物元分析法在水環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用

張敏艷

摘要：為在水環(huán)境質(zhì)量評價中能綜合考慮各項指標(biāo)對整體水質(zhì)的影響并客觀地評定水質(zhì)類別，引進(jìn)物元分析法對2017年福州市閩江流域水質(zhì)狀況進(jìn)行了評價，結(jié)果顯示：閩江流域福州段水質(zhì)為優(yōu)，符合水質(zhì)實際狀況。由此可見，利用物元分析法評價水質(zhì)，能全面反映水質(zhì)的綜合狀況，避免部分指標(biāo)信息丟失，具有較高的參考價值。

關(guān)鍵詞：水環(huán)境質(zhì)量;物元分析;評價

中圖分類號：X824

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）10-0087-04

1引言

水環(huán)境質(zhì)量評價是環(huán)境質(zhì)量評價的重要組成部分，也是環(huán)境保護(hù)工作者了解水環(huán)境質(zhì)量的主要途徑之一。目前，環(huán)保部門對地表水環(huán)境質(zhì)量的評價方法主要有單因子評價法和綜合污染指數(shù)法。單因子評價法是根據(jù)評價斷面的所有參評指標(biāo)中類別最差的一項來確定該斷面的水質(zhì)類別，該方法簡明易懂，但它只考慮了污染狀況最嚴(yán)重的單項指標(biāo)對整體水質(zhì)的影響，其它評價結(jié)果較優(yōu)的指標(biāo)對整體水質(zhì)的影響往往被忽略，此方法得出的水質(zhì)結(jié)果相對比較悲觀。綜合污染指數(shù)法的計算過程能夠直觀判斷各指標(biāo)是否達(dá)到評價目標(biāo)，計算結(jié)果全面考慮了所有參評指標(biāo)的污染貢獻(xiàn)，但是該方法不能給出水質(zhì)的綜合類別。我國學(xué)者蔡文教授創(chuàng)立的物元分析理論為解決識別問題提供了新的途徑，它可以建立事物多指標(biāo)性能參數(shù)的質(zhì)量評定模型，根據(jù)事物關(guān)于特征的量值來判斷事物屬于某集合的程度，最終以定量的數(shù)值綜合地表示評價結(jié)果。利用物元理論，將水質(zhì)評價類別、評價指標(biāo)和指標(biāo)限值作為物元，建立水質(zhì)量評價的物元模型，通過評價閩江流域福州段的水質(zhì)狀況，探討物元分析法在水環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用。

2物元模型的建立

2.1物元的定義

給定事物的名稱N，它關(guān)于特征C的量值為V，以有序三元組R=（N，C，V）作為描述事物的基本元，簡稱為物元。如果事物N有多個特征Cl，C2，…，C和相應(yīng)的量值Vl，V2，…，Vn，則可表示為：

這時，稱R為n維物元。

2.2經(jīng)典域和節(jié)域的確定

2.2.1確定經(jīng)典域

假設(shè)N有m個評價等級N1，N2，…，Nm，則建立相應(yīng)的物元：

式（2）中，Xij，（i=1，2，…，n;j=1，2，…，m）是評價等級Nj關(guān)于評價參數(shù)Ct的量值域，稱為經(jīng)典域。在地表水水質(zhì)評價的物元模型中，n和m分別表示參評指標(biāo)個數(shù)和地表水評價等級總數(shù);Nj表示按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》劃分的第j類標(biāo)準(zhǔn);G表示參與水質(zhì)評價的第i個指標(biāo);Xij表示第j類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)限值;aij和bij分別表示指標(biāo)i在第j類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的下限值和上限值。

2.2.2確定節(jié)域

對于經(jīng)典域，構(gòu)造其節(jié)域：建立物元Rp，使Ri∝R。，Rv表示如下：

式中，P表示評價標(biāo)準(zhǔn)的全體;Xvi表示P關(guān)于指標(biāo)i的量值范圍，稱為節(jié)域，顯然有Xj∝XDtan和6x分別表示指標(biāo)i量值范圍的下限值和上限值。

2.3待評物元的確定

對于待評對象Po，把監(jiān)測結(jié)果（xl，X2，…，xn）用物元表示如下，稱為待評物元。

2.4距的計算

某個點(diǎn)xt與有限區(qū)間Xit=（aji，bji）及Xp=（api，bpi）的距可表示為：

2.5關(guān)聯(lián)函數(shù)的計算

各評價指標(biāo)實際監(jiān)測值關(guān)于各類評價標(biāo)準(zhǔn)限值的關(guān)聯(lián)函數(shù)可表示為：

式（7）中，Kj（xt）表示評價指標(biāo)i關(guān)于評價標(biāo)準(zhǔn)j的關(guān)聯(lián)函數(shù);xi表示第i個指標(biāo)的實際監(jiān)測數(shù)值;P（xi，Xji）表示xi與有限區(qū)間Xji=（aji，bji）的距離;p（xi，Xpi）表示xi與有限區(qū)間Xji=（aji，bji）的距離。

2.6權(quán)重的確定

探討的對象是水質(zhì)評價類別，一般來說，污染較嚴(yán)重的指標(biāo)在綜合評價中應(yīng)該占有較大的權(quán)重，因此，選擇指標(biāo)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率計算方法來確定權(quán)重，公式為：

式（8）中，wj表示第i項指標(biāo)的權(quán)重;Si表示指標(biāo)i各級標(biāo)準(zhǔn)的平均值。

2.7綜合關(guān)聯(lián)度的計算

待評對象P。關(guān)于第j類評價等級的綜合關(guān)聯(lián)度K，（P。）按下式計算：

2.8評價等級的確定

根據(jù)最大隸屬原則，若Ki=max{Kj（P。）}，（j=1，2，…，m），則待評對象P。的質(zhì)量等級為第j級。

3物元分析法評價閩江流域福州段水質(zhì)

3.1數(shù)據(jù)的選取及處理

以2017年閩江流域福州段水質(zhì)為待評對象，根據(jù)歷年監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果，選取地表水中污染負(fù)荷較重的溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)（IMn）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）等五項作為參評指標(biāo)（表1），以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中各類標(biāo)準(zhǔn)的限值作為對應(yīng)的量值（表2），建立水質(zhì)評價的物元模型。

由于各評價指標(biāo)量化值所在的區(qū)間不完全相同，因此需要對各指標(biāo)實測值和評價標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行歸一化處理。有的評價指標(biāo)數(shù)值越小級別越優(yōu)（如IMu、BOD5、NH3-N、TP），按di=xi/X5歸一化;有的指標(biāo)數(shù)值越小級別越差（如DO），按di=1-（xt-x5）/X1歸一化，dt為歸一化后的實測值或者標(biāo)準(zhǔn)值，xi為未歸一化的實測值或者標(biāo)準(zhǔn)值、Xl、x5分別為未歸一化的工類和V類標(biāo)準(zhǔn)值，處理后的指標(biāo)統(tǒng)一為數(shù)值越小級別越優(yōu)，參見表1、表2。

3.2建立水質(zhì)評價的物元模型

3.2.1建立經(jīng)典域矩陣

根據(jù)表2中歸一化后的I～V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的取值范圍，參照公式（2）作經(jīng)典域Ri、R2、R3、R4、R5，如下：

3.2.2建立節(jié)域矩陣

根據(jù)各項水質(zhì)指標(biāo)可能的取值范圍參照公式（3）確定節(jié)域Rp，如下：

3.2.3計算各項指標(biāo)權(quán)重值

將歸一化后的水質(zhì)監(jiān)測值和標(biāo)準(zhǔn)值代入公式（8），計算得到閩江流域福州段各斷面五項參評指標(biāo)的權(quán)重值，參見表3。

3.2.4計算待評水質(zhì)各類別的關(guān)聯(lián)度

根據(jù)式（5）～（7），分別計算每項評價指標(biāo)監(jiān)測值關(guān)于各類評價標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)度Ki（xi），再根據(jù)表3中的指標(biāo)權(quán)重值和公式（9），計算待評水質(zhì)各類別的綜合關(guān)聯(lián)度K，（P0）。以閩6斷面為例，關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果見表4。

3.2.5計算綜合關(guān)聯(lián)度并判定水質(zhì)類別

參照閩6的計算過程，同理可以算出其余斷面關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)類別的綜合關(guān)聯(lián)度，再根據(jù)最大的綜合關(guān)聯(lián)度判定水質(zhì)類別，得出評價結(jié)果，并與單因子評價法的評價結(jié)果進(jìn)行比較，參見表5。

3.3評價結(jié)果分析

通過建立物元模型來評價閩江流域福州段水質(zhì)，得出閩江流域福州段各斷面水質(zhì)均符合Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，河流總體水質(zhì)為優(yōu)，評價結(jié)果與單因子評價法的評價結(jié)果一致。從單個斷面看，11個斷面中，兩種評價法結(jié)果一致的斷面有8個，閩6、閩7、梅l等3個斷面的物元模型評價結(jié)果（Ⅱ類）優(yōu)于單因子評價法的評價結(jié)果（Ⅲ類）。從原始監(jiān)測數(shù)據(jù)分析（見表1），閩6和閩7斷面的溶解氧指標(biāo)（5.967mg/L和5.932mg/L）略低于Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（6.Omg/L），其余指標(biāo)均符合Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，BOD5達(dá)到工類標(biāo)準(zhǔn);梅1斷面除總磷指標(biāo)（0.127mg/L）略超出Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（0.10mg/L）外，其余指標(biāo)均符合Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，BOD5達(dá)到工類標(biāo)準(zhǔn)，溶解氧也接近I類標(biāo)準(zhǔn)，綜合各項指標(biāo)的評價結(jié)果，閩6、閩7、梅1這三個斷面的物元分析法評價結(jié)果（Ⅱ類）更符合客觀實際。

從表3中指標(biāo)權(quán)重的計算結(jié)果可以看出，閩江流域福州段干流的閩6～閩11斷面中，溶解氧的污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)占五項指標(biāo)的比例均為最大，且往下游方向，溶解氧的污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率逐漸減小，可以推測溶解氧的污染主要來自上游地區(qū)。氨氮污染貢獻(xiàn)率最高的是閩9斷面，該斷面地理位置靠近市區(qū)，受生活污水等人為因素的影響較大。總磷污染貢獻(xiàn)率較高的斷面有梅1、大3等，其污染原因認(rèn)為是雨水沖刷及水土流失造成含有磷肥的泥沙進(jìn)入流域。

4結(jié)論

物元分析法評價水質(zhì)能夠綜合考慮各項評價指標(biāo)的污染貢獻(xiàn)，較單因子評價法更全面;它通過不同指標(biāo)與各標(biāo)準(zhǔn)類別間的關(guān)聯(lián)度的計算和比較，可以較精確地判定斷面水質(zhì)的整體類別，較綜合污染指數(shù)法更直觀;而且它在計算與關(guān)聯(lián)度相關(guān)的指標(biāo)權(quán)重的過程中，各項指標(biāo)的污染貢獻(xiàn)率也能一目了然。因此可以認(rèn)為，物元分析方法是一種定量與定性結(jié)合，個別指標(biāo)與總體評價兼顧的方法，利用物元分析法在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)評價水質(zhì)得出的結(jié)論是客觀合理的，具有較高的參考價值。但是，由于物元模型的經(jīng)典域是建立在評價標(biāo)準(zhǔn)量值的基礎(chǔ)上，當(dāng)監(jiān)測數(shù)值超出評價標(biāo)準(zhǔn)范圍時，該方法對水質(zhì)類別的判定有可能會失真，因此，物元分析法在評價超標(biāo)較嚴(yán)重的水質(zhì)時，經(jīng)典域、節(jié)域量值范圍的確定及關(guān)聯(lián)函數(shù)計算公式的選取等問題還有待進(jìn)一步探討。

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