判集U，記為U={u1，u2，…um}。把各評價(jià)因子的實(shí)測值代入相應(yīng)的隸屬函數(shù)，計(jì)算出每一個(gè)評價(jià)因子對于各評價(jià)等級的隸屬度F∶V→F（U），模糊映射f可誘導(dǎo)出模糊關(guān)系R∈F（V×U），即得到V和U之間的模糊關(guān)系矩陣R。

1.3.3 評價(jià)因子的權(quán)重計(jì)算

由于所選取的各指標(biāo)值大小有不同，對水體污染所做的貢獻(xiàn)也不一致，因此需要對各選取的評價(jià)指標(biāo)賦予權(quán)重。各評價(jià)因子的權(quán)重計(jì)算采用倒數(shù)法，計(jì)算公式如下：

式中：aji為i指標(biāo)j級的權(quán)重值，λji為i指標(biāo)j級的標(biāo)準(zhǔn)值。由各評價(jià)因子計(jì)算出的權(quán)重值構(gòu)成m×n的模糊矩陣A。

1.3.4 計(jì)算模糊綜合評價(jià)矩陣

通過模糊數(shù)學(xué)運(yùn)算的法則，采用加權(quán)平均模型作為模糊算子，將模糊矩陣A與R進(jìn)行模糊關(guān)系合成，可得到評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分級集合U上的模糊子集B。根據(jù)最大隸屬度原則，選擇max（bn）（n=1，2，…，5）作為水質(zhì)綜合評價(jià)評判結(jié)果。

1.4 單因子指數(shù)評價(jià)方法

水體的單因子指數(shù)評價(jià)就是依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002），用水體中各監(jiān)測指標(biāo)的監(jiān)測數(shù)據(jù)對照該指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)，確定該指標(biāo)的水質(zhì)類別，選取各指標(biāo)中水質(zhì)類別最差的作為水體最終水質(zhì)評價(jià)類別。選取氨氮、總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、化學(xué)需氧量6項(xiàng)常見污染物指標(biāo)進(jìn)行單因子指數(shù)評價(jià)水質(zhì)現(xiàn)狀。

2 評價(jià)方法應(yīng)用及結(jié)果分析

2.1 模型應(yīng)用

為避免各級評價(jià)因子的權(quán)重過小，出現(xiàn)模糊矩陣R的信息丟失問題，根據(jù)調(diào)查實(shí)測數(shù)據(jù)，本次的評價(jià)因子選擇高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮、BOD5、COD。河流水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）為依據(jù)。由于評價(jià)因子的意義、綱量不同，同時(shí)數(shù)量上差異太大，通常要對數(shù)據(jù)進(jìn)行無綱量處理。本研究采用平均標(biāo)準(zhǔn)值法對各斷面的水質(zhì)實(shí)測數(shù)據(jù)及地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行無綱量處理，即用各項(xiàng)目的監(jiān)測結(jié)果和分級標(biāo)準(zhǔn)限值分別除以對應(yīng)項(xiàng)目的平均標(biāo)準(zhǔn)值[5]。根據(jù)公式（4）倒數(shù)法進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，得到權(quán)重分配矩陣A。根據(jù)各等級的隸屬函數(shù)、各評價(jià)因子的標(biāo)準(zhǔn)限值及監(jiān)測值的無量綱數(shù)據(jù)，可得出模糊矩陣R。將模糊矩陣A和R進(jìn)行模糊關(guān)系合成，即可得出模糊矩陣B。根據(jù)選取最大隸屬度的原則，可求出2012年5～10月凡河各監(jiān)測斷面水質(zhì)的模糊綜合評價(jià)結(jié)果。根據(jù)遼河水系地表水環(huán)境功能區(qū)劃，凡河榛子嶺水庫上游河段水質(zhì)各指標(biāo)執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）中Ⅲ類的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。采用模糊綜合評價(jià)法及單因子指數(shù)評價(jià)法的評價(jià)結(jié)果如表1所示。

表1 凡河水質(zhì)評價(jià)結(jié)果

2.2 評價(jià)結(jié)果分析

從表1評價(jià)結(jié)果中可以看出，采用模糊綜合評價(jià)法與單因子指數(shù)評價(jià)法對2012年5～10月凡河各監(jiān)測斷面的水質(zhì)進(jìn)行綜合評價(jià)，評價(jià)結(jié)果存在較大差異，使用單因子指數(shù)評價(jià)法得到的水質(zhì)相對較差。

從模糊綜合評價(jià)法的評價(jià)結(jié)果來看，凡河源頭水質(zhì)在監(jiān)測時(shí)段內(nèi)均為Ⅰ類，水質(zhì)優(yōu)良；5月和10月凡河各監(jiān)測斷面的水質(zhì)均未超過Ⅲ類，滿足《遼寧省水環(huán)境功能區(qū)劃》Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。在6月的監(jiān)測中，楊墳溝、岱海寨斷面水質(zhì)為Ⅴ類；在7月和8月的2次監(jiān)測中，各斷面水質(zhì)均為Ⅰ類。在9月、10月，僅楊墳溝斷面在9月的水質(zhì)受到嚴(yán)重污染，為Ⅴ類，其余各斷面均滿足其相應(yīng)水功能區(qū)劃的水質(zhì)要求。從單因子指數(shù)評價(jià)法的評價(jià)結(jié)果來看，凡河榛子嶺水庫上游河段各監(jiān)測斷面的水質(zhì)，僅夾河廠斷面9月監(jiān)測的水質(zhì)符合Ⅲ類水質(zhì)要求，其余各月三個(gè)斷面監(jiān)測的水質(zhì)均超出Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。對照實(shí)測數(shù)據(jù)，超標(biāo)項(xiàng)目主要集中在總氮、氨氮和總磷；水質(zhì)最差的單項(xiàng)因子為總氮，各斷面水體中的總氮的濃度值幾乎全部超出Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值。各監(jiān)測斷面水質(zhì)除總氮、氨氮和總磷超標(biāo)外，其他項(xiàng)目基本達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)及五日生化需氧量在全年的監(jiān)測中均達(dá)到Ⅲ類以上水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

造成兩種評價(jià)方法的評價(jià)結(jié)果差異較大的原因主要是兩種評價(jià)方法出發(fā)點(diǎn)不同造成的。單因子指數(shù)評價(jià)法將污染狀況最嚴(yán)重的評價(jià)指標(biāo)的水質(zhì)類別作為整個(gè)水體的評價(jià)結(jié)果，突出超標(biāo)最嚴(yán)重的評價(jià)指標(biāo)對水體質(zhì)量的決定性作用。而模糊綜合評價(jià)法則充分考慮各評價(jià)因子對綜合評價(jià)結(jié)果的貢獻(xiàn)，同時(shí)把貢獻(xiàn)按權(quán)重進(jìn)行分配，評價(jià)結(jié)果是各個(gè)評價(jià)指標(biāo)的綜合作用[6]。

3 結(jié)論

從模糊綜合評價(jià)法與單因子指數(shù)評價(jià)法的計(jì)算過程及評價(jià)結(jié)果來看，單因子指數(shù)評價(jià)法計(jì)算簡單，方便快捷，但評價(jià)結(jié)果與所選評價(jià)因子中污染最為嚴(yán)重的因子有關(guān)，體現(xiàn)單因子否決權(quán)，對于參評因子中個(gè)別評價(jià)因子嚴(yán)重超標(biāo)，以致影響水環(huán)境質(zhì)量時(shí)比較適用。模糊綜合評價(jià)法計(jì)算比較復(fù)雜，操作相對困難，但該方法能很好的體現(xiàn)各個(gè)評價(jià)因子對水質(zhì)的綜合影響，使水體水質(zhì)的評價(jià)結(jié)果更為準(zhǔn)確合理，適用于各評價(jià)因子超標(biāo)接近的情況。

使用模糊綜合評價(jià)法和單因子指數(shù)評價(jià)法對2012年5～10月凡河榛子嶺水庫上游3個(gè)監(jiān)測斷面的水質(zhì)進(jìn)行綜合評價(jià)，評價(jià)結(jié)果存在較大差異，采用模糊綜合評價(jià)法評價(jià)得到的水質(zhì)評價(jià)結(jié)果相對較好。采用模糊綜合評價(jià)法得出的綜合評價(jià)結(jié)果僅6月的楊墳溝、岱海寨斷面及9月的楊墳溝斷面的水質(zhì)為Ⅴ類，其他月份各監(jiān)測斷面的水質(zhì)均符合《遼寧省水環(huán)境功能區(qū)劃》Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。而采用單因子指數(shù)評價(jià)法的評價(jià)結(jié)果僅9月份的楊墳溝斷面的水質(zhì)達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)，其余各月三個(gè)斷面監(jiān)測的水質(zhì)均超出Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。因此，在水質(zhì)評價(jià)中，應(yīng)根據(jù)評價(jià)目的合理選擇水質(zhì)評價(jià)方法，使水質(zhì)評價(jià)結(jié)果更為準(zhǔn)確。

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