改進(jìn)的模糊綜合評(píng)價(jià)法在大凌河流域地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

(葫蘆島市連山區(qū)水利局，遼寧 葫蘆島 125001)

1 引 言

受自然因素和人類活動(dòng)因素的綜合影響，地下水水質(zhì)狀況表現(xiàn)出局部區(qū)域的不均勻性和不穩(wěn)定性，這種情況很難采用單因子指數(shù)法對(duì)其進(jìn)行綜合的定性評(píng)價(jià)。對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)往往具有明顯的漸變性和模糊性等基本特征，僅采用某項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)結(jié)果很難對(duì)水體狀況做出準(zhǔn)確的判別和分析[1]。通過(guò)對(duì)研究對(duì)象的水質(zhì)各項(xiàng)污染物質(zhì)量濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并選取合理的水質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，然后對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果按照模糊評(píng)價(jià)基本理論進(jìn)行模糊轉(zhuǎn)化，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不確定性和模糊性的水質(zhì)環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行有效的科學(xué)處理[2]。

采用模糊評(píng)價(jià)理論可對(duì)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)按照定量性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，并揭示出各影響因子與水質(zhì)環(huán)境之間的作用關(guān)系，反映各因子對(duì)總體水質(zhì)的影響程度。但是，對(duì)于水質(zhì)污染中不同作用影響因子與相同水質(zhì)等級(jí)之間的較為復(fù)雜的非線性關(guān)系，采用傳統(tǒng)的模糊評(píng)價(jià)法很難進(jìn)行合理準(zhǔn)確的處理和解決，其根本原因是人為對(duì)各指標(biāo)的權(quán)重因子和效用函數(shù)進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)，限制了評(píng)價(jià)模型的通透性，并最終對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果造成不利的影響[3]。通過(guò)采用一定的方法對(duì)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行分配并對(duì)隸屬度函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)是提高水質(zhì)狀況評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性和科學(xué)性的重要方法，不僅可準(zhǔn)確體現(xiàn)出多種污染因子對(duì)水質(zhì)狀況的影響程度，而且可對(duì)模糊性界限進(jìn)行適當(dāng)?shù)目坍嫞瑫r(shí)能夠?qū)λ|(zhì)級(jí)別做出客觀、合理的評(píng)價(jià)[4]。據(jù)此，本文以大凌河流域地下水水質(zhì)狀況為研究對(duì)象，利用模糊學(xué)基本原理改進(jìn)隸屬度函數(shù)和權(quán)重計(jì)算方法，并對(duì)研究區(qū)域地下水水質(zhì)指標(biāo)各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行合成計(jì)算，以期為相關(guān)區(qū)域進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)方法的研究和應(yīng)用提供一定的理論支持和決策依據(jù)[5]。

2 改進(jìn)的模糊綜合評(píng)價(jià)模型

2.1 構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣

采用Nemerow法對(duì)污染物濃度進(jìn)行計(jì)算，可在水質(zhì)評(píng)價(jià)過(guò)程中重點(diǎn)突出和顯現(xiàn)某些較高污染物濃度對(duì)水質(zhì)的影響，其計(jì)算結(jié)果能夠較好反映出監(jiān)測(cè)指標(biāo)在系列水樣中的整體狀況[6]。可采用式(1)對(duì)污染物質(zhì)量濃度進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中ρi——水體環(huán)境污染物濃度，mg/L；

采用各評(píng)價(jià)因子質(zhì)量濃度分級(jí)代表值eij對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)集的隸屬度進(jìn)行表征，并可利用式(2)建立隸屬度計(jì)算函數(shù)：

(2)

式中rij——對(duì)應(yīng)于第j類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的隸屬度；

eij——評(píng)價(jià)因子質(zhì)量濃度的分級(jí)代表值，表述方法為：ei1為第一類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值，ei2為第一類和第二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)平均值，eij為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)最高極限值。

將對(duì)應(yīng)于各水體污染影響因子的水質(zhì)評(píng)價(jià)集的隸屬度進(jìn)行排列可構(gòu)型一個(gè)i×j階的隸屬度矩陣R，水質(zhì)評(píng)價(jià)集的隸屬度矩陣R：

(3)

2.2 確定評(píng)價(jià)因子的權(quán)重

結(jié)合研究區(qū)域地下水水質(zhì)基本狀況可將其劃分為5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)選取基點(diǎn)值si作為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中間級(jí)別的極限標(biāo)準(zhǔn)值或中間兩個(gè)級(jí)別極限值的平均值，并作為指標(biāo)權(quán)重向量的參考因子[7]。不同評(píng)價(jià)因子對(duì)水質(zhì)影響的貢獻(xiàn)率存在一定的差異，據(jù)此可對(duì)參與評(píng)價(jià)的各個(gè)影響因子進(jìn)行權(quán)重的賦值計(jì)算，并以此構(gòu)成各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重向量W，其表達(dá)式：

(4)

A=(a1,a2,…,ai)

(5)

2.3 綜合評(píng)判

利用文中所述計(jì)算公式和方法進(jìn)行水體污染因子隸屬度和權(quán)重向量的計(jì)算，將二者的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行有效的計(jì)算可獲得水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Y，其表達(dá)式見(jiàn)式(6)：

Y=A×R=(y1,y2,…,yn)

(6)

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 確定隸屬度并計(jì)算模糊關(guān)系矩陣

本文結(jié)合大凌河流域地理位置和徑流基本現(xiàn)狀，選取了具有代表性的8個(gè)地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取和計(jì)算，對(duì)各站點(diǎn)水環(huán)境中污染物質(zhì)量濃度在平水期進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)[8]，計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 大凌河流域地下水水質(zhì)污染物指標(biāo)質(zhì)量濃度常規(guī)監(jiān)測(cè)結(jié)果 (單位：mg/L)

結(jié)合大凌河流域各區(qū)域的污染物質(zhì)量濃度實(shí)測(cè)結(jié)果，并參考《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)地下水質(zhì)的劃分標(biāo)準(zhǔn)和等級(jí)，可對(duì)研究區(qū)域內(nèi)各污染因子質(zhì)量濃度的基點(diǎn)值和分級(jí)代表值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 水體環(huán)境中污染物因子特征值和代表值計(jì)算結(jié)果

利用表2有關(guān)數(shù)據(jù)和指標(biāo)隸屬度函數(shù)對(duì)水質(zhì)污染單因子指標(biāo)的各級(jí)水質(zhì)隸屬度進(jìn)行計(jì)算，并構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣R，計(jì)算結(jié)果如下：

若對(duì)同一水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行不同水質(zhì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的劃分，出現(xiàn)相同分界極限值的情況時(shí)，可根據(jù)隸屬度和分級(jí)代表值的計(jì)算結(jié)果按照最優(yōu)質(zhì)水質(zhì)級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分[9]。

3.2 評(píng)價(jià)因子權(quán)重的計(jì)算

結(jié)合大凌河地下水水質(zhì)指標(biāo)綜合質(zhì)量濃度實(shí)測(cè)結(jié)果和各評(píng)價(jià)因子基點(diǎn)值數(shù)據(jù)，可得到水質(zhì)評(píng)價(jià)各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重系數(shù)向量W：

W=(0.51,0.02,0.50,0.38,0.56,0.31,0.18)

對(duì)各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重系數(shù)向量W進(jìn)行無(wú)量綱化統(tǒng)一處理，可得到經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)處理后的各評(píng)價(jià)因子向量A：

A=(0.21,0.01,0.20,0.16,0.22,0.12,0.08)

3.3 綜合評(píng)判

通過(guò)將模糊關(guān)系矩陣和經(jīng)無(wú)量綱化標(biāo)準(zhǔn)處理后得到的各評(píng)價(jià)因子權(quán)重向量進(jìn)行復(fù)合計(jì)算，得到相應(yīng)水質(zhì)污染指標(biāo)綜合評(píng)判結(jié)果Y：

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知大凌河地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)類別處于Ⅲ類。

4 結(jié)果與分析

分別利用內(nèi)梅洛單因子法、模糊評(píng)價(jià)法和改進(jìn)的模糊評(píng)價(jià)法對(duì)大凌河流域地下水水體環(huán)境中各污染物濃度值采用綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行計(jì)算，并按照水質(zhì)級(jí)別進(jìn)行劃分，計(jì)算劃分結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 采用不同評(píng)價(jià)法的大凌河流域地下水水質(zhì)評(píng)判類別

表3數(shù)據(jù)表明：?采用模糊評(píng)價(jià)法和改進(jìn)的模糊綜合評(píng)價(jià)法，對(duì)水體環(huán)境中各污染物濃度值監(jiān)測(cè)結(jié)果相對(duì)于內(nèi)梅洛法較為穩(wěn)定，說(shuō)明模糊評(píng)價(jià)理論可綜合考慮各水體污染因子對(duì)水環(huán)境的總體影響狀況，能夠較為全面、客觀地反映出水質(zhì)的總體污染狀況和級(jí)別；?相對(duì)于傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)法，采用改進(jìn)的模糊評(píng)價(jià)法對(duì)地下水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其各項(xiàng)污染因子的水質(zhì)級(jí)別相差相對(duì)較小，說(shuō)明改進(jìn)的模糊綜合評(píng)價(jià)法可明顯提高水體污染各影響因子之間的關(guān)聯(lián)作用[10]；?大凌河流域地下水水質(zhì)為Ⅲ類，人類生活污水和農(nóng)業(yè)灌溉廢水的排放是影響該區(qū)域地下水水質(zhì)的主要因素，需采取有效的污水處理措施并建立科學(xué)的用水管理制度，加強(qiáng)對(duì)地下水資源的保護(hù)。通過(guò)各影響因子頻率的累計(jì)，可顯著提高各影響因子對(duì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的整體作用性能，而在加強(qiáng)各影響因子之間作用關(guān)系的同時(shí)又不因單因子的過(guò)大浮動(dòng)造成對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果的顯著影響，從而能夠使水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果更具有科學(xué)性和真實(shí)性，并較好地揭示出研究區(qū)域的水質(zhì)狀況[11]。

對(duì)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算應(yīng)結(jié)合《地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)級(jí)別的劃分和依據(jù)，在改進(jìn)的模糊綜合評(píng)價(jià)法中，將各水質(zhì)污染影響因子的權(quán)重wj的計(jì)算涵蓋在有關(guān)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，并結(jié)合中間等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的極限值，分別考慮各影響因子的水質(zhì)級(jí)別和分級(jí)跨度的極限值等情況，嚴(yán)格遵循對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值越大則水體污染物濃度越小的基本原則，較好的對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值所代表的意義進(jìn)行表征和體現(xiàn)。據(jù)此，科學(xué)合理地對(duì)水體污染因子在綜合評(píng)價(jià)體系中的分配權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性和有效性具有重要意義。引入分級(jí)代表值，能夠較好地對(duì)相同因子作用下不同水質(zhì)分類級(jí)別之間的相互倍數(shù)關(guān)系進(jìn)行表征，進(jìn)而使得水質(zhì)級(jí)別評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀和穩(wěn)定。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文在概述了地下水水質(zhì)研究現(xiàn)狀和理論方法的基礎(chǔ)上，利用模糊學(xué)基本原理對(duì)隸屬度函數(shù)和權(quán)重計(jì)算法進(jìn)行改進(jìn)，然后對(duì)大凌河流域地下水水質(zhì)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)分別采用改進(jìn)的模糊綜合評(píng)價(jià)法、內(nèi)梅洛單因子指數(shù)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和分析，可知：大凌河流域的絕大多數(shù)地區(qū)地下水基本屬于Ⅲ類水質(zhì)；少部分地區(qū)水質(zhì)良好，為Ⅱ類水質(zhì)。影響該區(qū)域地下水水質(zhì)的主要因素是人類生活污水和農(nóng)業(yè)灌溉廢水的排放，為此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該區(qū)域的水資源開(kāi)發(fā)利用的科學(xué)管理、優(yōu)化水資源配置、提高水資源利用效率等措施，并確保該區(qū)域的水資源的持續(xù)健康發(fā)展。本次研究科學(xué)合理地對(duì)水體污染因子在綜合評(píng)價(jià)體系中的分配權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，評(píng)價(jià)結(jié)果具有科學(xué)性和有效性。