基于可拓學(xué)的護(hù)城河水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

楊婷 高軍省

摘 要：針對(duì)護(hù)城河的水環(huán)境質(zhì)量問題，以CODMn、氨氮、TN、TP、NO3-N為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用可拓學(xué)物元分析方法，研究了荊州護(hù)城河的水環(huán)境質(zhì)量狀況。結(jié)果表明，與水質(zhì)單指標(biāo)評(píng)價(jià)比較，得出影響荊州護(hù)城河水質(zhì)類別的主要因子為：TN、CODMn、氨氮、TP和NO3-N。對(duì)溶解氧的參數(shù)做了敏感性分析，表明溶解氧參數(shù)在本例中不敏感。

關(guān)鍵詞：水環(huán)境質(zhì)量；護(hù)城河；可拓學(xué)；敏感性分析

中圖分類號(hào)：X824 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）33-0065-03

Abstract： Aiming at the problem of water environment quality in Jingzhou Moat， taking CODMn， NH3-N， TN， TP and NO3-N as evaluation indexes and adopting the method of extension matter-element analysis， the water environment quality status of Jingzhou Moat was studied. The results show that the main factors affecting the water quality of Jingzhou Moat are： TN， CODMn， NH3-N， TP and NO3-N， compared with the evaluation of single index of water quality. The sensitivity analysis of the dissolved oxygen parameters shows that the dissolved oxygen parameters are insensitive in this case.

Keywords： water environmental quality； moat； extenics； sensitivity analysis

1 概述

中國很多城市都有護(hù)城河。在不同的年代，護(hù)城河起到了不同的作用。古代，護(hù)城河主要是防御作用，隨著社會(huì)的發(fā)展，這一作用慢慢退化?，F(xiàn)如今，護(hù)城河不僅具有景觀功能，還可以作為一個(gè)城市的形象，不少擁有護(hù)城河的城市都是旅游圣地。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，污水排放量快速增加，致使護(hù)城河水質(zhì)惡化[1]，進(jìn)而破壞了整個(gè)城市的生態(tài)系統(tǒng)。因此，為了加強(qiáng)水污染防治工作，改善城市水環(huán)境質(zhì)量，對(duì)于護(hù)城河水環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)刻不容緩。

針對(duì)水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的問題，國內(nèi)外不少學(xué)者都對(duì)其進(jìn)行了探究。如王鐵良等[2]利用模糊綜合評(píng)價(jià)法確定了遼寧省雙臺(tái)子河口濕地的水環(huán)境質(zhì)量等級(jí)；Andre等[3]運(yùn)用模糊邏輯方法對(duì)巴西圣保羅西南部河流建立其水質(zhì)指標(biāo)體系，并與傳統(tǒng)方法做對(duì)比；高軍省等[4]采用可拓學(xué)方法對(duì)洪湖的富營養(yǎng)化狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析；范良倩等[5]用改進(jìn)的灰色聚類法對(duì)苕溪河余杭段四個(gè)監(jiān)測斷面水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)；安國安等[6]基于綜合指數(shù)法對(duì)河南省60條城市河流的水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行排名；何星鋼等[7]利用集對(duì)分析模型對(duì)沈陽東陵大橋處渾河部分的水環(huán)境質(zhì)量做出評(píng)價(jià)；萬哲慧等[8]利用熵權(quán)貝葉斯模型對(duì)珊溪水庫20個(gè)監(jiān)測站的水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并給出模型的適用范圍。上述研究都取得了一定的成果，但是相應(yīng)的也存在一些問題。比如灰色聚類分析法中的關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算（點(diǎn)到點(diǎn)與點(diǎn)到區(qū)間的差的區(qū)別）問題；模糊綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算過程中的信息的丟失問題；集對(duì)分析法中不確定系數(shù)的合理取值問題[4]；由于各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)間取值相同導(dǎo)致貝葉斯計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差等[8]。鑒于上述問題，本文擬運(yùn)用分辨能力強(qiáng)，不丟失中間信息的可拓學(xué)方法對(duì)荊州護(hù)城河的水環(huán)境質(zhì)量做出評(píng)價(jià)。

2 可拓學(xué)評(píng)價(jià)方法

可拓學(xué)是蔡文教授在1983提出的一種新的理論方法，主要研究不同領(lǐng)域的矛盾問題[9-10]。以下是可拓學(xué)評(píng)價(jià)的物元模型。

2.1 物元與物元矩陣

事物的名稱N，它關(guān)于特征c的量值為v，以有序三元組R=（N，c，v）為描述事物的基本元，即物元。一個(gè)事物一般都有多個(gè)特征，若事物N以n個(gè)特征c1，c2，…，cn和相應(yīng)的量值v1，v2，…，vn描述，則稱之為n維物元，表示為：

R即為物元矩陣，簡記為R=（N，c，v）。

2.2 經(jīng)典域物元

經(jīng)典域即各等級(jí)關(guān)于對(duì)應(yīng)的特征所取的數(shù)值范圍：

其中，N0j表示在評(píng)價(jià)時(shí)所劃分的第j等級(jí)；ci表示等級(jí)N0j的第i個(gè)特征；為N0j關(guān)于ci的取值范圍，即經(jīng)典域。

2.3 節(jié)域物元矩陣

由每一特征量值的最小取值和最大取值組成的值域區(qū)間稱為該特征的節(jié)域。由各特征的節(jié)域構(gòu)成如下的節(jié)域Rp：

其中，P表示被評(píng)價(jià)對(duì)象的等級(jí)；為P關(guān)于ci的取值范圍，即節(jié)域。

2.4 待評(píng)價(jià)物元

待評(píng)價(jià)物元即被評(píng)事物的多維有序三元組：

其中，R0為評(píng)價(jià)物元；P0表示待評(píng)價(jià)物元的名稱；xi為P0關(guān)于ci的量值。

2.5 被評(píng)價(jià)物元關(guān)于各等級(jí)的關(guān)聯(lián)度

計(jì)算公式如下：

Kj（P0）=？琢iKj（xi）

Kj（P0）為待評(píng)對(duì)象P0關(guān)于等級(jí)j的關(guān)聯(lián)度；αi為第i個(gè)特征ci的權(quán)重，？琢i=1；Kj（xi）為點(diǎn)xi關(guān)于區(qū)間x0ji=和區(qū)間xp0j=的關(guān)聯(lián)函數(shù)。

式中，ρ（xi，x0ji）為點(diǎn)xi到有限區(qū)間x0ji=的距；ρ（xi，xp0j）為點(diǎn)xi到有限區(qū)間xp0j=的距；|x0ji|是區(qū)間上的模，|x0ji|=|b0ji-a0ji|。點(diǎn)到區(qū)間的距由下式計(jì)算：

2.6 權(quán)重的確定

目前權(quán)重的確定方法主要分為三類：主觀賦值法、客觀賦值法、主客觀綜合賦值法。為了降低人為因素的影響，本文擬采用污染貢獻(xiàn)法確定權(quán)重[11]。其公式如下：

其中：=Sij

式中，ci為因子i的監(jiān)測值；Si為因子i的某一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值；Sij為因子i第j級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值；m為級(jí)別數(shù)；n為評(píng)價(jià)因子數(shù)；為因子i的各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)平均值。

2.7 等級(jí)的評(píng)定

若Kj*= max{Kj（P0）}，j=1，2，…，n則評(píng)定P0屬于等級(jí)j*。

3 評(píng)價(jià)實(shí)例

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

荊州素有“楚國故都，三國名城”的美譽(yù)，是鄂西生態(tài)文化旅游圈的楚文化旅游中心景區(qū)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和居民生活水平的不斷提高，污染物排放量不斷增加，致使護(hù)城河的水質(zhì)逐漸惡化。本文以荊州護(hù)城河六個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的五項(xiàng)水質(zhì)（CODMn、氨氮、TN、TP、NO3-N）監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（表1），采用可拓學(xué)評(píng)價(jià)方法，對(duì)護(hù)城河的水環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析。

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)前述的可拓學(xué)物元模型，計(jì)算得到不同監(jiān)測點(diǎn)護(hù)城河的水質(zhì)與各級(jí)水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)度如表2所示。

由表2可知：荊州護(hù)城河六個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的水環(huán)境質(zhì)量都是劣Ⅴ類。

4 結(jié)果分析

4.1 主要影響因子分析

按單因子評(píng)價(jià)，荊州護(hù)城河六個(gè)監(jiān)測點(diǎn)水環(huán)境質(zhì)量的水質(zhì)分類如表3所示。

由表2和表3的水質(zhì)類別等級(jí)比較，可以得出主要影響因子為：TN、COD、氨氮、TP、NO3-N。

4.2 敏感性分析

在水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中，TN的Ⅴ類水沒有上限（表1），在R06和RP的物元矩陣中，TN物元矩陣（實(shí)例中b016，bP6=5.5）中的b0j1和bPj（j=6）是影響結(jié)果的主觀因素。因此，對(duì)b016和bP6的進(jìn)行敏感性分析是必要的。取b016、bP6=5.225（減小5%）和b016、bP6=5.775（增加5%），計(jì)算得到荊州護(hù)城河六個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的水環(huán)境質(zhì)量關(guān)聯(lián)度如表4，與b016、bP6=5.5的結(jié)果一致，說明本例中的參數(shù)b016、bP6對(duì)水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)不敏感。

朱桂才等[12]對(duì)荊州護(hù)城河2000～2005年間的水質(zhì)連續(xù)測定，取氨氮、BOD5、DO、電導(dǎo)率和CODMn為主要水質(zhì)指標(biāo)，評(píng)價(jià)結(jié)果與本文一致。此外，還有學(xué)者對(duì)荊州護(hù)城河的水質(zhì)情況進(jìn)行探究[13-14]，結(jié)果都與本文相符。

5 結(jié)束語

本文采用可拓學(xué)方法對(duì)荊州護(hù)城河的水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：六個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的水環(huán)境質(zhì)量都達(dá)到了劣Ⅴ類。護(hù)城河水體已經(jīng)污染嚴(yán)重，為了促使荊州的旅游業(yè)發(fā)展，應(yīng)加強(qiáng)護(hù)城河的保護(hù)工作，改善水生態(tài)的良性循環(huán)，使其成為良好的生態(tài)景觀。

參考文獻(xiàn)：

[1]王桂智，唐德善.我國城市護(hù)城河發(fā)展芻議——以南京秦淮河為例[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2010，8（04）：216-220+226.

[2]王鐵良，張欣，周林林，等.模糊數(shù)學(xué)在河口濕地水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，40（05）：623-626.

[3]André Lermontov， Lídia Yokoyama，Mihail Lermontov，et al. River quality analysis using fuzzy water quality index： Ribeira do Iguape river watershed，Brazil[J]. Ecological Indicators，2009，9（6）：1188-1197.

[4]高軍省，呂小凡.湖泊富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)的可拓學(xué)方法及應(yīng)用[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）理工卷，2010，7（01）：33-37+382.

[5]Liang Qian Fan，Qing Yu Zhang，Qi Liu，et al. Improvement of Grey Clus

tering Model for Comprehensive Asses

sment of Environmental Quality： A Ca

se Study in Water Environment[J]. Adv

anced Materials Research，2012，14，79

（356）.

[6]安國安，林蘭鈺，鄒世英.基于綜合指數(shù)法的城市河流水環(huán)境質(zhì)量排名探討[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2016，32（06）：50-57.

[7]何星鋼，王美娜.基于集對(duì)分析聯(lián)系數(shù)的區(qū)間數(shù)型水環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)模型及其應(yīng)用[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，

2017，47（06）：101-109.

[8]萬哲慧，王 ，馮孫林，等.熵權(quán)貝葉斯模型在珊溪水庫水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的應(yīng)用[J].節(jié)水灌溉，2018（03）：55-57+62.

[9]蔡文.可拓學(xué)概述[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，1998（01）：77-85.

[10]蔡文，楊春燕.可拓學(xué)的基礎(chǔ)理論與方法體系[J].科學(xué)通報(bào)，2013，58（13）：

1190-1199.

[11]李祚泳，丁晶，彭荔紅.環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)原理與方法[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[12]朱桂才，余文斌，吳秋珍，等.荊州市護(hù)城河水體污染及生物修復(fù)[J].黃岡師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2006（03）：23-27.

[13]李凱.荊州護(hù)城河生物治理試驗(yàn)探討[J].城市道橋與防洪，2007（12）：38-40+115-116.

[14]王子，李方敏，董戰(zhàn)峰，等.護(hù)城河水污染控制探討——以荊州市護(hù)城河為例[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2007（10）：45-48.