基于模糊綜合法和海明距離模糊法的水質(zhì)評價
——以海河天津段為例

楊 帥，孫力平，鐘 遠(yuǎn)

(天津城建大學(xué)a. 環(huán)境與市政工程學(xué)院；b. 天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，天津 300384)

基于模糊綜合法和海明距離模糊法的水質(zhì)評價
——以海河天津段為例

楊 帥a,b，孫力平a,b，鐘 遠(yuǎn)a,b

(天津城建大學(xué)a. 環(huán)境與市政工程學(xué)院；b. 天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，天津 300384)

根據(jù)葉綠素a(Chl.a)和總磷(TP)等水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測值，采用模糊綜合法和海明距離模糊法對海河天津段水質(zhì)進(jìn)行了富營養(yǎng)化評價．模糊綜合法是通過建立模糊矩陣和權(quán)向量，利用最大隸屬原則進(jìn)行評價，突出了主要因子對富營養(yǎng)化的影響；海明距離模糊法是通過構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化矩陣和權(quán)向量，并綜合考慮各評價指標(biāo)的貢獻(xiàn)率，利用最小海明距離原則進(jìn)行評價，具有很高的分辨率．評價結(jié)果表明：前者最大隸屬值均值為0.522，屬于輕富營養(yǎng)狀態(tài)，偏向于中富營養(yǎng)狀態(tài)；后者最小海明距離值(D)均值為0.092,5，屬于輕富營養(yǎng)狀態(tài)；后者更適合于評價海河天津段水質(zhì)．

海河天津段水質(zhì)；模糊綜合法；海明距離模糊法；富營養(yǎng)化

綜合水質(zhì)的合理評價是水環(huán)境治理的基礎(chǔ)性工作．目前，最常用的方法包括單因子指數(shù)評價法、綜合指數(shù)評價法[1]、模糊綜合評價法[2-4]和灰色聚類評價法[5]等．水體污染程度與水質(zhì)等級間存在一定的模糊性[6]．模糊評價法可以將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，從而更加客觀、準(zhǔn)確地反映水質(zhì)狀況與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)間的關(guān)系[7]．海明距離模糊法較為簡捷，且有很好的實用性和分辨率[8]．當(dāng)水質(zhì)處于同一級別時，量化的最小海明距離值(D)可以表征水污染程度的大?。謩e采用模糊綜合法和海明距離模糊法對海河天津段水質(zhì)進(jìn)行富營養(yǎng)化評價，并通過對比評價結(jié)果，嘗試確定一種適用于評價海河水質(zhì)富營養(yǎng)化程度的方法．

1 實驗區(qū)概況與研究方法

海河全長70多km，向東流至大沽口入海，是天津市最重要的河流．海河在市區(qū)段水質(zhì)的好壞直接關(guān)系到人們的正常生活和市區(qū)的景觀．

通過近幾年對海河天津段水質(zhì)的觀察，在每年9月水質(zhì)嚴(yán)重惡化，水華大面積暴發(fā)，所以在9月共監(jiān)測5次，取平均值進(jìn)行評價．根據(jù)監(jiān)測區(qū)域的特點，分別在金鋼橋(1#)和金湯橋(2#)處設(shè)置采樣點，選取葉綠素a(Chl.a)、總磷(TP)、總氮(TN)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)和透明度(SD)作為富營養(yǎng)化評價指標(biāo)，測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[9]．各監(jiān)測點的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1；9月平均值見表2；CODMn、TP和TN的地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)見表3．

由表2和表3可知：兩監(jiān)測點TP均值為0.155，處于III類水；TN均值為4.380，處于劣V類水；CODMn均值為5.105，處于III類水，但已接近IV類水．參照國際經(jīng)合組織(OECD)所規(guī)定的關(guān)于評定湖泊營養(yǎng)狀態(tài)的葉綠素a劃分標(biāo)準(zhǔn)，≥78,μg/L為重富營養(yǎng)型，11～78,μg/L為富營養(yǎng)型，3～11,μg/L為中營養(yǎng)型，≤3,μg/L為貧營養(yǎng)型．海河天津段在每年9月處在富營養(yǎng)化狀態(tài)，是夏季較高的水溫促進(jìn)了藻類生長，這與趙超等[10]關(guān)于銀湖的研究所得結(jié)論基本一致．受居民生活垃圾、工業(yè)廢水及農(nóng)業(yè)灌溉水徑流的影響，南運河污染嚴(yán)重，而南運河又是海河的上游河流，這是該河段富營養(yǎng)化程度嚴(yán)重的一個重要原因．

表1 海河水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)

表2 海河水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)平均值

表3 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

2 基于模糊綜合法的富營養(yǎng)化評價

模糊綜合評價法的基本步驟如下．

(1)確定評價因素集xi(i＝1，2，3，…，n)和評價集Y(I，II，III，IV，V)，xi為表1中評價指標(biāo)，I-V分別對應(yīng)極貧營養(yǎng)、貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)、輕富營養(yǎng)和重富營養(yǎng)．根據(jù)金相燦[11]的研究結(jié)果和國內(nèi)部分湖泊水庫評價標(biāo)準(zhǔn)，富營養(yǎng)化水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)見表4．

表4 富營養(yǎng)化水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合表2和表4可以看出：各監(jiān)測點的Chl.a、TP和SD均處于輕富營養(yǎng)狀態(tài)，1#和2#監(jiān)測點的TN分別處于重富營養(yǎng)狀態(tài)和輕富營養(yǎng)狀態(tài)，兩監(jiān)測點的COD處于中富營養(yǎng)狀態(tài)．

(2)采用模糊分布法，構(gòu)造各單項指標(biāo)對各評價等級的隸屬度函數(shù)．

(3)根據(jù)表2、表4和隸屬度函數(shù)，建立模糊關(guān)系矩陣R．

(4)采用加權(quán)法計算模糊權(quán)重向量W(W1，W2，…，Wn)

其中，Ci為評價因子i的監(jiān)測濃度值；Si為評價因子i各級評價標(biāo)準(zhǔn)值．

(5)模糊矩陣B＝W☉R，其中“☉”表示模糊矩陣合成算子，將B歸一化得到B*．

按照以上方法，模糊關(guān)系矩陣R如下；評價因子權(quán)重見表5；模糊綜合評價結(jié)果見表6．

由R1#和R2#可以看出：兩監(jiān)測點的Chl.a和TP在第III級的隸屬度大于第IV級；TN在第IV級的隸屬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他等級；COD在第III級的隸屬度大于第II級；SD在第IV級的隸屬度大于第III級．可見，TN在水質(zhì)評價過程中的貢獻(xiàn)值較大．

表5 兩監(jiān)測點的評價因子權(quán)重

表6 模糊綜合評價結(jié)果

根據(jù)最大隸屬原則，由表6可以看出：1#和2#監(jiān)測點的最大隸屬值分別為0.555和0.489，富營養(yǎng)化程度分別屬于輕富營養(yǎng)和中營養(yǎng)，但2#監(jiān)測點的隸屬度值與輕富營養(yǎng)的隸屬度值只差0.002，說明2#監(jiān)測點趨于輕富營養(yǎng)，海河天津段總體呈輕富營養(yǎng)狀態(tài)．與應(yīng)用地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)所得出的海河天津段處于III類水，并接近IV類水的評價結(jié)果相比，二者具有很好的吻合度；該方法所得結(jié)果充分考慮了水質(zhì)評價中的模糊特征，克服了單因子評價法只考慮污染最突出的因子和水質(zhì)最差的單項指標(biāo)的缺點，具有很好的整體性和客觀性．所以應(yīng)用模糊綜合法對該河段進(jìn)行水質(zhì)評價是可行的．

3 基于海明距離模糊法的富營養(yǎng)化評價

海明距離模糊法的基本步驟如下．

(1)確定實測指標(biāo)矩陣Cn×m和評價標(biāo)準(zhǔn)矩陣St×m，其中：n為評價樣本數(shù)；m為評價指標(biāo)數(shù)；t為評價標(biāo)準(zhǔn)級別．

(2)應(yīng)用公式(1)和(2)分別將矩陣Cn×m和St×m轉(zhuǎn)化為矩陣Fn×m和Et×m，其中：S1i、Shi和Sti分別為第i個評價指標(biāo)的1、h和t級標(biāo)準(zhǔn)值；規(guī)定1級和t級城市景觀水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)濃度的隸屬度值分別為0和1．

(3)設(shè)各評價項目的權(quán)重分別為w1，w2，…，wm，則

式中：Ci為第i種評價因子的濃度實測值；Csi為第i種評價因子的各級濃度標(biāo)準(zhǔn)值的算術(shù)平均值；Fji為第i種評價因子第j級的標(biāo)準(zhǔn)值；t為所分級數(shù)．

按照上式，矩陣Fn×m和Et×m的計算結(jié)果如下

歸一化權(quán)重矩陣W

水質(zhì)評價結(jié)果見表7．

表7 海明距離模糊法分級結(jié)果

由表7可以看出：1#和2#監(jiān)測點的D值分別為0.093和0.092，相差僅0.001，說明兩監(jiān)測點水質(zhì)污染程度基本一致，富營養(yǎng)化程度均為輕富營養(yǎng)，與應(yīng)用地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)所得評價結(jié)果具有很好的一致性．所以，應(yīng)用海明距離模糊法對該河段進(jìn)行水質(zhì)評價也是可行的．

4 兩種方法的對比分析

模糊綜合法在第Ⅲ和第Ⅳ級的隸屬度比較接近，兩監(jiān)測點處于不同的營養(yǎng)狀態(tài)，整體屬于第Ⅳ類，但很接近第Ⅲ類．這是因為模糊綜合法采用最大隸屬原則，突出了主要影響因子的作用，信息丟失量較大．雖然模糊矩陣中大部分指標(biāo)處于第Ⅲ類，但TN在第Ⅳ級的隸屬度相對較大，在TN的影響下，評價結(jié)果會向第Ⅳ類“偏移”，所以使得整體評價結(jié)果為輕富營養(yǎng)化狀態(tài)．

海明距離模糊法所得兩監(jiān)測點的D值明顯小于其他組別的海明距離，屬于第Ⅳ類．這是因為海明距離模糊法綜合考慮了所有評價因子的貢獻(xiàn)率，信息利用率較高，且能通過D值的大小表征同一營養(yǎng)狀態(tài)下污染程度的大?。捎诟髦笜?biāo)大部分處于第Ⅳ級，所以評價結(jié)果為輕度富營養(yǎng)化狀態(tài)．

由兩種方法的計算過程可以看出，隸屬函數(shù)和權(quán)重的確定對評價結(jié)果有很大影響．因此，從隸屬函數(shù)和權(quán)重兩方面來優(yōu)化模糊綜合法和海明距離模糊法還有待進(jìn)一步研究．

5 結(jié) 論

(1)模糊綜合法突出了主要因子對富營養(yǎng)化的影響，但信息丟失量較大；海明距離模糊法綜合考慮了各評價指標(biāo)的貢獻(xiàn)率，具有很高的分辨率．兩種評價方法均考慮了水體水質(zhì)評價的模糊性，評價結(jié)果具有客觀性和可靠性．

(2)模糊綜合法的評價結(jié)果為輕富營養(yǎng)狀態(tài)，但接近中度富營養(yǎng)化狀態(tài)；海明距離模糊法的評價結(jié)果屬于輕富營養(yǎng)．

(3)海明距離模糊法比模糊綜合法更適合于評價海河天津段的水質(zhì)情況，評價結(jié)果較為可靠．

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（編輯校對：胡玲玲）

Water Quality Assessment of Haihe River in Tianjin Based on Fuzzy Comprehensive Method and Hamming Distance Fuzzy Method

YANG Shuaia,b，SUN Li-pinga,b，ZHONG Yuana,b
(a. School of Environmental and Municipal Engineering；b. Tianjin Key Laboratory of Aquatic Science and Technology，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China)

According to the monitoring value of water quality indicators such as Chl.a and TP, the eutrophication level of the water quality of Haihe River in Tianjin was assessed using fuzzy comprehensive method and hamming distance fuzzy method. Through building fuzzy matrix and fuzzy vector, the fuzzy comprehensive method made assessment by using maximum subordinate principle, giving prominence to the impact of the chief factor on eutrophication. The hamming distance fuzzy method made assessment according to minimum hamming distance principle by building standard matrix and weight vector and by considering the rate of contribution of each evaluation index, having high resolution ratio. The assessment results showed that the former average of maximum subordinate value was 0.522, and the water was at mildly eutrophication level and on the verge of moderate eutrophication level; the latter average of minimum hamming distance value (D) was 0.092 5, and the water was at mild eutrophication level. The latter was more suitable to assess the eutrophication level of Haihe River in Tianjin.

water quality of Haihe River in Tianjin；fuzzy comprehensive method；hamming distance fuzzy method；eutrophication

X824

A

2095-719X(2014)05-0337-05

2014-09-01；

2014-10-17

國家科技重大專項水專項(2012ZX07308-002)

楊 帥（1989—），男，河北唐山人，天津城建大學(xué)碩士生．