基于模糊綜合－聚類評價模型的煙臺市區排污混合區范圍論證

桑恒春，孫英蘭

（中國海洋大學環境科學與工程學院，山東 青島 266100）

基于模糊綜合－聚類評價模型的煙臺市區排污混合區范圍論證

桑恒春，孫英蘭

（中國海洋大學環境科學與工程學院，山東 青島 266100）

基于煙臺市區排污混合區2009年2月的海水水質監測資料，應用模糊綜合—聚類評價模型對混合區的水質現狀進行綜合評價，并利用克里格插值法對水質進行平面空間分析，進而論證混合區范圍劃定的合理性。該模型克服了單獨應用模糊綜合評價或模糊聚類分析進行水質評價的不足，結合了兩者的優點。結果表明：混合區中部水質為四類或劣四類，邊緣水質為二類或三類，西北部水質優于東南部。混合區相鄰海域水質已達到相應的海域功能要求，可見該混合區范圍的劃定是合理的。

模糊綜合—聚類評價；海水水質；排污混合區；煙臺

海水在風、波浪、潮汐和潮流的耦合作用下，對流和湍擴散效應強烈，污染物隨海水的運動遷移變化過程非常復雜，水質變化具有連續、漸變和模糊的特性。海水的污染程度、水質分級界限是客觀存在的模糊現象和模糊概念，因此應用模糊數學方法進行水質評價是合理的。目前常用于水質評價的模糊數學方法有模糊綜合評價法、模糊聚類分析等。但模糊綜合評價按最大隸屬度原則進行評價，對隸屬度相差不大的等級只取最大等級；模糊聚類分析是對各站位進行歸類，水質等級較難判斷。這就降低了兩種方法的實用性。本文應用模糊綜合—聚類評價模型[1,2]，前半部根據各評價因子對各站位水質進行模糊綜合評價，后半部結合模糊聚類分析對各站位進行歸類，最后確定水質等級和歸類，綜合了兩種方法的優點，提高了水質評價的置信度。

污水自擴散器連續排出，各個瞬時造成附近水域污染物濃度超過該水域水質目標限值的平面范圍的疊加稱為混合區[3]。合理評價混合區水質并劃定范圍，對計算所在海域環境容量具有重要意義。目前已有一些評價混合區水質和范圍的報道[4,5]，而應用模糊綜合—聚類評價模型對混合區水質進行綜合評價，進而論證混合區范圍的報道還較少見。本文應用該模型對水質進行綜合評價，根據評價結果，論證了煙臺市區排污混合區范圍劃定的合理性。

1 材料來源

煙臺市區排污混合區位于煙臺市芝罘島北側中西部海域，面積約410 hm2，芝罘島北岸坡度陡峭，北側海域水深較大，海面開闊，潮流流速大，水交換活躍，利于污染物擴散，且不是主航道，也不是主要養殖區，被煙臺市政府批準為排他性使用水域和污水排放混合區，套子灣污水廠等處理的污水在此深海排放。本文依據煙臺市城市排水監測站2009年2月在該混合區及附近海域的監測資料，各站位監測數據為高潮時表、中、底層水質的平均數據。根據《海洋監測規范》（GB17378.4-2007），共布設13個站位，分布于混合區中部、邊緣和外部，具體站位見圖1。并按該規范對樣品進行采集、處理、保存和分析測定。選取評價因子：DO、SS、C ODMn、無機氮、活性磷酸鹽、石油類、銅和鋅等8項。各站位水質監測結果見表1。

圖1 混合區位置及監測站位Fig. 1 Location of mixing zone and distribution of sampling stations

表1 2009年2月的水質監測結果（ mg? L-1）Tab. 1 Monitoring results of water quality in February 2009（ mg? L-1）

2 模型的建立

模糊綜合—聚類評價模型由模糊綜合評價子模型和模糊聚類分析子模型構成，應用兩個子模型的評價結果進行綜合分析，確定水質的最優評價結果，從而論證混合區范圍劃定的合理性。

2.1 模糊綜合評價子模型的建立[6]

屬于第一類水質的隸屬度函數為：

式中： 為隸屬度；c為污染因子監測值； 為海水水質標準值；i為某評價因子；下標 j?1、 j、 j+1為對應海水標準等級， j=2，3。構造DO的隸屬度函數時上式要做相應變化。根據各評價因子對各類水質的隸屬度，構造隸屬度矩陣R。

2.2 模糊聚類分析子模型的建立[9]

用水體飽和DO濃度減去各站位DO監測值，使DO與其它污染因子具有一致性。海水中飽和DO濃度按UNESCO值進行查表取得[10]，溫度取2月的平均水溫3℃，鹽度取30，再將所查的飽和DO濃度乘以氧氣分子量32，使與DO監測數據單位一致。

3 結果與討論

3.1 水質現狀綜合評價與歸類

基于水質監測資料，根據模糊綜合—聚類評價模型進行評價：應用“隸屬度加權型”模糊綜合評價子模型進行計算，權重及隸屬度見表2（以1和6站位為例）。各站位模糊綜合評價結果見表3；應用模糊聚類分析子模型對各站位進行歸類，生成動態聚類圖，見圖2。模糊綜合評價是根據最大隸屬度確定水質等級，根據模糊綜合評價的綜合值w值大小確定水質優劣排序；模糊聚類分析排序則是越先聚為一類的站位，其水質越接近。將兩種方法相結合，對計算結果進行綜合分析，選擇合理的置信水平 λ=0.773，將各站位水質分為五類，見表4。由表3、4和圖2可看到：13、12、1、2站位水質為一類且優劣順序為13＞12＞1＞2；10站位水質為二類；11、9、3、4、5、6站位水質為三類且優劣順序為11＞9＞3＞4＞5＞6；7站位水質為四類；8站位為劣四類水質。

表2 權重和隸屬度（以1和6號站位為例）Tab. 2 Weight coefficients and subordinating degree of sampling stations 1 and 6 (for example)

表3 水質模糊綜合評價結果Tab. 3 Results of fuzzy comprehensive evaluation on water quality

表4 各站位的水質等級Tab. 4 Sea water quality grade of sampling stations

3.2 水質等級的空間分布

在繪圖軟件surfer8.0中應用克里格插值法，根據表3的w值，對水質變化進行線性無偏分析和最佳估值[11]，揭示水質的空間變化分布規律，生成水質等值線圖，見圖3。

由表3和圖3可看出：混合區西北部水質優于東南部。這是因為芝罘島北側海域的潮流為往復流，落潮流由西北流向東南，漲潮流向正好相反，落潮流速明顯大于漲潮流速，導致污染物更易往東南方向擴散輸運所致。

圖2 各站位動態聚類圖Fig. 2 Dynamic clustering figure of sampling stations

圖3 水質等級空間分布 Fig. 3 Distributing grade of sea water quality

4 結 論

由表2中6站位可看出（6站位代表混合區內站位）：無機氮權重最大，其次是活性磷酸鹽，它們是芝罘島北側海域的主要污染物，超標嚴重。套子灣污水處理廠應大幅度提高脫氮除磷能力。

應用模糊綜合—聚類評價模型進行水質現狀評價，將模糊綜合評價和模糊聚類分析的優點結合起來，結果表明：各站位水質優劣順序為 13＞12＞1＞2＞10＞11＞9＞3＞4＞5＞6＞7＞8，混合區中部（污水擴散器周圍很小的范圍）水質為四類或劣四類，邊緣水質已達到三類甚至二類水質標準，外部水質為一類，西北部水質優于東南部，可見排污影響主要集中在混合區內。芝罘島北側海域海闊水深，潮流流速大，水交換活躍，利于污染物擴散，混合區位置的確定是合理的。根據《山東省近岸海域環境功能區劃》，煙臺市區排污混合區相鄰海域為二類和三類環境功能區。混合區邊緣水質已達到相鄰海域的環境功能要求，可見混合區范圍的劃定從環境和規劃角度看是合理的。

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Range verification based on the model of fuzzy comprehensive-cluster evaluation in pollution mixing zone located in Yantai city

SANG Heng-chun, SUN Ying-Lan
(College of Environmental Science & Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Based on the investigation data of pollution mixing zone located in Yantai city in February 2009, the model of fuzzy comprehensive-cluster evaluation is used to evaluate the present sea water quality, and the distribution for the water quality is analyzed by Kriging interpolation, then the rational range of mixing zone is proved. This model overcomes the deficiency which the fuzzy comprehensive evaluation or fuzzy cluster analysis is used solely for water quality evaluation, and combines their advantages. The results show that the center quality is the fourth or inferior fourth level, the edge quality is the second or third level, and the northwest quality is better than the southeast of the mixing zone. The water quality of adjacent mixing zone has come up to corresponding marine area functional demands,so the range of this mixing zone is rational.

fuzzy comprehensive-cluster evaluation; sea water quality; pollution mixing zone; Yantai

X192

A

1001-6932(2010)02-0219-06

2009-06-25；

2009-09-17

國家自然科學基金 ( 40742011 )

桑恒春 (1984－)，男，山東濰坊人，碩士研究生，從事海洋環境動力學和海洋環境影響評價研究，電子郵箱：hengchunsang@126.com