引江沖污對大運河鎮江段水環境改善效果的模糊綜合分析

郭海峰 王志保

（江蘇省水文水資源勘測局鎮江分局 江蘇 鎮江 212003）

1 引言

大運河又稱京杭大運河，其在鎮江諫壁口與長江交匯，構成了國內聞名遐邇的“十字黃金水道”。作為引江濟太的骨干河段，大運河鎮江段在防控太湖藍藻危害方面發揮了巨大作用。但是，近幾年來，由于水污染物的大量排放，大運河鎮江段污染日趨嚴重，從而對本地區沿河用水及太湖流域補水產生了極大的影響。為改善大運河鎮江段水環境，以達到補給太湖流域優質水源和緩解本地區水污染壓力的雙重目的，鎮江市通常利用設于大運河入江口處的諫壁閘對大運河引江沖污。那么，此項措施實施后產生的效果究竟如何，目前，尚無相關文獻對此作出分析與研究。2010年鎮江市防汛防旱指揮部組織實施了“太湖流域湖西區鎮江市水量調度與水環境改善試驗”，本文根據該項目實施期間大運河鎮江段水質監測資料，采用模糊綜合評判法對大運河鎮江段調引江水前后的水質狀況進行了評價[1-2]，并較為客觀地分析了長江引水對大運河鎮江段水環境的改善作用。

2 評價方法適用性分析

在水質評價中，污染程度的界線是模糊的，人為地用特定的分級標準去給水質污染程度定性，往往會得出不符合實際的評價結果，如用《地表水環境質量標準》（GB3838-2002） 分別對 30.0 mg/L和 30.1 mg/L COD含量幾近相等的水體水質作類別評判[3]，前者為Ⅳ類水,后者卻為Ⅴ類水。對于此類模糊問題，采用模糊綜合評判法便可得到合理的解決，該方法應用了模糊數學理論[4-5]，能夠將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，評價出水體的質量等級。因而，在進行大運河鎮江段水質評價時，本文采用了模糊綜合評判法，以提高評價結果的合理性和可信度。

3 監測方案概述

根據對本次“太湖流域湖西區鎮江市水量調度與水環境改善試驗”的部署,在大運河鎮江段上共設水質監測斷面3個，分別為近大運河入江口處的鎮大公路橋斷面、丹陽市城區段下游的丹陽南二環橋斷面以及與常州交界處的呂城站斷面，各斷面位置分布見圖1、表1。于2010年11月5日～11月7日開啟諫壁閘閘門3天，引長江水入大運河，引水量級為100m3/s～200m3/s，引水期間，分別于每天的9:00、12:00、16:00對各斷面取樣監測一次。

4 水質的模糊綜合評判

4.1 因子集的建立

本文綜合考慮了大運河鎮江段的實際情況、太湖流域補水要求等方面因素，選取高錳酸鹽指數（IMn）、化學需氧量（CODcr）、溶解氧（DO）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）作為評價因子，建立因子集：U=｛IMn,CODcr,DO,NH3-N，TP｝。以11月5日9:00的監測結果，即試驗的首次監測結果作為引水前各因子的濃度值，以11月7日16:00的監測結果，即試驗的末次監測結果作為引水后各因子的濃度值，表2為各項因子的監測數據。

4.2 評價集的建立

《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）將水質分為五個等級，各因子標準限值見表3。與其相對應，本次評價將水質分為五個模糊等級，從而建立了評價集：V={Ⅰ類，Ⅱ類，Ⅲ類，Ⅳ類，Ⅴ類｝。

4.3 因子權重的確定

不同污染因子對水質影響程度不同，一般而言，污染因子超標越重，其對水體污染危害越大，因此，以污染因子的超標情況決定其權重，計算公式如下：

式中，wi為第i種污染因子的權重，ci為第i種污染因子的濃度實測值為第i種污染因子各級標準濃度限值的平均值。為了進行模糊合成運算，各因子權重必須歸一化，即：

將歸一化后的各因子權重組成一個權重集A，它是因子集U上的一個模糊子集，用行矩陣表示，則 A=()。以引水前鎮大公路橋斷面為例，對各因子進行權重計算，見表4。其中，溶解氧由于與其他因子性質相反，實測濃度低時，表示水質遭受了污染，所以對其權重賦值時取倒數,即：

經計算，得出引水前鎮大公路橋斷面評價因子權重行矩陣 A=（0.083，0.185，0.152，0.381，0.199）。同理，可得出引水前后所有監測斷面的評價因子權重行矩陣。

4.4 模糊關系矩陣的建立

4.4.1 計算隸屬度

模糊關系矩陣為所有參評因子對各水質級別隸屬程度的一種數學表達形式，在構造模糊關系矩陣時，首先需計算隸屬度。為了方便，采用梯形分布建立評價因子對5個水質級別的隸屬函數，以高錳酸鹽指數為例，其對各水質級別的隸屬函數如下：

表1 水質監測斷面與入江口相對位置關系

表2 大運河鎮江段水質監測數據 （單位：mg/L）

表3 地表水環境質量標準基本項目標準限值 （單位：mg/L）

可用同樣方法建立其他各評價因子對5個水質級別的隸屬函數。將評價因子的實際監測值x代入某一水質級別的隸屬函數，便可計算出評價因子對該水質級別的隸屬度u。仍以引水前鎮大公路橋斷面為例，其評價因子對各水質級別的隸屬度見表5。

4.4.2 構造模糊關系矩陣

以每個單項因子的5個隸屬度構造成一個行矩陣，再由各單項因子隸屬度行矩陣構造成模糊關系矩陣，記為R。由表5構造出引水前鎮大公路橋斷面評價因子對各水質級別隸屬度的模糊關系矩陣如下：

同理，可構造出引水前后所有監測斷面的評價因子對各水質級別隸屬度的模糊關系矩陣。

4.5 模糊綜合評判

將評價因子權重行矩陣A與評價因子對水質級別隸屬度的模糊關系矩陣R進行合成運算，便可得到綜合評價結果B，它是評價集V上的一個模糊子集，可表示為：

模糊矩陣合成運算的方法很多，常用方法有四種，分別為取積取大法（·，∨）、取積求和法（·，⊕）、取小取大法（∧，∨）以及取小求和法（∧，⊕）。用不同的合成運算方法得到的綜合評價結果的精細程度不一樣，如取小取大法（∧，∨）過分地強調了極值的作用，在進行取小取大運算時，有可能將一些有價值數據舍棄掉，因而，往往會于評價結果中出現多個相同的最大隸屬度；由一些合成運算方法產生的綜合評價結果還會受到評價因子數目的影響，如取小求和法（∧，⊕）和取小取大法（∧，∨），在評價因子數目增多時，歸一化后的各單因子權重將趨于減小，因而在進行取小運算時，就不易被舍棄，相反，在評價因子數目減少時，歸一化后的各單因子權重將趨于增大，因而在進行取小運算時，就容易被舍棄，這樣就有可能產生以權重或單因子評價替代綜合評價的結果，于是，便失去了綜合評價的意義。

表4 引水前鎮大公路橋斷面各因子權重計算表

表5 引水前鎮大公路橋斷面評價因子對各水質級別隸屬度

基于上述分析，本文采用取積取大法（·，∨）與取積求和法（·，⊕）作模糊矩陣的合成運算，對大運河鎮江段水質進行綜合評價。其中，取積求和法（·，⊕）考慮了所有因子對評價結果產生的影響，而取積取大法（·，∨）只考慮最大的起主要作用的那個因子對評價結果產生的影響。以取積取大法（·，∨）為例，對引水前鎮大公路橋斷面進行A與R的合成運算：

表6 大運河鎮江段水質綜合評價結果

歸一化后得：

按取積取大法運算，引水前鎮大公路橋斷面對Ⅳ類水隸屬度最大，為0.417。因而，根據最大隸屬度原則，判定水質為Ⅳ類。

以有界和算子“⊕”代替取積取大法（·，∨）中的取大算子“∨”作模糊矩陣的合成運算，便是取積求和法（·，⊕），其中有界和算子“⊕”數學含義可用下式表示：

式中 a1、a2…an為實數，min 為取小運算。

對引水前鎮大公路橋斷面按取積求和法（·，⊕）進行A與R的合成運算，并對結果作歸一化處理，可得：

根據最大隸屬度原則，亦可判定引水前鎮大公路橋斷面水質為Ⅳ類。

4.6 評價結果分析

對引水前后大運河鎮江段各監測斷面進行綜合評價，歸一化后的評價結果見表6。

由表6可以看出，在對大運河鎮江段水質進行綜合評價時，分別以取積取大法（·，∨）、取積求和法（·，⊕）作模糊矩陣的合成運算，再按最大隸屬度原則確定水質的級別，得到的結果是一致的。根據引水前后各監測斷面水質級別的變化情況，可以判定本次長江引水對大運河鎮江段水環境的改善作用比較明顯，其中，鎮大公路橋斷面由Ⅳ類水改善為Ⅲ類水，水質提高了1個級別，丹陽南二環橋斷面由Ⅴ類水改善為Ⅳ類水，水質提高了1個級別，呂城站斷面由Ⅴ類水改善為Ⅲ類水，水質提高了2個級別。

5 結語

（1）本文采用模糊綜合評判法對大運河鎮江段引水前后水質進行了評價，解決了水質污染程度界線的模糊性問題，從而使得評價結果更具合理性。

（2）評價與分析結果表明，通過引江沖污，可達到改善大運河鎮江段水環境的目的。因而，引江沖污可作為大運河鎮江段水環境保護與改善的一項有效措施。

（3）于非引水期內，由于沿河污染物的排放，仍會致使大運河鎮江段水環境恢復至原來的污染狀態，因此，欲維持和鞏固引水對大運河鎮江段水環境的改善效果，還必須控制污染源頭，對大運河鎮江段并施污水截流、污染源整治、河道清淤等多項污染綜合防治措施。陜西水利

[1]奚旦立,孫裕生,劉秀英.環境監測[M].北京:高等教育出版社,1995.

[2]王淑文，劉臣.水環境評價的模糊數學法[J].吉林水利，2001，(2):20-22.

[3]GB3838-2002，地表水環境質量標準[S].

[4]楊綸標，高英儀.模糊數學原理及應用[M].第四版.廣州：華南理工大學出版社，2005.

[5]劉普寅，吳孟達.模糊理論及其應用[M].長沙:國防科技大學出版社，1998.