基于模糊綜合評價模型的鄭州市東風渠水環境質量評價研究

張二麗， 汪太行，王玉龍，馮 宇

(鄭州財經學院 信息工程學院，河南 鄭州 450044)

引言

黨的十八大以來，在習近平總書記生態文明思想的指引下，河南省積極落實黨中央、國務院有關生態文明建設的決策安排，大力推進生態文明建設的相關工作，出臺了《關于全面加強生態環境保護堅決打好污染防治攻堅戰的實施意見》和《河南省污染防治攻堅戰三年行動計劃(2018-2020年)》.東風渠位于鄭州市北部，一直承擔著鄭州市東郊區農田灌溉用水的重要補給河流的責任，也是鄭州市居民生活污水和工業廢水排放的河流之一[1]，在鄭州市的生態環保體系中發揮著十分重要的作用.

基于鄭州市生態環境局發布的2018年9月至2019年8月鄭州市東風渠流入七里河處的水資源監測數據[2]，利用模糊綜合評價模型對東風渠的水環境質量進行評價分析.通過計算一年中東風渠流入七里河處的溶解氧(DO)、化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP) 四個評價因子的權重值可知，東風渠水體的主要污染物為溶解氧(DO)和化學需氧量(COD).這為鄭州市生態環境局對東風渠水體污染物的治理提供了理論依據和科學支持.

1 模糊綜合評價模型

模糊綜合評價法是一種基于模糊數學的綜合評價方法.根據模糊數學的隸屬度理論，模糊綜合評價方法是將定性評價轉化為定量評價，從多方面綜合評價被評判事物的隸屬度狀況.模糊數學概念的引入滿足了水質評價的客觀要求[3].為了全面了解東風渠現階段的水質狀況及污染情況，本文以2018年9月至2019年8月一年內鄭州市生態環境局發布的東風渠流入七里河處水質監測數據為對象，對東風渠水環境質量進行評價與分析.

1.1 模型建立的思想

根據模糊數學的思想，將描述水質的數據、判斷和各種定性表述轉化為模糊語言，綜合識別和判斷水質狀況[4]，從而建立模糊綜合評價數學模型.

1.2 建立綜合評價因子集

選擇水質檢測數據的若干檢測指標作為評價因子，建立因子集[5].按照監測條件，選擇2018年9月至2019年8月東風渠流入七里河處的4項指標作為評價因子，即綜合評價的因子集為:U={u1,u2,u3,u4}，簡記為U={ui}.其中u1表示溶解氧(DO)，u2表示化學需氧量(COD)，u3表示氨氮(NH3-N)，u4表示總磷(TP)，ui表示第個污染因子值.

1.3 建立綜合評價集

由水質監測數據建立各因子指標對各級標準的隸屬度集，形成隸屬矩陣，再把因子權重集與隸屬度矩陣相乘，得到模糊積，獲得一個綜合評價集[6].在環境質量評價中，水體污染程度本身是一個模糊概念，評價水體污染程度的分級標準也具有模糊的特征[7].根據國家地表水環境質量標準(GB3838-2002)[8]，依據水域環境功能和保護目標，將水質類別劃分為5級，建立綜合評價集為：V={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ}，簡記為V=(vi).其中vi代表ui的評判標準集，各級指標為地表水環境質量目標準限值，如表1所示.

表1 目標準限值 mg/L

1.4 計算權重確定因子權向量

權重是能夠很好反映出各個參評因子在總體水環境質量中地位的數值.在評價過程中，每個因子的重要程度是不同的，為此，對集合U中的每個因子ui賦以一個相應的權重αi，構成權重集A=(α1,α2,α3…αn).計算權重的方法較多，本文采用污染物濃度超標加權法.該方法為：

上式中，ci是因子ui的濃度實測值，si是因子ui在各級環境標準的均值，sij是第i個因子第j級的標準值，k為評判標準集分級數.

本文選取的是2018年9月至2019年8月一年的東風渠流入七里河處監測數據，如表2所示.

表2 2018年9月至2019年8月東風渠流入七里河處監測數據 mg/L

按照氣象部門季節劃分法，將數據劃分為2018年9月到11月(秋季)，2018年12月到2019年2月(冬季)，2019年3月到5月(春季)，2019年6月到8月(夏季).以2018年9月到11月，即秋季東風渠流入七里河處溶解氧(DO)u1指標為例，根據以下公式計算各級環境標準的平均值為：

s1=(7.5+6+5+3+2)/5=4.7，

α1=7.8/4.7=1.66.

同理，得出東風渠流入七里河處u2、u3、u4指標的權重值為：

α2=1.04，α3=0.23，α4=0.64.

A={0.468,0.294,0.063,0.175}.

同理可得東風渠流入七里河處其他三個季節評價因子的權重值，如表3所示.

表3 東風渠流入七里河處季節評價因子權重值

1.5 確定隸屬度向量，建立模糊關系矩陣

假設隸屬度為線性函數，建立一個U到F(V)的模糊映射f:U→F(V)，通過f誘導得出模糊關系矩陣R，本文采用分段線性函數來確定隸屬函數[9].

已知東風渠水質分為5個級別，即V=(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ)，ci.水質等級的隸屬函數為：

其中，sij是第i個因子第j級的標準值.根據此式可得秋季模糊關系矩陣R秋：

同理可得其他季節的模糊矩陣如下：

1.6 建立模糊綜合評價模型

單因子模糊評價法只能反映出單個因子對評價對象的影響.正常情況下，影響評價對象的因子不止一個，所以必須考慮所有因子的影響，即綜合評價[10].將模糊關系矩陣與權重集合A復合，記為:B=A°R, 其中°為綜合評價合成算子.本文取成一般的矩陣乘法為B=A*R=(B1，B2，…Bn).

1.7 水質評價結果及分析

東風渠流入七里河處秋季水質綜合評價向量：

同理可得東風渠流入七里河處冬季、春季、夏季的模糊綜合評價結果，如表4所示.

表4 模糊綜合評價結果

由表4可以看出，在4個季節評價結果中，冬季的評價結果為Ⅰ類，春季的評價結果為Ⅲ類，夏季和秋季的評價結果均為Ⅳ類，水環境質量不容樂觀.對4個季節排序，可以看出受污染輕重程度依次為：冬季<春季<夏季<秋季.

通過分析各因子的權重值得知，在影響東風渠水質的四類指標中，DO和COD對水質的影響程度相對較大.這也是導致東風渠水體富營養化的主要污染物.

2 結論

基于鄭州市生態環境局發布的東風渠流入七里河處的水質監測數據，運用模糊數學評價方法，建立模糊綜合評價模型，對東風渠實測的DO、COD、NH3-N、TP四個指標進行評價與分析.評價結果表明，東風渠水體受污染主要是由DO和COD造成的.同時，按照季節劃分法，將選取的數據劃分為春、夏、秋、冬四個季節進行評價分析，結果顯示，受污染輕重程度依次為：冬季<春季<夏季<秋季.

夏季、秋季是水污染的易發期，應及時對河流中含有的DO、COD等化學因素進行處理.最大限度地減少廢水排量，防止工業廢水污染；加強凈化處理和過濾中和，最大限度地降低廢水中DO、COD的濃度.

3 展望

鄭州市東風渠的檢測位點較多，本文只選擇了東風渠流入七里河處水質進行評價研究，不能全面反映東風渠整條河流的水質情況.在今后的研究中可以進一步增加水質樣本容量，深入研究確定水質評價指標，以期最終選取的權重能真實、客觀地體現各因子的作用，為鄭州市生態環境局水環境污染防治提供一定的科學參考.