模糊綜合評價在渤海灣生態監控區水質評價中的應用

趙蓓，馬文齋，唐偉

（1.國家海洋局北海環境監測中心 青島市 266033；

2.國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術重點實驗室 青島市 266033）

模糊綜合評價在渤海灣生態監控區水質評價中的應用

趙蓓1，2，馬文齋1，2，唐偉1，2

（1.國家海洋局北海環境監測中心 青島市 266033；

2.國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術重點實驗室 青島市 266033）

將模糊綜合評價方法應用于渤海灣生態監控區的水質評價中，通過確定評價指標、評價等級、隸屬函數、權重等構建了模糊綜合評價模型，實現對各水體樣本集水質的總體評價，增加對水質總體評價的精確性和可對比性，以期為制定科學的生態監控區環境污染綜合防治規劃及綜合管理等提供依據。

模糊綜合評價渤海灣生態監控區海水水質評價

海水環境質量評價作為海洋環境質量評價的一項重要的基礎性內容，是進行海洋環境保護和海洋綜合管理工作的重要組成部分，其評價結論可為海洋環保和綜合管理提供決策性科學依據。自2004年國家海洋局組織沿海省（自治區、直轄市）在我國近岸海域部分生態環境脆弱區和敏感區建立生態監控區以來，監控區數量已達到 18個，監控區總面積已達到 5.2 萬km2，主要生態類型包括海灣、河口、濱海濕地、珊瑚礁、紅樹林和海草床等典型生態系統[1]。渤海灣生態監控區作為我國重要的海灣，周邊有天津濱海新區、河北省曹妃甸循環經濟區和滄州渤海新區等已被列入國家發展戰略的重大開發區域，其水質評價對于掌握監控區水質污染狀況及變化趨勢，改善生態監控區環境，保護監控區內典型的生態系統具有重要作用。

目前，對監控區內水環境質量評價多采用單因子污染指數評價法。單因子指數評價法能夠比較直接地反應出單一評價指標的優劣狀況，但是可能會忽略海洋環境中兩種以上污染物的聯合作用，造成夸大或縮小海洋環境污染的實際狀況[2]。而隨著近代數學，如模糊數學、灰色理論等相關理論的廣泛應用，水環境質量評價的合理性和精確度有所提高。將模糊數學理論應用到渤海灣生態監控區的水質評價中，可以增加對水質總體評價的精確性和可對比性。

1 渤海灣模糊綜合評價模型建立

模糊綜合評價是以模糊數學為基礎，應用模糊關系合成的原理，將一些邊界不清，不易定量的因素定量化，進行綜合評價的一種方法。水質評價由于不能用一個簡單的“是”或“否”，“非此即彼”來回答。對于這種界限（邊界）不分明的事物，需要有一種能對事物漸變過程中的不分明性加以描述的數學形式[3]。模糊模式識別模型是處理這類外延邊界“模糊不清”問題的最好方法。因此，在進行評價時，采用模糊綜合評價的方法進行定量化處理，評價出水體的質量等級。但權重的確定需要專家的知識和經驗，具有一定的缺陷，為此，采用污染因子貢獻率來確定各指標的權系數，使其更有合理性，更符合客觀實際并易于定量表示，從而提高模糊綜合評判結果的準確性。

模糊綜合評價模型作為一種功能強大的分析方法，在水環境科學中的應用已經取得了很好的效果[4]。本研究利用年—年月渤海灣200620085生態監控區的水質監測數據，采用模糊綜合評價方法評價渤海灣生態監控區在這一時期的水質狀況。調查站位見圖 1 。

1.1 評價指標及等級標準的確定

因渤海灣生態監控區未進行重金屬的監測，且2006、2007年該監控區未進行 COD 監測，因此未將 COD 列入選取指標。選取水質評價指標為DO、磷酸鹽、無機氮以及石油類 4 項重要因子。評價等級采用國家《海水水質標準》（GB 3097-1997）中對海水水質的分級標準（Ⅰ～Ⅳ類）。評價指標數值見表 1 。

圖1 渤海灣生態監控區調查站位

表1 水質評價指數標準（單位：mg/L）

1.2 隸屬函數的建立

通常有兩種不同的指標類型：①評價指標標準值隨級別 v 的增大而增大；②評價指標標準值隨級別 v 的增大而減小。選取的渤海灣生態監控區水質評價的評價指標 DO 屬于第②種情況，其余各項因子均屬于第①種情況。第①種情況的評價指標建立隸屬函數如下所示：

式中，ui為評價指標i的實測值。vij為評價項目第i級的指標值。j為海水的第Ⅰ類到第Ⅳ類海水水質評價標準。

DO 的隸屬函數與上述函數相反，不在詳述。

1.3 模糊關系矩陣R的建立

依據上述隸屬函數，建立模糊關系矩陣R。

其中，評價指標的實測值采用各監測站位的平均值來評價。2006年—2008年的評價指標實測值濃度見表2。

表2 2006年—2008年5月渤海灣生態監控區評價指標實測值濃度（單位：mg/L）

2006年渤海生態監控區水質評價模糊關系矩陣 R1為：

同理可求得2007、2008年模糊矩陣 R2、R3。

1.4 評價指標權重的確定

由于磷酸鹽、無機氮等評價指標對水質的影響程度不同，因此對各指標應賦予不同的權重。評價指標權重的計算采用污染因子貢獻率，根據污染物對水質的污染大，權重大的原則來決定權重的大小。評價指標的權重為：

由于DO 濃度越大，對水質的影響程度越小，因此其權重為：

其中ai 為評價指標 i 的權重，si為評價指標 i 各評價等級標準值的平均值，i＝1，…，4。對 ai 進行歸一化處理，即：

確定權重

2006年至2008年 DO、磷酸鹽、無機氮及油類評價指標權重依次為：

2 模糊綜合評價

依據建立的隸屬函數以及評價指標權重，確定渤海灣生態監控區模糊綜合評價結果見表 3 。

表3 2006—2008年5月渤海灣生態監控區模糊綜合評價結果

模糊評價結果的選取一般采用最大隸屬度原則，按照最大隸屬度原則，2006年至2008年渤海灣生態監控區的水質分別為Ⅰ類、Ⅳ類、超Ⅳ類，污染水平呈現持續加重的趨勢。但這種方法由于未能包含所有的信息容量，容易造成信息缺失的情況存在，在某些條件下可能會導致不合理的評價結果，且采用這種原則不能對多個樣本進行排序，因此采用加權平均法對模糊綜合評價結果向量進行分析[4]，這樣不僅能評價出水質的等級，而且能對多個樣本進行比較排序。

分別對評價等級Ⅰ～Ⅳ級賦值1～4，進行加權平均后得出2006年至2008年評價結果分別為2.278、2.945、2.946。即2006年渤海灣生態監控區水質總體評價結果為Ⅱ類，稍微偏向Ⅲ類，2007、2008年水質基本保持不變，總體評價結果為Ⅲ類，稍微偏向Ⅱ類。整體來看，2006年至2008年渤海灣生態監控區水質總體呈現污染加重的趨勢。主要污染因子為無機氮。

3 結論

對于海水水質評價，采用模糊綜合評價法避免了采用單因子指數法不能分析兩種及兩種以上因子對海水水質的綜合作用，能夠綜合評價出待評價海域海水的總體情況及其變化趨勢。評價指標權重采用污染因子貢獻率的方法，科學客觀，避免了采用層次分析法專家打分的主觀性。總之，模糊綜合評價在海水水質綜合評價與排序研究中得以應用，效果較好，是一種行之有效的先進方法。

[1]2008年中國海洋環境質量公報[R]. 國家海洋局，2009.

[2]李亞楠，隋吉學. 海洋環境質量評價技術要點研究[J].水系污染與保護，2003(29)：76-77.

[3]尚守忠，田世義. 水資源及其利用[M].北京：科學技術出版社，1993：238-245.

[4]劉新銘. 淮河流域水環境模糊評價與容量研究[D].南京：南京理工大學，2005.

[5]胡永宏，賀思輝. 綜合評價方法. 北京：科學出版社[M]，2000(10)：167-169.

2010年11月9日

渤海環境污染基本評價研究（AOCZDA20080201）。