張彥波

(西安石油大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，陜西 西安 710065)

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模糊綜合評價法在地表水環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用
——以西安市曲江池水環(huán)境為例

張彥波

(西安石油大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，陜西 西安 710065)

水對于人類生活和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著不可或缺的作用。在傳統(tǒng)模糊綜合評價法的基礎(chǔ)上引入加權(quán)海明距離法，構(gòu)成新的水質(zhì)評價模型，并將新的水質(zhì)評價模型應(yīng)用到西安曲江池水環(huán)境質(zhì)量評價中，結(jié)果表明：西安曲江池水污染較為嚴(yán)重，屬Ⅳ類水質(zhì)，其主要原因是氮量和生化需氧量過高。由此提出了治理水污染問題的一些措施，以改善其水質(zhì)狀況。

地表水環(huán)境；模糊綜合評價法；加權(quán)海明距離法；質(zhì)量評價

0　引　言

水是生命之源，也是城市發(fā)展的戰(zhàn)略資源。但近年來伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)以及污水廢料的過度排放，使我國大部分江河湖泊遭到了不同程度的侵蝕或污染，尤其是伴隨著我國城鎮(zhèn)化的不斷擴(kuò)展，水資源短缺和水污染嚴(yán)重的問題日益突出，這不僅使我國人民的生存環(huán)境惡化，而且使我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展受到了一定的遏制，可以說，保護(hù)水資源已經(jīng)成為迫在眉睫的大事。西安作為西北地區(qū)的首要城市，目前同樣面臨著如何解決水資源短缺和水污染嚴(yán)重的問題，尤其是在國家主席習(xí)近平提出共建“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”和“21世紀(jì)海上絲綢之路”的戰(zhàn)略以后，西安應(yīng)當(dāng)更加注意保護(hù)水資源，并采取多種辦法改善人民生活用水和經(jīng)濟(jì)建設(shè)用水。為此，本文利用改進(jìn)的模糊綜合評價法對西安曲江池的水質(zhì)進(jìn)行評價，以此為我國水污染的治理提供更多的解決方法，使我國人民的生活用水和經(jīng)濟(jì)發(fā)展用水都能得到改善。

1　相關(guān)文獻(xiàn)回顧

目前國內(nèi)外關(guān)于水質(zhì)評價的研究多種多樣，其中最具代表性的是模糊綜合評價法[1]124-128。所謂模糊綜合評價法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評價方法，具體來講，就是根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，即用模糊數(shù)學(xué)對受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€總體評價。模糊綜合評價法因其具有結(jié)果清晰，系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)而適合各種非確定性問題的解決，尤其能較好地解決模糊的、難以量化的一些問題。目前模糊綜合評價法對于水質(zhì)的評價主要是基于水質(zhì)變化的連續(xù)性和分級界限的模糊性，綜合多種因素，并運(yùn)用數(shù)學(xué)原理對水質(zhì)狀況進(jìn)行綜合評價。但傅金祥等認(rèn)為傳統(tǒng)的模糊綜合評價法也有一些缺陷，因?yàn)樗h(huán)境是不斷變化的，而且水質(zhì)的分級界限不夠明確，為此，他們在對模糊綜合評價法各個環(huán)節(jié)進(jìn)行改良之后，建立了一種新的評價模型，且對該模型的適用性進(jìn)行了檢驗(yàn)，驗(yàn)證了模糊綜合評價法能夠客觀地反映水環(huán)境質(zhì)量狀況[2]120-127。池源、李升峰認(rèn)為，模糊數(shù)學(xué)評價法雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但“隸屬度最大原則”也有一定的局限性和隨意性，因而他們根據(jù)水體污染程度的不同，將水質(zhì)狀況分為簡單型和復(fù)雜型兩類，并將其應(yīng)用于南京市玄武湖的水質(zhì)評價中，驗(yàn)證了改進(jìn)的模糊綜合評價法的優(yōu)點(diǎn)[1]124-128。郭曉貝等認(rèn)為水資源是旅游場所的重要要素之一，為此，他們采用模糊綜合評價法對北京市旺興湖、東小口、海子3個郊野公園內(nèi)的水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了評價[3]57-60，結(jié)果發(fā)現(xiàn)以上三處水質(zhì)較好。姚志遠(yuǎn)等認(rèn)為水環(huán)境包含很多模糊概念，很難分層次、劃級別地進(jìn)行評價，但他們在引入模糊綜合評價法后，很好地解決了黑河地表水的環(huán)境評價問題，獲得了比較合理的評價結(jié)果[4]211-215。鐘文武等認(rèn)為模糊綜合評價法可以對水環(huán)境進(jìn)行量化評價，而且，他們通過對撫仙湖水環(huán)境的評價發(fā)現(xiàn)：相對于單因子指數(shù)法來講，模糊綜合評價法能更全面、更客觀地反映水環(huán)境狀況[5]182-187。康聰成曾將模糊綜合評價法用于某陶瓷產(chǎn)業(yè)園的水環(huán)境評價中，并通過對河流變化趨勢的預(yù)測發(fā)現(xiàn)：水質(zhì)的變化是因其包含了很多模糊成分，且是按照一定的規(guī)律變化的，由此人們可以通過對水環(huán)境的預(yù)測而治理水質(zhì)[6]90-92。

盡管國內(nèi)已有很多學(xué)者利用模糊綜合評價法對不同地區(qū)的水資源狀況進(jìn)行了研究，但目前國內(nèi)外對于模糊綜合評價模式如何選擇還沒有進(jìn)行深入的探討，可以說，模糊綜合評價法在其應(yīng)用過程中尚不規(guī)范。鑒于此，本文特將加權(quán)海明距離法引入傳統(tǒng)的模糊綜合評價中，從而形成一種改進(jìn)的模糊綜合評價法，即新的水質(zhì)評價模型，并將其應(yīng)用于西安曲江池的水環(huán)境評價中，從而為我國水資源的評價提供一種新的方法。

2　改進(jìn)的模糊綜合評價法

傳統(tǒng)的模糊綜合評價法多采用降半梯形隸屬函數(shù)法對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，其計(jì)算過程極其復(fù)雜，因此，本文采用計(jì)算過程簡便，且處理結(jié)果準(zhǔn)確的改進(jìn)的模糊綜合評價法對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，并引入加權(quán)海明距離法，以貼近度代替最優(yōu)隸屬度[7]43-46，然后通過計(jì)算評價對象隸屬于評價標(biāo)準(zhǔn)等級的最小值來確定其質(zhì)量等級。

2.1樣本矩陣和評價標(biāo)準(zhǔn)矩陣

2.1.1樣本矩陣

本文的樣本矩陣主要由評價對象的檢測數(shù)據(jù)構(gòu)成，具體矩陣詳見(1)式。

(1)

(1)式中，x為評價對象的檢測數(shù)據(jù)，n為評價對象的個數(shù)，m為評價指標(biāo)的個數(shù)。

2.1.2評價標(biāo)準(zhǔn)矩陣

本文的標(biāo)準(zhǔn)矩陣由與評價對象對應(yīng)的《地表水水質(zhì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838一2002)中的評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)構(gòu)成，具體矩陣詳見(2)式。

(2)

(2)式中，c為評價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，r為評價標(biāo)準(zhǔn)的級別數(shù)，m為評價指標(biāo)的個數(shù)。

2.2數(shù)據(jù)歸一化

本文的數(shù)據(jù)歸一化就是把數(shù)據(jù)映射到0～1的范圍內(nèi)，從而使數(shù)據(jù)的處理更為方便。

2.2.1實(shí)測數(shù)據(jù)歸一化

設(shè)C1j和Ctj分別為第j個(j=1,2,…,m)評價指標(biāo)的1級和t級標(biāo)準(zhǔn)值，本文對實(shí)測數(shù)據(jù)歸一化后可以得到矩陣F(fij)n×m。fij的計(jì)算公式詳見(3)式：

(3)

(3)式中，fij為第j個評價指標(biāo)的第i個(i= 1,2,…,n)評價對象的標(biāo)準(zhǔn)化值，Xij為第j個評價指標(biāo)的第i個評價對象的實(shí)測值。

2.2.2評價標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)歸一化

若規(guī)定1級和t級標(biāo)準(zhǔn)濃度的隸屬度分別為0和1，則可以采用線性內(nèi)插方法將標(biāo)準(zhǔn)分級矩陣歸一化，由此可以得到矩陣E(eih)m×t。eih的計(jì)算公式詳見(4)式：

(4)

(4)式中，eih為第i個評價指標(biāo)的第h級標(biāo)準(zhǔn)的歸一化值，Chi、C1i、Cti分別為第i個評價指標(biāo)的第h，l，t級標(biāo)準(zhǔn)值。

2.3評價指標(biāo)權(quán)重的確定

目前用于水環(huán)境質(zhì)量評價的方法主要有層次分析法、熵權(quán)賦值法和樣本均差法等。其中，層次分析法帶有一定的主觀色彩，評價結(jié)果因人而異，難以統(tǒng)一；熵權(quán)賦值法雖然克服了人的主觀影響，其權(quán)重也是由各評價指標(biāo)的實(shí)測數(shù)據(jù)確定的，但計(jì)算過程比較復(fù)雜，尤其當(dāng)評價項(xiàng)目較多時，其缺點(diǎn)越發(fā)明顯。而樣本均差法則會因?yàn)闃颖精@取的數(shù)量、方法、時間和地點(diǎn)的不同，而造成評價結(jié)果與實(shí)際情況的偏離。為此，本文結(jié)合水環(huán)境質(zhì)量污染物指標(biāo)的特點(diǎn)，采用超標(biāo)倍數(shù)法來確定各評價指標(biāo)的權(quán)重[8]1427-1431，之所以選擇超標(biāo)倍數(shù)法是因其不但能客觀地反映各單因素作用的大小，而且其計(jì)算過程簡單、操作方便，獲得的結(jié)果更為合理，與實(shí)際情況也更符合。

下面本文設(shè)有r級評價標(biāo)準(zhǔn)，m個評價指標(biāo)，則第i級(i=1，2，…，r)評價標(biāo)準(zhǔn)，第j個(j=1，2，…，m)評價指標(biāo)的權(quán)重(Wij)由以下(5)式至(7)式確定：

(5)

(6)

(7)

2.4模糊模式的選擇

為了使評價步驟更加規(guī)范，處理結(jié)果能全面地反映水環(huán)境狀況，本文選擇加權(quán)海明距離法作為評價水環(huán)境的模糊模式。由此本文設(shè)評價對象A與標(biāo)準(zhǔn)對象B均包括x1，x2，…，xm個評價指標(biāo)，其中，A對xi的隸屬度為μA(xj)，B對xi的隸屬度為μB(xj)，各評價指標(biāo)的權(quán)重分別為w1，w2，…，wm，由此，本文可以計(jì)算出A對B的加權(quán)海明距離為Dw(A,B)，其計(jì)算公式詳見(8)式：

(8)

3　實(shí)證分析

3.1國家地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

為了更清楚地反映西安曲江池水質(zhì)的狀況，本文特將國家環(huán)境保護(hù)總局2002年發(fā)布的《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838一2002)詳細(xì)列出，詳見表1所示。

表1　 國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

3.2西安曲江池的水質(zhì)狀況

曲江池是西安市曲江新區(qū)內(nèi)的一個重要區(qū)域。2008年，西安市政府引黑河水注入曲江池，由此，曲江池成為西安城區(qū)重要的人文景觀之一。近幾年隨著西安市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口的急劇增加，曲江池雖然還能發(fā)揮其水域的各種調(diào)節(jié)功能，但其水質(zhì)已明顯惡化，必須盡快進(jìn)行治理。為了更詳細(xì)地了解西安曲江池的水質(zhì)狀況，筆者自2015年7月至2015年10月，每周一次，持續(xù)對曲江池4個點(diǎn)位(A、B、C、D)進(jìn)行化學(xué)需氧量、總氮量、總磷量和氨氮量檢測，下面本文將曲江池各監(jiān)測點(diǎn)所測的數(shù)據(jù)的平均值用于綜合模糊評價中，詳見表2所示。

表2　西安曲江池各監(jiān)測點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)平均值

3.3數(shù)據(jù)歸一化

3.3.1國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)歸一化

下面本文再按照改進(jìn)的水質(zhì)評價模型(4)式對國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，其結(jié)果詳見表3所示。

表3　 國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)歸一化

3.3.2對曲江池水質(zhì)的實(shí)測數(shù)據(jù)歸一化

下面本文根據(jù)國家環(huán)境保護(hù)總局2002年發(fā)布的《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838一2002)中相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)與西安曲江池各監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)情況進(jìn)行對比分析，并利用新的水質(zhì)評價模型(3)式對曲江池水質(zhì)的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果見表4所示。

表4　西安曲江池水環(huán)境實(shí)測數(shù)據(jù)歸一化

3.4對曲江池水質(zhì)的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算

本文根據(jù)上述(5)、(6)、(7)式可計(jì)算出各評價對象的指標(biāo)權(quán)重矩陣W(從左至右依次為化學(xué)需氧量、總氮量、總磷量和氨氮量，從上至下依次為監(jiān)測點(diǎn)A、B、C、D)。

從西安曲江池各評價對象的權(quán)重矩陣可以看出，總氮量在曲江池所有的監(jiān)測點(diǎn)位上權(quán)重都大于50%，說明西安曲江池水的主要污染因子為總氮量，而化學(xué)需氧量、總磷量和氨氮量對曲江水環(huán)境的影響可以忽略不計(jì)。

3.5對曲江池水質(zhì)與國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相似度比較

本文利用(8)式對曲江池水質(zhì)的實(shí)測數(shù)據(jù)與國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相似度比較，結(jié)果詳見表5所示。

表5　西安曲江池水質(zhì)與國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相似度的計(jì)算結(jié)果

由表5可以看出，西安曲江池A點(diǎn)和B點(diǎn)的水質(zhì)相對較好，C點(diǎn)的水質(zhì)最差，D點(diǎn)水質(zhì)一般，所選取的4個點(diǎn)的水質(zhì)評價結(jié)果都顯示西安曲江池水質(zhì)已屬Ⅳ類，由此可見，目前西安曲江池大部分水域水質(zhì)雖然還在其水域功能范圍內(nèi)，但部分水域(C點(diǎn))水質(zhì)已經(jīng)開始向Ⅴ類水質(zhì)過渡，這也說明西安曲江池的水質(zhì)已經(jīng)開始惡化。

4　目前西安曲江池水污染狀況及其治理措施

4.1目前西安曲江池水污染狀況

從以上評價結(jié)果可以看出，西安曲江池基本為Ⅳ類水質(zhì)，水體己經(jīng)受到不同程度的污染，且主要污染物為氮分子，已經(jīng)顯示出一定的富氧化趨勢。為此，筆者對西安曲江池水的污染原因進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其原因主要有三個。

(1)水源頭已遭到不同程度的污染。西安曲江池水引自黑河，但黑河源頭又處于秦嶺山中。近年來隨著我國旅游業(yè)的發(fā)展，寒暑假或周末前往秦嶺山中旅游人數(shù)不斷增加，導(dǎo)致黑河源頭污染嚴(yán)重，且黑河源頭相距曲江池甚遠(yuǎn)，加之，很多黑河輸水管道附近又建起了不少的居民區(qū)、商業(yè)街，這也難免出現(xiàn)管道破損而導(dǎo)致附近區(qū)域污水滲入的問題，從而影響水質(zhì)。

(2)人為污染比較嚴(yán)重。曲江池地處西安繁華地帶，加之曲江池區(qū)域本身就是西安市一個較為有名的旅游景點(diǎn)，每天前來觀賞的游人絡(luò)繹不絕，一些不文明現(xiàn)象也隨之增多，比如喂食金魚、亂丟廢棄物以及動物糞便等，加上曲江池中各種娛樂設(shè)施遺漏汽油等也很容易污染其水質(zhì)。

(3)點(diǎn)源污染。近年來，曲江池一帶已經(jīng)成為西安各方一個競相熱捧的區(qū)域，尤其是房地產(chǎn)的開發(fā)更是熱火朝天，但由于房地產(chǎn)商在建造這些房產(chǎn)時，因各種各樣的原因造成一些房屋結(jié)構(gòu)不太合理，從而使一些住戶為擴(kuò)大使用面積而擅自改變房屋用途，例如將陽臺改為廚房或洗衣房，致使污水混入曲江池水中，使曲江池水遭到污染。

4.2治理西安曲江池水污染的措施

從以上分析可以看出，目前西安曲江池的污染較為嚴(yán)重，本文提出以下治理措施。

(1)保護(hù)黑河源頭，促其雨污分流。要保護(hù)黑河源頭最主要的是必須護(hù)源保暢，所謂護(hù)源保暢就是擴(kuò)大黑河源頭的保護(hù)范圍，禁止游客進(jìn)入保護(hù)區(qū)，同時完善管道網(wǎng)絡(luò)，按照雨污分流、正本清源的原則對一些住宅區(qū)一些錯接亂排的管網(wǎng)進(jìn)行改造，并將出現(xiàn)毀損現(xiàn)象或使用年限長的管網(wǎng)逐步替換為更加環(huán)保的管材，以解決雨污混流的問題。

(2)增設(shè)環(huán)保設(shè)施，提高環(huán)保意識。由于西安曲江池一帶游人較多，因此，應(yīng)在游人休息等區(qū)域增加環(huán)保設(shè)施，降低廢棄物對曲江池水的污染。同時增加清潔或巡邏人員，及時制止一些不文明行為的發(fā)生，提高公眾的環(huán)保意識，從而使公眾能夠自覺地愛護(hù)環(huán)境，保護(hù)意識。

(3)加大對重點(diǎn)區(qū)域的檢測力度。對于重度污染區(qū)可以考慮對其進(jìn)行反復(fù)的、長期的環(huán)境評估，并隨時觀察其是否存在暗置排污管道或臨時發(fā)生水質(zhì)污染的問題，做到發(fā)現(xiàn)一處治理一處，將水質(zhì)污染盡可能消滅在萌芽之中，還市民一個清新、舒適的環(huán)境。

5　結(jié)　語

目前，保護(hù)水環(huán)境已成為一個世界性共識，為此，許多國家都投入了大量的人力、物力來保護(hù)水環(huán)境。伴隨著近三十年的改革開放及經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國環(huán)境污染的問題也越來越嚴(yán)重，尤其是水資源的污染問題更為突出。為此，本文通過改進(jìn)的模糊綜合評價法，構(gòu)建了一種新的水質(zhì)評價模型，并利用此模型對西安曲江池的水質(zhì)進(jìn)行了評價，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：西安曲江池的水污染較為嚴(yán)重，對此，本文提出了治理曲江池水環(huán)境的一些具體措施，以期為我國能夠更加有效地解決水污染問題提供一種科學(xué)有效、簡單實(shí)用的水質(zhì)評價方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)我國山青草綠、水清魚躍的優(yōu)美環(huán)境。

[1]池源,李升峰.基于改良模糊綜合評價法的城市湖泊水環(huán)境質(zhì)量分析[J].華中師范大學(xué)學(xué)報：人文社會科學(xué)版,2013,47(1).

[2]傅金祥,陳喆,馬興冠，等.改良模糊綜合評價法在水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J].環(huán)境工程,2011,29(6).

[3]郭曉貝,齊童,李宏，等.基于模糊綜合評價法的北京市郊野公園水環(huán)境質(zhì)量評價[J].首都師范大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版,2012,33(1).

[4]姚志遠(yuǎn),郝慶菊,江長勝，等.模糊綜合評價法在北碚主要支流河流水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2009,25(13).

[5]鐘文武,王文玉,孫眣，等.模糊綜合評價法在撫仙湖種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J].水產(chǎn)科學(xué),2015,34(3).

[6]康聰成.模糊綜合評價法在規(guī)劃環(huán)評水質(zhì)變化趨勢分析中的應(yīng)用[J].成都大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版,2012,31(1).

[7]關(guān)全成,趙雙喜,劉江峰，等.模糊貼近度法在水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J].節(jié)水灌溉,2012,7(1).

[8]裴廷權(quán),王里奧,韓勇，等.三峽庫區(qū)小江流域水體富營養(yǎng)化的模糊評價[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2008,27(4).

(責(zé)任編輯王栓芹)

Application of Fuzzy Comprehensive Evaluation Method to the Assessment of Surface Water Environment Quality—With the Example of Surface Water Environment in Xi'an Qujiang Pool

ZHANG Yanbo

(School of Economics and Management,Xi'an Shiyou University,Xi'an,Shaanxi,710065，China)

Water takes an indispensable role in human life and the development of social economy.Based on the traditional fuzzy comprehensive evaluation method,the weighted hamming distance method was introduced to the research in order to establish a new assessment model for water quality,which was applied to the assessment of surface water environment Quality of Xi 'an Qujiang Pool.The results show that water pollution in Xi 'an Qujiang Pool is serious,its water quality reaching up to class Ⅳ,its main pollution factors consisting of total nitrogen and biochemical oxygen demand (cod).Therefore,some measures to control water pollution are put forward so as to improve the water quality.

surface water environment;fuzzy comprehensive evaluation method;weighted hamming distance method;quality assessment

2016-03-15

張彥波，男，河北贊皇人，西安石油大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院碩士研究生，研究方向：管理科學(xué)與工程。

F407.9

A

1008-5645(2016)04-0001-06