王麗娟,潘 俊,楊 鑫 ,韓春陽

(遼寧沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧沈陽 110168)

水環(huán)境質(zhì)量評價作為環(huán)境質(zhì)量評價之一,是環(huán)境污染綜合防治的基礎(chǔ),更是改善區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量目前迫切需要解決的問題。近年來,對水環(huán)境質(zhì)量評價方法的研究相當(dāng)廣泛,各種方法的研究都是為了更客觀、更準(zhǔn)確地反映水體水質(zhì)的實際情況。因而本文就目前運用較多、評價結(jié)果較準(zhǔn)確的 3種方法,即B-P人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊綜合評價法和灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行探討,并以沈陽市南運河水環(huán)境質(zhì)量評價為例,試圖找出其在水質(zhì)綜合評價中的適用范圍,旨在為水質(zhì)評價方法的改進(jìn)和應(yīng)用研究積累資料。

1 三種水環(huán)境質(zhì)量評價方法的特點

1.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模仿人腦結(jié)構(gòu),具有很強的非線性映射能力和自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)能力的非線性信息系統(tǒng),本文選用誤差反向傳播人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(簡稱 B-P網(wǎng)絡(luò)),實踐已證明,BP網(wǎng)絡(luò)有很強的映射能力,在模式識別領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用[1,2]。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有學(xué)習(xí)、聯(lián)想、容錯和抗干擾功能,具有客觀性。用于水質(zhì)評價有下述優(yōu)點：(1)具有全息聯(lián)想功能,整個過程類似人腦的思維過程,因而可模擬人腦解決某些有模糊性和不確定性的問題;(2)可允許有大量供調(diào)節(jié)參數(shù);(3)運算速度快;(4)具有自組織、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)和容錯能力。

1.2 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法通過確定實測樣本序列與各級標(biāo)準(zhǔn)序列間的隸屬度來確定水質(zhì)級別的方法。該方法考慮參加評價的各項因子在總體中的地位,利用因子貢獻(xiàn)率的方法給出權(quán)重,確定隸屬函數(shù),再經(jīng)過模糊矩陣復(fù)合運算,求得綜合隸屬度,根據(jù)隸屬度來劃分水質(zhì)類別,進(jìn)而得到綜合評價結(jié)果[3-5]。

在水環(huán)境質(zhì)量綜合評價中,模糊綜合評價法充分地體現(xiàn)了水環(huán)境中客觀存在的模糊性和不確定性,符合客觀規(guī)律,具有一定的合理性。

1.3 灰色關(guān)聯(lián)分析法

灰色關(guān)聯(lián)分析是在灰色系統(tǒng)理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的分析方法。采用灰色關(guān)聯(lián)分析進(jìn)行環(huán)境質(zhì)量綜合評價,主要是用關(guān)聯(lián)度大小的次序描述,按關(guān)聯(lián)度最大將所評價的樣本歸在相應(yīng)的級別之中[6,7]。

灰色關(guān)聯(lián)分析評價法由于體現(xiàn)了水環(huán)境系統(tǒng)的不確定性,注重的是水質(zhì)樣本對于評價級別的整體關(guān)聯(lián)性,滿足水環(huán)境質(zhì)量評價的基本要求,是可行的,并且具有簡單、可比的優(yōu)點。

2 南運河水環(huán)境質(zhì)量評價

2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)和評價指標(biāo)

本文根據(jù) 2010年實際數(shù)據(jù),選擇 4月份作為非汛期代表月份,以 8月份作為汛期代表月份。確定評價因子為 DO、CODMn、COD、BOD、NH4+-N、TP、和 TN,以 《地表水 環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)為評價標(biāo)準(zhǔn)。本文評價斷面為東塔橋、慶和橋、萬泉橋、萬柳橋、五愛橋、青年橋、三經(jīng)橋、魯園、和平橋、龍王廟十個監(jiān)測斷面。監(jiān)測數(shù)據(jù)見表 1,2。

表1 2010年 4月監(jiān)測數(shù)據(jù) mg/L

表2 2010年 8月監(jiān)測數(shù)據(jù) mg/L

2.2 評價時間及評價斷面選取

本文基于 DPS平臺采用了 B-P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊綜合評價法、灰色關(guān)聯(lián)分析法三種方法進(jìn)行水質(zhì)綜合評價。綜合評價結(jié)果見表3 、表 4。

表3 各種評價方法水質(zhì)綜合評價結(jié)果(枯水期)

表4 各種評價方法水質(zhì)綜合評價結(jié)果(豐水期)

3 結(jié)果比較與分析

(1)針對 B-P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對南運河枯水期的兩個河段的評價結(jié)果存在偏差,分析原因是因為給定樣本的個數(shù)有限導(dǎo)致評價結(jié)果偏差,建議利用 B-P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行水質(zhì)綜合評價時除利用現(xiàn)有的分級標(biāo)準(zhǔn)外可以多給出其他的學(xué)習(xí)樣本。

(2)利用灰色關(guān)聯(lián)分析法評價南運河水質(zhì),其結(jié)果異于其他兩種方法?；疑P(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行水質(zhì)綜合評價,注重的是水質(zhì)樣本對于評價級別的整體關(guān)聯(lián)性,雖然本文對原始數(shù)據(jù)已均值化處理,但是沒有考慮所有污染物對南運河環(huán)境污染的貢獻(xiàn)大小,故灰色關(guān)聯(lián)分析法評價的結(jié)果是不準(zhǔn)確的。建議利用灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行水質(zhì)綜合評價時除對原始數(shù)據(jù)預(yù)處理外,還要考慮到某些污染物對環(huán)境污染的貢獻(xiàn)大小,對數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)處理。

(3)分析南運河水質(zhì)綜合評價結(jié)果表明,可見應(yīng)用 B-P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊綜合評價法兩種方法進(jìn)行南運河水質(zhì)綜合評價結(jié)果基本相符,南運河水系枯、豐水期水質(zhì)均屬于Ⅴ類水。

4 結(jié)語

綜上所述：3種方法中,模糊綜合評價法的結(jié)果與實際水體質(zhì)量具有較高的一致性,較其它兩種方法更適合用于評價南運河的水環(huán)境質(zhì)量。另兩種方法出現(xiàn)偏差的原因在于：采用 B-P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法時需要更多的學(xué)習(xí)樣本以減小誤差;采用灰色關(guān)聯(lián)分析法時所有污染物對環(huán)境污染的貢獻(xiàn)大小,建議以后進(jìn)行水環(huán)境質(zhì)量評價時,應(yīng)充分地分析水質(zhì)數(shù)據(jù),選擇合適的水質(zhì)評價方法。

[1]王李管,賈明濤.水質(zhì)評價及預(yù)測的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[J]環(huán)境工程 ,1998,16(2)：62-68.

[2]苑希民.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法在水科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社,2002.

[3]李祚泳,丁晶等.環(huán)境質(zhì)量評價原理與方法[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2004,87-93.

[4]張從.環(huán)境評價教程[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002,230-242.

[5]丁桑.環(huán)境評價概論 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2001,40-48.

[6]潘俊,張瑞棉,張俊娥等.基于標(biāo)識指數(shù)法的水質(zhì)灰色動態(tài)模型群預(yù)測分析.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,24(3)：483-488.

[7]王治禎.灰色系統(tǒng)及模糊數(shù)學(xué)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2007.118-119