模糊數學法在海洋水質評價中的應用

曹宇峰 ，林春梅 ，孫 霞

（1.中國海洋大學海洋環境學院，山東 青島 266003；2.廈門海洋環境監測中心站，福建 廈門 361008；3.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

模糊數學法在海洋水質評價中的應用

曹宇峰1,2，林春梅2，孫 霞3

（1.中國海洋大學海洋環境學院，山東 青島 266003；2.廈門海洋環境監測中心站，福建 廈門 361008；3.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

根據福建東碇臨時海洋傾倒區2007—2009年間實施的5次海水水質監測資料，應用模糊合成-加權平均復合模型對該區及周邊海域水質進行綜合評價，分析傾倒活動對水質的影響情況，并與單參數特征值法評價結果相比較。結果表明∶應用模糊合成的原理，根據最大隸屬度原則評價水質，體現了分級界限的模糊性，其評價結果較單參數特征值法更接近客觀實際。

模糊數學；海水水質；傾倒區；福建東碇

隨著近些年來我國沿海地區海洋經濟的快速發展，港口、航道、碼頭和泊位等海洋（涉海）工程的建設與維護中產生了大量的疏浚物。這些疏浚物大部分傾倒在指定的海洋傾倒區。為保證適應傾倒區自凈能力，防止傾倒區污染，必須對傾倒區及周邊海域實施海洋環境跟蹤監測并進行客觀、科學的質量評價，從而掌握傾倒活動對海洋環境的影響，為海洋管理部門對該傾倒區采取環境維護措施和決定是否延期使用提供決策依據。但由于海水水質評價中的污染程度、水質分級界限等本身都是一些客觀存在的模糊概念和模糊現象，而以往評價中常用的單參數和綜合指數法都不能很好地解決這種“模糊性”，所以近幾年來模糊數學法逐漸被引入水質評價中[1～4]，通過選擇合適的模糊評價模型，客觀、科學地反映水質狀況。本文就福建東碇臨時海洋傾倒區為例，根據其2007—2009年實施的5次海水水質監測資料，應用模糊合成-加權平均復合模型對傾倒區及周邊海域水質進行綜合評價，比較其結果與單參數指數法評價結果，表明該方法具備較顯著的優勢和可操作性。

1 方法原理

模糊合成-加權平均復合模型首先是確定評價參數隸屬于每一質量等級的可能性，通過模糊運算法來對水質進行綜合評價[5]，其基本步驟如下：

（1）計算評價參數B的隸屬度：根據評價參數B質量濃度的實測值 ρ(B)和《海水水質標準》（GB 3097-1997）[6]中規定的j等級該評價參數的指標ρSj(B)，選用降半梯形公式計算評價參數B水質標準等級j下的隸屬度rj（B）。該參數隸屬度按式（1.1）-式（1.3）計算：

屬于第j級水質的隸屬度

屬于最后一級水質的隸屬度：

式中：rj(B)為評價污染參數對水質標準j級的隸屬度，無量綱量；ρ(B)為評價污染要素的實測值，單位按GB 3097-1997海水水質標準規定；ρSj(B)為GB 3097海水水質標準中規定的評價污染要素的j等級指標；B為某評價污染要素,即該要素基本單元：原子、離子、分子、粒子或其組合；j為GB 3097海水水質標準中規定水質級別，1997 版規定：j為 1，2，3，4；n為GB 3097海水水質標準中規定水質最大級別，1997版規定：n=4。

例如：溶解氧的溶質為氧，基本單元B為O（氧原子），且GB 3097海水水質中規定的其j等級指標隨著水質級數的升高而降低，所以構造其隸屬度時可改寫為如下形式：

（2）計算各評價要素的權：各要素的權表示各要素在決定水質等級上所起的作用的度量，不僅與實測值大小有關，而且與其水質標準中規定的各水質等級相應指標有關。不同要素，實測值相同，規定的質量濃度指標低的、則對污染的影響較大，也就是該要素超標較嚴重，權較大，計算公式為：

式中:W（B）為要素 B 的權；ρ（B）和 ρSj（B）與式（1.1）～（1.3）相同。

鑒于GB 3097海水水質中規定的海水中溶解氧j等級指標隨著水質級數的升高而降低，其權計算式為式（2）的倒數：W（B）=ρSj（O）/ρ（O）。

對W（B）按式(3)作歸一化處理。

各級人影部門均按需設崗，市級人影業務人員分為：作業天氣過程預報崗、作業條件潛力預報崗、作業條件監測崗、聯合作業方案制定崗、作業跟蹤指揮崗、登機作業指揮崗、登機技術保障崗、外場地面保障崗、作業信息管理崗、作業效益評估崗、云水資源評估崗、指揮平臺運行保障崗、探測設備保障崗、網絡運行管理崗、信息上報及效果評估崗；旗縣級人影業務人員分為：綜合管理崗、火箭作業崗、應急保障崗、高炮管理崗、信息上報及效果評估崗等；作業點人員分為現場指揮崗、作業實施崗、空域請示及信息上報崗。這樣調整以后，做到了每個崗位均由專人負責，專職專崗、崗崗有人、崗崗有責。

式中：W'（B）為要素B的權比；n為參加評價的污染要素個數。

（3）模糊評價運算：根據各要素的隸屬度構造隸屬矩陣R和權集W'，以式（4）采用廣義模糊算子（·,V）進行合成。

式中：K 為模糊評價結果，無量綱量；rj（Bi）為第 i要素 Bi對水質標準各等級的隸屬度。

2 應用實例

本文以對福建東碇臨時海洋傾倒區為例，運用模糊數學評價方法對海域海水水質進行評價，并與以往常用的單參數指數方法相比較，找出兩種方法在海水水質評價上的差異。

2.1 傾倒區情況

廈門港位于我國臺灣海峽西岸，九龍江入海口，是東南沿海的區域性樞紐港口、對臺航運主要口岸，在2006年合并了廈門市和漳州市的8個港區之后，逐步向臺灣海峽區域性航運中心和國際集裝箱樞紐港的目標發展。港內碼頭和航道工程建設產生大量的疏浚物，除了部分用于港區吹填成陸外，大部分疏浚物運載至位于福建東碇島附近的“福建東碇臨時海洋傾倒區”（后稱“東碇傾倒區”）進行海洋傾倒處理①《福建東碇臨時海洋傾倒區環境監測評估報告》.廈門海洋環境監測中心站.2009年4月.，傾倒區位置見圖1。

圖1 福建東碇臨時海洋傾倒區位置及站位圖

東碇傾倒區于2006年6月啟用，期限3 a，期間共接受來自廈門港擴建工程的近2.5×107m3疏浚物，年傾倒量見表1。根據各工程疏浚物成分檢測資料，在海上傾倒的疏浚物均屬于天然疏浚物（Ⅰ類）。

表1 疏浚物年傾倒量/×104m3

2.2 評價材料

2007-2009年期間，我們在東碇傾倒區及周邊海域布設14個站位實施了5次（每半年1次）水質跟蹤監測②《2007年廈門港擴建工程臨時海洋傾倒區海洋環境跟蹤監測》.廈門海洋環境監測中心站.2007年11月.③《2008年廈門港擴建工程臨時海洋傾倒區海洋環境跟蹤監測》.廈門海洋環境監測中心站.2008年10月.，站位分布見圖1。所有樣品均按照 《海洋監測規范》（GB 17378-2007）規定的方法采集、處理、保存和分析。

2.3 評價參數和標準

本文選取溶解氧、化學需氧量、無機氮、磷酸鹽、石油類、銅、鉛、鋅、鎘、鉻、汞、砷共12項要素的質量濃度作為評價參數，并按照《海水水質標準》（GB 3097-1997）中第1～4級水質標準進行模糊綜合評價。

2.4 評價結果

根據東碇傾倒區2009年3月航次的水質監測結果，應用模糊合成-加權平均復合模型對該海域海水水質進行模糊綜合評價，隸屬度及權重計算結果見表2（以D01站為例），各站位綜合評價結果見表3，其他各航次水質模糊綜合評價結果見表4。

表2 隸屬度和權重（以2009年3月D01站為例）

表3 2009年3月海水水質模糊綜合評價結果

表4 2007—2009年海水水質模糊綜合評價結果

根據最大隸屬度原則可以看出5個航次的水質均為Ⅰ級，水質較好。由α值的大小確定東碇傾倒區海域各航次水質優劣順序為：2007年 4月＞2009年 3月＞2007年 9月＞2008年3月＞2008年8月。其中2007年4月航次水質最好，α值為3.944，同年第2航次水質α值略有下降，2008年2個航次水質α值為傾倒區使用期間的低值，分別為3.766和3.750，2009年上半年水質α值好于2008年，為3.911。該海域的主要污染源是傾倒的疏浚物，2007-2009年的傾倒量順序為2008年＞2007年＞2009年1-6月，與之對應的2008年水質α值低于2007年、2009年。通過分析疏浚物中污染物含量的資料發現3 a來傾倒的疏浚物均為天然疏浚物，基本上未受到污染，并且東碇海域位于臺灣海峽，海水交換能力較好，具有一定的納污能力，雖然2008年傾倒量遠高于2007年、2009年，但海水水質仍然較好，為Ⅰ級水質。

2.5 與各航次水質單參數評價結果比較

海水中每一污染物/要素的單參數實測值與其海水水質標準規定的各等級指標的關系可以反映該要素在海洋中的環境影響程度。單參數評價方法是用諸參數實測值中歸屬最差等級的那項參數所屬水質級別來確定海域水質類別[7]。要素B實測值（評價參數）的歸屬等級按式（5）求出的評價特征數確定，將要素B實測值依次按式（5），自最佳等級起，依次與其各級的指標相比，求得的評價特征數不大于1時水質等級指標對應的水質等級即為該要素歸屬等級。計算式為：

式中： D（B）為要素 B 的評價特征數，無量綱量；ρ（B）為要素B的實測值，單位按GB 3097海水水質規定；ρSj（B）為GB 3097海水水質中規定的要素B的j等級指標。

因溶解氧的特殊性，海水中溶解氧的評價特征值用下式計算：

式中：D（O）為溶解氧的評價特征值，無量綱量；ρ（O）為溶解氧實測濃度（mg/dm3）；ρf（O）為飽和溶解氧濃度（mg/dm3）；ρSj（O）為GB 3097海水水質中規定的溶解氧的j等級指標（mg/dm3）。

根據各航次數據以單參數評價法評價，結果如表5。

由表4、表5可以看出，兩種評價方法存在著較大差異，用模糊綜合評價方法得到的水質類別要優于單要素指數評價方法得到的水質類別。這是由于單因子指數法中最差水質要素對整個評價結果的決定性作用，而模糊綜合評價方法對參與評價的每個要素的影響作用都計算其權重，考慮其對評價結果的貢獻，可以說其評價結果是各個評價要素綜合作用的結果。

表5 2007—2009年海水水質單因子綜合評價結果

3 結論

本文應用模糊綜合-加權平均復合模型對福建東碇臨時海洋傾倒區海水水質現狀及使用期間各航次水質監測結果進行了綜合評價，結果表明：傾倒區及周邊海域水質狀況總體良好，均為Ⅰ級水質，海水水質情況的變化受到疏浚物傾倒的影響，各航次水質優劣順序為：2007年4月、2009年3月、2007年9月、2008年3月、2008年8月。將模糊綜合評價結果與單參數特征值評價結果進行對比，可以看出兩種方法的評價結果相差較大，這是由于單參數特征值法在評價時其特征值界限值過于明顯，沒有考慮水質分級的模糊性，不能客觀地反映海域水質的實際情況。而模糊數學法應用模糊合成的原理，將一些邊界不易定量的因素定量化，體現了分級界限的模糊性，考慮了各評價參數在總體污染中的權，不僅反映出海域水質的級別，還能反映出不同要素對水質的污染程度，使得評價結果更接近客觀實際。

致謝：本文的完成得到國家海洋標準計量中心秦嗣仁教授、國家海洋局東海預報中心沈幼元教授的指導，并提出寶貴意見，在此表示真摯的感謝。

[1]劉現明，徐恒振.疏浚物傾倒區海水水質級別的模糊綜合評價[J].海岸工程，1995，14（2）：33-37.

[2]柳娟，張宏科，覃秋榮.2006年夏季廣西合浦海草示范區海水水質模糊綜合評價[J].海洋環境科學，2008，27（4）：335-337.

[3]潘怡，仵彥卿，葉屬峰.上海海域水質模糊綜合評價[J].海洋環境科學，2009，28（3）：283-287.

[4]涂向陽，高學平.模糊數學在海水入侵地下水水質評價中的應用[J].水利學報，2008（8）：64-69.

[5]王淑文，劉臣.水環境質量評價的模糊數學法[J].吉林水利，2001（2）：20-22.

[6]國家環境保護局.GB 3097-1997.海水水質標準[S].1997.

[7]曾永，樊引琴，王立偉，等.水質模糊評價法與單因子指數評價法比較[J].人民黃河，2007,29（2）：64-65.

Application of the Fuzzy Mathematics on the Assessment of Water Quality in Coastal Waste-Dumping Zone

CAO Yu-feng1,2,LIN Chun-mei2,SUN Xia3
（1.College of Physical and Environmental Oceanography,Ocean University of China,Qingdao Shandong 266003,China;2.Xiamen Marine Environmental Monitoring Central Station of SOA,Xiamen Fujian 361008,China;3.First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao Shandong 266061,China）

Using the seawater quality monitoring data in Fujian Dongding provisional coastal waste-dumping zone for five surveys from 2007 to 2009,the fuzzy composition and weighted average complex model is adopted to evaluate the seawater quality in the waste-dumping zone and nearby area.The evaluation result was applied in analyzing the influence of dumping activity on seawater quality,while being compared to the assessed result of single factor water quality identification index.The result showed that the fuzzy composition theory based on the"the biggest subordination"principle incarnates the fuzziness of classification limits,which is more impersonal than the result of single factor water quality identification index.

fuzzy Mathematics；sea water quality； waste-dumping zone；Fujian Dongding

O159,X55

B

1003-2029（2011）02-0118-05

2010-12-01

曹宇峰（1978-），男，河北唐山人，主要從事海洋環境監測與質量控制工作。