基于可拓學的護城河水環境質量評價

楊婷 高軍省

摘 要：針對護城河的水環境質量問題，以CODMn、氨氮、TN、TP、NO3-N為評價指標，采用可拓學物元分析方法，研究了荊州護城河的水環境質量狀況。結果表明，與水質單指標評價比較，得出影響荊州護城河水質類別的主要因子為：TN、CODMn、氨氮、TP和NO3-N。對溶解氧的參數做了敏感性分析，表明溶解氧參數在本例中不敏感。

關鍵詞：水環境質量；護城河；可拓學；敏感性分析

中圖分類號：X824 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）33-0065-03

Abstract： Aiming at the problem of water environment quality in Jingzhou Moat， taking CODMn， NH3-N， TN， TP and NO3-N as evaluation indexes and adopting the method of extension matter-element analysis， the water environment quality status of Jingzhou Moat was studied. The results show that the main factors affecting the water quality of Jingzhou Moat are： TN， CODMn， NH3-N， TP and NO3-N， compared with the evaluation of single index of water quality. The sensitivity analysis of the dissolved oxygen parameters shows that the dissolved oxygen parameters are insensitive in this case.

Keywords： water environmental quality； moat； extenics； sensitivity analysis

1 概述

中國很多城市都有護城河。在不同的年代，護城河起到了不同的作用。古代，護城河主要是防御作用，隨著社會的發展，這一作用慢慢退化。現如今，護城河不僅具有景觀功能，還可以作為一個城市的形象，不少擁有護城河的城市都是旅游圣地。隨著社會經濟的迅猛發展和人民生活水平的不斷提高，污水排放量快速增加，致使護城河水質惡化[1]，進而破壞了整個城市的生態系統。因此，為了加強水污染防治工作，改善城市水環境質量，對于護城河水環境質量的評價刻不容緩。

針對水環境質量評價的問題，國內外不少學者都對其進行了探究。如王鐵良等[2]利用模糊綜合評價法確定了遼寧省雙臺子河口濕地的水環境質量等級；Andre等[3]運用模糊邏輯方法對巴西圣保羅西南部河流建立其水質指標體系，并與傳統方法做對比；高軍省等[4]采用可拓學方法對洪湖的富營養化狀態進行了評價分析；范良倩等[5]用改進的灰色聚類法對苕溪河余杭段四個監測斷面水質進行評價；安國安等[6]基于綜合指數法對河南省60條城市河流的水環境質量進行排名；何星鋼等[7]利用集對分析模型對沈陽東陵大橋處渾河部分的水環境質量做出評價；萬哲慧等[8]利用熵權貝葉斯模型對珊溪水庫20個監測站的水質進行評價，并給出模型的適用范圍。上述研究都取得了一定的成果，但是相應的也存在一些問題。比如灰色聚類分析法中的關聯系數計算（點到點與點到區間的差的區別）問題；模糊綜合評價法計算過程中的信息的丟失問題；集對分析法中不確定系數的合理取值問題[4]；由于各級標準間取值相同導致貝葉斯計算結果出現偏差等[8]。鑒于上述問題，本文擬運用分辨能力強，不丟失中間信息的可拓學方法對荊州護城河的水環境質量做出評價。

2 可拓學評價方法

可拓學是蔡文教授在1983提出的一種新的理論方法，主要研究不同領域的矛盾問題[9-10]。以下是可拓學評價的物元模型。

2.1 物元與物元矩陣

事物的名稱N，它關于特征c的量值為v，以有序三元組R=（N，c，v）為描述事物的基本元，即物元。一個事物一般都有多個特征，若事物N以n個特征c1，c2，…，cn和相應的量值v1，v2，…，vn描述，則稱之為n維物元，表示為：

R即為物元矩陣，簡記為R=（N，c，v）。

2.2 經典域物元

經典域即各等級關于對應的特征所取的數值范圍：

其中，N0j表示在評價時所劃分的第j等級；ci表示等級N0j的第i個特征；為N0j關于ci的取值范圍，即經典域。

2.3 節域物元矩陣

由每一特征量值的最小取值和最大取值組成的值域區間稱為該特征的節域。由各特征的節域構成如下的節域Rp：

其中，P表示被評價對象的等級；為P關于ci的取值范圍，即節域。

2.4 待評價物元

待評價物元即被評事物的多維有序三元組：

其中，R0為評價物元；P0表示待評價物元的名稱；xi為P0關于ci的量值。

2.5 被評價物元關于各等級的關聯度

計算公式如下：

Kj（P0）=？琢iKj（xi）

Kj（P0）為待評對象P0關于等級j的關聯度；αi為第i個特征ci的權重，？琢i=1；Kj（xi）為點xi關于區間x0ji=和區間xp0j=的關聯函數。

式中，ρ（xi，x0ji）為點xi到有限區間x0ji=的距；ρ（xi，xp0j）為點xi到有限區間xp0j=的距；|x0ji|是區間上的模，|x0ji|=|b0ji-a0ji|。點到區間的距由下式計算：

2.6 權重的確定

目前權重的確定方法主要分為三類：主觀賦值法、客觀賦值法、主客觀綜合賦值法。為了降低人為因素的影響，本文擬采用污染貢獻法確定權重[11]。其公式如下：

其中：=Sij

式中，ci為因子i的監測值；Si為因子i的某一級標準值；Sij為因子i第j級標準值；m為級別數；n為評價因子數；為因子i的各級標準平均值。

2.7 等級的評定

若Kj*= max{Kj（P0）}，j=1，2，…，n則評定P0屬于等級j*。

3 評價實例

3.1 基礎數據與評價標準

荊州素有“楚國故都，三國名城”的美譽，是鄂西生態文化旅游圈的楚文化旅游中心景區。隨著社會經濟的快速發展和居民生活水平的不斷提高，污染物排放量不斷增加，致使護城河的水質逐漸惡化。本文以荊州護城河六個監測點的五項水質（CODMn、氨氮、TN、TP、NO3-N）監測數據為基礎，依據地表水環境質量標準（表1），采用可拓學評價方法，對護城河的水環境質量狀況進行評價和分析。

3.2 評價結果

根據前述的可拓學物元模型，計算得到不同監測點護城河的水質與各級水環境標準的關聯度如表2所示。

由表2可知：荊州護城河六個監測點的水環境質量都是劣Ⅴ類。

4 結果分析

4.1 主要影響因子分析

按單因子評價，荊州護城河六個監測點水環境質量的水質分類如表3所示。

由表2和表3的水質類別等級比較，可以得出主要影響因子為：TN、COD、氨氮、TP、NO3-N。

4.2 敏感性分析

在水環境質量標準中，TN的Ⅴ類水沒有上限（表1），在R06和RP的物元矩陣中，TN物元矩陣（實例中b016，bP6=5.5）中的b0j1和bPj（j=6）是影響結果的主觀因素。因此，對b016和bP6的進行敏感性分析是必要的。取b016、bP6=5.225（減小5%）和b016、bP6=5.775（增加5%），計算得到荊州護城河六個監測點的水環境質量關聯度如表4，與b016、bP6=5.5的結果一致，說明本例中的參數b016、bP6對水環境質量評價不敏感。

朱桂才等[12]對荊州護城河2000～2005年間的水質連續測定，取氨氮、BOD5、DO、電導率和CODMn為主要水質指標，評價結果與本文一致。此外，還有學者對荊州護城河的水質情況進行探究[13-14]，結果都與本文相符。

5 結束語

本文采用可拓學方法對荊州護城河的水環境質量進行評價，結果表明：六個監測點的水環境質量都達到了劣Ⅴ類。護城河水體已經污染嚴重，為了促使荊州的旅游業發展，應加強護城河的保護工作，改善水生態的良性循環，使其成為良好的生態景觀。

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