基于模糊可變評價模型的水庫水環境質量評價

程建設

(江西省瑞昌市水利局, 江西 瑞昌 333200)

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環境與生態

基于模糊可變評價模型的水庫水環境質量評價

程建設

(江西省瑞昌市水利局, 江西 瑞昌 333200)

隨著我國經濟快速發展，水庫水環境質量問題成為社會關注的熱點以及政府工作的難點。以可變模糊集合為理論支撐，選取江西省某水庫作為研究對象，應用模糊可變評價模型，在單因子評價法的基礎上，評價該水庫水環境質量的總體情況。采用3種方法確定指標權重，通過變化模型參數構造多種模型，提高對水庫水環境質量等級評價的可信度。該模型實用性強、計算結果可靠，可應用于類似水庫水環境質量的綜合評價。

水庫水環境；水環境質量；模糊可變評價；指標權重

1 研究背景

生態文明建設是關系國家長久發展的大計，保護水環境是推進生態文明建設的重要內容。水環境質量評價是合理開發利用水資源的基礎工作，也是驗證水資源保護成果的重要程序。在水庫水環境評價工作中，常用的方法有單因子評價法、可變模糊模型法、灰色系統法、水質標識指數法、BP人工神經網絡法等[1-5]。

基于模糊可變評價模型的水庫水環境評價方法，是根據水庫水環境影響因素多、變化復雜的特點，以陳守煜提出的以模糊可變集為核心的模糊可變評價模型為理論依據[6]，結合江西省某水庫的實際情況，構建水環境質量等級評價體系，確定評價指標處于級別區間的相對隸屬度，并通過改變權重及模型參數，檢驗水環境質量級別特征值的穩定性，并取不同情況下級別特征值的均值作為評價結果。

我國規定地表水環境質量評價采用單因子評價法，該方法是目前使用最多的水質評價法，對水環境質量進行定性分析，在水環境總體概念上存在局限[7]。本文在單因子評價法的基礎上，采用基于模糊可變評價模型的綜合評價方法，用兩種方法的結果作為水庫水環境評定等級的參考，從而提高評價結果的可靠性，實現對水庫水環境質量的多模型綜合評價。

2 模糊可變評價理論簡介

設論域U上的對立模糊概念，以A與AC表示吸引與排斥性質，對U中的任意元素u，u∈U，在參考連續統區間[1,0] (對A)與[0,1](對AC)的任一點上，吸引與排斥的相對隸屬度分別為μA(u)、μAC(u)，且μA(u)+μAC(u)=1。設

(1)

則DA(u)稱為u對A 的相對差異度。

映射u|→DA∈[-1,1]稱為u對A的相對差異函數，如圖1所示。

圖1 相對差異函數示意

令

(2)

則V稱為可變模糊集合。

評價對象u對A的相對隸屬度以μhj表示，則模糊可變評價模型表示為

(3)

其中，xij為樣本j指標i的特征值，i=1,2,…，m；j=1,2,…,n。h為指標級別值，h=1,2,…，c。1級為優級，c級為劣級。ωi為指標權重，m為評價指標數。α為模型優化準則參數，α=1、α=2分別為最小一、二乘方準則；P為距離參數，P=1、P=2分別為海明、歐式距離。

3 水庫水環境質量模糊可變評價方法

3.1 構建指標體系

江西省某水庫是一座兼有防洪、發電、養殖、灌溉等綜合效益的中型水庫。近年來，該水庫水體被污染，主要污染源是排放的工業污水及生活廢水、噴灑的水產養殖及農業種植的化肥農藥、周邊開采礦山帶來的污染等。根據《江西省湖庫普查技術大綱》要求，該水庫的入口、庫心和出口3處設有監測斷面，可獲取1a不同時期水環境質量監測的數據。根據水環境質量監測數據，發現主要污染項目為高猛酸鹽指數、化學需氧量、氨氮、總磷、總氮、硒、砷和鉛等。

結合該水庫水質問題的主要影響因素，根據水環境污染物監測結果，依據系統性、代表性、典型性和科學性的原則[8-10]，選取8個污染因子作為水環境質量評價指標，分別為：高猛酸鹽指數(指標X1)、化學需氧量(指標X2)、氨氮(指標X3)、總磷(指標X4)、總氮(指標X5)、硒(指標X6)、砷(指標X7)和鉛(指標X8)。

我國依據地表水水域環境功能和保護目標，按功能高低劃分為5類。對應Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類的標準，將水環境質量分為1級、2級、3級、4級和5級，共5個級別，1級最好，5級最差。

3.2 指標相對隸屬度

選取2016年各監測斷面的指標濃度年均值作為研究對象，如表1所示。

表1 2016年各監測斷面的指標年均值 mg/L

因入口、庫心和出口3個斷面的水環境質量相差不大，本文采用平均值作為評價對象u進行總體研究，則其指標特征值向量為：X=(4.16，24.12，0.46，0.13，0.68，0.017，0.061，0.04)

根據我國《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)，確定8個評價指標對應各級別的標準值，如表2所示。

表2 水庫水環境質量評價指標分級 mg/L

根據指標標準值得到 8個評價指標5個級別的水環境質量指標標準值區間矩陣為Iab，構造范圍矩陣Icd，計算分析指標i級別h的點矩陣M，M不一定為區間[a,b]的中點值，設該水庫水環境質量指標特征值x為X區間內任意點的量值，點x、M與區間[a,b]、[c,d]的位置關系如圖2所示。

圖2 位置關系

當水庫水環境質量指標特征值x落入M點左側時，相對隸屬函數公式為

(4)

當水庫水環境質量指標特征值x落入M點右側時，相對隸屬函數公式為

(5)

式中，β為大于0的指數，通常可取β=1，即線性函數。根據以上公式計算水庫水環境質量指標的相對隸屬度矩陣，對該矩陣關于評價指標i進行歸一化處理，得到評價指標i對級別h的相對隸屬度矩陣μA(u)：

表3 水庫水環境質量級別特征值計算結果

4 結 語

水環境質量評價是確定水庫功能、明確水庫現狀的重要內容。本文以江西省某水庫作為研究對象，在單因子評價法的基礎上，應用以模糊可變集為理論基礎、 用相對隸屬函數表示的模糊可變評價模型，采用3種不同的權重確定方法，對水庫水環境質量進行了評價。評價結果可以為水庫治理提供參考依據，進而采取合理的修復技術方案，對保證水庫的正常運行、 促進生態文明建設具有現實意義。另外，該方法也可用于解決類似地表水環境質量問題的綜合評價。

[1] 趙前信.四種水環境質量評價方法在六安市水庫中的應用[J]. 環境工程,2014(3):113-116，120.

[2] 王惠.模糊神經網絡模型在水環境質量評價中的應用[J]. 硅谷,2012(20)：82，123.

[3] 于福榮,劉中培,李俊.灰色關聯分析法和模糊綜合評判法在水庫水質評價中的應用[J]. 水文,2012(4):67-70.

[4] 李茜,張建輝,林蘭鈺,等.水環境質量評價方法綜述[J]. 現代農業科技,2011(19):285-287，290.

[5] 景曉林.濟南市錦繡川水庫水質評價及風險分析[D].濟南：濟南大學,2014.

[6] 陳守煜.可變模糊集理論與模型及其應用[M].大連：大連理工大學出版社,2009.

[7] 侯得印.鄱陽湖水環境質量評價與水質預測模型的研究[D].南昌：南昌大學,2007.

[8] 王海峰,柴春嶺,李春燕.基于模糊可變模型的水環境質量評價方法[J]. 人民黃河,2011(5):66-68.

[9] 李峰,李甲亮.多目標模糊決策模型對水環境質量的評價[J]. 環境工程,2010(3):22，102-103.

[10]袁永強,付佳,程全國.基于組合權重的模糊數學法對水質的評價[J]. 數學的實踐與認識,2015(16):107-113.

(編輯：李 慧)

3.3 指標權重

(1) 等權重法。認為各項指標對水庫水環境質量的影響一樣，得到等權重向量ω1=(0.125 0.125 0.125 0.125 0.125 0.125 0.125 0.125)。

(2) 二元比較模糊量化分析法。根據指標重要性排序一致性定理，并結合該水庫實際情況，得到通過檢驗的8個水環境質量指標重要性排序一致性標度矩陣E。按矩陣E關于重要性排序，進行關于重要性程度的二元比較判斷，結合語氣算子與相對隸屬度之間的關系，分析判斷得出水庫水環境質量評價指標的權向量，并進行歸一化處理，得到權重向量ω2=(0.134 0.109 0.087 0.098 0.078 0.164 0.182 0.148)。

3.4 級別特征值

通過可變模糊評價模型確定各評價指標i的綜合相對隸屬度，采用等權重法、二元比較模糊量化分析法和變異系數法3種方法確定權重，通過變化優化準則參數α以及距離參數P構造不同的水環境質量評價模型，計算不同權重不同模型下水環境質量的級別特征值，如表3所示。

根據表3，水庫水樣在3種權重確定模型下的級別特征值分別為3.50，3.59和 3.67，3種權重的平均級別特征值為 3.59。模糊可變評價模型的研究結果表明，該水庫的總體水環境質量等級為4級(Ⅳ類)。應用單因子評價法分析，該水庫水環境質量為Ⅴ類。結合兩種評價方法的成果，根據該水庫的功能定位，應提出治理措施，并加強水庫保護工作。

水庫水環境質量模糊可變評價方法能夠科學、合理地確定水環境質量評價指標處于級別區間的相對隸屬度，且可同時采用多種權重模型(本文為3種)以及通過變換參數(α與P)改變模型(本文共4個模型，其中2個線性、2個非線性)進行綜合評價，對多個評價結果對比分析，保證了評價結果的穩定性，并取多模型評價結果的平均值作為綜合評價結果，提高了評價結果的可靠度。

2017-04-15

程建設，男，江西省瑞昌市水利局，工程師

1006-0081(2017)07-0017-03

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