三種水環境質量評價方法比較分析

王麗娟,潘 俊,楊 鑫 ,韓春陽

(遼寧沈陽建筑大學市政與環境工程學院,遼寧沈陽 110168)

水環境質量評價作為環境質量評價之一,是環境污染綜合防治的基礎,更是改善區域水環境質量目前迫切需要解決的問題。近年來,對水環境質量評價方法的研究相當廣泛,各種方法的研究都是為了更客觀、更準確地反映水體水質的實際情況。因而本文就目前運用較多、評價結果較準確的 3種方法,即B-P人工神經網絡法、模糊綜合評價法和灰色關聯分析法進行探討,并以沈陽市南運河水環境質量評價為例,試圖找出其在水質綜合評價中的適用范圍,旨在為水質評價方法的改進和應用研究積累資料。

1 三種水環境質量評價方法的特點

1.1 人工神經網絡法

人工神經網絡是一種模仿人腦結構,具有很強的非線性映射能力和自適應、自組織、自學習能力的非線性信息系統,本文選用誤差反向傳播人工神經網絡模型(簡稱 B-P網絡),實踐已證明,BP網絡有很強的映射能力,在模式識別領域有著越來越廣泛的應用[1,2]。

人工神經網絡具有學習、聯想、容錯和抗干擾功能,具有客觀性。用于水質評價有下述優點：(1)具有全息聯想功能,整個過程類似人腦的思維過程,因而可模擬人腦解決某些有模糊性和不確定性的問題;(2)可允許有大量供調節參數;(3)運算速度快;(4)具有自組織、自學習、自適應和容錯能力。

1.2 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法通過確定實測樣本序列與各級標準序列間的隸屬度來確定水質級別的方法。該方法考慮參加評價的各項因子在總體中的地位,利用因子貢獻率的方法給出權重,確定隸屬函數,再經過模糊矩陣復合運算,求得綜合隸屬度,根據隸屬度來劃分水質類別,進而得到綜合評價結果[3-5]。

在水環境質量綜合評價中,模糊綜合評價法充分地體現了水環境中客觀存在的模糊性和不確定性,符合客觀規律,具有一定的合理性。

1.3 灰色關聯分析法

灰色關聯分析是在灰色系統理論基礎上發展起來的一種新的分析方法。采用灰色關聯分析進行環境質量綜合評價,主要是用關聯度大小的次序描述,按關聯度最大將所評價的樣本歸在相應的級別之中[6,7]。

灰色關聯分析評價法由于體現了水環境系統的不確定性,注重的是水質樣本對于評價級別的整體關聯性,滿足水環境質量評價的基本要求,是可行的,并且具有簡單、可比的優點。

2 南運河水環境質量評價

2.1 監測數據和評價指標

本文根據 2010年實際數據,選擇 4月份作為非汛期代表月份,以 8月份作為汛期代表月份。確定評價因子為 DO、CODMn、COD、BOD、NH4+-N、TP、和 TN,以 《地表水 環境質量標準》(GB3838-2002)為評價標準。本文評價斷面為東塔橋、慶和橋、萬泉橋、萬柳橋、五愛橋、青年橋、三經橋、魯園、和平橋、龍王廟十個監測斷面。監測數據見表 1,2。

表1 2010年 4月監測數據 mg/L

表2 2010年 8月監測數據 mg/L

2.2 評價時間及評價斷面選取

本文基于 DPS平臺采用了 B-P神經網絡法、模糊綜合評價法、灰色關聯分析法三種方法進行水質綜合評價。綜合評價結果見表3 、表 4。

表3 各種評價方法水質綜合評價結果(枯水期)

表4 各種評價方法水質綜合評價結果(豐水期)

3 結果比較與分析

(1)針對 B-P神經網絡法對南運河枯水期的兩個河段的評價結果存在偏差,分析原因是因為給定樣本的個數有限導致評價結果偏差,建議利用 B-P神經網絡法進行水質綜合評價時除利用現有的分級標準外可以多給出其他的學習樣本。

(2)利用灰色關聯分析法評價南運河水質,其結果異于其他兩種方法。灰色關聯分析法進行水質綜合評價,注重的是水質樣本對于評價級別的整體關聯性,雖然本文對原始數據已均值化處理,但是沒有考慮所有污染物對南運河環境污染的貢獻大小,故灰色關聯分析法評價的結果是不準確的。建議利用灰色關聯分析法進行水質綜合評價時除對原始數據預處理外,還要考慮到某些污染物對環境污染的貢獻大小,對數據進行加權處理。

(3)分析南運河水質綜合評價結果表明,可見應用 B-P神經網絡、模糊綜合評價法兩種方法進行南運河水質綜合評價結果基本相符,南運河水系枯、豐水期水質均屬于Ⅴ類水。

4 結語

綜上所述：3種方法中,模糊綜合評價法的結果與實際水體質量具有較高的一致性,較其它兩種方法更適合用于評價南運河的水環境質量。另兩種方法出現偏差的原因在于：采用 B-P神經網絡法時需要更多的學習樣本以減小誤差;采用灰色關聯分析法時所有污染物對環境污染的貢獻大小,建議以后進行水環境質量評價時,應充分地分析水質數據,選擇合適的水質評價方法。

[1]王李管,賈明濤.水質評價及預測的神經網絡方法[J]環境工程 ,1998,16(2)：62-68.

[2]苑希民.神經網絡和遺傳算法在水科學領域的應用[M].北京：中國水利水電出版社,2002.

[3]李祚泳,丁晶等.環境質量評價原理與方法[M].北京：化學工業出版社,2004,87-93.

[4]張從.環境評價教程[M].北京：中國環境科學出版社,2002,230-242.

[5]丁桑.環境評價概論 [M].北京：化學工業出版社.2001,40-48.

[6]潘俊,張瑞棉,張俊娥等.基于標識指數法的水質灰色動態模型群預測分析.沈陽建筑大學學報(自然科學版),2007,24(3)：483-488.

[7]王治禎.灰色系統及模糊數學在環境保護中的應用[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社,2007.118-119