柯麗娜, 王權(quán)明, 王國力, 張 翔, 王方雄, 楊 俊

(1. 遼寧省自然地理與空間信息科學(xué)重點實驗室, 遼寧 大連 116029; 2. 國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心, 遼寧 大連 116023)

水質(zhì)評價是水環(huán)境管理保護(hù)和污染治理的一項重要基礎(chǔ)性工作, 如何評價水資源的質(zhì)量, 為生產(chǎn)、生活提供水質(zhì)信息, 采取相應(yīng)的防治措施, 是水環(huán)境研究的一個重點。自20世紀(jì)50年代以來, 國內(nèi)外學(xué)者對水體環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了深入的研究, 各類水質(zhì)監(jiān)測評價方法逐步建立與規(guī)范。以Simeonov 為代表的國外學(xué)者對水體質(zhì)量從化學(xué)組成上進(jìn)行了評價[1], Russo[2]介紹了美國水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展過程, Bhabesh[3]采用主成分分析法借助地理信息系統(tǒng)對海灣地區(qū)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了評價; 李雪[4]、吳斌[5]、鄭琳[6]、孔維萍[7]、王洪禮[8]、李凡修[9]等國內(nèi)學(xué)者分別用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、“三元法”、模糊綜合、灰色聚類法、基于支持向量機(jī)理論法及集對分析方法等方法對不同區(qū)域海水水質(zhì)進(jìn)行了評價, 總體來看這些方法和模型各有優(yōu)缺點。海水水質(zhì)評價可以視為是一個具有確定性的評價指標(biāo)和評價標(biāo)準(zhǔn)與具有不確定性的評價因子及其含量變化相結(jié)合的分析過程, 各評價指標(biāo)含量本身就具有中介過渡性, 屬于模糊概念, 而大多數(shù)傳統(tǒng)的水質(zhì)評價方法往往將評價標(biāo)準(zhǔn)或參照標(biāo)準(zhǔn)處理成點的形式存在一定的不足, 因此本文試圖將可變模糊數(shù)學(xué)模型[10-11]引入海水水質(zhì)評價中, 通過變化模型及其參數(shù), 合理地確定樣本指標(biāo)對各級指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間的相對隸屬度和相對隸屬函數(shù), 有效地解決環(huán)境評價中邊界模糊及監(jiān)測誤差對評價結(jié)果的影響問題[11]。另外, 為了進(jìn)行監(jiān)測評價數(shù)據(jù)管理、評價信息輸出、表現(xiàn)水環(huán)境污染的時空分布態(tài)勢等, 各類數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)開始在環(huán)境監(jiān)測評價領(lǐng)域應(yīng)用, 對提高環(huán)境水質(zhì)污染監(jiān)測評價能力起到了重要作用。本文將利用ArcEngine集成開發(fā)技術(shù), 探索海水水質(zhì)可變模糊評價GIS系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn), 以期能夠為改進(jìn)和完善海水環(huán)境質(zhì)量評價提供新的思路和參考。

1 系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用ArcGIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)的多源空間數(shù)據(jù)庫和相關(guān)屬性數(shù)據(jù)庫, 通過ArcSDE數(shù)據(jù)引擎和專用開發(fā)數(shù)據(jù)接口訪問SQL Server中的海水水質(zhì)評價數(shù)據(jù)庫, 采用ArcEngine集成開發(fā)技術(shù), 在Visual C# 2008開發(fā)環(huán)境下, 將可變模糊數(shù)學(xué)模型與GIS空間分析手段集成, 建立基于ArcEngine的海水水質(zhì)可變模糊評價系統(tǒng)。

評價信息系統(tǒng)的總體設(shè)計目標(biāo)是實現(xiàn)對海水水質(zhì)空間信息和屬性信息的一體化與可視化管理, 能夠進(jìn)行海水水質(zhì)評價及制作海水水質(zhì)評價專題地圖、評價結(jié)果報表輸出等, 實現(xiàn)GIS支持下的海水水質(zhì)評價結(jié)果的可視化表達(dá), 系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)功能上由4大模塊組成: 數(shù)據(jù)輸入與管理模塊、GIS數(shù)據(jù)查詢與編輯模塊、海水水質(zhì)可變模糊評價模塊、制圖與輸出模塊, 該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) Fig. 1 The overall structure of the system

1.2 系統(tǒng)的基本功能

數(shù)據(jù)輸入與管理模塊的基本功能主要實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的輸入、查詢、編輯、刪除等功能。這里數(shù)據(jù)主要包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)(矢量空間數(shù)據(jù))、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)(*.xls,*.DBF)兩類。

GIS數(shù)據(jù)查詢與選擇編輯模塊的基本功能主要實現(xiàn)基本的GIS功能, 包括地圖放大、縮小、地圖數(shù)據(jù)量測、基于GIS的屬性和位置的查詢、GIS數(shù)據(jù)編輯與修改等功能, 其中查詢和選擇功能可以實現(xiàn)根據(jù)屬性選擇、根據(jù)位置選擇、根據(jù)屬性查詢、根據(jù)位置查詢等功能。

海水水質(zhì)可變模糊評價模塊是海水水質(zhì)評價信息系統(tǒng)的核心, 主要通過人機(jī)交互方式, 實現(xiàn)基于可變模糊模型的海水水質(zhì)綜合評價。該模塊包括評價指標(biāo)體系管理、評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值管理、可變模糊評價模型管理及評價結(jié)果顯示四個部分。評價指標(biāo)體系管理根據(jù)用戶輸入的評價指標(biāo)及相應(yīng)的指標(biāo)值進(jìn)行相關(guān)性分析, 并結(jié)合人機(jī)交互模式, 選取有代表性的評價指標(biāo)。指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值管理參照《中華人民共和國海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3097-1997), 根據(jù)用戶確定的評價指標(biāo)體系, 將海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)入評價系統(tǒng), 確定海水水質(zhì)可變模糊綜合評價指標(biāo)的評價等級劃分及各等級的標(biāo)準(zhǔn)值。可變模糊評價模型管理部分以源程序和可執(zhí)行程序存放可變模糊綜合評價方法, 能夠為系統(tǒng)提供海水水質(zhì)可變模糊綜合分析模型及計算方法。評價結(jié)果顯示根據(jù)參數(shù)a,p(可變模糊模型參數(shù))變化情況計算海水水質(zhì)綜合級別特征值, 生成海水水質(zhì)綜合評價圖, 快速、直觀反映水質(zhì)隨時間的變化情況。

制圖與輸出模塊的基本功能是制作各類海水水質(zhì)要素平面分布、模糊評價結(jié)果專題圖等, 包括: 單一符號圖、漸變符號圖、漸變色分級圖、柱狀圖及餅狀圖制作及制圖打印輸出。

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能圖示見圖2。

圖2 海水水質(zhì)評價系統(tǒng)功能圖 Fig. 2 The function diagram of seawater quality evaluation system

1.3 系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

GIS的二次開發(fā)有多種實現(xiàn)方式, 其中組件式二次開發(fā)既可以充分利用GIS工具軟件對空間數(shù)據(jù)庫的管理、分析功能, 又可以利用其他可視化開發(fā)語言, 具有高效、方便、可靠性好、易于移植、便于維護(hù)等優(yōu)點。

本系統(tǒng)從功能需求、成本和先進(jìn)性等方面考慮, 利用ArcGIS Engine作為系統(tǒng)GIS組件, 結(jié)合C#語言, 在VS2008的平臺下建立基于GIS技術(shù)的海水水質(zhì)環(huán)境可變模糊綜合評價系統(tǒng)。C#是一種最新的、面向?qū)ο蟮木幊陶Z言, 它使得程序員可以快速地編寫各種基于Microsoft.NET平臺的應(yīng)用程序, 使開發(fā)者用更少的代碼做更多的事, 同時也不易出錯[12]。

ArcGIS Engine是ESRI在ArcGIS9版本新推出的用于構(gòu)建定制應(yīng)用的完整的嵌入式的GIS組件庫[13], 支持多種開發(fā)語言, 包括COM、.NET框架、Java和C++, 能夠運行在Windows、Linux和Solaris等平臺上。使用ArcGIS Engine, 開發(fā)人員不需要再依賴于ArcGIS Desktop就能夠創(chuàng)建新的應(yīng)用程序, 或者在自定義的軟件應(yīng)用中擴(kuò)展GIS的功能, 把GIS嵌入到其他應(yīng)用程序之中, 如: Microsoft Word或Excel中, 為用戶提供針對GIS解決方案的定制應(yīng)用。

2 系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

2.1.1 空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計

采用ArcSDE作為空間數(shù)據(jù)庫引擎, 實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和視圖的無縫集成。空間數(shù)據(jù)庫采用ArcSDE管理, 根據(jù)ArcSDE的空間數(shù)據(jù)存儲方案, 將海水水質(zhì)采樣點采用Shapefile格式存儲為點狀圖層。

2.1.2 屬性數(shù)據(jù)庫設(shè)計

屬性數(shù)據(jù)庫是存儲、分析、統(tǒng)計、查詢、更新等的核心工具, 為了使不同格式的屬性數(shù)據(jù)管理起來更加靈活, 可分別通過GeoDatabase及SQL Serve2005管理不同格式的屬性數(shù)據(jù)。在屬性數(shù)據(jù)庫中建立存有樣點ID及各待分析元素含量等屬性信息的屬性表, 在屬性表中設(shè)置樣點ID為主鍵, 通過主鍵與空間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接。

2.1.3 指標(biāo)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

指標(biāo)數(shù)據(jù)是作為海水水質(zhì)分級的依據(jù), 存放于指標(biāo)數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)《中華人民共和國海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3097-1997)在指標(biāo)數(shù)據(jù)庫中建立存有指標(biāo)名稱、運算符、第一類、第二類、第三類、第四類、劣四類等指標(biāo)信息的指標(biāo)表, 在指標(biāo)表中設(shè)置指標(biāo)名稱為主鍵, 在程序設(shè)計中通過主鍵與屬性數(shù)據(jù)庫進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

2.1.4 數(shù)據(jù)庫訪問

采用GeoDatabase數(shù)據(jù)模型管理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù), 采用SQL Server管理屬性數(shù)據(jù)和指標(biāo)數(shù)據(jù)。通過ArcSDE數(shù)據(jù)引擎訪問 GeoDatabase, 通過C#中數(shù)據(jù)庫訪問類SqlClient訪問SQL Server, 最后空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)及指標(biāo)數(shù)據(jù)通過內(nèi)部關(guān)聯(lián)碼(樣點ID和指標(biāo)名稱)進(jìn)行關(guān)聯(lián), 如圖3所示, 構(gòu)成靈活的系統(tǒng)數(shù)據(jù)體系, 這為可變模糊評價模塊的執(zhí)行提供了數(shù)據(jù)保證。

圖3 數(shù)據(jù)庫訪問示意圖 Fig. 3 The diagram of database access

2.2 數(shù)據(jù)輸入與管理模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

數(shù)據(jù)輸入與管理模塊界面設(shè)計見圖4。這里僅以數(shù)據(jù)查詢進(jìn)行說明, 數(shù)據(jù)查詢使用IQueryFilter接口定義qQueryFilter對象, 定義方法名selectMethod, 運用switch語句檢查用戶所選查詢方法, 分為4種, case0: 生成新的選擇集; case1: 添加到當(dāng)前的選擇集; case2: 從當(dāng)前的選擇集中去除; case3: 在當(dāng)前選擇集中選擇。設(shè)置case0為默認(rèn)選項, 即default。然后將pQueryFilter和所選方法selectMethod傳入pFeaterSelectin.SelectFeatures方法中進(jìn)行查詢。

圖4 根據(jù)屬性查詢 Fig. 4 The attribute query interface

關(guān)鍵代碼的實現(xiàn)如下。首先使用IQueryFilter接口定義qQueryFilter對象, 然后運用Swich語句檢查 Combobox控件中查詢方法的被選狀態(tài), 根據(jù)selectIndex確定被選方法, 最后將pQueryFilter和所選方法 selectMethod傳入 pFeaterSelectin.Select-Features方法中進(jìn)行查詢。關(guān)鍵代碼:

esriSelectionResultEnum selectMethod;

switch (comboBoxMethod.SelectedIndex)

{case 0: selectMethod = esriSelectionResultEnum. esriSel- ection ResultNew; break;

case 1: selectMethod = esriSelectionResultEnum. esriSelectionResultAdd; break;

case 2: selectMethod = esriSelectionResultEnum. esriSelectionResultSubtract; break;

case 3: selectMethod = esriSelectionResultEnum. esriSelectionResultAnd; break;

default: selectMethod = esriSelectionResultEnum. esriSelectionResultNew; break; }

pFeatureSelection.SelectFeatures(pQueryFilter, selectMethod, false).

2.3 海水水質(zhì)可變模糊綜合評價模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

2.3.1 海水水質(zhì)可變模糊評價模型

2.3.1.1 海水水質(zhì)評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值矩陣建立

設(shè)海水水質(zhì)待評對象u, 根據(jù)m個指標(biāo)按c個級別的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行識別, 形成多指標(biāo)、多級別的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間矩陣

其中aih,bih分別為指標(biāo)i級別h標(biāo)準(zhǔn)值區(qū)間的上、下限值。式(1)第1行相當(dāng)于越小越優(yōu)型指標(biāo),aihbih。

在每個指標(biāo)、每個級別h的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間范圍內(nèi), 必存在一點yih, 使yih對于級別h的相對隸屬度等于1,yih定義為指標(biāo)i、級別h的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值, 將海水水質(zhì)評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間矩陣Y1轉(zhuǎn)化成多指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣Y2:

2.3.1.2 計算評價樣本u指標(biāo)特征值的單指標(biāo)級別隸屬度

根據(jù)對立統(tǒng)一定理, 級別h與(h+1)級構(gòu)成對立模糊概念,

式中:μih(u),μi(h+(1)u)分別為待評對象u指標(biāo)i對級別h與(h+1)級的相對隸屬度。

設(shè)待評對象u指標(biāo)i的特征值xi落入[yih,yi(h+1)]內(nèi), 則xi對h級相對隸屬度為

2.3.1.3 計算待評對象u對級別h的綜合相對隸屬度

設(shè)pi是指標(biāo)i對于級別h位于p1與pr之間的一點, 則pi與p1,pr兩端的多指標(biāo)廣義權(quán)距離為:

則待評對象u對級別h的多指標(biāo)綜合相對隸屬度vh(u)為:

p為距離參數(shù),p=1為海明距離,p=2為歐氏距離;α為優(yōu)化準(zhǔn)則參數(shù),α=1相當(dāng)于最小一乘方,α=2為最小二乘方優(yōu)化準(zhǔn)則。α和p可有4種組合形式:a=1,p=1;a=1,p=2;a=2,p=1;a=2,p=2。

2.3.1.4 計算待評對象u的級別特征值

在模糊概念分級條件下, 用最大隸屬原則對級別歸屬進(jìn)行識別, 容易導(dǎo)致最后評價結(jié)果的錯判, 應(yīng)用文獻(xiàn)[5-6]提出的級別特征值公式, 充分表達(dá)h與vh(u)分布列的整體特征, 利用級別變量h隸屬于各等級的相對隸屬度信息, 作為可變模糊集理論判斷、識別、決策的準(zhǔn)則。

2.3.2 海水水質(zhì)可變模糊綜合評價關(guān)鍵代碼實現(xiàn)

海水水質(zhì)可變模糊評價是海水水質(zhì)評價系統(tǒng)的核心, 根據(jù)海水采樣樣本點數(shù)據(jù)和《中華人民共和國海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3097-1997)建立樣本特征值矩陣和指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值矩陣, 再根據(jù)待評對象u指標(biāo)i的特征值xi落入級別h與(h+1)級的標(biāo)準(zhǔn)值區(qū)間[yih,yi(h+1)], 計算xi對h級相對隸屬度, 確定各評價指標(biāo)的影響權(quán)重, 運用公式(4)、(5)、(6)、(7)計算不同參數(shù)組合結(jié)果, 計算模糊級別特征值, 再求取 4種組合vf1,vf2,vf3,vf4的平均值, 并四舍五入得到評價等級結(jié)果, 通過MessageBox提示“分類結(jié)果已經(jīng)完成”更新數(shù)據(jù), 在表中添加列名"a=1,p=1", "a=1,p=2", "a=2,p=1", "a=2,p=2", "分級結(jié)果", 然后運用for循環(huán)將每行的計算結(jié)果和評價結(jié)果導(dǎo)入表中并刷新, 至此對數(shù)據(jù)的模糊評價計算完成并完成表的更新, 得到每個采樣點的分級級別值, 然后運用ArcEngine中IFeature接口中的set_Value方法將分級結(jié)果添加到空間圖層數(shù)據(jù)的屬性表中, 按照空間圖層數(shù)據(jù)中的“分級結(jié)果”字段在海水水質(zhì)評價系統(tǒng)中表現(xiàn)出不同海域海水水質(zhì)的變化。關(guān)鍵代碼為:

//以a=1,p=1為例

public void ()

a= new float[point, 5];

b= new float[point, 5];

floatwi= (float)1.0 / (stand - 1);

for (inti= 0;i< point;i++)

{for (intj= 1;j< stand;j++)

{for (intk= 0;k<= 4;k++)

{b[i,k] += (float)(m[i,j,k] *wi); }}}

for (inti= 0;i< point;i++)

{for (intj= 0;j<= 4;j++)

{v1[i,j] =b[i,j] } };

for (inti= 0;i< point;i++)

{vf1[i] =v1[i, 0] * 1 +v1[i, 1] * 2 +v1[i, 2] * 3 +v1[i, 3] * 4 +v1[i, 4] * 5}};

for (inti= 0;i< point;i++)

{float temp = (vf1[i] +vf2[i] +vf3[i] +vf4[i]) / 4;vfsum[i] = Round(temp, 0) };

table1.Columns.Add("a=1,p=1");

table1.Columns.Add("a=1,p=2");

table1.Columns.Add("a=2,p=1");

table1.Columns.Add("a=2,p=2");

table1.Columns.Add("分級結(jié)果");

for (inti= 0;i

DataRow row = table1.Rows[i];

row["a=1,p=1"] =vf1[i];

row["a=1,p=2"] =vf2[i];

row["a=2,p=1"] =vf3[i];

row["a=2,p=2"] =vf4[i];

row["分級結(jié)果"] =vfsum[i];} dataGridView1.Refresh().

2.4 GIS數(shù)據(jù)查詢與選擇編輯模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

GIS數(shù)據(jù)查詢與選擇編輯模塊主要實現(xiàn)基本的GIS功能, 包括地圖放大、地圖縮小、地圖數(shù)據(jù)量測、基于GIS的屬性和位置的查詢、GIS數(shù)據(jù)編輯與修改等功能, 這里只以GIS模塊添加為例進(jìn)行說明, GIS模塊數(shù)據(jù)添加是通過ArcGIS控件實現(xiàn)的, 首先通過Icommand接口實例化, 運用switch語句檢查當(dāng)前視圖版面, 并把添加的數(shù)據(jù)更新到當(dāng)前的版面中。當(dāng)前版面分為兩種情況case0, case1。case0表示當(dāng)前視圖為數(shù)據(jù)視圖, case1表示當(dāng)前視圖為版面視圖。通過for循環(huán)語句逐個將選擇的數(shù)據(jù)圖層添加到axMapControl2內(nèi), 最后通過esriPointerDefault方法將鼠標(biāo)樣式還原。關(guān)鍵代碼為:

private void ToolStripMenuItem_Click(object sender, EventArgs e)

{int currentLayerCount = axMapControl1.LayerCount;

ICommand pCommand = new ControlsAddDataCommand Class();

pCommand.OnCreate(axMapControl1.Object);

pCommand.OnClick();

this.axMapControl1.ActiveView.Refresh();

IMap pMap = axMapControl1.Map;

this.pControlsSynchronizer.ReplaceMap(pMap);

switch (this.tabControl1.SelectedIndex);

{case 0:

pControlsSynchronizer.ActivateMap();

break;

case 1:

pControlsSynchronizer.ActivatePageLayout();

break}

for(inti= 0;i< axMapControl1.LayerCount;i++)

{axMapControl2.AddLayer(axMapControl1.get_Layer(i)) };

axMapControl1.MousePointer=esriControlsMousePointer. esriPointerDefault;

axMapControl2.Extent = axMapControl2.FullExtent;

axMapControl2.Refresh()}.

3 實例應(yīng)用

3.1 研究區(qū)概況

萊州灣位于渤海南部, 是渤海三大海灣之一, 西起黃河口, 東至龍口市屺姆島, 寬96 km, 海岸線長319.06 km, 面積6 966 km2, 沿岸有黃河、小清河等10余條河流入海, 是黃、渤海多種經(jīng)濟(jì)魚蝦類的主要產(chǎn)卵場、孵幼場和索餌場[14-16]。近年來隨著萊州灣沿岸工、農(nóng)業(yè)的發(fā)展和人口的增長, 排海污染物迅速增加, 特別是營養(yǎng)鹽類和有機(jī)物的過量排放引起海水污染和水域富營養(yǎng)化, 給萊州灣生態(tài)環(huán)境和生物群落造成嚴(yán)重危害。因此, 及時了解和掌握萊州灣及附近海域環(huán)境質(zhì)量狀況, 對萊州灣赤潮災(zāi)害控制、萊州灣環(huán)境污染監(jiān)測及海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)都具有重要意義。

3.2 評價指標(biāo)與分級標(biāo)準(zhǔn)

本文利用了萊州灣2010年8月的20個監(jiān)測點的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)(監(jiān)測點位置見圖5), 監(jiān)測項目有水溫、鹽度、pH、溶解氧、COD、營養(yǎng)鹽、重金屬、葉綠素a等, 所有樣品均按《海洋監(jiān)測規(guī)范》規(guī)定的方法采集、處理、保存、運輸和分析。結(jié)合萊州灣海水污染現(xiàn)狀[14-16], 選擇主要評價因子: COD(化學(xué)耗氧量)、DO(溶解氧)、無機(jī)氮、活性磷酸鹽、油類5個項目, 水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)采用《中華人民共和國海水水 質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3097-1997)。

圖5 萊州灣位置及監(jiān)測站位 Fig. 5 The location of the Laizhou Bay and locations of monitoring stations

3.3 萊州灣海水水質(zhì)綜合評價#

萊州灣海水水質(zhì)評價樣本集數(shù)據(jù)X為:

參照海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 3097-1997) 及萊州灣海水水質(zhì)的實際情況[14-16], 確定萊州灣海水水質(zhì)綜合評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值矩陣Y為:

萊州灣海水水質(zhì)評價指標(biāo)的綜合權(quán)重W為: 0.2278, 0.2071) 采用公式(3)~(7)計算萊州灣海水水質(zhì)評價對象x對級別h的綜合相對隸屬度向量, 再應(yīng)用公式(8)計算海水水質(zhì)評價樣本當(dāng)a=1,p=1;a=1,p=2;a=2,p=1;a=2,p=2時的級別特征值。

3.4 評價結(jié)果可視化顯示

利用ArcEngine建立的海水水質(zhì)可變模糊綜合評價系統(tǒng)得到的萊州灣海水水質(zhì)綜合評價結(jié)果見圖6, 評價結(jié)果直觀反映了水質(zhì)等級可變模糊綜合評價值空間分布態(tài)勢, 結(jié)合單要素平面分布專題圖, 可以看出: 萊州灣海水水質(zhì)大部分為二類或三類海水, 氮磷比嚴(yán)重失衡, 水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象比較嚴(yán)重。海水中主要污染物是無機(jī)氮、石油類和活性磷酸鹽, 其中以無機(jī)氮的污染最嚴(yán)重, 灣內(nèi)80%以上海域無機(jī)氮濃度達(dá)到或超過四類標(biāo)準(zhǔn), COD、石油類和活性磷酸鹽的污染區(qū)主要分布于沿岸海域。究其原因, 萊州灣水環(huán)境受小清河和廣利河影響明顯, 陸源污染物排海、不合理養(yǎng)殖及生物資源過度開發(fā)是導(dǎo)致萊州灣海域水質(zhì)較差的主要因素。

圖6 萊州灣海水水質(zhì)評價分布圖 Fig. 6 The seawater quality evaluation result of the Laizhou Bay

4 結(jié)論

海水水質(zhì)評價實質(zhì)是一個具有確定性的評價指標(biāo)和評價標(biāo)準(zhǔn)與具有不確定性的評價因子及其含量變化相結(jié)合的分析過程, 是一個多因素多水平耦合作用的復(fù)雜不確定系統(tǒng), 因此利用數(shù)學(xué)模型評價方法進(jìn)行水質(zhì)評價十分必要, 但其計算過程比較復(fù)雜, 更需要利用GIS系統(tǒng)來實現(xiàn)評價過程的自動化與評價結(jié)果輸出展示, 本文將可變模糊數(shù)學(xué)模型引入海水水質(zhì)評價中, 并結(jié)合GIS技術(shù), 采用ArcEngine集成開發(fā)技術(shù), 在Visual C# 2008開發(fā)環(huán)境下, 將可變模糊數(shù)學(xué)模型與GIS空間分析手段集成, 建立基于ArcEngine的海水水質(zhì)可變模糊評價系統(tǒng), 通過ArcSDE數(shù)據(jù)引擎和專用開發(fā)數(shù)據(jù)接口訪問SQL Server中的海水水質(zhì)評價空間數(shù)據(jù)庫, 實現(xiàn)海水水質(zhì)空間分布狀況的實時動態(tài)顯示, 并將該系統(tǒng)應(yīng)用到萊州灣海水水質(zhì)綜合評價中, 實現(xiàn)了萊州灣海域海水水質(zhì)綜合評價結(jié)果的直觀、可視化顯示, 為控制環(huán)境污染、進(jìn)行環(huán)境規(guī)劃提供了科學(xué)依據(jù)。

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