改進(jìn)的模糊綜合評價法在洱海水質(zhì)評價中的應(yīng)用

張 倩，李國強(qiáng)，諸葛亦斯，余 曉，譚紅武，杜 強(qiáng)

（中國水利水電科學(xué)研究院 水環(huán)境所，北京 海淀 100038）

1 研究背景

洱海是我國為數(shù)不多水質(zhì)良好的高原內(nèi)陸湖泊，既是大理州主要的飲用水源地，又是蒼山洱海風(fēng)景名勝區(qū)和國家級自然保護(hù)區(qū)的核心區(qū)［1］，其水質(zhì)狀況深受大理市、云南省乃至國家的高度關(guān)注，洱海水質(zhì)的好壞對區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和人民群眾的生產(chǎn)生活安全具有重要影響。同時洱海的富營養(yǎng)化問題一直是洱海最為突出的水環(huán)境問題之一，也是洱海水環(huán)境治理的關(guān)鍵。

國內(nèi)外常用的水質(zhì)評價方法有很多種，如：單因子評價法［2］、物元分析法［3］、灰色系統(tǒng)評價法［4］、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型［5］、傳統(tǒng)模糊綜合評價［6］等。單因子評價法雖計算簡單，但其評價結(jié)果過于保守，不能反映綜合水質(zhì)類別；物元分析法與灰色系統(tǒng)評價法雖理論可行，但不能直觀地反映不同評價對象綜合水質(zhì)的污染程度；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的自適應(yīng)能力較強(qiáng)，可用于非線性的大型復(fù)雜系統(tǒng)，但模型參數(shù)主觀性強(qiáng)且計算的工作量大；傳統(tǒng)模糊綜合評價法的評價結(jié)果較符合實際，但在隸屬度矩陣、權(quán)重選用方面存在不足。

目前，洱海水質(zhì)評價結(jié)果顯示近20年來洱海水質(zhì)基本未發(fā)生變化。實際上，自1990年代初期洱海水質(zhì)逐年變差，為了恢復(fù)洱海水質(zhì)，大理市政府相繼采取了污染源治理、加強(qiáng)水資源調(diào)控、提高洱海自凈能力等一系列舉措。但單因子評價法選取最差指標(biāo)進(jìn)行評價，評價結(jié)果未能反映出洱海采取的一系列污染控制和治理措施的效果，很大程度上影響了人們對各項工程和非工程措施效果的判別，不利于洱海水環(huán)境的保護(hù)與治理。同時，近年來對洱海富營養(yǎng)現(xiàn)狀及趨勢變化的定量分析較少，因此，有必要選取更為全面、準(zhǔn)確、方便的評價方法，以提高湖泊水質(zhì)評價的精度。改進(jìn)的模糊綜合評價法對隸屬度矩陣和權(quán)重進(jìn)行了優(yōu)化，提出以水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)上下限的中間值作為隸屬函數(shù)的界限值，以及針對不同權(quán)重的特點，對權(quán)重賦值方式進(jìn)行有效結(jié)合，形成優(yōu)勢互補的組合賦權(quán)。

基于以上認(rèn)識，結(jié)合洱海長序列水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用組合賦權(quán)的模糊綜合評價法對洱海水質(zhì)和富營養(yǎng)化進(jìn)行評價。

2 評價區(qū)域和評價指標(biāo)

2.1 流域概況洱海流域位于金沙江、瀾滄江和元江三大水系分水嶺地帶，屬瀾滄江-湄公河水系，流域面積 2565 km2［7］，年均降水量 961 mm，年蒸發(fā)量為1246 mm，年平均氣溫15.7℃。洱海水位1966 m時（85高程），南北長42.0 km，東西寬最大8.8 km，最小3.05 km，最大水深21.3 m，平均水深10.8 m［8］，湖面面積252.9 km2，湖岸線長129.14 km，蓄水量27.94億m2。洱海是一個較為典型的內(nèi)陸斷陷盆地［9］，湖心深，南北淺。洱海湖水主要來源于地表徑流和降水，多年平均入湖徑流量為7.39億m2，主要的入湖河流有23條，其中北有彌苴河、永安江、羅時江，西含蒼山十八溪，南納波羅江，以及東側(cè)的鳳尾箐［10］。西洱河是洱海唯一的天然出湖河流，最終匯入瀾滄江。流域水系詳見圖1。

圖1 洱海水系及監(jiān)測點位圖

2.2 評價指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)本文系統(tǒng)的收集了洱海5個監(jiān)測點1992年—2015年逐年水質(zhì)數(shù)據(jù)［11-13］以及大理州環(huán)境監(jiān)測站2016年內(nèi)汛期（6—10月）和非汛期的水質(zhì)數(shù)據(jù)，選取在水環(huán)境污染中起主要作用的指標(biāo)作為評價因子，主要包括透明度、高錳酸鹽指數(shù)、總氮、總磷、葉綠素a等，地表水水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)選用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002），水體富營養(yǎng)化評價標(biāo)準(zhǔn)參考國內(nèi)部分湖泊的評價標(biāo)準(zhǔn)和以往學(xué)者的研究結(jié)果［14］，見表1。本文選取洱海桃源、塔村、小關(guān)邑、龍龕、湖心5個監(jiān)測站點，各監(jiān)測點的分布位置見圖1。

表1 水體富營養(yǎng)化評價指標(biāo)和評價標(biāo)準(zhǔn)

3 評價方法簡介

3.1 組合賦權(quán)的模糊綜合評價法傳統(tǒng)的模糊綜合評判是基于水環(huán)境中存在復(fù)雜和不確定的模糊關(guān)系，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論進(jìn)行水質(zhì)評價的方法［15-16］。首先建立隸屬度矩陣，根據(jù)各單項污染因子對水質(zhì)的影響程度給出不同的權(quán)重，再進(jìn)行復(fù)合運算，最后形成綜合評價集合。該方法的缺點在于權(quán)重的差異會直接影響綜合評價的計算結(jié)果。權(quán)重確定的方法通常有層次分析法、熵權(quán)法等。層次分析法僅僅是兩個指標(biāo)之間對比評價，不能反映出各指標(biāo)之間的關(guān)系，通常會造成最大污染指標(biāo)過高［17］；而熵權(quán)法削弱最大指標(biāo)，使其權(quán)重分配變小。因此，僅使用其中一種方法均不夠全面，致使評價結(jié)果缺少客觀性［18］。本文采用組合賦權(quán)的模糊綜合評價法，利用熵權(quán)法的均衡性修正層次分析法使權(quán)重分配更加合理。

3.1.1 隸屬度函數(shù)的計算 由于常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)以數(shù)值小者為優(yōu)，水質(zhì)等級越高，其標(biāo)準(zhǔn)值越低，且水質(zhì)的隸屬度呈線性分布，故用降半梯形分布函數(shù)［19］表示，公式如下：

第1級（首級）環(huán)境質(zhì)量，當(dāng)j=1時，

第n-1級環(huán)境質(zhì)量，當(dāng)j=2，3，…，（n-1）時，

第n級（中間級）環(huán)境質(zhì)量，當(dāng)j=n時

其中：xi表示評價指標(biāo)i的實際檢測濃度值；si,j-1，sij，si,j+1分別表示第i項指標(biāo)對應(yīng)的第j-1、j、j+1級水質(zhì)類別標(biāo)準(zhǔn)值。

3.1.2 權(quán)重的計算

（1）層次分析法。層次分析法是對評價指標(biāo)之間進(jìn)行兩兩比較，根據(jù)不同準(zhǔn)則層的相對重要度構(gòu)建判斷矩陣，最終得出權(quán)重。該方法適用于定性與定量指標(biāo)間存在層次階梯結(jié)構(gòu)的評判問題。具體步驟如下：

①根據(jù)環(huán)境背景和區(qū)域水質(zhì)特征，確定評價指標(biāo)U=｛u1，u2，…，ui，…，un，｝；

③求出最大特征值，并對判斷矩陣C進(jìn)行一致性檢驗，確定權(quán)重。

（2）熵權(quán)法。“熵”是體系混亂程度的度量，可以用來度量數(shù)據(jù)中的有效信息的數(shù)量和重要，從而直觀地描述指標(biāo)信息熵的有效價值，并反映指標(biāo)之間的相互作用。具體步驟如下：

①設(shè)m個評價樣本，n個評價指標(biāo)，得到原始矩陣

②將矩陣R歸一化，得到矩陣其中cij表示在第i個評價對象下指標(biāo)值rij的權(quán)重，

③計算某個指標(biāo)的熵值：

④計算權(quán)重：

得出熵權(quán)向量：

（3）組合賦權(quán)法。由于層次分析法是對評價因子進(jìn)行兩兩對比，會使權(quán)重值最大的因子對水質(zhì)評價結(jié)果影響過大，熵權(quán)法對各評價因子之間的聯(lián)系進(jìn)行綜合考慮，但會使最大污染因子權(quán)重賦值變小。因此，結(jié)合熵權(quán)法對各指標(biāo)的作用具有均衡考慮的特性，同時層次分析法和熵權(quán)法具有很好的無偏性，所以將層次分析法和熵權(quán)法計算的權(quán)重作算術(shù)平均，使權(quán)重賦值更加合理。公式為：

3.1.3 綜合評判指數(shù)的計算 本文采用加權(quán)平均的綜合評價法，充分保留水質(zhì)原始數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù)，避免有效信息丟失，并將水質(zhì)等級量化，使評價結(jié)果更為直觀。加權(quán)平均的計算公式如下：

式中，bj表示評價對象對第j級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度；β為加權(quán)系數(shù)，β=1或β=2。本研究β=2，目的是控制較大的bj所起的作用。

3.2 單因子評價法采用單因子評價法對水體水質(zhì)進(jìn)行評價，首先要確定該水體的評價標(biāo)準(zhǔn)，然后比較各指標(biāo)實測濃度與標(biāo)準(zhǔn)濃度值，選擇最差水質(zhì)指標(biāo)對應(yīng)的水質(zhì)類別作為水質(zhì)評價結(jié)果?！兜乇硭h(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）規(guī)定：“地表水環(huán)境質(zhì)量評價應(yīng)根據(jù)實現(xiàn)的水域功能類別，選取相應(yīng)類別標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行單因子評價，評價結(jié)果應(yīng)說明水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況，超標(biāo)的應(yīng)說明超標(biāo)項目和超標(biāo)倍數(shù)?！?/p>

4 結(jié)果分析

4.1 洱海年際水質(zhì)評價結(jié)果首先根據(jù)評價指標(biāo)對應(yīng)的水質(zhì)等級標(biāo)準(zhǔn)，確定隸屬函數(shù)，進(jìn)而建立46個模糊矩陣R。其次將1992—2015年監(jiān)測數(shù)據(jù)帶入公式中得出權(quán)重系數(shù)；最后將計算出的權(quán)重與模糊矩陣R相乘，得到評價指標(biāo)B，計算出地表水水質(zhì)等級Bt和富營養(yǎng)化評價等級Bv，見表2。水質(zhì)變化過程如圖2所示。

由表2可以看出，采用單因子評價法，評價結(jié)果顯示1992—2003年期間洱海水質(zhì)為Ⅱ類，2003—2015年水質(zhì)為Ⅲ類，僅反映出水質(zhì)類別，無法判斷隨時間的變化趨勢。由圖2可見，采用組合賦權(quán)的模糊綜合評價法，通過定量計算洱海1992—2015年水質(zhì)等級Bt和富營養(yǎng)化等級Bv，其結(jié)果表明在1992—2003年期間，Bt數(shù)值基本上呈現(xiàn)遞增趨勢，由1.5817增長至2.4207，漲幅為54.5%，水質(zhì)由Ⅱ類下降為Ⅲ類，Bv也隨時間呈現(xiàn)波動遞增的趨勢，由0.7781增至1.5975，漲幅為105.3%，富營養(yǎng)水平由貧營養(yǎng)轉(zhuǎn)化為中營養(yǎng)。在2003—2015年期間，洱海的水質(zhì)等級逐漸降低，Bt由2.4207降低至2.0389，降幅達(dá)到18.6%，富營養(yǎng)化等級Bv呈現(xiàn)緩慢降低的趨勢，由1.5975降低至1.5254，降幅為4.7%，波動較小，基本保持穩(wěn)定在中營養(yǎng)化水平，，表明此段時間內(nèi)洱海水質(zhì)逐漸改善并趨于穩(wěn)定。以上評價結(jié)果表明1992—2003年期間洱海水質(zhì)開始變差，其中2003年水質(zhì)最差，導(dǎo)致最終爆發(fā)全湖性的“藍(lán)藻”危機(jī)。2003—2015年期間洱海的水質(zhì)逐漸變好，并趨于穩(wěn)定。這主要是由于1992年—2003年10年間為洱海流域社會經(jīng)濟(jì)快速增長時期，粗放型的發(fā)展模式使得大量的氮磷等隨著農(nóng)田地表徑流和河流匯入湖中，而2003年后，洱海水質(zhì)變好是各級政府部門采取流域“兩違”整治、村鎮(zhèn)“兩污”整治、面源污染減量、節(jié)水治水生態(tài)修復(fù)、截污治污工程等措施，投入大量人力物力財力取得的成果，說明洱海保護(hù)治理工作初見成效。

4.2 洱海年內(nèi)水質(zhì)評價結(jié)果與年際間水質(zhì)綜合評價過程類似，2016年汛期（6—10月）和非汛期洱海水質(zhì)評價結(jié)果見表3和圖3。

由表3和圖3可以看出，當(dāng)采用單因子評價法時，2016年洱海5個監(jiān)測點水質(zhì)評價結(jié)果主要為Ⅲ類，個別監(jiān)測點在枯水期為Ⅱ類水，水質(zhì)結(jié)果相對較差，在空間上也無明顯差異。而組合賦權(quán)的模糊綜合評價結(jié)果表明，洱海的水質(zhì)特征在時間以及空間上呈現(xiàn)明顯的差異性。從時間上看，2016年汛期洱海水質(zhì)等級Bt維持在1.71578～2.55624之間，除個別監(jiān)測點外水質(zhì)基本屬于Ⅱ類偏向Ⅲ類，非汛期洱海水質(zhì)等級Bt維持在1.68672～1.93052之間，均屬于Ⅰ類偏向Ⅱ類，非汛期Bt的值整體小于汛期，表明非汛期水質(zhì)好于汛期。這主要是由于洱海污染源為面源，雨季大量旱季滯留的營養(yǎng)物質(zhì)隨雨水進(jìn)入洱海，入湖河流污染物濃度較高，致使汛期水質(zhì)變差；而非汛期入湖水量大幅減少，入湖污染物也大幅減少；從空間上看，洱海湖心水質(zhì)好于南部和北部，水質(zhì)等級Bt由小到大依次為：湖心、塔村、小關(guān)邑、龍龕、桃源。造成此現(xiàn)象的原因是北部彌笡河、羅時江、永安江攜帶大量的污染物進(jìn)入湖區(qū)，且南部的波羅江位于大理市區(qū)，導(dǎo)致北部和南部水體污染物濃度較高，水質(zhì)較差。

表2 年際洱海水質(zhì)綜合評價結(jié)果

圖2 年際洱海水質(zhì)綜合評價結(jié)果

圖3 湖區(qū)監(jiān)測點的綜合評價結(jié)果

表3 年內(nèi)洱海水質(zhì)綜合評價結(jié)果

5 結(jié)論

（1）從評價結(jié)果來看，在1992—2003年期間，Bt數(shù)值基本上呈現(xiàn)遞增趨勢，由1.5817增長至2.4207，漲幅為54.5%，水質(zhì)由Ⅱ類下降為Ⅲ類，Bv也隨時間呈現(xiàn)波動遞增的趨勢，由0.7781增至1.5975，漲幅為105.3%，富營養(yǎng)水平由貧營養(yǎng)轉(zhuǎn)化為中營養(yǎng)。水質(zhì)整體變差的主要原因是1992—2003年間為洱海流域社會經(jīng)濟(jì)快速增長時期，粗放型的發(fā)展模式使得大量的氮磷等隨著農(nóng)田地表徑流和河流匯入湖中。

（2）在2003—2015年期間，洱海的水質(zhì)等級Bt逐漸降低，降幅達(dá)到18.7%，而富營養(yǎng)化水平Bv基本保持穩(wěn)定在中營養(yǎng)化，波動較小，表明此段時間內(nèi)洱海水質(zhì)逐漸改善并趨于穩(wěn)定。水質(zhì)變好的原因是大理市各級政府部門采取流域“兩違”整治、村鎮(zhèn)“兩污”整治、面源污染減量、節(jié)水治水生態(tài)修復(fù)、截污治污工程等措施，并投入大量人力物力財力保護(hù)治理洱海。

（3）2016年汛期洱海水質(zhì)等級Bt維持在1.71578～2.55624之間，除個別監(jiān)測點外水質(zhì)基本屬于Ⅱ類偏向Ⅲ類，非汛期洱海水質(zhì)等級Bt維持在1.68672～1.93052之間，均屬于Ⅰ類偏向Ⅱ類，非汛期Bt的值整體小于汛期，呈現(xiàn)出洱海非汛期水質(zhì)好于汛期的時間特征；湖區(qū)內(nèi)水質(zhì)等級Bt由小到大依次為：湖心、塔村、小關(guān)邑、龍龕、桃源，呈現(xiàn)出洱海湖心水質(zhì)好于南部和北部的空間特征。

（4）從評價方法來看，單因子評價結(jié)果以最差的水質(zhì)類別作為水質(zhì)評價的結(jié)果，不能全面反映水質(zhì)的整體狀況；而改進(jìn)的模糊綜合評價法克服了單因子評價法的片面性，是一種合理、可靠且更全面的水質(zhì)評價方法，能更好地反映洱海水質(zhì)的動態(tài)變化特征，適用于洱海水質(zhì)評價。