沈亞西

(遼寧省葠窩水庫(kù)管理局有限責(zé)任公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

隨著對(duì)水環(huán)境改造能力的提升以及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前水環(huán)境質(zhì)量已發(fā)生了較大的變化，為降低人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水環(huán)境系統(tǒng)造成的不良影響，科學(xué)有效地建立水環(huán)境管理制度，完善區(qū)域水資源系統(tǒng)的空間布局，有必要對(duì)水質(zhì)進(jìn)行客觀科學(xué)評(píng)價(jià)。水質(zhì)評(píng)價(jià)是利用一定的評(píng)價(jià)方法和和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)水質(zhì)各要素指標(biāo)根據(jù)水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行定量或定性評(píng)價(jià)的方法，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)狀況的了解和掌握，為水質(zhì)未來(lái)演進(jìn)趨勢(shì)和污染治理提供一定決策依據(jù)和參考[1- 3]。

不同區(qū)域的水質(zhì)狀況受人類(lèi)活動(dòng)與自然環(huán)境的影響不同，表現(xiàn)出一定的不穩(wěn)定與不均衡性特征，因此對(duì)水質(zhì)狀況很難采取單因子指數(shù)法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。模糊評(píng)價(jià)理論可對(duì)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)按照定量性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的分析評(píng)價(jià)，揭示各影響因子與水質(zhì)環(huán)境之間的作用關(guān)系，反映各因子對(duì)總體水質(zhì)的影響程度。對(duì)于水質(zhì)污染中不同作用影響因子與相同水質(zhì)等級(jí)之間的較為復(fù)雜的非線性關(guān)系，采用評(píng)價(jià)法很難進(jìn)行合理準(zhǔn)確的處理和解決，其根本原因是人為的對(duì)各指標(biāo)的權(quán)重因子和效用函數(shù)進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)，使得評(píng)價(jià)模型的通透性受到一定的限制，最終對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果造成不利的影響。另外，在水質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)通常表現(xiàn)出模糊性與漸變性特征，為反映水體的整體質(zhì)量狀況僅僅選取某項(xiàng)指標(biāo)具有一定的局限性。通過(guò)采用一定的方法對(duì)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行分配并對(duì)隸屬度函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)是提高水質(zhì)狀況評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性和科學(xué)性的重要方法，不僅可準(zhǔn)確體現(xiàn)出多種污染因子對(duì)水質(zhì)狀況的影響程度，而且可對(duì)模糊性界限進(jìn)行適當(dāng)?shù)目坍?huà)，同時(shí)能夠?qū)λ|(zhì)級(jí)別做出客觀、合理的評(píng)價(jià)[4]。

目前，用于水質(zhì)評(píng)價(jià)的方法較多[5]，而在樣本統(tǒng)計(jì)數(shù)量少且參數(shù)信息缺乏的條件下，灰關(guān)聯(lián)理論則表現(xiàn)出明顯的計(jì)算原理簡(jiǎn)單、所需原始性數(shù)據(jù)少、運(yùn)行簡(jiǎn)便且數(shù)據(jù)規(guī)律性明顯等特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用和研究，如張傳珂[6]基于灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)水土保持多指標(biāo)決策進(jìn)行研究，并獲得了良好的效果。本文結(jié)合水庫(kù)水質(zhì)實(shí)際狀況和文獻(xiàn)資料選取了具有代表性的模糊綜合評(píng)判與灰關(guān)聯(lián)分析法，在此基礎(chǔ)上建立了綜合評(píng)價(jià)分析模型和水質(zhì)評(píng)判等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)水庫(kù)各項(xiàng)污染物實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)水質(zhì)現(xiàn)狀，以期為水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量的保護(hù)和水質(zhì)時(shí)空演化規(guī)律的研究提供理論支持和參考。

1 灰關(guān)聯(lián)分析法

不同水質(zhì)指標(biāo)其量綱和單位存在一定差異，在評(píng)價(jià)分析前因?qū)λ|(zhì)標(biāo)準(zhǔn)矩陣X和樣本矩陣A進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化歸一處理，假定共有m個(gè)水庫(kù)實(shí)測(cè)樣本序列，n個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，第i個(gè)樣本序列可表示為：Xi={xi(1)，xi(2)，，xi(n)};i=1，2，，n，其中xi(k)為第k水質(zhì)指標(biāo)在第i個(gè)樣本序列中的實(shí)測(cè)值；假定共有s級(jí)比較序列，則在第j級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下的比較序列可表示為：Yj={yj(1)，yj(2)，，yj(n)};i=1，2，，s，其中yj(k)為第k項(xiàng)指標(biāo)在第j級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下的取值。因此可建立標(biāo)準(zhǔn)矩陣S，如下所示：

(1)

式中，sln—第n類(lèi)污染指標(biāo)的第l類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，mg/L。

結(jié)合地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定可確定水庫(kù)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)l為5，在Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中歸一化處理后的某一水質(zhì)因子標(biāo)準(zhǔn)矩陣B可表示為：

B5×1=[1.0，0.875，0.625，0.375，0.125]

(2)

可采用下式作為關(guān)聯(lián)離散函數(shù)：

εj={ε1(L)，ε2(L)，，εn(L)}

(3)

(4)

式中，εj—關(guān)聯(lián)度離散函數(shù)；Δn(L)—第L級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)與取水口第n類(lèi)污染物之間的類(lèi)別差，其值為0則代表兩種水質(zhì)因子同類(lèi)，值為1則代表兩種水質(zhì)為異類(lèi)。

引入r為指標(biāo)關(guān)聯(lián)度，ωi為第i類(lèi)水質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重值，可根據(jù)公式(5)對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行求解，其中第i類(lèi)水質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重值計(jì)算方法為：

(5)

(6)

式中，I、W—分別為水質(zhì)因子的相對(duì)重要性指標(biāo)值和重要性系數(shù)。

結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果可建立各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)矩陣為：RL×n=[r1(L)，r2(L)，，rn(L)]。根據(jù)關(guān)聯(lián)矩陣可以看出，在各水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下可采用RL×n矩陣描述不同時(shí)段該采樣位置的n項(xiàng)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度，因此關(guān)聯(lián)矩陣是一種能夠度量水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)序列分級(jí)與實(shí)測(cè)水質(zhì)序列的間距參數(shù)指標(biāo)。根據(jù)同一采樣位置的不同取水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可判定為該監(jiān)測(cè)位置水質(zhì)的類(lèi)別即為rn(L)值最大時(shí)所對(duì)應(yīng)n的級(jí)別。

2 模糊綜合評(píng)判法

模糊綜合評(píng)價(jià)法可廣泛應(yīng)用于水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)研究，該方法的弊端主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)層面，如對(duì)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行確定存在一定的主觀判斷性；對(duì)而對(duì)水質(zhì)不同等級(jí)利用最大隸屬度原則進(jìn)行判定，最大隸屬度原則在各評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)隸屬度相差不大時(shí)可存在失效現(xiàn)象，并因此對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果造成一定的偏差。本文采用模糊綜合評(píng)價(jià)與灰關(guān)聯(lián)分析兩種方法進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，由此得到的評(píng)價(jià)結(jié)果相對(duì)于傳統(tǒng)的方法具有更加可靠的準(zhǔn)確度[7- 8]。

水質(zhì)類(lèi)別評(píng)判的模糊性是指對(duì)處于兩個(gè)級(jí)別之間的污染物濃度的判斷，定義模糊區(qū)間為1級(jí)，則隸屬度函數(shù)在其他區(qū)間通常為常數(shù)0或1，不同級(jí)別之間的隸屬函數(shù)如下所示：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中，xi—水質(zhì)單項(xiàng)評(píng)價(jià)因子；c1～c5—分別為對(duì)應(yīng)等級(jí)的水質(zhì)分級(jí)值；x—單項(xiàng)因子的實(shí)測(cè)濃度；y(x)—在第j級(jí)水質(zhì)中第i項(xiàng)指標(biāo)實(shí)測(cè)值的隸屬函數(shù)。

結(jié)合水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量基本狀況可將其劃分為5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)選取基點(diǎn)值si作為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中間級(jí)別的極限標(biāo)準(zhǔn)值或中間2個(gè)級(jí)別極限值的平均值，并作為指標(biāo)權(quán)重向量的參考因子。不同評(píng)價(jià)因子對(duì)水質(zhì)影響的貢獻(xiàn)率存在一定的差異，據(jù)此可各分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下單項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度可根據(jù)隸屬函數(shù)的求解進(jìn)行確定，然后可建立相應(yīng)的模糊關(guān)系矩陣[9]。各評(píng)價(jià)因子對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響程度可通過(guò)指標(biāo)權(quán)重wi的求解進(jìn)行確定，公式如下：

wi=(ci/si)/∑ci/si

(12)

式中，si—第i項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)測(cè)濃度值。

對(duì)各單項(xiàng)因子的權(quán)重利用上述方法進(jìn)行求解并建立相應(yīng)的權(quán)值模糊矩陣，據(jù)此可對(duì)模糊關(guān)系矩陣R和權(quán)重系數(shù)模糊子集A進(jìn)行模糊復(fù)合計(jì)算，并得到矩陣B，其表達(dá)式如下：

B=AR

(13)

綜合考慮各指標(biāo)的權(quán)重和隸屬度，按照相乘取大的原則得到模糊判別集B=(b1，b2，b3，b4，b5)，然后對(duì)水質(zhì)級(jí)別按照最大隸屬度原則進(jìn)行確定。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 葠窩水庫(kù)概況

葠窩水庫(kù)位于太子河干流中部，控制面積約6.175km2，是一座兼顧發(fā)電、防洪、農(nóng)業(yè)用水、灌溉、旅游等功能的綜合型水利樞紐工程。水庫(kù)最高水位102m，攔水壩頂高程103.5m，正常蓄水位96.6m，共有17個(gè)弧門(mén)、4個(gè)底孔完成調(diào)峰泄洪等功能作用。葠窩水庫(kù)在保障遼陽(yáng)市供水方面發(fā)揮著重要作用。近年來(lái)，因人類(lèi)活動(dòng)及自然環(huán)境等影響作用，水庫(kù)匯水范圍出現(xiàn)了不同程度的水體污染，對(duì)該水庫(kù)的水質(zhì)評(píng)價(jià)十分必要，對(duì)于保證城市引水安全和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。本文結(jié)合遼寧省2015年水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料，選取能夠反映該水庫(kù)水質(zhì)狀況的7項(xiàng)代表性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，如COD、高錳酸鹽指數(shù)、總氮、總磷、溶解氧、氨氮以及PH值等，并構(gòu)造評(píng)價(jià)因子集U，然后對(duì)葠窩水庫(kù)的水質(zhì)進(jìn)行了客觀評(píng)價(jià)[10- 11]。

3.2 灰關(guān)聯(lián)結(jié)果分析

對(duì)本研究所選取的7項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)因子的標(biāo)準(zhǔn)值按照地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行提取，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各指標(biāo)因子在不同分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下的取值單位：mg/L

由于水庫(kù)的水量在不同的季節(jié)存在一定的差異，因此可將水庫(kù)蓄水劃分為豐水、枯水以及平水期，然后結(jié)合遼寧省2015年水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料對(duì)葠窩水庫(kù)各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。

對(duì)葠窩水庫(kù)的水質(zhì)利用文中所述灰關(guān)聯(lián)計(jì)算流程進(jìn)行求解，為更加直觀的反映不同時(shí)期水庫(kù)的水質(zhì)狀況，采用圖表的形式進(jìn)行表征，如圖1所示。

圖1 葠窩水庫(kù)2015年水質(zhì)灰關(guān)聯(lián)分析評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)葠窩水庫(kù)利用灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示在水庫(kù)豐水期的水環(huán)境質(zhì)量較差并以7月份作為嚴(yán)重。相對(duì)于豐水期水庫(kù)在枯水和平水期其水質(zhì)狀況整體處于Ⅲ級(jí)，水環(huán)境質(zhì)量基本能夠滿足水體功能要求。

3.3 模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣?yán)酶鲄?shù)指標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和隸屬度函數(shù)進(jìn)行求解，然后根據(jù)各因子的權(quán)重分配矩陣可求得葠窩水庫(kù)的模糊評(píng)價(jià)結(jié)果，并根據(jù)最大隸屬度原則得到不同時(shí)期水庫(kù)的分級(jí)狀況，見(jiàn)表2。

表2 葠窩水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

由表2計(jì)算結(jié)果可以看出，葠窩水庫(kù)在不同時(shí)期按照最大隸屬度原則整體處于Ⅲ級(jí)水質(zhì)，該評(píng)價(jià)結(jié)果與灰關(guān)聯(lián)法保持良好的一致性，能夠符合水庫(kù)水功能相關(guān)要求。

3.4 兩種方法綜合評(píng)價(jià)

對(duì)葠窩水庫(kù)分別采用模糊綜合評(píng)價(jià)與灰關(guān)聯(lián)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析整理最終可認(rèn)為該水庫(kù)整體水環(huán)境質(zhì)量處于Ⅲ級(jí)，相對(duì)于豐水期水庫(kù)在枯水與平水期的水質(zhì)狀況相對(duì)有所提升。在豐水期葠窩水庫(kù)的水環(huán)境質(zhì)量較差，由此表明隨季節(jié)性變化水環(huán)境質(zhì)量存在一定的改變，并且在匯水范圍內(nèi)存在一定的污染。兩種評(píng)價(jià)方法對(duì)葠窩水庫(kù)的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果具有良好的一致性，由此進(jìn)一步說(shuō)明該評(píng)價(jià)結(jié)果基本能夠反映水庫(kù)的環(huán)境質(zhì)量實(shí)際狀況，評(píng)價(jià)結(jié)果可為水庫(kù)的污染治理提供一定的參考與依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

以水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)各個(gè)水質(zhì)濃度因子與標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)之間的差距表征，最終確定水質(zhì)隸屬于相應(yīng)級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)的程度，即為灰關(guān)聯(lián)分析方法的主要內(nèi)容。模糊綜合評(píng)判發(fā)是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)利用模糊關(guān)系合成的原理將不易定量的因素和邊界不清的因素進(jìn)行定量化處理，最終得到相應(yīng)的綜合評(píng)判結(jié)果。通過(guò)兩種方法的綜合評(píng)價(jià)均能夠較為直觀、全面、系統(tǒng)地反映葠窩水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量實(shí)際狀況，主要結(jié)論如下。

(1)對(duì)葠窩水庫(kù)利用灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示在水庫(kù)豐水期的水環(huán)境質(zhì)量較差并以7月份作為嚴(yán)重。相對(duì)于豐水期水庫(kù)在枯水和平水期其水質(zhì)狀況整體處于Ⅲ級(jí)，水環(huán)境質(zhì)量基本能夠滿足水體功能要求。

(2)利用模糊綜合法對(duì)葠窩水庫(kù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示在不同時(shí)期按照最大隸屬度原則整體處于Ⅲ級(jí)水質(zhì)，該評(píng)價(jià)結(jié)果與灰關(guān)聯(lián)法保持良好的一致性，能夠符合水庫(kù)水功能相關(guān)要求。兩種評(píng)價(jià)方法對(duì)葠窩水庫(kù)的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果具有良好的一致性，由此進(jìn)一步說(shuō)明該評(píng)價(jià)結(jié)果基本能夠反映水庫(kù)的環(huán)境質(zhì)量實(shí)際狀況，評(píng)價(jià)結(jié)果可為水庫(kù)的污染治理提供一定的參考與依據(jù)。