基于模糊綜合評(píng)價(jià)模型的鄭州市東風(fēng)渠水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)研究

張二麗， 汪太行，王玉龍，馮 宇

(鄭州財(cái)經(jīng)學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450044)

引言

黨的十八大以來(lái)，在習(xí)近平總書記生態(tài)文明思想的指引下，河南省積極落實(shí)黨中央、國(guó)務(wù)院有關(guān)生態(tài)文明建設(shè)的決策安排，大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的相關(guān)工作，出臺(tái)了《關(guān)于全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的實(shí)施意見(jiàn)》和《河南省污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃(2018-2020年)》.東風(fēng)渠位于鄭州市北部，一直承擔(dān)著鄭州市東郊區(qū)農(nóng)田灌溉用水的重要補(bǔ)給河流的責(zé)任，也是鄭州市居民生活污水和工業(yè)廢水排放的河流之一[1]，在鄭州市的生態(tài)環(huán)保體系中發(fā)揮著十分重要的作用.

基于鄭州市生態(tài)環(huán)境局發(fā)布的2018年9月至2019年8月鄭州市東風(fēng)渠流入七里河處的水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[2]，利用模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)東風(fēng)渠的水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)分析.通過(guò)計(jì)算一年中東風(fēng)渠流入七里河處的溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP) 四個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值可知，東風(fēng)渠水體的主要污染物為溶解氧(DO)和化學(xué)需氧量(COD).這為鄭州市生態(tài)環(huán)境局對(duì)東風(fēng)渠水體污染物的治理提供了理論依據(jù)和科學(xué)支持.

1 模糊綜合評(píng)價(jià)模型

模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法.根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論，模糊綜合評(píng)價(jià)方法是將定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，從多方面綜合評(píng)價(jià)被評(píng)判事物的隸屬度狀況.模糊數(shù)學(xué)概念的引入滿足了水質(zhì)評(píng)價(jià)的客觀要求[3].為了全面了解東風(fēng)渠現(xiàn)階段的水質(zhì)狀況及污染情況，本文以2018年9月至2019年8月一年內(nèi)鄭州市生態(tài)環(huán)境局發(fā)布的東風(fēng)渠流入七里河處水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為對(duì)象，對(duì)東風(fēng)渠水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析.

1.1 模型建立的思想

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的思想，將描述水質(zhì)的數(shù)據(jù)、判斷和各種定性表述轉(zhuǎn)化為模糊語(yǔ)言，綜合識(shí)別和判斷水質(zhì)狀況[4]，從而建立模糊綜合評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型.

1.2 建立綜合評(píng)價(jià)因子集

選擇水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的若干檢測(cè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子，建立因子集[5].按照監(jiān)測(cè)條件，選擇2018年9月至2019年8月東風(fēng)渠流入七里河處的4項(xiàng)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子，即綜合評(píng)價(jià)的因子集為:U={u1,u2,u3,u4}，簡(jiǎn)記為U={ui}.其中u1表示溶解氧(DO)，u2表示化學(xué)需氧量(COD)，u3表示氨氮(NH3-N)，u4表示總磷(TP)，ui表示第個(gè)污染因子值.

1.3 建立綜合評(píng)價(jià)集

由水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立各因子指標(biāo)對(duì)各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度集，形成隸屬矩陣，再把因子權(quán)重集與隸屬度矩陣相乘，得到模糊積，獲得一個(gè)綜合評(píng)價(jià)集[6].在環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中，水體污染程度本身是一個(gè)模糊概念，評(píng)價(jià)水體污染程度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)也具有模糊的特征[7].根據(jù)國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)[8]，依據(jù)水域環(huán)境功能和保護(hù)目標(biāo)，將水質(zhì)類別劃分為5級(jí)，建立綜合評(píng)價(jià)集為：V={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ}，簡(jiǎn)記為V=(vi).其中vi代表ui的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)集，各級(jí)指標(biāo)為地表水環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)準(zhǔn)限值，如表1所示.

表1 目標(biāo)準(zhǔn)限值 mg/L

1.4 計(jì)算權(quán)重確定因子權(quán)向量

權(quán)重是能夠很好反映出各個(gè)參評(píng)因子在總體水環(huán)境質(zhì)量中地位的數(shù)值.在評(píng)價(jià)過(guò)程中，每個(gè)因子的重要程度是不同的，為此，對(duì)集合U中的每個(gè)因子ui賦以一個(gè)相應(yīng)的權(quán)重αi，構(gòu)成權(quán)重集A=(α1,α2,α3…αn).計(jì)算權(quán)重的方法較多，本文采用污染物濃度超標(biāo)加權(quán)法.該方法為：

上式中，ci是因子ui的濃度實(shí)測(cè)值，si是因子ui在各級(jí)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的均值，sij是第i個(gè)因子第j級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)值，k為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)集分級(jí)數(shù).

本文選取的是2018年9月至2019年8月一年的東風(fēng)渠流入七里河處監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如表2所示.

表2 2018年9月至2019年8月東風(fēng)渠流入七里河處監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) mg/L

按照氣象部門季節(jié)劃分法，將數(shù)據(jù)劃分為2018年9月到11月(秋季)，2018年12月到2019年2月(冬季)，2019年3月到5月(春季)，2019年6月到8月(夏季).以2018年9月到11月，即秋季東風(fēng)渠流入七里河處溶解氧(DO)u1指標(biāo)為例，根據(jù)以下公式計(jì)算各級(jí)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的平均值為：

s1=(7.5+6+5+3+2)/5=4.7，

α1=7.8/4.7=1.66.

同理，得出東風(fēng)渠流入七里河處u2、u3、u4指標(biāo)的權(quán)重值為：

α2=1.04，α3=0.23，α4=0.64.

A={0.468,0.294,0.063,0.175}.

同理可得東風(fēng)渠流入七里河處其他三個(gè)季節(jié)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值，如表3所示.

表3 東風(fēng)渠流入七里河處季節(jié)評(píng)價(jià)因子權(quán)重值

1.5 確定隸屬度向量，建立模糊關(guān)系矩陣

假設(shè)隸屬度為線性函數(shù)，建立一個(gè)U到F(V)的模糊映射f:U→F(V)，通過(guò)f誘導(dǎo)得出模糊關(guān)系矩陣R，本文采用分段線性函數(shù)來(lái)確定隸屬函數(shù)[9].

已知東風(fēng)渠水質(zhì)分為5個(gè)級(jí)別，即V=(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ)，ci.水質(zhì)等級(jí)的隸屬函數(shù)為：

其中，sij是第i個(gè)因子第j級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)值.根據(jù)此式可得秋季模糊關(guān)系矩陣R秋：

同理可得其他季節(jié)的模糊矩陣如下：

1.6 建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型

單因子模糊評(píng)價(jià)法只能反映出單個(gè)因子對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的影響.正常情況下，影響評(píng)價(jià)對(duì)象的因子不止一個(gè)，所以必須考慮所有因子的影響，即綜合評(píng)價(jià)[10].將模糊關(guān)系矩陣與權(quán)重集合A復(fù)合，記為:B=A°R, 其中°為綜合評(píng)價(jià)合成算子.本文取成一般的矩陣乘法為B=A*R=(B1，B2，…Bn).

1.7 水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

東風(fēng)渠流入七里河處秋季水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)向量：

同理可得東風(fēng)渠流入七里河處冬季、春季、夏季的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，如表4所示.

表4 模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

由表4可以看出，在4個(gè)季節(jié)評(píng)價(jià)結(jié)果中，冬季的評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅰ類，春季的評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅲ類，夏季和秋季的評(píng)價(jià)結(jié)果均為Ⅳ類，水環(huán)境質(zhì)量不容樂(lè)觀.對(duì)4個(gè)季節(jié)排序，可以看出受污染輕重程度依次為：冬季<春季<夏季<秋季.

通過(guò)分析各因子的權(quán)重值得知，在影響東風(fēng)渠水質(zhì)的四類指標(biāo)中，DO和COD對(duì)水質(zhì)的影響程度相對(duì)較大.這也是導(dǎo)致東風(fēng)渠水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要污染物.

2 結(jié)論

基于鄭州市生態(tài)環(huán)境局發(fā)布的東風(fēng)渠流入七里河處的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)方法，建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)東風(fēng)渠實(shí)測(cè)的DO、COD、NH3-N、TP四個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析.評(píng)價(jià)結(jié)果表明，東風(fēng)渠水體受污染主要是由DO和COD造成的.同時(shí)，按照季節(jié)劃分法，將選取的數(shù)據(jù)劃分為春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，結(jié)果顯示，受污染輕重程度依次為：冬季<春季<夏季<秋季.

夏季、秋季是水污染的易發(fā)期，應(yīng)及時(shí)對(duì)河流中含有的DO、COD等化學(xué)因素進(jìn)行處理.最大限度地減少?gòu)U水排量，防止工業(yè)廢水污染；加強(qiáng)凈化處理和過(guò)濾中和，最大限度地降低廢水中DO、COD的濃度.

3 展望

鄭州市東風(fēng)渠的檢測(cè)位點(diǎn)較多，本文只選擇了東風(fēng)渠流入七里河處水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，不能全面反映東風(fēng)渠整條河流的水質(zhì)情況.在今后的研究中可以進(jìn)一步增加水質(zhì)樣本容量，深入研究確定水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，以期最終選取的權(quán)重能真實(shí)、客觀地體現(xiàn)各因子的作用，為鄭州市生態(tài)環(huán)境局水環(huán)境污染防治提供一定的科學(xué)參考.