基于模糊綜合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)引黃灌區(qū)供水水質(zhì)

房本巖 魏守民

(濱州市引黃灌溉服務(wù)中心，山東 濱州 256600)

水質(zhì)評(píng)價(jià)是對(duì)人類所處的水環(huán)境要素進(jìn)行的定量描述。在已往的水質(zhì)評(píng)價(jià)中，大多采用單因子評(píng)價(jià)法或綜合指數(shù)法[1]，而水環(huán)境質(zhì)量中污染程度的界線是模糊的，人為用特定分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)去評(píng)價(jià)是不確切的，且在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中，水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)往往有多項(xiàng)，各項(xiàng)指標(biāo)的分級(jí)也有所不同，難以用確定的方式界定該水質(zhì)屬于哪類。模糊數(shù)學(xué)中的綜合評(píng)價(jià)法，可解決以上問題，可把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，打破以往僅用一個(gè)水質(zhì)指標(biāo)來進(jìn)行評(píng)判的弊端。本文以簸箕李引黃灌區(qū)為例，利用改進(jìn)的模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法對(duì)供水的水質(zhì)優(yōu)劣情況進(jìn)行評(píng)判，可為其他地區(qū)的水質(zhì)評(píng)價(jià)提供參考。

1 灌區(qū)概況及指標(biāo)選擇

簸箕李引黃灌區(qū)位于山東省北部，黃河下游左岸，工程規(guī)模為大(1)型，屬國(guó)家大型灌區(qū)，擔(dān)負(fù)著濱州市的惠民縣、陽信縣、無棣縣共計(jì)24個(gè)鎮(zhèn)(街道辦)的工業(yè)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)供水任務(wù)，并兼顧108萬城鄉(xiāng)居民飲水保障。引黃閘設(shè)計(jì)流量為75m3/s，設(shè)計(jì)灌溉面積7.87萬hm2。2019年對(duì)簸箕李引黃灌區(qū)的供水水質(zhì)共進(jìn)行了5次采樣監(jiān)測(cè)，選擇了對(duì)水質(zhì)有較大影響的10種污染指標(biāo)，將監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均，結(jié)果見表1。

表1 2019年簸箕李引黃灌區(qū)供水水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果 單位：mg/L

2 模糊綜合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)灌區(qū)水質(zhì)

2.1 評(píng)價(jià)因子集U和評(píng)判集V的確定

設(shè)定污染因子集為U，U={U1，U2，…，Ui}，其中Ui為影響評(píng)價(jià)的各因子[2]。此次評(píng)價(jià)的因子為表1中所列的10個(gè)污染因子，即U={化學(xué)需氧量，高錳酸鹽指數(shù)，氨氮，總氮，總磷，鉻(六價(jià))，揮發(fā)酚，氰化物，石油類，pH值}。

評(píng)判集V根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的5個(gè)級(jí)別進(jìn)行分級(jí)，評(píng)判集V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}[3]，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)限值見表2。

表2 水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)限值 單位：mg/L

2.2 建立隸屬函數(shù)

水質(zhì)的污染程度及水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)劃分較為模糊，如在《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中，化學(xué)需氧量Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為不大于15.0mg/L，如果監(jiān)測(cè)值為15.1mg/L，則為Ⅲ類水質(zhì)，監(jiān)測(cè)值為15.0mg/L，則為Ⅱ類水質(zhì)，測(cè)量值僅相差0.1mg/L，水質(zhì)等級(jí)則完全不同。因此，利用隸屬度對(duì)分級(jí)界限進(jìn)行描述更為客觀。隸屬度是指各污染因子隸屬水環(huán)境質(zhì)量界限標(biāo)準(zhǔn)的程度，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中各級(jí)界限值，分別建立不同分級(jí)界限的評(píng)價(jià)因子隸屬函數(shù)[2]：

Ⅰ類水，j=1時(shí)：

Ⅱ～Ⅳ類水，j=2,3,4時(shí)：

Ⅴ類水，j=5時(shí)：

式中：rij為評(píng)價(jià)矩陣R的元素；Ci為實(shí)測(cè)第i種污染因子的數(shù)值；Sij為第i種污染因子第j類水的分級(jí)界限標(biāo)準(zhǔn)值[4]。

2.3 建立單因子評(píng)價(jià)矩陣R

以評(píng)價(jià)集中單因子Ui的水環(huán)境質(zhì)量情況，確定每一個(gè)Ui對(duì)評(píng)判集中元素Vj的隸屬程度rij，從而得到評(píng)價(jià)矩陣R[5]：

因污染因子集U中有10個(gè)污染因子，評(píng)判集V中有5個(gè)級(jí)別，因此i=10，j=5。

根據(jù)上述的隸屬函數(shù)，進(jìn)行單因子rij評(píng)價(jià)，把污染因子的10個(gè)實(shí)測(cè)值和5個(gè)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值代入隸屬函數(shù)中，可求出每一個(gè)rij的值，即

2.4 計(jì)算權(quán)重集A

由于評(píng)價(jià)因子集U中各污染因子影響水環(huán)境質(zhì)量的程度不同，需對(duì)各污染因子Ui賦予不同的權(quán)重ai，使評(píng)價(jià)結(jié)果更客觀實(shí)際[6]。各污染因子權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表3。表3中以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)分類中的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)值為基準(zhǔn)，利用各污染因子對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)值的偏離程度進(jìn)行度量，各實(shí)測(cè)污染因子數(shù)值越大，賦予的權(quán)重越大，其對(duì)水質(zhì)污染影響程度越大。

表3 各污染因子權(quán)重計(jì)算結(jié)果

由表3可知，權(quán)重集A=(0.194，0.124，0.115，0.129，0.155，0.127，0.030，0.003，0.106，0.017)。

2.5 模糊綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)上述的評(píng)價(jià)矩陣和權(quán)重集，可得出模糊綜合評(píng)價(jià)集B：

B=AR

式中：B為綜合判別結(jié)果；A為因素的權(quán)重集；R為單因子評(píng)價(jià)矩陣[8]。

其中

式中：bj為評(píng)價(jià)集B中第j級(jí)水的計(jì)算值。

評(píng)價(jià)集綜合考慮了各種因素的影響和各項(xiàng)參數(shù)在評(píng)價(jià)中的作用，既體現(xiàn)了污染指標(biāo)濃度因素所占權(quán)重大小，又考慮了隸屬度在復(fù)合運(yùn)算中的地位，因此根據(jù)評(píng)判結(jié)果能夠相對(duì)準(zhǔn)確地判定水質(zhì)狀況[9]。經(jīng)兩個(gè)模糊矩陣復(fù)合運(yùn)算可得出：

B=(0.179，0.247，0.439，0.136，0)

評(píng)價(jià)集運(yùn)算結(jié)果表明，簸箕李引黃灌區(qū)供水水質(zhì)對(duì)Ⅰ類水的隸屬度為0.179，對(duì)Ⅱ類水的隸屬度為0.247，對(duì)Ⅲ類水的隸屬度為0.439，對(duì)Ⅳ類水的隸屬度為0.136，對(duì)Ⅴ類水的隸屬度為0。因?qū)Β箢愃碾`屬度最大，故簸箕李引黃灌區(qū)供水水質(zhì)為Ⅲ類。

黃河水是簸箕李引黃灌區(qū)的唯一引水水源，黃河來水量與水質(zhì)狀況對(duì)灌區(qū)至關(guān)重要，特別是灌區(qū)下游的無棣縣，其北臨渤海，因地下水含鹽量高而無法利用，當(dāng)?shù)鼐用裎ㄒ坏娘嬘盟淳褪枪鄥^(qū)供給的黃河水，且當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)也主要依賴黃河水。近年來，隨著黃河流域水土保持綜合治理和污染防治工作的深入開展，生態(tài)環(huán)境呈逐步改善趨勢(shì)[10]，與當(dāng)?shù)氐乃|(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一致。黃河水質(zhì)的逐步改善，對(duì)引黃灌區(qū)影響較大，能夠提高灌溉農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，居民供水處理成本進(jìn)一步降低，居民飲水質(zhì)量明顯提升。

3 結(jié) 語

水環(huán)境質(zhì)量中污染程度的界線是模糊的，人為用特定分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)去評(píng)價(jià)是不確切的，而模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法是一種比較科學(xué)合理的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，克服了以往單因子評(píng)價(jià)法和綜合指數(shù)法的弊端。本文針對(duì)簸箕李引黃灌區(qū)，選擇了對(duì)水質(zhì)有較大影響的10種監(jiān)測(cè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)依據(jù)，充分考慮了各種因素的影響程度，利用改進(jìn)的模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法，客觀準(zhǔn)確地判定出簸箕李引黃灌區(qū)供水水質(zhì)為Ⅲ類。