基于超標(biāo)倍數(shù)法的屬性識別模型在地表水水質(zhì)評價中的應(yīng)用

胡起靖

(蘇州圖書館，江蘇 蘇州 215002)

屬性識別理論模型是基于模糊數(shù)學(xué)綜合評判理論發(fā)展起來的綜合評價方法[1]。目前已在隧道施工[2]、礦山開采[3]、安全生產(chǎn)[4]、教育研究[5]等領(lǐng)域的多指標(biāo)評價中得到了廣泛應(yīng)用。而在多指標(biāo)評價系統(tǒng)中，指標(biāo)權(quán)重確定的合理性直接影響綜合評價結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度，因此，科學(xué)、合理地確定指標(biāo)權(quán)重對評價模型的成功應(yīng)用十分重要[6-7]。本研究中的屬性識別模型采用超標(biāo)倍數(shù)賦權(quán)法，根據(jù)各污染因子對水質(zhì)影響的大小分別賦予不同的權(quán)重，既突出主要污染物的作用，又考慮到不同污染物標(biāo)準(zhǔn)值的差異，其評價過程相對科學(xué)合理，評價結(jié)果相對客觀準(zhǔn)確[8]。

此外，在模型實際應(yīng)用中，往往出現(xiàn)水體污染物濃度超出水質(zhì)最差等級濃度限值的情況，以往的研究論文中往往仍把該污染因子屬性測度識別為隸屬于水質(zhì)最差等級[9-10]，因此不論水體污染物濃度超過標(biāo)準(zhǔn)限值多少，最終的評價結(jié)果都是能達(dá)到水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量最差等級。而如果按單項因子評價法對每項污染物因子進行評判，則很可能出現(xiàn)多項評價因子達(dá)不到水質(zhì)最差等級標(biāo)準(zhǔn)。因此，這種評價結(jié)果與實際情況并不符合，也并不合理。本研究根據(jù)實際情況，結(jié)合單項因子評價法的評判思想，在評價標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量最差等級分組級別之外，增加超出質(zhì)量最差等級濃度限值的劣Ⅴ類水質(zhì)級別，建立更加符合實際情況的分類標(biāo)準(zhǔn)評價矩陣，實現(xiàn)模型的客觀科學(xué)應(yīng)用。

1 模型基本理論與計算方法

1.1 建立分類標(biāo)準(zhǔn)矩陣

設(shè)評價對象空間X有n個評價對象，每個評價對象有m個評價指標(biāo){I1，I2，…，Im}，每個評價指標(biāo)有k個評價等級{C1，C2，…，Ck}，對于每個評價指標(biāo)Ij有相應(yīng)的評價等級分類標(biāo)準(zhǔn){aj1,aj2…ajk}，則評價對象空間X的分類標(biāo)準(zhǔn)矩陣為

(1)

式中，ajk滿足aj1aj2…>ajk。

1.2 確定權(quán)重

采用超標(biāo)倍數(shù)法，根據(jù)污染物的污染小、權(quán)重則小和污染大、權(quán)重則大的原則來確定權(quán)重。計算公式為

(2)

式中：cj為評價因子的監(jiān)測值；sj為評價因子各濃度標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)平均值；Wj為評價因子的歸一化權(quán)重值。

1.3 確定樣本屬性測度

計算第i個評價對象第j個指標(biāo)值xij屬于ct類(1≤t≤k)的屬性測度為uijt。設(shè)aj1

當(dāng)xij≤aj1時，取uij1=1，uij2=…uijk=0

當(dāng)xij≥ajk時，取uijk=1,uij1=…uijk-1=0

1.4 綜合屬性測度

由單指標(biāo)屬性測度和指標(biāo)權(quán)重可以得到綜合屬性測度uit:

(3)

式中，wij為第i個評價對象第j個評價指標(biāo)的歸一化權(quán)重，1≤i≤n，1≤t≤k。

1.5 對象的識別與排序

采用置信度識別準(zhǔn)則。設(shè)置信度λ(0.5≤λ≤1，一般取0.6～0.7)，用下式進行計算：

(4)

如果ti≥λ，則認(rèn)為xi屬于ct級別。

按照評價準(zhǔn)則進行評分，對評價對象進行比較分析，用下式進行計算：

(5)

式中，qxi為第i個評價對象的評價分?jǐn)?shù)，ni=k+1-i，為ci的分值，依次取k～1之間遞減的正整數(shù)。

2 模型實例應(yīng)用及驗證

2.1 建立分類標(biāo)準(zhǔn)矩陣

以文獻[10]福州內(nèi)河監(jiān)測點位水質(zhì)實測資料年均值為應(yīng)用對象。數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 福州內(nèi)河監(jiān)測點位水質(zhì)實測資料年均值 單位：mg/L

以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)為評價標(biāo)準(zhǔn)，以BOD5、DO、CODMn、TN、TP、NH3-N為評價指標(biāo)，在《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)的5個級別水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)之外，增加一組超出水質(zhì)最差等級濃度限值的劣Ⅴ級，建立水質(zhì)評價分組標(biāo)準(zhǔn)矩陣。

表2 地表水環(huán)境質(zhì)量評價分組標(biāo)準(zhǔn) 單位：mg/L

2.2 各年份評價單指標(biāo)屬性測度

根據(jù)1.3，代入福州內(nèi)河監(jiān)測點位污染物監(jiān)測值和相關(guān)污染物標(biāo)準(zhǔn)值，計算可得到各監(jiān)測點位相關(guān)污染物的單指標(biāo)屬性測度，結(jié)果如表3所示。以監(jiān)測點位彬德閘的BOD5為例，其年均濃度值8.88 mg/L，介于Ⅳ級標(biāo)準(zhǔn)值6和Ⅴ級標(biāo)準(zhǔn)值10之間，隸屬于其他級別的屬性測度為0，隸屬于Ⅳ級的屬性測度為(10-8.88)/(10-6)=0.28，隸屬于一級的屬性測度為(8.88-6)/(10-6)=0.72。

表3 各監(jiān)測點位水質(zhì)單指標(biāo)屬性測度

(續(xù)表3)

2.3 權(quán)重值

根據(jù)式(2)，代入表1和表2數(shù)據(jù)，可計算得到各監(jiān)測點位相關(guān)污染物標(biāo)的單指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果如表4所示。以監(jiān)測點位彬德閘為例，其BOD5的單指標(biāo)權(quán)重計算為0.116，相應(yīng)地求得其他污染物單指標(biāo)權(quán)重。

表4 各監(jiān)測點位相關(guān)污染物單指標(biāo)權(quán)重

2.4 綜合屬性測度

根據(jù)各監(jiān)測點位相關(guān)污染物標(biāo)的單指標(biāo)權(quán)重，結(jié)合式(3)，可計算得到各監(jiān)測點位綜合屬性測度，結(jié)果如表6所示。以監(jiān)測點位彬德閘為例，其一，二級屬性測度的計算結(jié)果為0；三級屬性測度的計算結(jié)果為0.051。相應(yīng)地求得其他級別綜合屬性測度。

設(shè)置信度λ=0.7，由式(4)判斷各監(jiān)測點位水質(zhì)綜合評價級別。以監(jiān)測點位彬德閘為例：當(dāng)k=6時，λ>0.7。因此，判定監(jiān)測點位彬德閘水質(zhì)級別為劣Ⅴ。同理，求得其他監(jiān)測點位水質(zhì)的評級?？芍Ｖ輧?nèi)河各監(jiān)測點位水質(zhì)綜合評價等級均為劣Ⅴ。

表5 各監(jiān)測點位綜合屬性測度

按式(5)計算各監(jiān)測點位水質(zhì)得分，分?jǐn)?shù)越大，說明水質(zhì)越好。以監(jiān)測點位彬德閘為例，得分計算為1.432。同理，可求得其他監(jiān)測點位水質(zhì)得分，結(jié)果如表6所示。

表6 各監(jiān)測點位水質(zhì)評分

2.5 評價結(jié)果驗證比較

采用單項指標(biāo)評價法對福州內(nèi)河監(jiān)測點位水質(zhì)進行評價，結(jié)果如表7所示。

表7 各監(jiān)測點位水質(zhì)單項指標(biāo)評價

由表7可知，福州內(nèi)河各監(jiān)測點位水質(zhì)評價級別均為劣Ⅴ類。為更直觀地進行比較分析，將文獻[10]與本研究的評價結(jié)果進行列表對比分析，結(jié)果如表8所示。

表8 水質(zhì)排名對比

由表8可知，文獻[10]屬性識別模型評價的監(jiān)測點位水質(zhì)評價排名與本研究評價結(jié)果完全一致，采用單項指標(biāo)評價法的水質(zhì)評價等級結(jié)果與本研究評價結(jié)果一致，印證了本研究中應(yīng)用模型評價結(jié)果的正確性。福州內(nèi)河各監(jiān)測點位監(jiān)測數(shù)據(jù)中，TN和TP的監(jiān)測值都是超過Ⅴ級標(biāo)準(zhǔn)限值的，文獻[10]卻仍將各監(jiān)測點位水質(zhì)評價等級評定為Ⅴ級，這與實際情況不符，說明文獻[10]中的評價結(jié)果并沒能科學(xué)反映客觀實際。

3 結(jié) 論

(1)在建立分類標(biāo)準(zhǔn)分組時，結(jié)合單項因子評價法的評判思想，在評價標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量最差等級分組級別之外，增加超出質(zhì)量最差等級濃度限值的劣Ⅴ類水質(zhì)級別，建立起來的分類標(biāo)準(zhǔn)評價矩陣更加符合實際情況，經(jīng)驗證切實可行，評價結(jié)果更加符合客觀實際。

(2)水質(zhì)評價需要統(tǒng)籌考慮多指標(biāo)的屬性，在水質(zhì)評價中，不同評價對象、不同評價因子對隸屬類別的貢獻程度是不同的。采用超標(biāo)倍數(shù)法分別確定不同評價對象中每個評價因子的權(quán)重，能夠客觀地表達(dá)各單因素作用的大小，超標(biāo)愈多，加權(quán)愈大。其綜合屬性測度計算的方式能夠區(qū)別超過評價標(biāo)準(zhǔn)界限值的評價因子對綜合評價影響的差異，信息利用度高，進行綜合屬性測度計算后，能夠反映評價因子的累積影響和綜合污染效應(yīng)。相對于熵權(quán)系數(shù)法確定權(quán)重，超標(biāo)倍數(shù)賦權(quán)法在考慮污染因子的綜合作用時，突出高濃度污染因子的作用，評價結(jié)果更符合實際，尤其當(dāng)某項污染指標(biāo)嚴(yán)重超出標(biāo)準(zhǔn)的情況下，且計算更加簡便[11]?？梢?，基于超標(biāo)倍數(shù)賦權(quán)法的屬性識別模型豐富和改進了地表水水質(zhì)的評價方法。