改進的模糊綜合評價法在長春市地下水水質評價中的應用

劉子劍，崔 斌，張 楠

(1.吉林大學環境與資源學院，吉林長春 130021;2.北京工業大學環境與能源工程學院，北京 100124;3.香港科技大學土木及環境工程學院，香港 999077)

改進的模糊綜合評價法在長春市地下水水質評價中的應用

劉子劍1，崔 斌2，張 楠3

(1.吉林大學環境與資源學院，吉林長春 130021;2.北京工業大學環境與能源工程學院，北京 100124;3.香港科技大學土木及環境工程學院，香港 999077)

采用改進的模糊數學綜合評價法對吉林省長春市東南部生態區和西南部工業區的地下水水質進行評價。結果表明，長春市西南部工業區的地下水水質為Ⅳ類，影響水質的主要因素是重金屬離子，需要采取有效措施防止地下水污染;長春市東南部生態區的地下水水質為Ⅱ類，綜合水質優于西南部工業區。

地下水;水質評價;改進的模糊綜合評價法;長春市

地下水水質狀況受多種因素的綜合影響，具有局部范圍的不穩定性和不均勻性，因此難以依據單因子指數進行定性評價［1-2］。水質類別具有漸變性、模糊性等特點，只根據某一項指標的監測結果往往不能做出準確的評價［3］。模糊數學評價法是根據給出的評價標準和實測值，經過模糊變換對事物做出評價的一種方法，因此可以用于解決模糊、不明確的環境評價問題［4］。

運用模糊數學綜合評價法將定性評價轉化為定量評價，可以充分表征各影響因子對總體水環境的影響程度［5-6］。然而，傳統的模糊評價法不能很好地解決評價因子與水質等級間復雜的非線性關系，因為評價所用的效用函數和權重需要人為設計，這限制了評價模型的通用性，也影響了評價的最終結果［7-9］。對隸屬函數和分配權重的計算方式進行適當改進，既可以刻畫界限的模糊性，又可較為準確地反映出多污染因子對水質的影響，更適合客觀地確定水質級別［10］。筆者應用模糊數學的基本理論，應用改進的隸屬函數和權重計算方式，分別對受一汽工業區工業活動影響的長春市西南部工業區(以下簡稱西南部工業區 和長春市東南部凈月潭國家森林公園周邊區域(以下簡稱東南部生態區)地下水水質的各項監測指標值進行合成計算，以期得到相應的水質綜合評價級別。

1 改進的模糊數學綜合評價模型

1.1 計算評價因子的隸屬度并建立模糊關系矩陣

在水質評價中，為了突出某一質量濃度較高的污染物對水質的影響，一般采用Nemerow法對各監測點的污染物質量濃度進行計算，所得的污染物質量濃度值能夠較好地體現系列水樣中某監測指標的整體情況［11］。污染物質量濃度計算公式為

式中:ρi為污染物質量濃度，mg/L;ρmax為各監測點污染物質量濃度最大值，mg/L;ˉρ為各監測點污染物質量濃度平均值，mg/L。

各項評價因子對水質評價集的隸屬度，可以通過對該因子質量濃度的分級代表值eij建立隸屬函數的方式得到［12-14］:

式中:rij為評價因子i對于j類水質標準的隸屬度;eij為評價因子質量濃度的分級代表值，其確定方式是:ei1取水質標準第一類的值，ei2取水質標準第一類和第二類的平均值，eij取水質標準最高限值。

將各項評價因子對水質評價集的隸屬度排列成i×j階矩陣，可以得到相應的隸屬度 R［15］:

1.2 計算評價因子的權重

地下水水質標準共分為5類，選取參與評價的因子質量濃度基點值si為中間類別的標準限值(或中間兩類別限值的均值)，作為權重向量的參考因子。考慮到每個參與評價的因子對水質影響的貢獻率不同，需要對每個參與評價的因子賦予不同的權重，組成評價因子的權重向量W:

1.3 綜合評判

將所求得的權重向量與隸屬度進行復合計算，得到綜合評判結果Y，即，

2 實例分析

2.1 計算隸屬度并建立模糊關系矩陣

分別在西南部工業區和東南部生態區選取8個典型地下水水質監測點，在平水期監測其常規監測指標質量濃度，監測結果見表1。

由不同區域污染物的實測質量濃度值，同時依據GB/T14848—1993《地下水質量標準》對地下水水質的劃分，可計算各種污染因子質量濃度的分級代表值和基點值，計算結果見表2。

表1 不同區域的地下水常規監測指標實測質量濃度值 mg/L

表2 污染因子質量濃度分級代表值、綜合實測值和基點值 mg/L

根據隸屬函數和表2的相關數據，計算單因子指標對各級水質的隸屬度，并建立模糊關系矩陣:

下標A、B分別代表東南部生態區和西南部工業區，以下同。某一監測指標按不同水質級別劃分出現相同分界限值時，其分級代表值和隸屬度的計算暫按最優水質級別認定。

2.2 確定評價因子的權重

參考東南部生態區和西南部工業區監測指標綜合實測質量濃度值和評價因子基點值，可分別計算得到東南部生態區和西南部工業區評價因子的權重向量:

2.3 綜合評判

將歸一化處理后得到的權重向量與模糊關系矩陣進行復合運算，得到相應的綜合評判結果:

由此得到東南部生態區和西南部工業區的地下水水質評價結果分別為Ⅱ類和Ⅳ類。

3 結果與討論

分別采用內梅羅單因子指數評價法、模糊綜合評價法和改進的模糊綜合評價法對吉林省長春市東南部生態區和西南部工業區的地下水進行各監測項目水質的綜合評價，評價結果見表3。

由表3可知，相比內梅羅單因子指數評價法，利用模糊綜合評價法評價各監測項目的水質級別，評價結果較為穩定，表明模糊綜合評價法可以較為充分地表征各污染因子對總體水環境的作用，能客觀地表征水質的總體污染程度。而相比傳統的模糊綜合評價法，利用改進的模糊綜合評價法評價地下水水質，各項影響因子的水質級別相差較小，表明改進的模糊綜合評價法使得各影響因子之間的關聯程度明顯加大，頻率的累積使最終的綜合評價結果更加受制于各影響因子的整體影響，在緊密聯系各影響因子的同時，又不會因某一單個影響因子的過大浮動而對水質評價級別產生明顯的干擾，從而使評價的結果能夠更真實地反映當地的水質情況。

在改進的模糊綜合評價法中，權重的確定以GB/T14848—93《地下水質量標準》為依托，將權重值wj的確定隱含在相關標準中，利用標準中間限值，充分考慮不同影響因子的水質級別分級跨度情況，更好地表征了標準值越大污染物污染度越小這一客觀事實，較為合理地分配了各影響因子在水質綜合評價中所占的權重。同時，通過引入分級代表值，較好地體現了同一影響因子不同水質分類級別間分級限的相互倍數關系，使綜合評判結果時更為穩定、科學。

表3 不同區域不同評價方法的水質評價類別結果

4 結論

采用改進的模糊綜合評價法對吉林省長春市西南部工業區和東南部生態區的地下水水質進行評價，結果顯示:西南部工業區的地下水水質為Ⅳ類，造成該區域水質級別較低的主要原因是水體中重金屬濃度偏高，需要采取有效措施控制該地區的水體污染;東南部生態區的地下水水質為Ⅱ類，綜合水質優于西南部工業區。

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Application of improved fuzzy mathematical comprehensive evaluation method to evaluation of groundwater quality in Changchun City

LIU Zijian1，CUI Bin2，ZHANG Nan3
(1.College of Environment and Resources，Jilin University，Changchun 130021，China;2.College of Environmental and Energy Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China;3.Department of Civil and Environmental Engineering，Hongkong University of Science and Technology，Hongkong 999077，China)

An improved fuzzy mathematical comprehensive evaluation method was used to evaluate the groundwater quality in the southeastern ecological region and the southwestern industrial region of Changchun City，in Jilin Province.The results show that the groundwater quality in the southwestern industrial region of Changchun City reached the grade IV level，and the main factors influencing the water quality were heavy metal ions.Therefore，effective measures should be taken to prevent groundwater pollution in this region.In addition，the groundwater quality in the southeastern ecological region of Changchun City reached the gradeⅡ level，superior to that of the southwestern industrial region.

groundwater;water quality evaluation;improved fuzzy mathematical eomprehensive evaluation method;Changchun City

X824

A

1004-6933(2014)06-0040-04

10.3969/j.issn.1004-6933.2014.06.008

劉子劍(1991—)，男，碩士研究生，研究方向為水處理技術。E-mail:lzj1991@sohu.com

2014-06-18 編輯:彭桃英)