基于模糊數學的金波湖水質評價

賈濤++劉鵬++吳瑜

摘 要：本文運用模糊數學方法對金波湖的水質進行評價，評價結果為Ⅳ類水，符合對景觀水面水質的要求，但在北部局部地區湖水污染較為嚴重，為Ⅴ類水，水質較差。金波湖作為寧夏大學的觀賞湖，是寧夏大學師生最喜愛的休閑觀光場所之一，其水質狀況對寧夏大學師生的生活環境有重要影響。通過分析水質狀況能為金波湖水質評價以及水質治理提供理論基礎和科學依據。

關鍵詞：模糊數學 水質評價 金波湖

中圖分類號：F406.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）09（c）-0105-03

Abstract： This paper uses fuzzy mathematics method assessing the water quality of Jinbo Lake， and the results is Ⅳ which illustrated the water of Jinbo Lake met the requirements of landscape water quality. But in the northern part of Lake， the water pollution is serious. Jinbo Lake plays a important role in Ningxia University， is one of the teachers and students of Ningxia University's favorite leisure sightseeing places， Jinbo Lake have an important impact of the living environment of the teachers and students of Ningxia University. The analysis of water quality can provide a theoretical basis and scientific basis for water quality evaluation and water quality control of Jinbo Lake.

Key Words： Fuzzy mathematics； Water quality assessment； Jinbo Lake

湖泊水質綜合評價是水資源保護和環境治理的重要前提，通過對水質狀況進行合理評價，制定科學的治理方案，才能采取有效的防治措施，即湖泊水質綜合評價的結果會對決策產生重要影響[1]。模糊數學是目前水質綜合評價中較常用的方法，有人為影響小、評價結果客觀、合理的優點[2]。程萬里等[3]、劉春鳳等[4]、楊林等[5]運用模糊數學分別對黃河三門峽河段、香溪河流域和湟水流域的水質進行綜合評價。由此可見，應用模糊數學方法對湖泊河流水質綜合評價是可行的。本文將這一方法應用到金波湖的水質評價中，為金波湖的水質防治提供理論基礎和科學依據。

1 研究區概況

銀川市位于我國西北地區，海拔1010～1150m，夏季酷熱，冬季寒冷，氣候干燥，為典型的干旱氣候區，年均氣溫8.5℃，年均降水量200mm，年均蒸發量1600mm。金波湖位于銀川市西夏區寧夏大學懷遠校區內，湖東面、南面和北面校內景觀綠化帶，西面挨著凌云路和凌云廣場。金波湖是一個自然形成后人工改造而成的景觀湖，只有進水口，沒有出水口，其補水水源包括農田退水、自來水補給，周邊無工業污染源與農業污染源，取樣時水深約1.5m。本文將溶解氧（DO）、總氮（TN）、總磷（TP）、化學需氧量（CODcr）作為湖泊水質綜合評價指標，其中溶解氧、總氮、總磷、化學需氧量分別采用碘量法、堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法、鉬酸銨分光光度法和重鉻酸鉀法測定。

2 模糊綜合評價

2.1 建立因子集

參照國家地表水環境質量標準（GB3838-2002），結合銀川市實際情況和監測條件，選擇溶解氧（DO）、總氮（TN）、總磷（TP）、化學需氧量（CODcr）作為評價指標，即U={DO，TN，TP，CODcr}。金波湖水質監測指標和監測結果見表1。

2.2 建立評價集

參照國家地表水環境質量標準（GB 3838-88），將地表水按照水質依次劃分為優、良、中、差、劣五級，其相應的污染程度分別為未污染、輕度污染、中度污染、重度污染和嚴重污染五級。評價集V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。國家地表水質評價標準見表2。

2.3 建立模糊矩陣

隸屬函數是模糊綜合評價的重要內容，直接影響其評價結果的準確性。本文中隸屬度用來描述水質狀況的模糊界線。將國家水質標準值作為各個隸屬度函數的分界點，用分段函數模擬，可得水質狀況的隸屬度函數[6]。一般來說，水質狀況的隸屬度函數可用以下3個分段函數表示。某各評價因子對Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類水體質量的隸屬度函數分別為：

Ⅰ類隸屬函數：

Ⅱ類-Ⅳ類隸屬函數：

Ⅴ類隸屬函數：

式中：xi為評價因子的實測值；ai，bi，ci分別為該評價因子對應于Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類水體質量狀況的標準值。將各指標的實測值按要求代入到隸屬函數中，計算各等級的隸屬度，得到U和V之間的模糊關系矩陣R[7]。通過計算得到R結果為：

2.4 確定指標權重集合

由于評價指標對環境的影響存在差異，導致其所占權重不同。本文采用水質各評價因子的實測濃度與其相應分級標準的比值來計算權重[8]。計算公式如下：

式中：wi為第i個因子的權重；ci為該項指標的實測值；ai為各項水質準值的平均值，ai=（1a+2a+3a+4a+5a）/5。計算得到各評價因子的權重分配矩陣A為：endprint

A=（0.19，0.42，0.17，0.22）

2.5 確定模糊綜合評判矩陣

根據模糊數學的運算方法進行計算，得到模糊綜合評價向量，依照最大隸屬度原則，選擇最大值為水質評價的依據。模糊綜合計算方法如下：

B=A·R=（0.038，0.152，0.39，0.252，0.168）

評價結果表明，金波湖1號水樣在4種指標的共同作用下，其隸屬于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ類水的程度分別為0.038、0.152、0.39、0.252和0.168。依照最大隸屬原則，金波湖1號取樣點水質為Ⅲ類，同理可以對另外5個樣品點進行評價，2號水樣屬于Ⅴ類水，3號水樣屬于Ⅲ類水，4號、5號、6號水樣均為Ⅳ類，通過統計分析，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類樣品數分別占33.3%、50%和16.7%，綜合評價金波湖水質為Ⅳ類。

3 結語

綜合各項指標，運用模糊數學方法評價金波湖的水質狀況，結果為Ⅳ類水，主要影響因子是總氮，水體總營養元素較多。2號取樣點樣接近進水口，水質為Ⅴ類，由此可見，金波湖的水質不好最主要的原因是補水水質較差，但湖水的凈化能力較強。營養元素是金波湖治理的主要方向，特別是進水渠道。水質評價是金波湖生態治理的前提和基礎，為開展金波湖水環境生態治理提供了依據，具有十分重要的現實作用。

參考文獻

[1] 高健磊，吳澤寧，左其亭，等.水資源保護規劃理論方法與實踐[M].鄭州：黃河水利出版社，2002.

[2] 徐大偉，楊揚.模糊數學法在河流水質綜合評價中的應用[J].沈陽大學學報：自然科學版，2000，12（2）：59-62.

[3] 程萬里，李亦芳，郝伏勤，等.黃河三門峽河段基于模糊數學方法的水質評價[J].環境科學與管理，2007，10（3）：188-190.

[4] 劉春鳳，翟瑞彩.基于模糊數學的水質分析[J].天津大學學報，2003，1（7）：72-76.

[5] 楊林，李小玲.模糊數學在湟水流域水質綜合評價中的應用[J].中國環境監測，2000，6（6）：49-52.

[6] 周林飛，許士國，韓雁.基于模糊數學的扎龍濕地水質評價評價[J].遼寧工程技術大學學報，2008，27（6）：949-951.

[7] 徐向陽，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，2003，35（8）：64-69.

[8] 任廣平，鄒志紅，孫靖南.模糊評價因子的熵權法賦權及其在水質評價中的應用[J].環境科學學報，2005，25（4）： 552-556.endprint