改進的模糊綜合評價法在長春市地下水水質(zhì)評價中的應(yīng)用

劉子劍，崔 斌，張 楠

(1.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，吉林長春 130021;2.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124;3.香港科技大學(xué)土木及環(huán)境工程學(xué)院，香港 999077)

改進的模糊綜合評價法在長春市地下水水質(zhì)評價中的應(yīng)用

劉子劍1，崔 斌2，張 楠3

(1.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，吉林長春 130021;2.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124;3.香港科技大學(xué)土木及環(huán)境工程學(xué)院，香港 999077)

采用改進的模糊數(shù)學(xué)綜合評價法對吉林省長春市東南部生態(tài)區(qū)和西南部工業(yè)區(qū)的地下水水質(zhì)進行評價。結(jié)果表明，長春市西南部工業(yè)區(qū)的地下水水質(zhì)為Ⅳ類，影響水質(zhì)的主要因素是重金屬離子，需要采取有效措施防止地下水污染;長春市東南部生態(tài)區(qū)的地下水水質(zhì)為Ⅱ類，綜合水質(zhì)優(yōu)于西南部工業(yè)區(qū)。

地下水;水質(zhì)評價;改進的模糊綜合評價法;長春市

地下水水質(zhì)狀況受多種因素的綜合影響，具有局部范圍的不穩(wěn)定性和不均勻性，因此難以依據(jù)單因子指數(shù)進行定性評價［1-2］。水質(zhì)類別具有漸變性、模糊性等特點，只根據(jù)某一項指標(biāo)的監(jiān)測結(jié)果往往不能做出準(zhǔn)確的評價［3］。模糊數(shù)學(xué)評價法是根據(jù)給出的評價標(biāo)準(zhǔn)和實測值，經(jīng)過模糊變換對事物做出評價的一種方法，因此可以用于解決模糊、不明確的環(huán)境評價問題［4］。

運用模糊數(shù)學(xué)綜合評價法將定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，可以充分表征各影響因子對總體水環(huán)境的影響程度［5-6］。然而，傳統(tǒng)的模糊評價法不能很好地解決評價因子與水質(zhì)等級間復(fù)雜的非線性關(guān)系，因為評價所用的效用函數(shù)和權(quán)重需要人為設(shè)計，這限制了評價模型的通用性，也影響了評價的最終結(jié)果［7-9］。對隸屬函數(shù)和分配權(quán)重的計算方式進行適當(dāng)改進，既可以刻畫界限的模糊性，又可較為準(zhǔn)確地反映出多污染因子對水質(zhì)的影響，更適合客觀地確定水質(zhì)級別［10］。筆者應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論，應(yīng)用改進的隸屬函數(shù)和權(quán)重計算方式，分別對受一汽工業(yè)區(qū)工業(yè)活動影響的長春市西南部工業(yè)區(qū)(以下簡稱西南部工業(yè)區(qū) 和長春市東南部凈月潭國家森林公園周邊區(qū)域(以下簡稱東南部生態(tài)區(qū))地下水水質(zhì)的各項監(jiān)測指標(biāo)值進行合成計算，以期得到相應(yīng)的水質(zhì)綜合評價級別。

1 改進的模糊數(shù)學(xué)綜合評價模型

1.1 計算評價因子的隸屬度并建立模糊關(guān)系矩陣

在水質(zhì)評價中，為了突出某一質(zhì)量濃度較高的污染物對水質(zhì)的影響，一般采用Nemerow法對各監(jiān)測點的污染物質(zhì)量濃度進行計算，所得的污染物質(zhì)量濃度值能夠較好地體現(xiàn)系列水樣中某監(jiān)測指標(biāo)的整體情況［11］。污染物質(zhì)量濃度計算公式為

式中:ρi為污染物質(zhì)量濃度，mg/L;ρmax為各監(jiān)測點污染物質(zhì)量濃度最大值，mg/L;ˉρ為各監(jiān)測點污染物質(zhì)量濃度平均值，mg/L。

各項評價因子對水質(zhì)評價集的隸屬度，可以通過對該因子質(zhì)量濃度的分級代表值eij建立隸屬函數(shù)的方式得到［12-14］:

式中:rij為評價因子i對于j類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度;eij為評價因子質(zhì)量濃度的分級代表值，其確定方式是:ei1取水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)第一類的值，ei2取水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)第一類和第二類的平均值，eij取水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)最高限值。

將各項評價因子對水質(zhì)評價集的隸屬度排列成i×j階矩陣，可以得到相應(yīng)的隸屬度 R［15］:

1.2 計算評價因子的權(quán)重

地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)共分為5類，選取參與評價的因子質(zhì)量濃度基點值si為中間類別的標(biāo)準(zhǔn)限值(或中間兩類別限值的均值)，作為權(quán)重向量的參考因子?？紤]到每個參與評價的因子對水質(zhì)影響的貢獻(xiàn)率不同，需要對每個參與評價的因子賦予不同的權(quán)重，組成評價因子的權(quán)重向量W:

1.3 綜合評判

將所求得的權(quán)重向量與隸屬度進行復(fù)合計算，得到綜合評判結(jié)果Y，即，

2 實例分析

2.1 計算隸屬度并建立模糊關(guān)系矩陣

分別在西南部工業(yè)區(qū)和東南部生態(tài)區(qū)選取8個典型地下水水質(zhì)監(jiān)測點，在平水期監(jiān)測其常規(guī)監(jiān)測指標(biāo)質(zhì)量濃度，監(jiān)測結(jié)果見表1。

由不同區(qū)域污染物的實測質(zhì)量濃度值，同時依據(jù)GB/T14848—1993《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》對地下水水質(zhì)的劃分，可計算各種污染因子質(zhì)量濃度的分級代表值和基點值，計算結(jié)果見表2。

表1 不同區(qū)域的地下水常規(guī)監(jiān)測指標(biāo)實測質(zhì)量濃度值 mg/L

表2 污染因子質(zhì)量濃度分級代表值、綜合實測值和基點值 mg/L

根據(jù)隸屬函數(shù)和表2的相關(guān)數(shù)據(jù)，計算單因子指標(biāo)對各級水質(zhì)的隸屬度，并建立模糊關(guān)系矩陣:

下標(biāo)A、B分別代表東南部生態(tài)區(qū)和西南部工業(yè)區(qū)，以下同。某一監(jiān)測指標(biāo)按不同水質(zhì)級別劃分出現(xiàn)相同分界限值時，其分級代表值和隸屬度的計算暫按最優(yōu)水質(zhì)級別認(rèn)定。

2.2 確定評價因子的權(quán)重

參考東南部生態(tài)區(qū)和西南部工業(yè)區(qū)監(jiān)測指標(biāo)綜合實測質(zhì)量濃度值和評價因子基點值，可分別計算得到東南部生態(tài)區(qū)和西南部工業(yè)區(qū)評價因子的權(quán)重向量:

2.3 綜合評判

將歸一化處理后得到的權(quán)重向量與模糊關(guān)系矩陣進行復(fù)合運算，得到相應(yīng)的綜合評判結(jié)果:

由此得到東南部生態(tài)區(qū)和西南部工業(yè)區(qū)的地下水水質(zhì)評價結(jié)果分別為Ⅱ類和Ⅳ類。

3 結(jié)果與討論

分別采用內(nèi)梅羅單因子指數(shù)評價法、模糊綜合評價法和改進的模糊綜合評價法對吉林省長春市東南部生態(tài)區(qū)和西南部工業(yè)區(qū)的地下水進行各監(jiān)測項目水質(zhì)的綜合評價，評價結(jié)果見表3。

由表3可知，相比內(nèi)梅羅單因子指數(shù)評價法，利用模糊綜合評價法評價各監(jiān)測項目的水質(zhì)級別，評價結(jié)果較為穩(wěn)定，表明模糊綜合評價法可以較為充分地表征各污染因子對總體水環(huán)境的作用，能客觀地表征水質(zhì)的總體污染程度。而相比傳統(tǒng)的模糊綜合評價法，利用改進的模糊綜合評價法評價地下水水質(zhì)，各項影響因子的水質(zhì)級別相差較小，表明改進的模糊綜合評價法使得各影響因子之間的關(guān)聯(lián)程度明顯加大，頻率的累積使最終的綜合評價結(jié)果更加受制于各影響因子的整體影響，在緊密聯(lián)系各影響因子的同時，又不會因某一單個影響因子的過大浮動而對水質(zhì)評價級別產(chǎn)生明顯的干擾，從而使評價的結(jié)果能夠更真實地反映當(dāng)?shù)氐乃|(zhì)情況。

在改進的模糊綜合評價法中，權(quán)重的確定以GB/T14848—93《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》為依托，將權(quán)重值wj的確定隱含在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，利用標(biāo)準(zhǔn)中間限值，充分考慮不同影響因子的水質(zhì)級別分級跨度情況，更好地表征了標(biāo)準(zhǔn)值越大污染物污染度越小這一客觀事實，較為合理地分配了各影響因子在水質(zhì)綜合評價中所占的權(quán)重。同時，通過引入分級代表值，較好地體現(xiàn)了同一影響因子不同水質(zhì)分類級別間分級限的相互倍數(shù)關(guān)系，使綜合評判結(jié)果時更為穩(wěn)定、科學(xué)。

表3 不同區(qū)域不同評價方法的水質(zhì)評價類別結(jié)果

4 結(jié)論

采用改進的模糊綜合評價法對吉林省長春市西南部工業(yè)區(qū)和東南部生態(tài)區(qū)的地下水水質(zhì)進行評價，結(jié)果顯示:西南部工業(yè)區(qū)的地下水水質(zhì)為Ⅳ類，造成該區(qū)域水質(zhì)級別較低的主要原因是水體中重金屬濃度偏高，需要采取有效措施控制該地區(qū)的水體污染;東南部生態(tài)區(qū)的地下水水質(zhì)為Ⅱ類，綜合水質(zhì)優(yōu)于西南部工業(yè)區(qū)。

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Application of improved fuzzy mathematical comprehensive evaluation method to evaluation of groundwater quality in Changchun City

LIU Zijian1，CUI Bin2，ZHANG Nan3
(1.College of Environment and Resources，Jilin University，Changchun 130021，China;2.College of Environmental and Energy Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China;3.Department of Civil and Environmental Engineering，Hongkong University of Science and Technology，Hongkong 999077，China)

An improved fuzzy mathematical comprehensive evaluation method was used to evaluate the groundwater quality in the southeastern ecological region and the southwestern industrial region of Changchun City，in Jilin Province.The results show that the groundwater quality in the southwestern industrial region of Changchun City reached the grade IV level，and the main factors influencing the water quality were heavy metal ions.Therefore，effective measures should be taken to prevent groundwater pollution in this region.In addition，the groundwater quality in the southeastern ecological region of Changchun City reached the gradeⅡ level，superior to that of the southwestern industrial region.

groundwater;water quality evaluation;improved fuzzy mathematical eomprehensive evaluation method;Changchun City

X824

A

1004-6933(2014)06-0040-04

10.3969/j.issn.1004-6933.2014.06.008

劉子劍(1991—)，男，碩士研究生，研究方向為水處理技術(shù)。E-mail:lzj1991@sohu.com

2014-06-18 編輯:彭桃英)