棘洪灘水庫水質模糊評價

陳立國，宋美華，趙文竹

（1.山東省膠東調水局，山東濟南250100；2.山東大學土建與水利學院，山東濟南250061；3.山東省膠東調水局博興管理站，山東博興256500）

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棘洪灘水庫水質模糊評價

陳立國1，宋美華2，趙文竹3

（1.山東省膠東調水局，山東濟南250100；2.山東大學土建與水利學院，山東濟南250061；3.山東省膠東調水局博興管理站，山東博興256500）

采用模糊識別模型，結合MATLAB編程計算，選取溶解氧、氨氮、化學需氧量、高錳酸鹽指數、生化需氧量和總磷六項指標，對2008—2014年棘洪灘水庫的水質進行模糊評價，以水質級別特征值H反映水庫水質；分析水質級別特征值的變化規律，為水庫管理提供理論支持。

水質；模糊識別模型；棘洪灘水庫；模糊評價

水庫水質監測評價目前多采用單因子指數評價法，單因子評價就是用水質最差的單項指標所屬類別來確定水體綜合水質類別，在整個評價過程中充分顯示超標最嚴重的評價因子對整個評價結果的影響。為綜合考慮每個因子對綜合評價結果的貢獻，并把貢獻按權重進行分配，本文選取棘洪灘水庫2008—2014年溶解氧、氨氮、化學需氧量、高錳酸鹽指數、生化需氧量和總磷六項水質指標的監測值，以模糊數學為基礎，建立模糊識別模型，對水庫水質進行綜合評價，探尋水質的變化規律。

1　模糊識別模型的建立

應用模糊關系合成原理，將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，進行綜合評價的方法稱為模糊綜合評價。本文在模糊數學的基礎上，建立水質評價的模糊識別模型，過程如下：

1.1建立模糊集樣本矩陣和指標標準矩陣

1）樣本集的指標特征值矩陣

式中：xij為樣本j中指標i的實測值，i=1，2，…，m；j=1，2，…，n。

2）指標標準特征值矩陣

式中：yih為等級h時指標i的標準特征值，i= 1，2，…，m；h=1，2，…，c。

1.2建立相對隸屬度矩陣本文采用線性內插法求隸屬函數。

1）模糊集相對隸屬矩陣

對于正指標，濃度越大，水質越好；對于逆指標，濃度越小，水質越好。

2）h級指標標準特征值對模糊集的相對隸屬矩陣

R矩陣中若存在一列全為“0”，則該列樣本的水質評價指標均滿足Ⅰ類水標準，即H=1。矩陣R中其他不全為“0”的列，按照步驟（3）～（5）的方法計算其水質級別。

1.3確定權重

超標倍數法能夠客觀地反映各指標作用的大小。一般指標監測值超標越多，權重越大；但某些因子超標越多，權重反而越小，此時權重取其倒數。

式中vij為第j個樣本中第i個指標的權重值。對vij進行歸一化處理，組成模糊權重集V=｛V1，V2，…，Vm｝；將V和單因素模糊評價矩陣R進行復合運算，得到綜合評價模型A；將A的元素值按列進行歸一化處理，得到環境指標綜合權重矩陣W。

1.4建立模糊模式識別模型

確定樣本j對于模糊級別h的最優相對隸屬度：

式中uij為樣本j對級別h的最優相對隸屬度；p為距離參數，本文取p=2，為歐氏距離。

1.5級別特征值

本文采用級別變量特征值作為評判指標，樣本集的級別特征值矩陣H的計算見式（9）。

2　棘洪灘水庫水質模糊評價

2.1數據來源

選用溶解氧、氨氮、化學需氧量、高錳酸鹽指數、生化需氧量和總磷6項指標，序列長度取2008—2014年，取入庫口和出庫口監測值的平均值作為計算序列值。

對于某指標個別月份缺少監測值的情況，以其他年份同月監測值的平均值代替。對低于檢出限的指標進行如下處理：化學需氧量檢出限值較大，且其與高錳酸鹽指數的相關性較高，故當化學需氧量低于檢出限時，用同時段的高錳酸鹽指數的監測值代替；其他指標出現低于檢出限的情況時，取檢出限的1/2代表監測值；各指標的檢出限見表1。

表1　水質指標檢出限mg/L

2.2評價過程

選取的評價指標共6項，即m=6，6項指標按行排列依次為溶解氧、氨氮、化學需氧量、高錳酸鹽指數、生化需氧量和總磷；采用2008—2014年全年監測數據，則樣本共有84個，即n=84；采用《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）為評價標準，水質等級劃分為Ⅴ級，即c=5。

采用模糊識別模型，利用公式（1）～（9），計算水質級別特征值H，由此得到H的范圍是［1，5］。當H∈［1，1.5）時，水質為Ⅰ類；當H∈［1.5，2.5）時，水質為Ⅱ類；當H∈［2.5，3.5）時，水質為Ⅲ類；當H∈［3.5，4.5）時，水質為Ⅳ類；當H∈［4.5，5］時，水質為Ⅴ類。因模糊識別模型計算量較大，所以本文利用MATLAB編程計算。

2.3評價結果分析

棘洪灘水庫2008—2014年的水質級別特征值H的計算結果見圖1。

圖1　棘洪灘水庫2008—2014年水質級別特征值H

由圖1可見，棘洪灘水庫水質多年來一直滿足Ⅲ類水標準，水質整體狀況良好。2008年1月～2012年9月水庫水質穩而好，保持在Ⅰ類～Ⅱ類水平；但2012年10月之后，水庫水質持續波動，水質出現變壞的趨勢，如圖1中虛線所示。

結合6項水質指標監測值序

列的變化，可以發現，水庫水體中氨氮、化學需氧量、高錳酸鹽指數和生化需氧量的含量基本不變或略有減少，對水庫水質變化影響不大；但溶解氧含量的降低和總磷含量的升高較明顯。由此推斷，引起水庫水質變壞的主要因素是溶解氧和總磷。

影響水體溶解氧含量的因素很多，如水生植物的光合作用、水生動物的呼吸作用和有機物的分解作用等，水庫水體中的磷主要來自外部輸入和底部沉積物的分解釋放；且溶解氧和總磷含量之間相互影響，較低的溶解氧濃度將促使沉積物中磷元素的釋放。

棘洪灘水庫作為一座調蓄型平原水庫，來水水質的好壞直接影響庫內水體的質量。棘洪灘水庫主要為引黃水，有時為提高供水保證率，要從大沽河或其他水源引水。因此，要嚴格做好入庫水質的監測工作，在來水水質不好的情況下，要充分利用水庫的自凈功能，及時采取人為輔助措施，例如投放濾食性魚類等，積極改善水庫水質。

3　結語

1）采用模糊識別模型，對2008—2014年棘洪灘水庫水質進行評價，得到棘洪灘水庫水質狀況良好，滿足Ⅲ類水標準，但近幾年水質出現變壞的趨勢；2）影響棘洪灘水庫水質的主要因素是溶解氧和總磷；故為進一步改善水庫水質，應嚴密監測入庫水質，加強庫內水體中的生物循環，降低溶解氧和總磷的含量；3）本文采用的評價指標數量較少，由此得到的評價結果的代表性還有待進一步驗證。

［1］潘峰，付強，梁川．基于層次分析法的模糊綜合評價在水環境質量評價中的應用．東北水利水電，2003，21（08）：22-25.

［2］劉聚濤，高俊峰，姜加虎.不同模糊評價方法在水環境質量評價中的應用比較［J］.環境污染與防治，2010，32（1）.

（責任編輯趙其芬）

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1009-6159（2016）-07-0051-02

2016-02-14

陳立國（1981—），男，工程師