基于模糊綜合指數法對丹江上游水質評價

張 進

（陜西省商洛水文水資源勘測中心，陜西 商洛 726000）

0 引言

丹江發源于陜西省商洛市西北部的秦嶺南麓，為漢江左岸一級支流，是漢江最大支流，商洛市第一大河流。丹江流經商州區、丹鳳縣、商南縣，于商南縣白浪鎮月亮灣出陜西省境。在經濟社會發展進程中，我國水資源、水生態、水環境問題日益突出，已經成為制約當地經濟社會可持續發展的主要瓶頸。為了加強水資源、水生態、水環境“三水”統籌協調，實現“有河要有水，有水要有魚，有魚要有草，下河能游泳”的目標，在水環境方面，有針對性地改善水環境質量，然而改善環境的第一步就是調查清楚當前水體水質狀況，對水體水質有科學明確的判斷。現階段河流水質評價的主要方法有：傳統的單因子評價法、模糊綜合指數法、人工神經網絡（ANNs）法、綜合污染指數法、灰色關聯分析法、物元分析法等。在這些方法中模糊綜合指數法計算量較為復雜，但其評判結果最為合理，所以模糊綜合指數法在地表河流水質評價應用十分廣泛。本文采用模糊綜合指數法對丹江上游的四個水質斷面進行水質評價。通過與單因子評價法相對比能更加真實可靠、更為準確判定水質狀況，為當地政府在丹江上游水環境保護工作的進一步開展提供科學依據。

1 水質監測數據的來源

1.1 水質斷面的選取

丹江上游干流水質斷面由上游往下依次為麻街、張村、丹鳳、月日，斷面間距分別為32 km、33 km、11 km，選取該干流四個水質斷面作為評價目標。

1.2 數據收集

依據斷面情況本次采用模糊綜合指數法對丹江上游麻街、張村、丹鳳、月日四個水質斷面的水體水質狀況進行評價，利用陜西省水環境監測中心商洛分中心2018年～2021年的水質分析監測數據進行匯總評價。選取該四個水質斷面的高錳酸鹽指數（CODMn）、化學需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、五日生化需氧量（BOD5）五個監測項目年均值作為評價因子。四個斷面的水質監測數據見表1。

表1 2018年～2021年水質斷面監測數據年均值表

2 評價方法及原理

通過構造隸屬度函數和隸屬度矩陣，利用最大隸屬度原則，明確判斷水質級別，反應造成水體污染的主要污染物，尋找具體的污染源以便及時遏制。

2.1 建立評價因子集

因子集中所包含的各個因子是用來確定水質類別的評價項目，一個因子集中可以包含n個項目，因子集V={v1， v2，…vn}。本文選取高錳酸鹽指數（CODMn）、化學需氧量（CODCr）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、五日生化需氧量（BOD5）五個項目作為評價因子。

2.2 建立評價集

與評價因子集相對應的評價標準分級的集合作為評價集為U，評價集U= {u1，u2，u3，u4，u5}。依據《地表水環境質量標準》[2]（GB 3838-2002）將評價標準分為5個等級，評價標準見表2。

表2 評價標準

2.3 建立隸屬度函數并計算隸屬度

在分級之后為了表述該標準具有的特性程度，需建立隸屬度函數[3]。

第一級水質環境質量， j=1，其隸屬函數為：

第二～四級水質環境質量， j=2，3，4其隸屬函數為：

第五級水質環境質量， j=5其隸屬函數為：

（1）～（3）式中j為水質級別（j=1，2，3，4，5），i為因子項目種類；Ci第i種因子實測值；Sij第i種因子的第j級評價標準；

2.4 建立模糊關系矩陣

根據實測值代入隸屬度函數得出隸屬度，構成模糊矩陣關系矩陣，

式中：m為污染因子數1=1，2，3…m；n為水質類別總數j=1，2，3， …n；rmn為第m檢測項目在n級別的隸屬度。

2.5 計算權重系數wi，建立權重集W

權重系數wi是用來衡量各污染因子對水體環境質量大小，通過污染貢獻率分別計算出單因子系數，進行歸一化處理[4]，計算式為：

或

如果檢測值越小，水質越好用（5）式計算，反之用（6）式。式中：Ci為第i種污染因子的實測濃度，mg/L；ci0為第i種污染因子的各級標準的平均值，mg/L；由權重系數wi可得相對性權重集W={w1， w2， w3， …wm}。

2.6 計算模糊綜合指數矩陣

2.7 計算模糊綜合指數

根據《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）的水體環境評價級別，構造出水質標準類別矩陣S=[1，2，3，4，5]，用B矩陣與矩陣得出綜合評級結果：

3 監測數據計算評價

3.1 由隸屬度函數求出矩陣

以麻街水質斷面監測數據為例，代入（1）～（3）隸屬度函數，計算結果見表3。

表3 麻街2018年～2021年的隸屬度數據表

由表3得出麻街2018年～2021年的隸屬度矩陣，按照同樣的方法可得出其余水質斷面2018年～2021年的隸屬度矩陣，此處不一一列出。

3.2 權重系數計算

以2021年麻街斷面為例，由（5）式可得出各2021年權重系數wi，由權重系數wi可得相對性權重集W麻街2021。

表4 四個水質斷面污染因子權重

續表4

由（7）式計算得出模糊指數綜合評價矩陣B麻街2021，其余斷面不一一列出。

3.3 計算模糊綜合指數

以2021年麻街斷面為例，由（8）式計算得出模糊綜合指數，其余斷面不一一列出，具體數值見表5。

表5 四個水質斷面評價結果

Q麻街2021=B麻街2021·S=［0.98 0.02 0 0 0］·［1 2 3 4 5］=1.02

4 結論

（1）利用模糊綜合指數評價法不但能進行同一類別水體狀況的比較，還能利用各污染因子權重的大小判別其對水體污染的貢獻率。

（2）通過數據分析得出，模糊綜合指數法能以數據的大小反映出多年水質變化趨勢。從2018年～2021年丹江上游麻街、張村、丹鳳模糊綜合指數在緩慢遞減，表明水體狀況逐年向好，而月日模糊綜合指數由降到升，出現反彈現象，表明水體狀況有惡化趨勢。

（3）結果顯示丹江水質斷面麻街、張村、丹鳳、月日，2018年～2021年之間評價因子氨氮和總磷所占權重較大，呈現出由增到減的下降趨勢。

（4）從評價的結果來看利用模糊綜合指數法評價丹江上游水質更為合理，具有以定量方式反映水體水質的優勢。建議在水質評價時推廣使用，為各級政府在水環境治理方面提供科學依據。