改進的模糊綜合評價法在大凌河流域地下水水質評價中的應用

(葫蘆島市連山區水利局，遼寧 葫蘆島 125001)

1 引 言

受自然因素和人類活動因素的綜合影響，地下水水質狀況表現出局部區域的不均勻性和不穩定性，這種情況很難采用單因子指數法對其進行綜合的定性評價。對水質進行評價往往具有明顯的漸變性和模糊性等基本特征，僅采用某項指標的監測結果很難對水體狀況做出準確的判別和分析[1]。通過對研究對象的水質各項污染物質量濃度進行監測，并選取合理的水質等級評價標準，然后對實測結果按照模糊評價基本理論進行模糊轉化，可實現對不確定性和模糊性的水質環境問題進行有效的科學處理[2]。

采用模糊評價理論可對定性評價指標按照定量性標準進行分析評價，并揭示出各影響因子與水質環境之間的作用關系，反映各因子對總體水質的影響程度。但是，對于水質污染中不同作用影響因子與相同水質等級之間的較為復雜的非線性關系，采用傳統的模糊評價法很難進行合理準確的處理和解決，其根本原因是人為對各指標的權重因子和效用函數進行計算和設計，限制了評價模型的通透性，并最終對評價結果造成不利的影響[3]。通過采用一定的方法對指標權重進行分配并對隸屬度函數進行改進是提高水質狀況評價準確性和科學性的重要方法，不僅可準確體現出多種污染因子對水質狀況的影響程度，而且可對模糊性界限進行適當的刻畫，同時能夠對水質級別做出客觀、合理的評價[4]。據此，本文以大凌河流域地下水水質狀況為研究對象，利用模糊學基本原理改進隸屬度函數和權重計算方法，并對研究區域地下水水質指標各項檢測結果進行合成計算，以期為相關區域進行水質評價方法的研究和應用提供一定的理論支持和決策依據[5]。

2 改進的模糊綜合評價模型

2.1 構建模糊關系矩陣

采用Nemerow法對污染物濃度進行計算，可在水質評價過程中重點突出和顯現某些較高污染物濃度對水質的影響，其計算結果能夠較好反映出監測指標在系列水樣中的整體狀況[6]?？刹捎檬?1)對污染物質量濃度進行計算：

(1)

式中ρi——水體環境污染物濃度，mg/L；

采用各評價因子質量濃度分級代表值eij對水質評價集的隸屬度進行表征，并可利用式(2)建立隸屬度計算函數：

(2)

式中rij——對應于第j類水質標準的第i個評價因子的隸屬度；

eij——評價因子質量濃度的分級代表值，表述方法為：ei1為第一類水質標準值，ei2為第一類和第二類水質標準平均值，eij為水質標準最高極限值。

將對應于各水體污染影響因子的水質評價集的隸屬度進行排列可構型一個i×j階的隸屬度矩陣R，水質評價集的隸屬度矩陣R：

(3)

2.2 確定評價因子的權重

結合研究區域地下水水質基本狀況可將其劃分為5個標準，通過選取基點值si作為水質標準中間級別的極限標準值或中間兩個級別極限值的平均值，并作為指標權重向量的參考因子[7]。不同評價因子對水質影響的貢獻率存在一定的差異，據此可對參與評價的各個影響因子進行權重的賦值計算，并以此構成各評價因子的權重向量W，其表達式：

(4)

A=(a1,a2,…,ai)

(5)

2.3 綜合評判

利用文中所述計算公式和方法進行水體污染因子隸屬度和權重向量的計算，將二者的計算結果進行有效的計算可獲得水質綜合評價結果Y，其表達式見式(6)：

Y=A×R=(y1,y2,…,yn)

(6)

3 實例應用

3.1 確定隸屬度并計算模糊關系矩陣

本文結合大凌河流域地理位置和徑流基本現狀，選取了具有代表性的8個地下水水質監測點進行數據的提取和計算，對各站點水環境中污染物質量濃度在平水期進行實際數據監測[8]，計算統計結果見表1。

表1 大凌河流域地下水水質污染物指標質量濃度常規監測結果 (單位：mg/L)

結合大凌河流域各區域的污染物質量濃度實測結果，并參考《地下水質量標準》中對地下水質的劃分標準和等級，可對研究區域內各污染因子質量濃度的基點值和分級代表值進行計算，計算結果見表2。

表2 水體環境中污染物因子特征值和代表值計算結果

利用表2有關數據和指標隸屬度函數對水質污染單因子指標的各級水質隸屬度進行計算，并構建模糊關系矩陣R，計算結果如下：

若對同一水質監測指標進行不同水質等級標準的劃分，出現相同分界極限值的情況時，可根據隸屬度和分級代表值的計算結果按照最優質水質級別標準進行劃分[9]。

3.2 評價因子權重的計算

結合大凌河地下水水質指標綜合質量濃度實測結果和各評價因子基點值數據，可得到水質評價各評價因子的權重系數向量W：

W=(0.51,0.02,0.50,0.38,0.56,0.31,0.18)

對各評價因子的權重系數向量W進行無量綱化統一處理，可得到經標準處理后的各評價因子向量A：

A=(0.21,0.01,0.20,0.16,0.22,0.12,0.08)

3.3 綜合評判

通過將模糊關系矩陣和經無量綱化標準處理后得到的各評價因子權重向量進行復合計算，得到相應水質污染指標綜合評判結果Y：

根據上述計算結果可知大凌河地下水水質評價類別處于Ⅲ類。

4 結果與分析

分別利用內梅洛單因子法、模糊評價法和改進的模糊評價法對大凌河流域地下水水體環境中各污染物濃度值采用綜合評價法進行計算，并按照水質級別進行劃分，計算劃分結果見表3。

表3 采用不同評價法的大凌河流域地下水水質評判類別

表3數據表明：?采用模糊評價法和改進的模糊綜合評價法，對水體環境中各污染物濃度值監測結果相對于內梅洛法較為穩定，說明模糊評價理論可綜合考慮各水體污染因子對水環境的總體影響狀況，能夠較為全面、客觀地反映出水質的總體污染狀況和級別；?相對于傳統的評價法，采用改進的模糊評價法對地下水水質進行評價，其各項污染因子的水質級別相差相對較小，說明改進的模糊綜合評價法可明顯提高水體污染各影響因子之間的關聯作用[10]；?大凌河流域地下水水質為Ⅲ類，人類生活污水和農業灌溉廢水的排放是影響該區域地下水水質的主要因素，需采取有效的污水處理措施并建立科學的用水管理制度，加強對地下水資源的保護。通過各影響因子頻率的累計，可顯著提高各影響因子對綜合評價結果的整體作用性能，而在加強各影響因子之間作用關系的同時又不因單因子的過大浮動造成對水質評價結果的顯著影響，從而能夠使水質評價結果更具有科學性和真實性，并較好地揭示出研究區域的水質狀況[11]。

對指標權重的計算應結合《地下水水質標準》相關級別的劃分和依據，在改進的模糊綜合評價法中，將各水質污染影響因子的權重wj的計算涵蓋在有關等級標準內，并結合中間等級標準的極限值，分別考慮各影響因子的水質級別和分級跨度的極限值等情況，嚴格遵循對標準值越大則水體污染物濃度越小的基本原則，較好的對標準值所代表的意義進行表征和體現。據此，科學合理地對水體污染因子在綜合評價體系中的分配權重進行計算，對評價結果的科學性和有效性具有重要意義。引入分級代表值，能夠較好地對相同因子作用下不同水質分類級別之間的相互倍數關系進行表征，進而使得水質級別評價結果更加客觀和穩定。

5 結 語

本文在概述了地下水水質研究現狀和理論方法的基礎上，利用模糊學基本原理對隸屬度函數和權重計算法進行改進，然后對大凌河流域地下水水質各項監測指標分別采用改進的模糊綜合評價法、內梅洛單因子指數法和模糊綜合評價法進行綜合評價和分析，可知：大凌河流域的絕大多數地區地下水基本屬于Ⅲ類水質；少部分地區水質良好，為Ⅱ類水質。影響該區域地下水水質的主要因素是人類生活污水和農業灌溉廢水的排放，為此，應加強對該區域的水資源開發利用的科學管理、優化水資源配置、提高水資源利用效率等措施，并確保該區域的水資源的持續健康發展。本次研究科學合理地對水體污染因子在綜合評價體系中的分配權重進行計算，評價結果具有科學性和有效性。