模糊綜合評價法在京杭運河徐州市區(qū)段水質(zhì)評價中的應(yīng)用

李 倩 陳 穎 范傳輝

模糊綜合評價法在京杭運河徐州市區(qū)段水質(zhì)評價中的應(yīng)用

李 倩 陳 穎 范傳輝

一、前言

京杭運河徐州市區(qū)段北起藺家壩，南至解臺閘，橫貫徐州市區(qū)北部，全長26.9km。該河段擔(dān)負著南水北調(diào)東線工程調(diào)水和輸水的雙重任務(wù)，具有飲用水源、航運、灌溉、行洪等多種功能。

按照《江蘇省地表水（環(huán)境）功能區(qū)劃》和南水北調(diào)東線工程治污目標(biāo)的要求，該段水域執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。由于其位于南水北調(diào)東線工程的中段，其水質(zhì)狀況直接影響南水北調(diào)東線江蘇段的出境水質(zhì)。但近年來隨著匯水區(qū)域內(nèi)工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，該河段也受到了不同程度的污染。為更好地反映該河段的水質(zhì)狀況，本文采用模糊數(shù)學(xué)方法對其水質(zhì)進行綜合評價，該方法更切合實際，更貼近水體質(zhì)量評價的本質(zhì)。

二、模糊綜合評價數(shù)學(xué)模型的建立

1.建立水質(zhì)評價因子集合、等級集合

首先建立評價對象因素集合：U= {Ul，U2，…，Um}，其中Ul，U2，…，Um為參與評價的m個評價因子。參照國家相應(yīng)的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，建立評價等級集合為V={V1，V2，…，Vn}，其中V1，V2，…，Vn是與Um相對應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn)等級。

2.建立模糊矩陣

在U和V都給定之后，根據(jù)其中的模糊關(guān)系，得到關(guān)系模糊矩陣。m個評價因子隸屬于n個不同級別的隸屬度組成隸屬度矩陣R（R為m×n階）：

根據(jù)模糊關(guān)系的定義rij表示第i個評價因子對第j評價等級的隸屬度，隸屬度可通過隸屬函數(shù)的計算進行確定。

第1級水質(zhì)，即j=1時，隸屬函數(shù)為：

第2～（n-1）級水質(zhì)，即j=2，3，…，n-1時，隸屬函數(shù)為：

第n級水質(zhì)，即j=n時，隸屬函數(shù)為：

式中：xi為第i個因素Ui的實測值；sij-1、sij、sij+1分別為因素 Ui的第j-1、j、j+1級水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)值。

3.建立權(quán)重向量

權(quán)重系數(shù)越大，則該因子對水質(zhì)的影響程度越大。該研究采用評價因子貢獻率的方法確定權(quán)向量，通過計算超標(biāo)率計算權(quán)重值，即：

Ii=xi/Si平均

每個評價指標(biāo)的超標(biāo)率計算完成后，對其進行歸一化處理，即得每個評價指標(biāo)的權(quán)重：

Wi=Ii/ΣIi

式中：Si平均為第i種污染物各級標(biāo)準(zhǔn)值的算術(shù)平均值；Ii為無量綱數(shù)，表示某評價因子的實際監(jiān)測值相對于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)超標(biāo)倍數(shù)；Wi為第i評價指標(biāo)的權(quán)重。由此可得到權(quán)重向量：Wi=｛Wl，W2，W3，…，Wm｝。

4.建立模糊綜合評價模型

確定模糊評價矩陣Rij和權(quán)重向量Wi后，則可建立模糊綜合評價模型：Bij=Wi·Rij。該模型遵循矩陣的運算法則，結(jié)合最大隸屬度原則，即可得出水體的水質(zhì)級別。

三、京杭運河徐州市區(qū)段水質(zhì)評價

1.評價范圍及數(shù)據(jù)來源

京杭運河徐州市區(qū)段共選取解臺閘（上）、荊山橋、洞山西、藺家壩閘（下）四處水質(zhì)監(jiān)測斷面來評價河段水質(zhì)情況。采用2011年各斷面年平均水質(zhì)監(jiān)測資料來評價分析本河段現(xiàn)狀水質(zhì)狀況。采用2007～2011年本河段按照河長和各斷面監(jiān)測值加權(quán)平均后的水質(zhì)資料，來評價分析該河段污染趨勢。

2.評價因子集與評價集

根據(jù)本河段水質(zhì)污染特點,評價因子選用CODM n、BOD5、NH3-N、TP、揮發(fā)酚共五項指標(biāo)來評價本河段水質(zhì)狀況,即U= ｛CODM n、BOD5、NH3-N、TP、揮發(fā)酚｝。2011年各斷面平均值見表1。2007～2011年本河段加權(quán)平均值見表2。

表1 2011年各斷面平均值表 mg/L

由于水體污染程度本身就是一個模糊概念，因此作為評價污染程度的分類標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)具有模糊的特征。參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002），評價等級分5級，組成評價等級集合：V={Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ}，污染程度相應(yīng)為優(yōu)、良好、輕度污染、中度污染和重度污染，各等級的標(biāo)準(zhǔn)見表3。

3.模糊評價矩陣

以解臺閘（上）斷面為例，根據(jù)各評價因子的隸屬函數(shù)及實測值，求出各評價因子對各級水的隸屬度，并組成模糊矩陣：

表2 2007～2011年本河段加權(quán)平均值表 mg/L

表3 模糊綜合評價中各項指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值 mg/L

表4 解臺閘（上）斷面因子權(quán)重

表5 各斷面的水質(zhì)評價結(jié)果表

表6 2007年～2011年本河段水質(zhì)評價結(jié)果表

4.評價因子的權(quán)重矩陣

解臺閘（上）斷面各評價因子的權(quán)重計算方法和結(jié)果如表4所示。

5.模糊綜合評價模型

根據(jù)模糊評價法的原理，可得出解臺閘（上）斷面水質(zhì)的評價結(jié)果：

Bij=Wi·Rij

由Bij值可知，0.62值最大，根據(jù)最大隸屬度原則確定解臺閘（上）的水質(zhì)評價等級為Ⅲ級。

6.模糊綜合評價結(jié)果

對其他斷面進行評價結(jié)果見表5。2007～2011年本河段水質(zhì)評價結(jié)果見表6。

四、評價結(jié)果和討論

本文將模糊數(shù)學(xué)的方法引用到水質(zhì)評價中，根據(jù)各指標(biāo)在描述水體污染程度時清晰化、定量化，反映了監(jiān)測斷面的綜合水質(zhì)狀況，最終確定了水質(zhì)質(zhì)量級別，避免了以往水質(zhì)分級不連續(xù)的缺點，不至于因某項參數(shù)超標(biāo)而使各綜合指標(biāo)的評價偏高，從而保證了評價結(jié)果的可靠性。根據(jù)2011年京杭運河徐州市區(qū)段4個監(jiān)測斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)系，本段水質(zhì)綜合評價結(jié)果為Ⅲ類。起始斷面藺家壩閘（下）和末端斷面解臺閘（上）水質(zhì)較好，全年評價結(jié)果在Ⅰ類～Ⅲ類之間。中部斷面荊山橋水質(zhì)較差，部分時段出現(xiàn)了Ⅳ類和Ⅴ類水，主要原因是徐州市北郊工業(yè)企業(yè)、城市污水處理廠廢水通過荊馬河進入荊山橋斷面上游，主要污染指標(biāo)為NH3-N。2007年～2011年本河段水質(zhì)綜合評價結(jié)果為Ⅲ類～Ⅳ類之間。2007年水質(zhì)最差，模糊綜合評價水質(zhì)結(jié)果為Ⅳ類，主要污染指標(biāo)為NH3-N、TP、CODM n。通過Ⅳ類水質(zhì)隸屬度結(jié)果可以看出，京杭運河徐州市區(qū)段水環(huán)境狀況正逐年轉(zhuǎn)好，這說明2007年以來南水北調(diào)東線工程逐步的建設(shè)實施對改善沿線水環(huán)境狀況起到了重要作用。

隨著南水北調(diào)徐州市截污導(dǎo)流主體工程的建成，徐州市區(qū)污水處理廠和污水收集管網(wǎng)亦在加速建設(shè)、完善，各種污廢水將通過資源化利用、東調(diào)入海，本河段納污量將會逐步減少，水質(zhì)情況會持續(xù)好轉(zhuǎn)

（作者單位：江蘇省水文水資源勘測局徐州分局 221006）