模糊綜合評價法在水質(zhì)評價作業(yè)中的應(yīng)用——以澤曲河為例

李秀娟 申志新 李柯懋

（1青海省漁業(yè)環(huán)境監(jiān)測站 青海西寧 810012 2青海省高原水生生物及生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青海西寧 810012）

1 澤曲河基本情況

澤曲河位于青海省黃南藏族自治州境內(nèi)，為黃河右岸一級支流。通過對澤曲河水質(zhì)評價，可以了解和掌握水質(zhì)變化趨勢，準(zhǔn)確反映水體污染狀況和程度，為水資源利用、保護(hù)、規(guī)劃和管理提供科學(xué)依據(jù)。

2 水質(zhì)評價

2.1 水質(zhì)監(jiān)測

本文評價分析的數(shù)據(jù)以青海省漁業(yè)環(huán)境監(jiān)測站6年來對河南縣澤曲河監(jiān)測的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，設(shè)立監(jiān)測斷面4個，分別設(shè)在澤曲河優(yōu)干寧橋、澤曲河尕麻溝、澤曲河尕孔電站庫區(qū)、澤曲河尕孔電站尾水，監(jiān)測頻次為每年兩次，年評價數(shù)據(jù)采用兩次測定值的平均值，分析項(xiàng)目包括《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）所規(guī)定的地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項(xiàng)目：pH值、溶解氧、總氮、總磷、非離子氨、石油類、揮發(fā)酚、高錳酸鹽指數(shù)、銅、鋅、鉛、鎘、汞、砷、氨氮、六價鉻。

2.2 評價因子的選取

評價時選用的參數(shù)越多,越能反映環(huán)境的綜合質(zhì)量,但工作量和經(jīng)費(fèi)也隨之增加。因此,選擇參數(shù)多少,除了視評價目的和監(jiān)測條件外，要考慮評價對象的污染性質(zhì)、污染類型和環(huán)境條件等因素。此外，還要考慮選擇參數(shù)的針對性和監(jiān)測資料的代表性，因此,結(jié)合本地區(qū)水質(zhì)特點(diǎn)和環(huán)境監(jiān)測工作情況選取溶解氧、總磷、總氮、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、銅、六價鉻等7項(xiàng)指標(biāo)作為評價指標(biāo)。

3 模糊綜合評價模型的建立

3.1 建立評價因子集

在水質(zhì)監(jiān)測的若干監(jiān)測指標(biāo)中根據(jù)一定的原則，選擇若干個指標(biāo)作為評價因子,建立因子集。設(shè)評價因子集中共設(shè)置m個評價因子,所選中的評價因子為Xi,則建立的評價因子集U滿足:U={X1,X2,X3,…，Xm}

3.2 建立評價集

根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)中地表水水域功能和保護(hù)目標(biāo),將地表水水質(zhì)分成了五類,故確定評價集為:V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}

3.3 建立模糊關(guān)系矩陣[R]

假設(shè)參與水質(zhì)評價的評價因子有m個,水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)由n個級別組成。由于水質(zhì)污染程度和水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)都是模糊的,故用隸屬度來刻畫分級界限比較合理。設(shè)rij表示第i種污染物的環(huán)境質(zhì)量數(shù)值可以被評價為第j類環(huán)境質(zhì)量的可能性(即i對j的隸屬度,它們的關(guān)系即為隸屬函數(shù)),這樣就構(gòu)成了水質(zhì)評價因子與水質(zhì)類別的模糊關(guān)系矩陣[R]。

式中m：代表評價因子數(shù)i=1,2,…m;n:代表水質(zhì)類別即j=1,2,3,4,5。

隸屬度可以通過對隸屬函數(shù)的計(jì)算來確定,隸屬函數(shù)一般采用降半梯形分布來描述。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002),對各水質(zhì)類別的隸屬度rij按下式計(jì)算:

式中sj為評價因子Xi的第j類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值;ci為評價的因子Xi的監(jiān)測值。

由于DO不是污染物，其濃度越大表明水質(zhì)越好，因此在運(yùn)用隸屬度函數(shù)求解DO隸屬度的時候，須將上式中的大于改為小于，小于改為大于。

3.4 權(quán)重向量的計(jì)算

權(quán)重是衡量評價因子集中某一因子對水質(zhì)污染程度影響相對大小的量,權(quán)重系數(shù)越大,則該因子對水質(zhì)的影響程度越大?？梢杂迷u價因子貢獻(xiàn)率的方法確定權(quán)重向量,通過計(jì)算超標(biāo)比來計(jì)算權(quán)重值。對于一般的偏小型分布指標(biāo),其計(jì)算式一般定義為:

式中Ii無量綱數(shù),表示某評價因子的實(shí)際監(jiān)測值相對于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)超標(biāo)的倍數(shù)；

Ci：評價因子Xi的監(jiān)測值；

Si：評價因子Xi各類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值的均值；

但是對于偏大型分布指標(biāo)如DO,其計(jì)算式應(yīng)為：

各項(xiàng)含義同上式。

當(dāng)每個評價指標(biāo)的超標(biāo)比都計(jì)算完之后，將其進(jìn)行歸一化處理，便能算出每個評價指標(biāo)的權(quán)重：

由此即得到了權(quán)重集:W={w1,w2...,wm}

3.5 建立模糊綜合評價模型

確定了模糊評價矩陣[R]和權(quán)重集W后,可以得到如下的模糊綜合評價模型:

建立了模糊綜合評價模型之后可以根據(jù)最大隸屬度原則,若bj=max(b1,b2,...,bn)則待評價對象的水質(zhì)級別應(yīng)該為第j類。

4 評價因子集和評價集的建立

根據(jù)澤曲河及其周邊的水環(huán)境條件，利用已有的監(jiān)測數(shù)據(jù)，選擇溶解氧（DO）、總磷（TP）、總氮（TN）、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(shù)(CODmn)、銅（Cu）、六價鉻（Cr6+）等7項(xiàng)代表性較強(qiáng)的指標(biāo)作為評價因子，即得到了評價因子集：

U=｛X1,X2,X3…,X8｝=｛DO、TP、TN、NH3-N、CODmn、Cu、Cr6+｝

依據(jù)（GB3838-2002）標(biāo)準(zhǔn)，地表水水質(zhì)分為5類水體，因此確定評價集為：V｛Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ｝評價中使用的各指標(biāo)為地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的最低限制，如表1所示。

表1 模糊綜合評價中各項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值 mg/L

4.1 模糊關(guān)系矩陣［R］的建立

研究所用數(shù)據(jù)是從2008年至2013年澤曲河的4個監(jiān)測斷面獲得，如表2所示：

表2 澤曲河水質(zhì)評價指標(biāo) mg/L

按3.3節(jié)描述的方法建立2006至2008年澤曲河的模糊關(guān)系矩陣：

4.2 權(quán)重值的計(jì)算

按3.4節(jié)描述的方法，根據(jù)各評價因子的超標(biāo)比可計(jì)算出每年的評價因子的權(quán)重值，進(jìn)行歸一化處理后所得結(jié)果如表3所示：

表3 評價因子權(quán)重值歸一化結(jié)果

4.3 水質(zhì)模糊綜合評價

將4.1節(jié)所得的各單因素模糊關(guān)系矩陣[R]和4.2節(jié)所得到的權(quán)重集W代入3.5節(jié)建立的模糊綜合評價模型中進(jìn)行計(jì)算，即可以得到模糊綜合評價集B。澤曲河2006至2013年的模糊綜合評價結(jié)果如表4所示。

表4 澤曲河2008 至2013 年模糊綜合評價結(jié)果

對澤曲河進(jìn)行模糊綜合評價的結(jié)果表明，2010年澤曲河水質(zhì)狀況較好，達(dá)到了Ⅰ級，2008年、2012年和2013年水質(zhì)狀況良好，水質(zhì)級別為Ⅱ級，2009年和2011年水質(zhì)狀況為Ⅲ級。在影響澤曲河的各指標(biāo)中，通過對權(quán)重的計(jì)算可以看出DO和TN對水質(zhì)的影響程度相對較大，2008-2013年兩個監(jiān)測項(xiàng)目的權(quán)重值分別為DO（0.258、0.214、0.192、0.246、0.213、0.223） 和TN（0.290、0.393、0.408、0.406、0.375、0.367），兩者的權(quán)重和2008年（55%）、2009年（61%）、2010年（60%）、2011年（65%）、2012年（59%）、2013年（59%）在6年中均超過了55%，DO和TN為影響澤曲河水質(zhì)的主要因子，這與澤曲河的水環(huán)境質(zhì)量狀況基本一致。

5 結(jié)語

模糊綜合評價模型克服了傳統(tǒng)的綜合評價模型的缺點(diǎn)，充分體現(xiàn)了其系統(tǒng)性和綜合性的特點(diǎn)。通過引入權(quán)重和隸屬度的概念，充分考慮了多個因子對水體的影響，在一定程度上避免了水質(zhì)污染程度的模糊性帶來的人為主觀判斷，能客觀全面的反映出多種因子復(fù)合影響下的水質(zhì)狀況，又能確定主要污染物和主要污染類型，為制定環(huán)保政策、項(xiàng)目開發(fā)和污染防治措施的制定提供了科學(xué)依據(jù)。

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