程建設(shè)

(江西省瑞昌市水利局, 江西 瑞昌 333200)

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環(huán)境與生態(tài)

基于模糊可變評價模型的水庫水環(huán)境質(zhì)量評價

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)注的熱點以及政府工作的難點。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)用模糊可變評價模型，在單因子評價法的基礎(chǔ)上，評價該水庫水環(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)量等級評價的可信度。該模型實用性強、計算結(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。

水庫水環(huán)境；水環(huán)境質(zhì)量；模糊可變評價；指標權(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，保護水環(huán)境是推進生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容。水環(huán)境質(zhì)量評價是合理開發(fā)利用水資源的基礎(chǔ)工作，也是驗證水資源保護成果的重要程序。在水庫水環(huán)境評價工作中，常用的方法有單因子評價法、可變模糊模型法、灰色系統(tǒng)法、水質(zhì)標識指數(shù)法、BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[1-5]。

基于模糊可變評價模型的水庫水環(huán)境評價方法，是根據(jù)水庫水環(huán)境影響因素多、變化復(fù)雜的特點，以陳守煜提出的以模糊可變集為核心的模糊可變評價模型為理論依據(jù)[6]，結(jié)合江西省某水庫的實際情況，構(gòu)建水環(huán)境質(zhì)量等級評價體系，確定評價指標處于級別區(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結(jié)果。

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

2 模糊可變評價理論簡介

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。

評價對象u對A的相對隸屬度以μhj表示，則模糊可變評價模型表示為

(3)

其中，xij為樣本j指標i的特征值，i=1,2,…，m；j=1,2,…,n。h為指標級別值，h=1,2,…，c。1級為優(yōu)級，c級為劣級。ωi為指標權(quán)重，m為評價指標數(shù)。α為模型優(yōu)化準則參數(shù)，α=1、α=2分別為最小一、二乘方準則；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)量模糊可變評價方法

3.1 構(gòu)建指標體系

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個污染因子作為水環(huán)境質(zhì)量評價指標，分別為：高猛酸鹽指數(shù)(指標X1)、化學(xué)需氧量(指標X2)、氨氮(指標X3)、總磷(指標X4)、總氮(指標X5)、硒(指標X6)、砷(指標X7)和鉛(指標X8)。

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

3.2 指標相對隸屬度

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

表1 2016年各監(jiān)測斷面的指標年均值 mg/L

因入口、庫心和出口3個斷面的水環(huán)境質(zhì)量相差不大，本文采用平均值作為評價對象u進行總體研究，則其指標特征值向量為：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)量標準》(GB3838-2002)，確定8個評價指標對應(yīng)各級別的標準值，如表2所示。

表2 水庫水環(huán)境質(zhì)量評價指標分級 mg/L

根據(jù)指標標準值得到 8個評價指標5個級別的水環(huán)境質(zhì)量指標標準值區(qū)間矩陣為Iab，構(gòu)造范圍矩陣Icd，計算分析指標i級別h的點矩陣M，M不一定為區(qū)間[a,b]的中點值，設(shè)該水庫水環(huán)境質(zhì)量指標特征值x為X區(qū)間內(nèi)任意點的量值，點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

當水庫水環(huán)境質(zhì)量指標特征值x落入M點左側(cè)時，相對隸屬函數(shù)公式為

(4)

當水庫水環(huán)境質(zhì)量指標特征值x落入M點右側(cè)時，相對隸屬函數(shù)公式為

(5)

式中，β為大于0的指數(shù)，通常可取β=1，即線性函數(shù)。根據(jù)以上公式計算水庫水環(huán)境質(zhì)量指標的相對隸屬度矩陣，對該矩陣關(guān)于評價指標i進行歸一化處理，得到評價指標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)量級別特征值計算結(jié)果

4 結(jié) 語

水環(huán)境質(zhì)量評價是確定水庫功能、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)量進行了評價。評價結(jié)果可以為水庫治理提供參考依據(jù)，進而采取合理的修復(fù)技術(shù)方案，對保證水庫的正常運行、 促進生態(tài)文明建設(shè)具有現(xiàn)實意義。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。

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

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(編輯：李 慧)

3.3 指標權(quán)重

(1) 等權(quán)重法。認為各項指標對水庫水環(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)指標重要性排序一致性定理，并結(jié)合該水庫實際情況，得到通過檢驗的8個水環(huán)境質(zhì)量指標重要性排序一致性標度矩陣E。按矩陣E關(guān)于重要性排序，進行關(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)量評價指標的權(quán)向量，并進行歸一化處理，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

通過可變模糊評價模型確定各評價指標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)量評價模型，計算不同權(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)用單因子評價法分析，該水庫水環(huán)境質(zhì)量為Ⅴ類。結(jié)合兩種評價方法的成果，根據(jù)該水庫的功能定位，應(yīng)提出治理措施，并加強水庫保護工作。

水庫水環(huán)境質(zhì)量模糊可變評價方法能夠科學(xué)、合理地確定水環(huán)境質(zhì)量評價指標處于級別區(qū)間的相對隸屬度，且可同時采用多種權(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個模型，其中2個線性、2個非線性)進行綜合評價，對多個評價結(jié)果對比分析，保證了評價結(jié)果的穩(wěn)定性，并取多模型評價結(jié)果的平均值作為綜合評價結(jié)果，提高了評價結(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

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