田海翔,戴大剛,俞芳琴,劉 俊

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.南京市浦口區(qū)水利局,江蘇 南京 211800)

龍華港水系地處上海市徐匯區(qū),主要包括龍華港、漕河涇港、蒲匯塘、東上澳塘港、上澳塘、張家塘港、梅隴港等7條骨干河道及北潮港、機(jī)場(chǎng)河、三友河等支流,是上海市水利分片綜合治理中淀北片控制區(qū)的主要水系。其上游端通過(guò)新涇港西納松江來(lái)水,北連蘇州河,南通淀浦河,其下游端主要由龍華港和張家塘港通往黃浦江。該地區(qū)是上海市西南最初的城鄉(xiāng)結(jié)合部,又是近10年高速發(fā)展的地區(qū)。

2000年以來(lái),上海市分階段解決快速工業(yè)化和城市化進(jìn)程中的突出環(huán)境問(wèn)題。合理評(píng)價(jià)龍華港水系的水質(zhì)狀況,對(duì)該地區(qū)居民飲用水安全以及上海市今后水環(huán)境治理工作有著特殊而重要的意義。

因此,筆者采用模糊綜合法和層次分析法相結(jié)合的模糊層次分析法,并適當(dāng)加以改進(jìn),對(duì)龍華港水系10條河道的13個(gè)斷面2011年4月(非汛期)和8月(汛期)兩個(gè)時(shí)段的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 模糊層次分析法

1.1 確定指標(biāo)集U

U={u1,u2,…,um}

(1)

式中:ui(i=1,2，…,m)為參加評(píng)價(jià)的第i個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的數(shù)值;m為參評(píng)水質(zhì)指標(biāo)數(shù)。

主要選取DO(u1)、CODMn(u2)、COD(u3)、BOD5(u4)、NH3-N(u5)、TP(u6)、TN(u7)、FN(u8)和石油類(lèi)(u9)等9個(gè)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中DO評(píng)價(jià)指標(biāo)以數(shù)值大為優(yōu),即數(shù)值越大,水質(zhì)狀況越好;而其余8個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)剛好相反,以數(shù)值小為優(yōu)[2]。

表1 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) mg/L

1.2 確定評(píng)價(jià)集V

V={v1,v2,…,vn}

(2)

式中:vj(j=1,2,…,n)為與ui相對(duì)應(yīng)的第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí);n為評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù)。

相應(yīng)的特征方程為根為r1=0.92，r2,3=-0.21±0.30i,由引理3,原差分方程的解即所求概率為

根據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(表1),確定水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和劣Ⅴ類(lèi)等6個(gè)等級(jí)[3]。

1.3 構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣R

由于河流水質(zhì)污染程度和水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的模糊性,因此采用線性隸屬函數(shù)F(x)[4]。

(3)

式中:vij(i=1,2，…,m;j=1,2，…,n)為第i個(gè)水質(zhì)指標(biāo)相對(duì)于第j級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)濃度;x為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的實(shí)測(cè)濃度。

運(yùn)用傳統(tǒng)的模糊層次分析法計(jì)算各水質(zhì)指標(biāo)的隸屬度時(shí),是通過(guò)各水質(zhì)指標(biāo)不同等級(jí)的上限值相對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)確定的。這樣只能將水質(zhì)分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等5個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(圖1)。這種方法將劣Ⅴ類(lèi)水質(zhì)歸為Ⅴ類(lèi),降低了污染的嚴(yán)重性[5]。

圖1 傳統(tǒng)的隸屬函數(shù)

因此,為了克服傳統(tǒng)方法不能評(píng)價(jià)劣Ⅴ類(lèi)水質(zhì)的弊端,擬采用改進(jìn)的隸屬函數(shù)[6],以水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)上下限的中間值為界限計(jì)算隸屬度,從而可以得到6個(gè)隸屬函數(shù)(圖2)。

圖2 改進(jìn)的隸屬函數(shù)

計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)每一級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度F,從而得到各個(gè)斷面的模糊關(guān)系矩陣R。

(4)

式中:rij為第i個(gè)水質(zhì)指標(biāo)相對(duì)于第j級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度。

1.4 建立權(quán)重分配矩陣ω

權(quán)重ωi為i因子在9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中所起的作用大小的度量[7]。利用層次分析法計(jì)算各水質(zhì)指標(biāo)之間的權(quán)重時(shí),傳統(tǒng)方法在構(gòu)造判斷矩陣時(shí)采用1～9的標(biāo)度法,專(zhuān)家主觀性太強(qiáng),使評(píng)判結(jié)果帶有片面性;判斷矩陣的一致性與人類(lèi)思維的一致性有顯著差異;在進(jìn)行一致性檢驗(yàn)時(shí),如果判斷矩陣不具有一致性,還須重新構(gòu)建、計(jì)算，直到滿足一致性為止,計(jì)算量大,且精度不高[8]。0.1～0.9標(biāo)度法,作為互補(bǔ)矩陣的典型代表,繼承了1～9標(biāo)度法的優(yōu)勢(shì),發(fā)揚(yáng)了0～1標(biāo)度法的長(zhǎng)處,與改進(jìn)的標(biāo)度法的最初思想比較接近,但表達(dá)與處理方法完全不同。0.1～0.9標(biāo)度法從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā),從專(zhuān)家和決策者判斷角度考慮,注意標(biāo)度的可讀性、可用性、規(guī)范性,更符合人們的思維邏輯[9]。

因此,筆者采用0.1～0.9標(biāo)度法給予各評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)量標(biāo)度(表2)。

表2 0.1～0.9五標(biāo)度含義

表3 2011年龍華港水系不同水期水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果與綜合污染指數(shù)結(jié)果比較

根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)重要性的兩兩比較,構(gòu)建層次分析矩陣P如下:

該矩陣是由優(yōu)先判斷矩陣改造而成的模糊一致性矩陣,滿足一致性條件,因此無(wú)需再進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[10]。從而求得各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量為

ω=(0.094 2 0.161 9 0.161 9 0.103 1 0.161 9 0.094 2 0.094 2 0.064 3 0.064 3)T

1.5 確定模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣B

各監(jiān)測(cè)斷面的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣B,可由單指標(biāo)權(quán)重向量ω和模糊判斷矩陣R復(fù)合運(yùn)算得到:

B=ω·R=(ω1ω1…ωm)·

(5)

(6)

式中:bj為隸屬于第j等級(jí)的隸屬度;ωi為第i個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重。

實(shí)際工程中常用最大隸屬度原則來(lái)分析結(jié)果向量B,此原則雖然操作簡(jiǎn)單,但它舍棄了評(píng)判結(jié)果向量B中的大部分信息,致使B中各分量分布比較均勻時(shí),歪曲了被評(píng)對(duì)象的客觀等級(jí)[11]。筆者采用加權(quán)平均原則,計(jì)算各斷面的隸屬級(jí)別B*,以避免模糊運(yùn)算中由于取大取小而造成的信息損失,并以此為基準(zhǔn)進(jìn)行排序,確定各監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)等級(jí)。采用加權(quán)平均法計(jì)算B*的公式為

(7)

式中:k為待定系數(shù),取k=1或k=2。

k表示用于控制較大的bj所起的作用,當(dāng)k=1時(shí),所起作用相同;當(dāng)k=2時(shí),較大的bj所起作用較大。本文取k=2。

采用加權(quán)平均原則,對(duì)2011年龍華港水系13個(gè)監(jiān)測(cè)斷面不同時(shí)期的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析,得到各斷面的B*(表3)。

1.6 評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)B*的計(jì)算值,采用四舍五入,確定最終的評(píng)價(jià)級(jí)別,結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)上海市水環(huán)境功能區(qū)劃,龍華港水系水功能區(qū)劃等級(jí)為Ⅴ類(lèi)。從表3中可以看出,4月(非汛期),龍華港水系大部分河道水質(zhì)達(dá)標(biāo),機(jī)場(chǎng)河—龍華水泥廠、機(jī)場(chǎng)河—工業(yè)技術(shù)學(xué)校兩個(gè)斷面、上澳塘—宜山路橋斷面水質(zhì)狀況較好,均達(dá)到了Ⅳ類(lèi)水以上。但仍有兩個(gè)斷面水質(zhì)為劣Ⅴ類(lèi),未達(dá)標(biāo)。8月(汛期),除了機(jī)場(chǎng)河—龍華機(jī)場(chǎng)斷面水質(zhì)為劣Ⅴ類(lèi)以外,其余河道斷面水質(zhì)均達(dá)標(biāo)。綜合來(lái)看,汛期水質(zhì)好于非汛期。

根據(jù)上海市徐匯區(qū)水利普查辦公室提供的2011年綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)級(jí)別(表3),兩次水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果基本吻合。同時(shí),應(yīng)用模糊層次分析法的評(píng)價(jià)結(jié)果,更能反映出同一級(jí)別下不同斷面的水質(zhì)優(yōu)劣情況,與實(shí)際情況相符合。

2 結(jié) 語(yǔ)

a. 建立了改進(jìn)的模糊層次分析法的水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)模型,運(yùn)用該模型對(duì)龍華港水系10條河道13個(gè)斷面2011年4月(非汛期)和8月(汛期)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

b. 在確定隸屬度時(shí),針對(duì)以往隸屬函數(shù)存在的不能評(píng)價(jià)劣Ⅴ類(lèi)水的缺點(diǎn),采用改進(jìn)的隸屬度函數(shù),采用不同級(jí)別水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的上下限的中間值為界限,從而得到6個(gè)隸屬度函數(shù),更符合實(shí)際研究問(wèn)題的需要。

c. 在確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重時(shí),采用0.1～0.9標(biāo)度法構(gòu)造模糊判斷矩陣,符合人們的思維邏輯,由優(yōu)先判斷矩陣改造而成的模糊一致矩陣滿足一致性條件,無(wú)需進(jìn)行一致性檢驗(yàn),提高了權(quán)重的計(jì)算精度。

d. 通過(guò)對(duì)龍華港水系的水質(zhì)評(píng)價(jià),并與上海市徐匯區(qū)水利普查辦公室提供的2011年綜合污染指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)兩次水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果基本吻合。應(yīng)用模糊層次分析法的評(píng)價(jià)結(jié)果,更能反映出了同一級(jí)別下不同斷面的水質(zhì)優(yōu)劣情況,與實(shí)際情況相符合。

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