基于模糊數(shù)學(xué)的金波湖水質(zhì)評(píng)價(jià)

賈濤++劉鵬++吳瑜

摘 要：本文運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)金波湖的水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅳ類水，符合對(duì)景觀水面水質(zhì)的要求，但在北部局部地區(qū)湖水污染較為嚴(yán)重，為Ⅴ類水，水質(zhì)較差。金波湖作為寧夏大學(xué)的觀賞湖，是寧夏大學(xué)師生最喜愛的休閑觀光場(chǎng)所之一，其水質(zhì)狀況對(duì)寧夏大學(xué)師生的生活環(huán)境有重要影響。通過分析水質(zhì)狀況能為金波湖水質(zhì)評(píng)價(jià)以及水質(zhì)治理提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：模糊數(shù)學(xué) 水質(zhì)評(píng)價(jià) 金波湖

中圖分類號(hào)：F406.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）09（c）-0105-03

Abstract： This paper uses fuzzy mathematics method assessing the water quality of Jinbo Lake， and the results is Ⅳ which illustrated the water of Jinbo Lake met the requirements of landscape water quality. But in the northern part of Lake， the water pollution is serious. Jinbo Lake plays a important role in Ningxia University， is one of the teachers and students of Ningxia University's favorite leisure sightseeing places， Jinbo Lake have an important impact of the living environment of the teachers and students of Ningxia University. The analysis of water quality can provide a theoretical basis and scientific basis for water quality evaluation and water quality control of Jinbo Lake.

Key Words： Fuzzy mathematics； Water quality assessment； Jinbo Lake

湖泊水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)是水資源保護(hù)和環(huán)境治理的重要前提，通過對(duì)水質(zhì)狀況進(jìn)行合理評(píng)價(jià)，制定科學(xué)的治理方案，才能采取有效的防治措施，即湖泊水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果會(huì)對(duì)決策產(chǎn)生重要影響[1]。模糊數(shù)學(xué)是目前水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)中較常用的方法，有人為影響小、評(píng)價(jià)結(jié)果客觀、合理的優(yōu)點(diǎn)[2]。程萬里等[3]、劉春鳳等[4]、楊林等[5]運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)分別對(duì)黃河三門峽河段、香溪河流域和湟水流域的水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。由此可見，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)湖泊河流水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)是可行的。本文將這一方法應(yīng)用到金波湖的水質(zhì)評(píng)價(jià)中，為金波湖的水質(zhì)防治提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

銀川市位于我國西北地區(qū)，海拔1010～1150m，夏季酷熱，冬季寒冷，氣候干燥，為典型的干旱氣候區(qū)，年均氣溫8.5℃，年均降水量200mm，年均蒸發(fā)量1600mm。金波湖位于銀川市西夏區(qū)寧夏大學(xué)懷遠(yuǎn)校區(qū)內(nèi)，湖東面、南面和北面校內(nèi)景觀綠化帶，西面挨著凌云路和凌云廣場(chǎng)。金波湖是一個(gè)自然形成后人工改造而成的景觀湖，只有進(jìn)水口，沒有出水口，其補(bǔ)水水源包括農(nóng)田退水、自來水補(bǔ)給，周邊無工業(yè)污染源與農(nóng)業(yè)污染源，取樣時(shí)水深約1.5m。本文將溶解氧（DO）、總氮（TN）、總磷（TP）、化學(xué)需氧量（CODcr）作為湖泊水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中溶解氧、總氮、總磷、化學(xué)需氧量分別采用碘量法、堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法、鉬酸銨分光光度法和重鉻酸鉀法測(cè)定。

2 模糊綜合評(píng)價(jià)

2.1 建立因子集

參照國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002），結(jié)合銀川市實(shí)際情況和監(jiān)測(cè)條件，選擇溶解氧（DO）、總氮（TN）、總磷（TP）、化學(xué)需氧量（CODcr）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，即U={DO，TN，TP，CODcr}。金波湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)和監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1。

2.2 建立評(píng)價(jià)集

參照國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838-88），將地表水按照水質(zhì)依次劃分為優(yōu)、良、中、差、劣五級(jí)，其相應(yīng)的污染程度分別為未污染、輕度污染、中度污染、重度污染和嚴(yán)重污染五級(jí)。評(píng)價(jià)集V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。國家地表水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

2.3 建立模糊矩陣

隸屬函數(shù)是模糊綜合評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容，直接影響其評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文中隸屬度用來描述水質(zhì)狀況的模糊界線。將國家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值作為各個(gè)隸屬度函數(shù)的分界點(diǎn)，用分段函數(shù)模擬，可得水質(zhì)狀況的隸屬度函數(shù)[6]。一般來說，水質(zhì)狀況的隸屬度函數(shù)可用以下3個(gè)分段函數(shù)表示。某各評(píng)價(jià)因子對(duì)Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類水體質(zhì)量的隸屬度函數(shù)分別為：

Ⅰ類隸屬函數(shù)：

Ⅱ類-Ⅳ類隸屬函數(shù)：

Ⅴ類隸屬函數(shù)：

式中：xi為評(píng)價(jià)因子的實(shí)測(cè)值；ai，bi，ci分別為該評(píng)價(jià)因子對(duì)應(yīng)于Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類水體質(zhì)量狀況的標(biāo)準(zhǔn)值。將各指標(biāo)的實(shí)測(cè)值按要求代入到隸屬函數(shù)中，計(jì)算各等級(jí)的隸屬度，得到U和V之間的模糊關(guān)系矩陣R[7]。通過計(jì)算得到R結(jié)果為：

2.4 確定指標(biāo)權(quán)重集合

由于評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)環(huán)境的影響存在差異，導(dǎo)致其所占權(quán)重不同。本文采用水質(zhì)各評(píng)價(jià)因子的實(shí)測(cè)濃度與其相應(yīng)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的比值來計(jì)算權(quán)重[8]。計(jì)算公式如下：

式中：wi為第i個(gè)因子的權(quán)重；ci為該項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值；ai為各項(xiàng)水質(zhì)準(zhǔn)值的平均值，ai=（1a+2a+3a+4a+5a）/5。計(jì)算得到各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重分配矩陣A為：endprint

A=（0.19，0.42，0.17，0.22）

2.5 確定模糊綜合評(píng)判矩陣

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的運(yùn)算方法進(jìn)行計(jì)算，得到模糊綜合評(píng)價(jià)向量，依照最大隸屬度原則，選擇最大值為水質(zhì)評(píng)價(jià)的依據(jù)。模糊綜合計(jì)算方法如下：

B=A·R=（0.038，0.152，0.39，0.252，0.168）

評(píng)價(jià)結(jié)果表明，金波湖1號(hào)水樣在4種指標(biāo)的共同作用下，其隸屬于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ類水的程度分別為0.038、0.152、0.39、0.252和0.168。依照最大隸屬原則，金波湖1號(hào)取樣點(diǎn)水質(zhì)為Ⅲ類，同理可以對(duì)另外5個(gè)樣品點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，2號(hào)水樣屬于Ⅴ類水，3號(hào)水樣屬于Ⅲ類水，4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)水樣均為Ⅳ類，通過統(tǒng)計(jì)分析，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類樣品數(shù)分別占33.3%、50%和16.7%，綜合評(píng)價(jià)金波湖水質(zhì)為Ⅳ類。

3 結(jié)語

綜合各項(xiàng)指標(biāo)，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)方法評(píng)價(jià)金波湖的水質(zhì)狀況，結(jié)果為Ⅳ類水，主要影響因子是總氮，水體總營養(yǎng)元素較多。2號(hào)取樣點(diǎn)樣接近進(jìn)水口，水質(zhì)為Ⅴ類，由此可見，金波湖的水質(zhì)不好最主要的原因是補(bǔ)水水質(zhì)較差，但湖水的凈化能力較強(qiáng)。營養(yǎng)元素是金波湖治理的主要方向，特別是進(jìn)水渠道。水質(zhì)評(píng)價(jià)是金波湖生態(tài)治理的前提和基礎(chǔ)，為開展金波湖水環(huán)境生態(tài)治理提供了依據(jù)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)作用。

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