模糊綜合評判法在地表水水質(zhì)評價中的應(yīng)用

張洪偉，周添紅，張國珍，張 翔，楊 浩

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點實驗室，北京 100044)

模糊綜合評判法在地表水水質(zhì)評價中的應(yīng)用

張洪偉1,2，周添紅1，張國珍1，張 翔1，楊 浩1

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點實驗室，北京 100044)

以黃土塬典型干旱半干旱區(qū)正寧縣為研究對象，將模糊綜合評判法引入正寧縣地表水水質(zhì)評價，采用模糊變換原理和最大隸屬度原則，構(gòu)建正寧縣區(qū)域內(nèi)地表水水質(zhì)模糊綜合評判模型，對不同河流和水庫地表水的水質(zhì)指標(biāo)檢測數(shù)據(jù)作出了定量的綜合評價。結(jié)果表明：該縣區(qū)域內(nèi)庵里水庫和無日天溝水質(zhì)達到地表水Ⅱ類水質(zhì)，嘉峪川河、四郎河、支黨河達到Ⅰ類水質(zhì)；從權(quán)重計算結(jié)果可以看出，正寧縣區(qū)域內(nèi)主要地表水水源庵里水庫、嘉峪川河、四郎河、支黨河主要污染物為NH3-N、DO；無日天溝主要污染物為CODMn、DO。說明該縣區(qū)域內(nèi)主要地表水水源治理和保護情況較好，水源水質(zhì)均達到Ⅱ類水質(zhì)以上。但作為人飲重要水源還需要繼續(xù)加強保護和治理，為該區(qū)域城鎮(zhèn)居民生活用水安全和社會經(jīng)濟發(fā)展提供基礎(chǔ)保障。

模糊綜合評價；地表水；水質(zhì)評價

近年來，水污染事件頻發(fā)，尤其針對河流、水庫等地表水污染事件屢見不鮮，為群眾飲水安全帶來了極大的隱患，也為國家在水污染治理上蒙受了巨大的經(jīng)濟損失[1-5]。黃土塬干旱半干旱地區(qū)是我國缺水較為嚴(yán)重的區(qū)域，水資源安全問題顯得尤為重要。因而，對該類型區(qū)域地表水進行科學(xué)有效的水質(zhì)安全評價已成為研究的焦點，也是確定相關(guān)治理方案的重要依據(jù)[6]。

國內(nèi)針對地表水的水質(zhì)評價研究較多，如灰色聚類法、多元統(tǒng)計法、因子分析法、五元聯(lián)系數(shù)、層次分析法、數(shù)學(xué)模型法以及主成分分析法等等[7-14]。然而，水體污染及其輕重程度屬于模糊概念，根據(jù)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進行水質(zhì)評價是一個典型的模糊模式識別問題，所以應(yīng)用模糊綜合評判方法進行水質(zhì)評價引起越來越多的學(xué)者的關(guān)注[15-18]。模糊綜合評判方法考慮與被評價事物相關(guān)的各個因素，采用模糊變換原理和最大隸屬度原則，建立適宜的模糊綜合評判模型，能夠很好地反映地表水質(zhì)量的模糊性與連續(xù)性，有效解決隸屬度與權(quán)重問題[19-21]。

本文以黃土塬干旱半干旱典型地區(qū)甘肅省正寧縣為研究對象，在2015年10月對正寧縣嘉峪川河、四郎河、無日天溝、支黨河以及庵里水庫進行了數(shù)據(jù)采樣，采用模糊評判法對正寧縣地表水水質(zhì)作出了定量的綜合評價，較為直觀準(zhǔn)確地表達出目前正寧縣區(qū)域內(nèi)地表水的水質(zhì)情況，為該區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展提供了科學(xué)的判斷依據(jù)。

1 區(qū)域地表水概況

正寧縣位于甘肅省慶陽市東南部、子午嶺西麓兩溝之間的狹長塬面上，屬于典型隴東黃土高塬溝壑區(qū)，黃土層厚90～150 m，地表水主要由4條河流和一個水庫組成。4條河流是嘉峪川河、四郎河、無日天溝和支黨河，均屬黃河流域涇河水系。正寧縣唯一的一座小(Ⅰ)型水庫庵里水庫位于涇河一級支流四郎河上游，控制流域面積150 km2，總庫容538.39萬 m3，解決了縣城2.5萬人口的生活用水和工業(yè)用水。

2 模糊綜合評判方法簡介

模糊綜合評判是對受多種因素影響的事物作出全面評價的一種十分有效的多因素決策方法，模糊綜合評判法是在確定評價因素、因子的評價等級標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)值的基礎(chǔ)上，建立各因子對相應(yīng)水質(zhì)級別的隸屬函數(shù)，然后將實測值代入相應(yīng)的隸屬函數(shù)，經(jīng)過模糊變換與綜合運算，得到綜合隸屬度，最終確定地表水的水質(zhì)級別。一般需要如下幾個步驟[22]。

1) 建立因素集U = {U1，U2，…，Ui}，U代表評價因素的集合。

2) 建立評價集V = { V1，V2，…，Vj}，V代表相應(yīng)評價等級標(biāo)準(zhǔn)的集合。

3) 確定隸屬函數(shù)。

采用模糊數(shù)學(xué)中的“半梯形分布”確定隸屬函數(shù)。對數(shù)值越小越好的指標(biāo)選用偏小型半梯形函數(shù)，如公式(1)，對數(shù)值越大越好的指標(biāo)選用偏大型半梯形函數(shù)，如公式(2)。

(1)

(2)

4) 建立模糊關(guān)系矩陣

將實測值代入確定的隸屬函數(shù)中，求出第i個因素對第j個等級的隸屬度，從而可得出模糊關(guān)系矩陣R，如公式(3)。

(3)

5) 確定評價因素的權(quán)向量。

由于各評價因素對水質(zhì)的影響不同，因此，應(yīng)賦予不同的權(quán)重。pH 值選用公式(6)，對數(shù)值越小越好的指標(biāo)選用公式(4)，數(shù)值越大越好的指標(biāo)選用公式(5)。

(4)

(5)

(6)

式中：Ci為第i 種評價因子的實測濃度，S1為第i 種評價因子多級濃度標(biāo)準(zhǔn)值的最小值，S2為第i 種評價因子多級濃度標(biāo)準(zhǔn)值的最大值。

為了進行模糊運算，將各評價因子的權(quán)重值Pi歸一化，從而得到權(quán)重集W = { w1，w2，…，wi}。

6) 因數(shù)集評判。

將權(quán)重W集與模糊評價矩陣R進行復(fù)合運算，如公式(7)。

(7)

7) 根據(jù)最大隸屬度原則確定評價對象的水質(zhì)級別。

3 樣品采集及測試

依據(jù)正寧縣行政區(qū)域劃分及水質(zhì)采樣技術(shù)規(guī)程要求，采樣點分別設(shè)在庵里水庫( 108°27'55″E，35°28'33″N)、嘉峪川河( 107°57'7″E，35°16'10″N)、四郎河( 108°24'9″E，35°26'25″N)、無日天溝( 108°1'52″E，35°20'25″N)、支黨河( 108°23'49″E，35°19'34″N)坐標(biāo)處，樣品的采集方法及保存方法均按照《HJ494-2009水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》和《水質(zhì)采樣技術(shù)規(guī)程SL187-96》相關(guān)要求進行。

選取pH、CODMn、NH3-N、DO、TP五個指標(biāo)進行分析，DO和pH用水質(zhì)分析儀現(xiàn)場測定，其余監(jiān)測指標(biāo)在實驗室內(nèi)測定。其中，TP采用鉬酸銨分光光度法測定、NH3-N采用納式試劑比色法測定，CODMn按照GB11890032-89滴定法測定，具體測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第4版)》[23]進行測試。樣品測試結(jié)果見表1。

表1 樣品檢測結(jié)果 mg/L

4 模型的建立及應(yīng)用

4.1 評價因子集構(gòu)建

根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，選擇所取樣品水質(zhì)中的pH、CODMn、NH3-N、DO、TP作為水質(zhì)評價因子，構(gòu)建評價因子集U，即U={u1，u2，…，u5}。采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》作為評價標(biāo)準(zhǔn)，將水質(zhì)分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類共5個等級，建立水質(zhì)評價指標(biāo)的分級因子集V ={V1，V2，…，V5}，評價因子集U和評價標(biāo)準(zhǔn)集V見表2。

表2 水質(zhì)中污染因子及等級標(biāo)準(zhǔn) mg/L

4.2 隸屬函數(shù)及模糊關(guān)系矩陣建立

根據(jù)各個因素的5級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)采用“降半梯形公式”確定出其各個級別的隸屬函數(shù)。根據(jù)樣品測試結(jié)果，CODMn、NH3-N、TP值偏小，水質(zhì)較好，宜選用偏小型半梯形函數(shù)計算，偏小型半梯形函數(shù)如公式(8)所示。

(8)

而DO值測量結(jié)果較大，宜選用偏大型半梯形函數(shù)計算，偏大型半梯形函數(shù)如公式(9)所示。

(9)

公式(8)和公式(9)中，x為某個評價因子的實測濃度，ai為第i級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。將表1樣品各實測值代入相應(yīng)隸屬函數(shù)，即可得到五個采樣點的模糊關(guān)系矩陣，即R1、R2、R3、R4、R5，如公式(10)、(11)、(12)、(13)、(14)所示。

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

4.3 評價因素的權(quán)重確定

在權(quán)重的計算公式選擇上，根據(jù)前述方法， CODMn、NH3-N、TP選用公式(4)，DO選用公式(5)，pH值選用公式(6)，之后進行歸一化運算，計算結(jié)果見表3。

4.4 評價結(jié)果

通過模糊綜合運算，根據(jù)最大隸屬度原則，可以評判出2015年10月正寧縣區(qū)域內(nèi)主要地表水水源庵里水庫和嘉峪川河、四郎河、無日天溝、支黨河四條河流水源的水質(zhì)級別，評價結(jié)果見表4。

5 結(jié)語

本文以正寧縣區(qū)域內(nèi)主要地表水為研究對象，通過建立模糊綜合評判模型，對正寧縣庵里水庫和嘉峪川河、四郎河、無日天溝、支黨河四條河流的水質(zhì)進行了模糊綜合評價。評價結(jié)果表明：

(1)2015年10月，正寧縣區(qū)域內(nèi)主要地表水水源嘉峪川河、四郎河、支黨河水質(zhì)級別為Ⅰ類，庵里水庫、無日天溝水質(zhì)級別為Ⅱ類。

(2)從權(quán)重計算結(jié)果可以看出，正寧縣區(qū)域內(nèi)主要地表水水源庵里水庫、嘉峪川河、四郎河、支黨河主要污染物為NH3-N、DO；無日天溝主要污染物為CODMn、DO。

表3 因子權(quán)重的歸一化結(jié)果

表4 水質(zhì)模糊綜合評價結(jié)果

(3)從評價方法可見，模糊綜合評判法應(yīng)用簡單、靈活，將影響水質(zhì)的多因子有機結(jié)合，能夠較為方便合理地對地表水水質(zhì)進行評價。

(4)從評價結(jié)果可見，正寧縣區(qū)域內(nèi)主要地表水水源治理和保護情況較好，水源水質(zhì)均達到Ⅱ類水質(zhì)以上。但作為人飲重要水源還需要繼續(xù)加強保護和治理，為該區(qū)域城鎮(zhèn)居民生活用水安全和社會經(jīng)濟發(fā)展提供基礎(chǔ)保障。

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Application of fuzzy comprehensive evaluation method in surface water quality evaluation

ZHANG Hong-wei1,2，ZHOU Tian-hong1，ZHANG Guo-zhen1，ZHANG Xiang1，YANG Hao1

(1.School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China；2.Key Laboratory of Urban Stormwater System and Water Environment, Beijing 100044，China)

In this paper, the Loess Plateau typical arid and semiarid zones Zhengning County as the research object, the fuzzy comprehensive evaluation method is used assessmenting the surface water quality of Zhengning County. Based on the fuzzy transformation principle and principle of maximum degree of membership, the comprehensive evaluation on the monitoring data of surface water quality of different rivers and reservoirs is conducted by using the fuzzy comprehensive evaluation method.The results show that the water quality pollution levels of Anli Reservoir and Wuritiangou River are class II and Jiayuguan River, Silang River and Zhidang River are class I. It can be seen from the term weighting results within the main area of Zhengning County,the major pollutants of Anli Reservoir, Jiayuchuan River, Silang River, Zhidang Rive is NH3-N, DO; the major pollutants of Wuritiangou is CODMn, DO. That major surface water’s management and protection of the county area is better.Water quality achieves Ⅱ class .But as an important traditional drink water source also need to continue to strengthen protection and management, for the basic safeguard of regional urban domestic water safety and economic development.

Fuzzy Comprehensive Evaluation；Surface water；Water quality assessment

2016-10-17

城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境教育部重點實驗室開放課題資助(編號：515205)；蘭州交通大學(xué)實驗室管理處實驗教改項目資助(編號：201610)

張洪偉(1979-)，男，吉林公主嶺人，講師，主要從事水資源及水系統(tǒng)安全研究。

X824

A

1004-1184(2017)01-0083-04