黃河蘭州段水質評價的HDE方法應用

逯曄坤，靳春玲，貢 力

(蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070)

0 引 言

水是地球表面最多的天然物質，覆蓋了71%以上的表面。作為生活不可缺少的重要組成部分，水質的好壞對人類生活具有深遠的影響。近年來，隨著基礎工程的大量建設，相關產業產生了大量工業廢水并沒有合理處置，導致一些生態環境被破壞，水的自凈功能降低，使水質發生惡化，嚴重影響了人類正常生活，保護水資源，防治水污染已成為重要一環。黃河自西向東流經9個省及自治區，提供了豐富的水資源。蘭州作為黃河唯一穿城而過的省會城市，黃河水的使用作為城市用水的主要來源，使得對水質的要求變得尤為突出，故而對黃河蘭州段水質進行評價，對蘭州經濟和社會的可持續發展具有重要的現實意義。

國外水質評價始于20世紀60年代中期，在70年代發展較為繁榮，各種評價水質質量指數的方法被相繼提出，20世紀80年代，國內學者對水質質量指數計算進行了改進，提出了幾何均數評價[1]、半集均方差評價[2]等。隨著發展水質評價產生大量評價方法，但沒有確定、統一的評價方法，國內外對水質評價的研究方法主要分為單因子評價法、綜合指數評價法和綜合評價方法(包括：模糊綜合評價法、主成分分析法、集對分析法、灰色評價法及人工神經網絡法等)[3-8]。單因子評價法是以最差因素的水質級別作為最終水質評價級別，評價結果保守；綜合指數評價法方便易用，但沒有考慮因素的權重；綜合評價方法考慮影響水質的多個指標與評價標準的關系，從而確定水質的綜合結果[9]。

在和諧理念下，采用和諧理論定量分析方法—和諧度方程(HDE)，考慮影響水質因素的和諧程度，建立新的評價模型。馬軍霞[10]利用和諧度方程的“分類等級評價”方法對水質進行了評價，本文在參考其基礎上利用和諧度方程“綜合程度評價”方法[11]對黃河蘭州段水質進行評價。

1 和諧度方程(HDE)評價模型

左其亭教授于2009年在《和諧論的數學描述方法與應用》中把研究“和諧”行為的理論和方法體系稱為和諧論(harmony theory)，并進一步定義“和諧論是研究多方參與者共同實現和諧行為的理論和方法”[12,13]。和諧論具有廣泛的應用前景，是揭示自然界和諧關系的重要理論，其定量表達方法為和諧度方程(harmony degree equation)，被期刊《The Scientific Word Journal》編輯稱為“左氏和諧度方程”(Zuo-harmony degree equation)[14]。自和諧度方程提出以來，在水資源的研究中做出了一定的成果，比如跨界河流分水問題[15]；流域人水和諧問題[16]；入河污染物排放量分配問題[17]；水資源分配和調度優化問題[18]。

1.1 和諧度方程表達式

1.1.1 單因素和諧度方程

HDk=ai-bj

(1)

式中：HDk為某一因素Fk對應的和諧度，是表達和諧程度的指標，HDk∈[-1，1]；a為統一度(unity degree)，和諧參與者按照和諧規則具有“相同目標”所占的比重，a∈[0，1]；b為分歧度(difference degree)，和諧參與者對照和諧規則和目標存在分歧情況所占的比重，b∈[0，1]；i為和諧系數(harmony coefficient)，反映和諧目標的滿足程度，可依據和諧目標計算確定，i∈[0，1]；j為不和諧系數(disharmony coefficient)，反映和諧參與者對存在分歧現象的重視程度，可以根據分歧度計算確定，j∈[0，1]。

1.1.2 多因素和諧度方程

(1)加權平均計算。

(2)

式中：HD為綜合和諧度，HD∈[-1，1]；wk為權重，wk∈[0，1]。

(2)指數權重加權計算。

(3)

式中：βk為指數權重，βk∈[0，1] 。

1.2 和諧度方程各參數確定方法

(1)統一度a。

a=φ(A1，A2)

(4)

式中：φ(A1，A2)為和諧行為A1與A2之間的關聯程度隸屬度，通常對指標體系建立線性函數進行計算。

(2)分歧度b。分歧度b與統一度a表達的意思相反，且a+b=1 ，故：

b=1-φ(A1，A2)

(5)

(3)和諧系數i。根據和諧目標滿足程度確定和諧系數曲線，即而確定和諧系數，本文采用和諧系數兩節點公式計算，故：

(6)

(4)不和諧系數j。 其反映和諧參與者對存在分歧現象的重視程度，可以根據分歧度計算確定，一般取j=b。

因和諧度方程參數確定較為靈活，詳細計算參照文獻[12]。

1.3 和諧度方程評價流程

(1)確定評價指標及指標標準。

(2)確定單因素和諧度。按照指標標準，分別計算指標的統一度a、分歧度b、和諧系數i、不和諧系數j，確定指標的和諧度。

(3)確定指標的權重。

(4)確定綜合和諧度。通過上述多因素和諧度計算方法，計算出評價對象的和諧度值。

(5)確定評價結果。對比評價標準確定最終結果。

圖1 和諧度方程評價流程Fig.1 Harmony equation evaluation process

2 黃河蘭州段水質評價

2.1 評價指標數據

以蘭州環境保護局2017年黃河蘭州段新城橋斷面和什川橋斷面黃河水pH值、水溫、濁度、溶解氧、電導率、氨氮和高錳酸鹽指數7項指標的自動監測數據為基礎，進行黃河水質評價。具體數據見表1和表2。

2.2 評價指標等級標準

我國依據地表水水域環境功能和保護目標，將水質劃分為Ⅰ～Ⅴ類，不同功能類別分別執行相應類別的標準值。按照《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)確定上述除濁度和電導率外5項指標的等級標準，濁度和電導率單獨進行級別考慮，見表3。

2.3 評價指標和諧度參數計算

2.3.1 統一度a計算

根據表3的標準劃分和相關研究，對相關指標建立線性函數，按式(4)確定指標每一季度的統一度，如下：

表1 黃河蘭州段2017年水質監測數據Tab.1 Water quality monitoring data for 2017 in the Yellow River Lanzhou Section

表2 黃河蘭州段2017年四個季度水質監測數據Tab.2 Water quality monitoring data for the fourth quarter of 2017 in the Yellow River Lanzhou section

表3 黃河水質評價相關指標及其標準值 mg/L

(7)

(8)

(9)

其余指標中濁度(TB)和電導率(EC)在《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)中沒有明確要求，以黃河的實際情況考慮，取統一度a=0.5；考慮蘭州的溫度變化情況對水溫(T)的影響情況，取統一度a=0.5；溶解氧(DO)的實測值全部高于7.5 mg/L，滿足Ⅰ類水質的標準，取統一度a=1。詳細計算數值見表4。

2.3.2 分歧度b計算

分歧度b表示和諧參與者對照和諧規則和目標存在分歧情況所占的比重，與統一度a表達的意思相反，故按式(5)進行計算，各指標分歧度數值見表5。

2.3.3 和諧系數i計算

根據和諧目標滿足程度確定和諧系數曲線或函數。本文和諧系數計算通過模糊思想，將和諧系數按照地表水等級標準劃分為0～0.25、0.25～0.5、0.5～0.75、0.75～1、1五類并和各指標具體劃分范圍進行匹配，按照式(6)，確定各指標和諧系數。

水溫、濁度和電導率取i=0.5，溶解氧取i=1，指標詳細數值見表6。

表4 各指標統一度a 值Tab.4 Unity degree “a” value of each indicator

表5 各指標分歧度b值Tab.5 Difference degree “b” value of each indicator

表6 各指標和諧系數i值Tab.5 Harmony coefficient “i” value of each indicator

2.3.4 不和諧系數j計算

不和諧系數j反映和諧參者對從在分歧現象的重視程度，可以根據分歧度計算確定，即j=b，各指標不和諧系數參照表5確定。

2.4 確定各指標和諧度HDk

采用式(1)確定各指標和諧度值，結果見表7。

表7 各指標和諧度值Tab.7 harmony degree values of each indicator

2.5 確定權重

(1)通過對兩斷面各指標的監測數據，采用熵權法確定PH值、水溫、濁度、溶解氧、電導率、氨氮、高錳酸鹽指數7項指標的權重值，結果見表8。

表8 各指標權重Tab.8 weights of indicators

(2)因為每季度跨度較長，無法精確確定其權重，故采用等權重法，確定每季度的權重，即每季度的權重分別為0.250；新城橋、什川橋斷面分別為蘭州段上游和下游的監測斷面，具有同等作用，故權重分別為0.500。

通過采用等權重法和熵權法相結合的主客觀方法確定權重，減少了權重的主觀性，使權重更加客觀。

2.6 確定蘭州段黃河水質的和諧度

采用多因素和諧度方程的加權平均計算公式[式(2)]，計算各項指標每季度的和諧度，即：

(10)

式中：ωi為斷面權重；HDki為對應斷面指標和諧度值。

計算得出黃河蘭州段每季度的和諧度值見表9。

表9 每季度和諧度值Tab.9 Quarterly harmony degree values

再次進行加權平均計算，最終得2017年蘭州段黃河水質和諧度HD=0.56。

2.7 確定最終結果

通過運用和諧度方程計算得出2017年蘭州段黃河水質和諧度值，根據和諧度水質等級劃分表(見表10)，確定出2017年蘭州段黃河水質為Ⅲ類水，結果符合實際情況。

表10 水質和諧度劃分標準Tab.10 Water quality harmony degree classification standard

3 結 論

(1)通過確定每季度和諧度，得出第一季度至第四季度和諧度以此增加，故應該重視第一季度各指標的變化情況，其對水質影響較明顯。黃河水質監測的因素中，水溫、濁度和電導率和諧度最低，與蘭州段情況相符，因蘭州段“冬長夏短”溫差變化較大，上游黃土受長期沖刷導致黃河水泥沙含量高，既而水的純凈度低，水中含有能導電物質增加，使得電導率數值很高。在環境生態建設的前提下，應突出對黃河上游水生態的修復，提高黃河上游水環境，使得黃河水質逐漸得到改善。

(2)和諧度方程中的和諧系數i、不和諧系數j可根據實際情況進行靈活選擇，綜合評價方法存在一定的模糊性，不易用確定的模式評價問題，其自身靈活確定的特性，突出了和諧度方程綜合評價方法的優勢。

(3)本文運用和諧理論的定量表達方式和諧度方程(HDE)進行黃河蘭州段水質評價，得出黃河蘭州段水質為Ⅲ類水質，與黃河委員會2017年水質公報結果相對比，符合實際。其簡便、靈活、符合實際的特點，避免了復雜的理論和實踐要求，對在實際工作中易于操作，可以對其進行一定推廣。

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