模糊綜合評價法在京杭運河徐州市區段水質評價中的應用

李 倩 陳 穎 范傳輝

模糊綜合評價法在京杭運河徐州市區段水質評價中的應用

李 倩 陳 穎 范傳輝

一、前言

京杭運河徐州市區段北起藺家壩，南至解臺閘，橫貫徐州市區北部，全長26.9km。該河段擔負著南水北調東線工程調水和輸水的雙重任務，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（環境）功能區劃》和南水北調東線工程治污目標的要求，該段水域執行《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）中Ⅲ類標準。由于其位于南水北調東線工程的中段，其水質狀況直接影響南水北調東線江蘇段的出境水質。但近年來隨著匯水區域內工農業的迅速發展，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狀況，本文采用模糊數學方法對其水質進行綜合評價，該方法更切合實際，更貼近水體質量評價的本質。

二、模糊綜合評價數學模型的建立

1.建立水質評價因子集合、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。參照國家相應的環境質量標準，建立評價等級集合為V={V1，V2，…，Vn}，其中V1，V2，…，Vn是與Um相對應的評價標準等級。

2.建立模糊矩陣

在U和V都給定之后，根據其中的模糊關系，得到關系模糊矩陣。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）：

根據模糊關系的定義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的計算進行確定。

第1級水質，即j=1時，隸屬函數為：

第2～（n-1）級水質，即j=2，3，…，n-1時，隸屬函數為：

第n級水質，即j=n時，隸屬函數為：

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級水質的標準值。

3.建立權重向量

權重系數越大，則該因子對水質的影響程度越大。該研究采用評價因子貢獻率的方法確定權向量，通過計算超標率計算權重值，即：

Ii=xi/Si平均

每個評價指標的超標率計算完成后，對其進行歸一化處理，即得每個評價指標的權重：

Wi=Ii/ΣIi

式中：Si平均為第i種污染物各級標準值的算術平均值；Ii為無量綱數，表示某評價因子的實際監測值相對于水質標準超標倍數；Wi為第i評價指標的權重。由此可得到權重向量：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，結合最大隸屬度原則，即可得出水體的水質級別。

三、京杭運河徐州市區段水質評價

1.評價范圍及數據來源

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

2.評價因子集與評價集

根據本河段水質污染特點,評價因子選用CODM n、BOD5、NH3-N、TP、揮發酚共五項指標來評價本河段水質狀況,即U= ｛CODM n、BOD5、NH3-N、TP、揮發酚｝。2011年各斷面平均值見表1。2007～2011年本河段加權平均值見表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準也應具有模糊的特征。參考《地表水環境質量標準》（GB3838—2002），評價等級分5級，組成評價等級集合：V={Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ}，污染程度相應為優、良好、輕度污染、中度污染和重度污染，各等級的標準見表3。

3.模糊評價矩陣

以解臺閘（上）斷面為例，根據各評價因子的隸屬函數及實測值，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年本河段加權平均值表 mg/L

表3 模糊綜合評價中各項指標的標準值 mg/L

表4 解臺閘（上）斷面因子權重

表5 各斷面的水質評價結果表

表6 2007年～2011年本河段水質評價結果表

4.評價因子的權重矩陣

解臺閘（上）斷面各評價因子的權重計算方法和結果如表4所示。

5.模糊綜合評價模型

根據模糊評價法的原理，可得出解臺閘（上）斷面水質的評價結果：

Bij=Wi·Rij

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

6.模糊綜合評價結果

對其他斷面進行評價結果見表5。2007～2011年本河段水質評價結果見表6。

四、評價結果和討論

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

隨著南水北調徐州市截污導流主體工程的建成，徐州市區污水處理廠和污水收集管網亦在加速建設、完善，各種污廢水將通過資源化利用、東調入海，本河段納污量將會逐步減少，水質情況會持續好轉

（作者單位：江蘇省水文水資源勘測局徐州分局 221006）