基于模糊可變評價(jià)模型的水庫水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)

程建設(shè)

(江西省瑞昌市水利局, 江西 瑞昌 333200)

?

環(huán)境與生態(tài)

基于模糊可變評價(jià)模型的水庫水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)

程建設(shè)

(江西省瑞昌市水利局, 江西 瑞昌 333200)

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，水庫水環(huán)境質(zhì)量問題成為社會關(guān)注的熱點(diǎn)以及政府工作的難點(diǎn)。以可變模糊集合為理論支撐，選取江西省某水庫作為研究對象，應(yīng)用模糊可變評價(jià)模型，在單因子評價(jià)法的基礎(chǔ)上，評價(jià)該水庫水環(huán)境質(zhì)量的總體情況。采用3種方法確定指標(biāo)權(quán)重，通過變化模型參數(shù)構(gòu)造多種模型，提高對水庫水環(huán)境質(zhì)量等級評價(jià)的可信度。該模型實(shí)用性強(qiáng)、計(jì)算結(jié)果可靠，可應(yīng)用于類似水庫水環(huán)境質(zhì)量的綜合評價(jià)。

水庫水環(huán)境；水環(huán)境質(zhì)量；模糊可變評價(jià)；指標(biāo)權(quán)重

1 研究背景

生態(tài)文明建設(shè)是關(guān)系國家長久發(fā)展的大計(jì)，保護(hù)水環(huán)境是推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容。水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)是合理開發(fā)利用水資源的基礎(chǔ)工作，也是驗(yàn)證水資源保護(hù)成果的重要程序。在水庫水環(huán)境評價(jià)工作中，常用的方法有單因子評價(jià)法、可變模糊模型法、灰色系統(tǒng)法、水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法、BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[1-5]。

基于模糊可變評價(jià)模型的水庫水環(huán)境評價(jià)方法，是根據(jù)水庫水環(huán)境影響因素多、變化復(fù)雜的特點(diǎn)，以陳守煜提出的以模糊可變集為核心的模糊可變評價(jià)模型為理論依據(jù)[6]，結(jié)合江西省某水庫的實(shí)際情況，構(gòu)建水環(huán)境質(zhì)量等級評價(jià)體系，確定評價(jià)指標(biāo)處于級別區(qū)間的相對隸屬度，并通過改變權(quán)重及模型參數(shù)，檢驗(yàn)水環(huán)境質(zhì)量級別特征值的穩(wěn)定性，并取不同情況下級別特征值的均值作為評價(jià)結(jié)果。

我國規(guī)定地表水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)采用單因子評價(jià)法，該方法是目前使用最多的水質(zhì)評價(jià)法，對水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行定性分析，在水環(huán)境總體概念上存在局限[7]。本文在單因子評價(jià)法的基礎(chǔ)上，采用基于模糊可變評價(jià)模型的綜合評價(jià)方法，用兩種方法的結(jié)果作為水庫水環(huán)境評定等級的參考，從而提高評價(jià)結(jié)果的可靠性，實(shí)現(xiàn)對水庫水環(huán)境質(zhì)量的多模型綜合評價(jià)。

2 模糊可變評價(jià)理論簡介

設(shè)論域U上的對立模糊概念，以A與AC表示吸引與排斥性質(zhì)，對U中的任意元素u，u∈U，在參考連續(xù)統(tǒng)區(qū)間[1,0] (對A)與[0,1](對AC)的任一點(diǎn)上，吸引與排斥的相對隸屬度分別為μA(u)、μAC(u)，且μA(u)+μAC(u)=1。設(shè)

(1)

則DA(u)稱為u對A 的相對差異度。

映射u|→DA∈[-1,1]稱為u對A的相對差異函數(shù)，如圖1所示。

圖1 相對差異函數(shù)示意

令

(2)

則V稱為可變模糊集合。

評價(jià)對象u對A的相對隸屬度以μhj表示，則模糊可變評價(jià)模型表示為

(3)

其中，xij為樣本j指標(biāo)i的特征值，i=1,2,…，m；j=1,2,…,n。h為指標(biāo)級別值，h=1,2,…，c。1級為優(yōu)級，c級為劣級。ωi為指標(biāo)權(quán)重，m為評價(jià)指標(biāo)數(shù)。α為模型優(yōu)化準(zhǔn)則參數(shù)，α=1、α=2分別為最小一、二乘方準(zhǔn)則；P為距離參數(shù)，P=1、P=2分別為海明、歐式距離。

3 水庫水環(huán)境質(zhì)量模糊可變評價(jià)方法

3.1 構(gòu)建指標(biāo)體系

江西省某水庫是一座兼有防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖、灌溉等綜合效益的中型水庫。近年來，該水庫水體被污染，主要污染源是排放的工業(yè)污水及生活廢水、噴灑的水產(chǎn)養(yǎng)殖及農(nóng)業(yè)種植的化肥農(nóng)藥、周邊開采礦山帶來的污染等。根據(jù)《江西省湖庫普查技術(shù)大綱》要求，該水庫的入口、庫心和出口3處設(shè)有監(jiān)測斷面，可獲取1a不同時(shí)期水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的數(shù)據(jù)。根據(jù)水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)主要污染項(xiàng)目為高猛酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、氨氮、總磷、總氮、硒、砷和鉛等。

結(jié)合該水庫水質(zhì)問題的主要影響因素，根據(jù)水環(huán)境污染物監(jiān)測結(jié)果，依據(jù)系統(tǒng)性、代表性、典型性和科學(xué)性的原則[8-10]，選取8個(gè)污染因子作為水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)，分別為：高猛酸鹽指數(shù)(指標(biāo)X1)、化學(xué)需氧量(指標(biāo)X2)、氨氮(指標(biāo)X3)、總磷(指標(biāo)X4)、總氮(指標(biāo)X5)、硒(指標(biāo)X6)、砷(指標(biāo)X7)和鉛(指標(biāo)X8)。

我國依據(jù)地表水水域環(huán)境功能和保護(hù)目標(biāo)，按功能高低劃分為5類。對應(yīng)Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類的標(biāo)準(zhǔn)，將水環(huán)境質(zhì)量分為1級、2級、3級、4級和5級，共5個(gè)級別，1級最好，5級最差。

3.2 指標(biāo)相對隸屬度

選取2016年各監(jiān)測斷面的指標(biāo)濃度年均值作為研究對象，如表1所示。

表1 2016年各監(jiān)測斷面的指標(biāo)年均值 mg/L

因入口、庫心和出口3個(gè)斷面的水環(huán)境質(zhì)量相差不大，本文采用平均值作為評價(jià)對象u進(jìn)行總體研究，則其指標(biāo)特征值向量為：X=(4.16，24.12，0.46，0.13，0.68，0.017，0.061，0.04)

根據(jù)我國《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)，確定8個(gè)評價(jià)指標(biāo)對應(yīng)各級別的標(biāo)準(zhǔn)值，如表2所示。

表2 水庫水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)分級 mg/L

根據(jù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值得到 8個(gè)評價(jià)指標(biāo)5個(gè)級別的水環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值區(qū)間矩陣為Iab，構(gòu)造范圍矩陣Icd，計(jì)算分析指標(biāo)i級別h的點(diǎn)矩陣M，M不一定為區(qū)間[a,b]的中點(diǎn)值，設(shè)該水庫水環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)特征值x為X區(qū)間內(nèi)任意點(diǎn)的量值，點(diǎn)x、M與區(qū)間[a,b]、[c,d]的位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 位置關(guān)系

當(dāng)水庫水環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)特征值x落入M點(diǎn)左側(cè)時(shí)，相對隸屬函數(shù)公式為

(4)

當(dāng)水庫水環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)特征值x落入M點(diǎn)右側(cè)時(shí)，相對隸屬函數(shù)公式為

(5)

式中，β為大于0的指數(shù)，通?？扇ˇ?1，即線性函數(shù)。根據(jù)以上公式計(jì)算水庫水環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)的相對隸屬度矩陣，對該矩陣關(guān)于評價(jià)指標(biāo)i進(jìn)行歸一化處理，得到評價(jià)指標(biāo)i對級別h的相對隸屬度矩陣μA(u)：

表3 水庫水環(huán)境質(zhì)量級別特征值計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 語

水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)是確定水庫功能、明確水庫現(xiàn)狀的重要內(nèi)容。本文以江西省某水庫作為研究對象，在單因子評價(jià)法的基礎(chǔ)上，應(yīng)用以模糊可變集為理論基礎(chǔ)、 用相對隸屬函數(shù)表示的模糊可變評價(jià)模型，采用3種不同的權(quán)重確定方法，對水庫水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了評價(jià)。評價(jià)結(jié)果可以為水庫治理提供參考依據(jù)，進(jìn)而采取合理的修復(fù)技術(shù)方案，對保證水庫的正常運(yùn)行、 促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)具有現(xiàn)實(shí)意義。另外，該方法也可用于解決類似地表水環(huán)境質(zhì)量問題的綜合評價(jià)。

[1] 趙前信.四種水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)方法在六安市水庫中的應(yīng)用[J]. 環(huán)境工程,2014(3):113-116，120.

[2] 王惠.模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)中的應(yīng)用[J]. 硅谷,2012(20)：82，123.

[3] 于福榮,劉中培,李俊.灰色關(guān)聯(lián)分析法和模糊綜合評判法在水庫水質(zhì)評價(jià)中的應(yīng)用[J]. 水文,2012(4):67-70.

[4] 李茜,張建輝,林蘭鈺,等.水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)方法綜述[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2011(19):285-287，290.

[5] 景曉林.濟(jì)南市錦繡川水庫水質(zhì)評價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)分析[D].濟(jì)南：濟(jì)南大學(xué),2014.

[6] 陳守煜.可變模糊集理論與模型及其應(yīng)用[M].大連：大連理工大學(xué)出版社,2009.

[7] 侯得印.鄱陽湖水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)與水質(zhì)預(yù)測模型的研究[D].南昌：南昌大學(xué),2007.

[8] 王海峰,柴春嶺,李春燕.基于模糊可變模型的水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)方法[J]. 人民黃河,2011(5):66-68.

[9] 李峰,李甲亮.多目標(biāo)模糊決策模型對水環(huán)境質(zhì)量的評價(jià)[J]. 環(huán)境工程,2010(3):22，102-103.

[10]袁永強(qiáng),付佳,程全國.基于組合權(quán)重的模糊數(shù)學(xué)法對水質(zhì)的評價(jià)[J]. 數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識,2015(16):107-113.

(編輯：李 慧)

3.3 指標(biāo)權(quán)重

(1) 等權(quán)重法。認(rèn)為各項(xiàng)指標(biāo)對水庫水環(huán)境質(zhì)量的影響一樣，得到等權(quán)重向量ω1=(0.125 0.125 0.125 0.125 0.125 0.125 0.125 0.125)。

(2) 二元比較模糊量化分析法。根據(jù)指標(biāo)重要性排序一致性定理，并結(jié)合該水庫實(shí)際情況，得到通過檢驗(yàn)的8個(gè)水環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)重要性排序一致性標(biāo)度矩陣E。按矩陣E關(guān)于重要性排序，進(jìn)行關(guān)于重要性程度的二元比較判斷，結(jié)合語氣算子與相對隸屬度之間的關(guān)系，分析判斷得出水庫水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)的權(quán)向量，并進(jìn)行歸一化處理，得到權(quán)重向量ω2=(0.134 0.109 0.087 0.098 0.078 0.164 0.182 0.148)。

3.4 級別特征值

通過可變模糊評價(jià)模型確定各評價(jià)指標(biāo)i的綜合相對隸屬度，采用等權(quán)重法、二元比較模糊量化分析法和變異系數(shù)法3種方法確定權(quán)重，通過變化優(yōu)化準(zhǔn)則參數(shù)α以及距離參數(shù)P構(gòu)造不同的水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)模型，計(jì)算不同權(quán)重不同模型下水環(huán)境質(zhì)量的級別特征值，如表3所示。

根據(jù)表3，水庫水樣在3種權(quán)重確定模型下的級別特征值分別為3.50，3.59和 3.67，3種權(quán)重的平均級別特征值為 3.59。模糊可變評價(jià)模型的研究結(jié)果表明，該水庫的總體水環(huán)境質(zhì)量等級為4級(Ⅳ類)。應(yīng)用單因子評價(jià)法分析，該水庫水環(huán)境質(zhì)量為Ⅴ類。結(jié)合兩種評價(jià)方法的成果，根據(jù)該水庫的功能定位，應(yīng)提出治理措施，并加強(qiáng)水庫保護(hù)工作。

水庫水環(huán)境質(zhì)量模糊可變評價(jià)方法能夠科學(xué)、合理地確定水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)處于級別區(qū)間的相對隸屬度，且可同時(shí)采用多種權(quán)重模型(本文為3種)以及通過變換參數(shù)(α與P)改變模型(本文共4個(gè)模型，其中2個(gè)線性、2個(gè)非線性)進(jìn)行綜合評價(jià)，對多個(gè)評價(jià)結(jié)果對比分析，保證了評價(jià)結(jié)果的穩(wěn)定性，并取多模型評價(jià)結(jié)果的平均值作為綜合評價(jià)結(jié)果，提高了評價(jià)結(jié)果的可靠度。

2017-04-15

程建設(shè)，男，江西省瑞昌市水利局，工程師

1006-0081(2017)07-0017-03

TV697

A