基于模糊分析的膠州灣水質(zhì)綜合評價

李草青青，張 燕

（大連海洋大學(xué) 大連市 116021）

水環(huán)境質(zhì)量評價是環(huán)境質(zhì)量評價的重要組成部分，是通過一定的數(shù)理方法和其他手段對水環(huán)境要素的優(yōu)劣進(jìn)行定量描述的過程[1]。水體本身多元而復(fù)雜，影響水質(zhì)的因素眾多，規(guī)律性各不相同，一些指標(biāo)本身難以量化，這些給水質(zhì)評價帶來很多不確定性和模糊性。自20世紀(jì)60年代Jacobs[2]提出水體質(zhì)量評價的水質(zhì)指數(shù)（WQI）概念和公式以來，國內(nèi)外就不斷有文獻(xiàn)討論各種水質(zhì)評價方法，但由于評價因子多，且與水質(zhì)級別存在著復(fù)雜的非線性關(guān)系，水體污染具有隨機(jī)性與模糊性，故至今仍未形成統(tǒng)一的、公認(rèn)的評價模式[3]。本文采用單因子指數(shù)評價法和基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評價法對膠州灣2005年水質(zhì)監(jiān)測資料進(jìn)行分析和評價，以期為海灣水質(zhì)環(huán)境管理提供參考。

1 水質(zhì)模糊綜合評價方法

單因子評價是水質(zhì)評價中最為成熟的方法，具體公式不再贅述。模糊評價法是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，對多種模糊因素所影響的事物或現(xiàn)象進(jìn)行總的定量評價的方法，其引用了模糊矩陣復(fù)合運(yùn)算法，表明評價水體水質(zhì)對各級標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)的隸屬程度，反映了綜合水質(zhì)級別的模糊性。

1.1 隸屬函數(shù)法

采用降半梯形分布來刻畫不同評價對象的隸屬度，得到矩陣F（fjh）m×t，計算公式為式（1）至式（3）：

式中：fjh為第j個評價指標(biāo)的第h級（h=1，2，···t）評價標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度，Cj表示第j個評價指標(biāo)的實(shí)測濃度，Sjh表示第j個評價指標(biāo)的第h級標(biāo)準(zhǔn)值[4]。

1.2 權(quán)重確定方法

權(quán)重確定方法是模糊綜合評價方法中常用方法之一，本文分別采用超標(biāo)倍數(shù)法和熵權(quán)賦值法對膠州灣水質(zhì)進(jìn)行評價，并比較其評價結(jié)果。

①超標(biāo)倍數(shù)法

超標(biāo)倍數(shù)法[5，6]確定權(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，設(shè)有t級評價標(biāo)準(zhǔn)，m個評價指標(biāo)，則第i個（i=1，2，…，m）評價指標(biāo)的權(quán)重（Wi）的計算公式為式 （4） 至式 （7）：

②熵權(quán)賦值法

熵權(quán)賦值法[7，8]就是在客觀的條件下由各評價指標(biāo)的實(shí)測數(shù)據(jù)構(gòu)成的判斷矩陣來確定各指標(biāo)的權(quán)重的方法。設(shè)n個評價對象，m個評價指標(biāo)，則第j個評價指標(biāo)的熵（Hj）與熵權(quán)（Wj）的計算公式見式（8） 至式（12）：

1.3 模糊模式識別模式—M （· ，+）算子

采用M（·，+）算子計算最優(yōu)隸屬度矩陣公式，計算公式見式（13）：

式中：B為各評價對象的最優(yōu)隸屬度矩陣；W為各評價指標(biāo)權(quán)重矩陣；F為實(shí)測數(shù)據(jù)的隸屬函數(shù)法標(biāo)準(zhǔn)化矩陣[4]。根據(jù)最大隸屬度原則，若 bj=max（b1，b2，b3，···，bm），則該待評價對象級別應(yīng)該為第j級[9]。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 2005年膠州灣水質(zhì)環(huán)境資料

對應(yīng)入海河流的枯、豐、平3個水期，青島市環(huán)境中心站分別于2005年5、8、10月對膠州灣水文、生物化學(xué)要素進(jìn)行調(diào)查，分別在膠州灣中心區(qū)、東岸、北岸、西岸共布設(shè)18個水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)位進(jìn)行監(jiān)測。本文綜合不同時期的調(diào)查結(jié)果得到2005年膠州灣入海河流的枯、豐、平3個水期水質(zhì)的年平均值。

2.2 膠州灣水質(zhì)單因子指數(shù)評價

2.2.1 評價結(jié)果

采用單因子指數(shù)法得到2005年膠州灣年平均單因子評價結(jié)果見表1。

2.2.2 評價結(jié)果分析

依據(jù)表1可知，pH值、懸浮物、溶解氧、化學(xué)需氧量、活性磷酸鹽、總鉻、揮發(fā)酚、氰化物、鋅、銅、油類等11項(xiàng)年均檢測污染標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)均小于1，沒有超標(biāo)；無機(jī)氮超標(biāo)嚴(yán)重，超標(biāo)點(diǎn)位主要分布在膠州灣東北部和西北部；糞大腸菌群超標(biāo)較嚴(yán)重，超標(biāo)點(diǎn)位主要分布在膠州灣東北部和東南部。

2.3 海灣水質(zhì)模糊綜合評價

2.3.1 熵權(quán)賦值法權(quán)重確定結(jié)果

2.3.2 評價結(jié)果

評價結(jié)果如圖1所示。

圖1 2005年膠州灣年平均水質(zhì)評價因子權(quán)重示意圖

采用模糊綜合評價法得到2005年平均水質(zhì)評價結(jié)果，見表2。

2.3.3 評價結(jié)果分析

根據(jù)表2可知，4、5、6、8、11號點(diǎn)位，即膠州灣的東部和北部，采用超標(biāo)倍數(shù)法評價的結(jié)果為Ⅳ級，采用熵權(quán)賦值法評價的結(jié)果為Ⅰ級。據(jù)2005年青島市海洋環(huán)境質(zhì)量公報顯示，膠州灣東部、北部海域污染較嚴(yán)重，由此表明采用超標(biāo)倍數(shù)法確定權(quán)重的模糊綜合評價法的評價結(jié)果更能符合水環(huán)境質(zhì)量的實(shí)際情況。

表1 2005年膠州灣年平均單因子評價結(jié)果

3 結(jié)論

（1）采用單因子指數(shù)法對膠州灣不同時期的水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行評價，并挑選出超標(biāo)較嚴(yán)重的無機(jī)氮、糞大腸菌群及評價時較關(guān)注的溶解氧、化學(xué)需氧量作為模糊綜合評價法的評價指標(biāo)。

（2）在模糊綜合評價方法中，實(shí)測數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方法采用隸屬函數(shù)法，權(quán)重的確定方法分別采用超標(biāo)倍數(shù)法及熵權(quán)賦值法，模糊模式識別模式采用M（·，+）模糊算子，結(jié)果表明，膠州灣大部分水質(zhì)類別為Ⅳ級，東部、北部海域污染較為嚴(yán)重。

表2 2005年膠州灣年平均水質(zhì)評價結(jié)果

（3）采用超標(biāo)倍數(shù)法及熵權(quán)賦值法作為確定權(quán)重的2種方法評價結(jié)果相差較大，通過分析可得，采用超標(biāo)倍數(shù)法確定權(quán)重的模糊綜合評價法的評價結(jié)果更能符合水環(huán)境質(zhì)量的實(shí)際情況。

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