陳南祥,湯 澤

(華北水利水電學院資源與環(huán)境學院,河南 鄭州 450011)

隨著人口的逐步增加,鄭州市人均當?shù)厮Y源占有量為198.8 m3,不足全國平均水平的1/10。同時,城市化、工業(yè)化的迅速發(fā)展和對水資源的認識不足,造成河湖水質(zhì)惡化、生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞、城市污水排放嚴重等一系列問題。因此,對地表水水質(zhì)評價是環(huán)境質(zhì)量評價的一項重要內(nèi)容,也是進行有效的環(huán)境管理的重要手段之一。目前,地表水水質(zhì)評價方法有多種,主要有模糊綜合評價法[1]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[2]、層次分析法,因子分析法、GIS模型評價法和灰色系統(tǒng)法等[3-6]。本文主要采用由蔡文教授創(chuàng)立的物元可拓法[7],它能有效地解決多指標和由單項指標評價結(jié)果不相容的問題,建立評價事物多指標質(zhì)量評定模型,直接求出關(guān)聯(lián)度,對水質(zhì)進行等級評價,避免了在評價中水質(zhì)指標值界于兩個相鄰級別時,很難準確判斷其屬于哪個級別的問題[8]。但物元可拓法對水質(zhì)評價也存在一定的局限性,若待評物元的特征值超出了節(jié)域范圍,在計算綜合關(guān)聯(lián)度時就會出現(xiàn)相等的狀況。在這種情況下,就無法計算綜合關(guān)聯(lián)度,所以需要從多方面去分析水質(zhì)情況。

1 物元模型的構(gòu)建

物元可拓理論是研究物元關(guān)系和可拓性及物元變換規(guī)律,描述事物變化和與矛盾轉(zhuǎn)化的形式化語言。在可拓數(shù)學中,采用關(guān)聯(lián)函數(shù)的概念把邏輯值域從[0,1]擴展到(-∞,+∞)實數(shù)軸,把所解決的矛盾問題定性化和定量化。

1.1 物元分析

給定事物的名稱P,它關(guān)于特征C的量值V,以有序三元組R=(P,C,V)作為描述事物的基本元素,簡稱物元[9]。若事物P有多個特征量c1,c2,c3,…,cn表示,其相應(yīng)量值用v1,v2,v3,…,vn來描述,則稱n維物元,用矩陣表示為:

1.2 經(jīng)典域、節(jié)域和待評物元的確定

當事物P0j為第j等級標準時,其特征cij取值范圍為[a0ij,b0ij],經(jīng)典域為式(2);由標準值和實測值來確定節(jié)域Rp,其特征ci取值范圍為[api,bpi],為式(3);由實測值確定待評物元Rx,其式為(4)。

1.3 關(guān)聯(lián)函數(shù)與關(guān)聯(lián)度的確定

關(guān)聯(lián)函數(shù):

式中 ρ(xj,xij)為點 xj與區(qū)間xij的距離;ρ(xj,xpj)為點xj與區(qū)間xpj的距離。若區(qū)間x0取值范圍為[a,b],則點xj到區(qū)間x0=[a,b]的距離公式:

且Ki(xj)表示各評價因子關(guān)于評價級別的關(guān)聯(lián)度。

1.4 綜合關(guān)聯(lián)度和評價等級

待評事物Px在第j級的綜合關(guān)聯(lián)度為:

式中:kj(xi)的數(shù)值表示評價單元符合某標準范圍的隸屬程度;wij為各評價因子的權(quán)重。根據(jù)最大隸屬度原 則,kj(Px)=max{k1(Px),k2(Px),…kn(Px)}。kj(Px)≥1,被評價對象超出標準對象上限,其值越大,說明開發(fā)潛力越大;0≤kj(Px)≤1,被評價對象符合標準對象隸屬程度的要求,其值越大,越接近標準要求上限;-1≤kj(Px)≤0,被評價對象不符合標準對象要求,但具有轉(zhuǎn)化為標準對象的條件,其值越大,越容易轉(zhuǎn)化;kj(Px)≤-1,被評價對象既不符合標準對象要求,也不具備轉(zhuǎn)化為標準對象的條件。

2 物元可拓法在鄭州地表水水質(zhì)評價中的應(yīng)用

本文以鄭州市河流評價為例,選取6個監(jiān)測點,采用《地下水質(zhì)量標準》(GB/T14848—1993)[10]作為評價的標準,將水質(zhì)級別劃分為五級,并以PH(c1)、DO(c2)、COD(c3)、高錳酸鹽指數(shù)(c4)、BOD5(c5)、NH3-N(c6)、總磷(c7)、總氮(c8)八項指標作為評價因子,各指標采用2012年實測值,見表1。

2.1 數(shù)據(jù)歸一化處理

每個評價因子的量化值區(qū)間范圍不完全相同,有的評價因子以數(shù)值越小級別越高;有的則以數(shù)值越大級別越高,為了便于結(jié)果的比較,需對各評價指標和評價標準進行數(shù)據(jù)歸一化處理[11]。

對于數(shù)值越小級別越高的評價指標歸一化公式:

對于數(shù)值越大級別越高的評價指標歸一化公式:

式中 :di、xi、x1、x5分別為歸一化后的標準值 、未歸一化的標準值、Ⅰ級和 Ⅴ級標準值。歸一化后的評價標準見表2,歸一化后的實測值見表3。

2.2 確定權(quán)重

評價因子權(quán)重的確定方法有很多,本次研究根據(jù)層次分析法[12],運用AHP軟件,計算出各監(jiān)測點 的各監(jiān)測指標的權(quán)重,計算結(jié)果見表4。

表1 各評價因子在6個監(jiān)測點的監(jiān)測值 單位:mg/L

表2 歸一化后的分級標準值 單位:mg/L

表3 歸一化后的監(jiān)測值 單位:mg/L

表4 各監(jiān)測點的各監(jiān)測指標的權(quán)重

2.3 確定監(jiān)測點綜合關(guān)聯(lián)度及評價等級

根據(jù)經(jīng)典域,節(jié)域和待評物元的定義,以及表2、表3,由式(2)～式(6)可得十八里河各評價因子關(guān)于評價級別的關(guān)聯(lián)度,計算結(jié)果見表5。

通過表4和表5,運用綜合關(guān)聯(lián)度公式(7),k1(p)=-0.557,k2(p)=-0.508,k3(p)=-0.6,k4(p)=-0.426,k5(p)=0.018。根據(jù)最大隸屬度原則,綜合關(guān)聯(lián)度為 k5(p)=0.018,所以十八里河水質(zhì)為Ⅴ類水,水質(zhì)污染嚴重。

按照上述步驟,利用物元可拓法分別計算6個監(jiān)測點的綜合關(guān)聯(lián)度,計算結(jié)果見表6。

根據(jù)等級評價原則,選取最大隸屬度,由表6可見,十八里河水質(zhì)等級為Ⅴ類水,且不接近標準最大上限值;東風渠水質(zhì)等級為Ⅴ類水;如意湖水質(zhì)等級為Ⅲ類;熊耳河水質(zhì)等級為Ⅳ類水;由于金水河和賈魯河綜合關(guān)聯(lián)度都小于0,但數(shù)值都在區(qū)間[-1,0]之間,所以評價對象不符合標準對象要求,但具有轉(zhuǎn)化為標準對象的條件,且金水河數(shù)值大于賈魯河,說明金水河更易轉(zhuǎn)化,同時它們都屬于類Ⅴ類水。根據(jù)評價結(jié)果可以得到,水質(zhì)由好到壞的順序:如意湖、熊耳河、十八里河、東風渠、金水河、賈魯河。

表5 十八里河各水質(zhì)指標與各水質(zhì)類別的關(guān)聯(lián)度

表6 各監(jiān)測點關(guān)于各水質(zhì)類別的關(guān)聯(lián)度

2.4 計算結(jié)果對比

為驗證本文方法的合理性和可行性,采用模糊綜合評價法對各監(jiān)測點進行水質(zhì)評價,并與本文方法進行對比,見表7。

表7 結(jié)果對比

從對比結(jié)果可以得出,兩種方法評價結(jié)果基本相同。所以,基于物元可拓法的地表水質(zhì)評價結(jié)果可信,評價結(jié)構(gòu)也驗證了該評價模型的可靠性。

3 結(jié) 語

(1)選取了鄭州市6條河水質(zhì)樣本,采用8個評價因子,利用基于物元可拓法的水質(zhì)評價模型進行水質(zhì)綜合評價,其評價結(jié)果與模糊綜合法評價結(jié)果基本一致,說明物元評價模型可靠,可用于水質(zhì)的綜合評價。

(2)根據(jù)綜合關(guān)聯(lián)度可知鄭州市地表水水質(zhì)總體較差,為了促進生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展,需要加大力度進行治理,以達到鄭州市生態(tài)需水的標準。

[1]鄧超冰.海水水質(zhì)的模糊綜合評價模型的比較[J].海洋環(huán)境科學,1993,12(2):22-28.

[2]孫 濤,潘世兵,李永軍.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在地下水水質(zhì)評價分類中的應(yīng)用[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2004,31(3):58-61.

[3]李如忠.水質(zhì)評價理論模式研究進展及趨勢分析[J].合肥工業(yè)大學學報(自然科學版),2005,28(4):369-373.

[4]羅定貴,王學軍,郭 青.基于MATLAB實現(xiàn)的ANN方法在地下水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J].北京大學學報(自然科學版),2004,40(2):296-302.

[5]周林飛,許士國,孫萬光.基于灰色聚類法的扎龍濕地水環(huán)境質(zhì)量綜合評價[J].大連理工大學學報,2007,47(2):240-245.

[6]劉章軍,葉燎原.模糊概率模型及其在地下水水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學學報,2007,15(3):286-293.

[7]蔡 文.物元模型及其應(yīng)用[M].北京:科學技術(shù)文獻出版社,1994.

[8]張先起,梁 川.基于熵權(quán)的模糊物元模型在水質(zhì)綜合評價中的應(yīng)用[J].水利學報,2005,36(9):1057-1061.

[9]門寶輝,粱 川.水質(zhì)量評價的物元分析法[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,2003,35(3):358-361.

[10]中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)部.GB/T14848—1993.地下水質(zhì)量標準[S].北京:中國標準出版社,1993.

[11]劉雷雷,蓋 美.水質(zhì)評價物元分析模型及其應(yīng)用——以大連英那河水庫為例川[J].水資源研究,201l,32(1):6-8.