張?zhí)┤唬?維，吳蓉蓉 (青海大學生態(tài)環(huán)境工程學院，青海西寧810016)

黑河全長821 km，是我國第二大內(nèi)陸河，同時也是坐落于河西走廊的較大內(nèi)陸河水系。黑河上游長270多km，植被茂密，蘊藏著豐富的水能資源。中游長185 km，主流穿過河西走廊張掖、臨沂和高臺，是重要的糧食作物產(chǎn)區(qū)。但伴隨著人口和經(jīng)濟的發(fā)展以及水資源的過度開發(fā)和利用，黑河已經(jīng)開始出現(xiàn)較為嚴重的生態(tài)環(huán)境問題，制約了黑河流域的發(fā)展［1－2］。

水質(zhì)評價是防治和治理水污染的基礎工作。所以，對于黑河流域的水質(zhì)評價具有重要意義。黑河有東西兩源，均發(fā)源于青海省境內(nèi)。于是筆者通過數(shù)學模糊法對位于青海省黑河源頭3個采樣點的水質(zhì)進行了評價與分析。

1 模糊數(shù)學法的應用原理

模糊數(shù)學應用模糊矩陣復合運算，是以模糊推理為基礎的分析評價方法。其評價的基本步驟為:確定每一個因子的隸屬度，構(gòu)建一個以每一個因子隸屬度所構(gòu)成的單因素評價矩陣R;確定每個評價因子不同的權(quán)重，建立評價因子權(quán)重矩陣A;運算A×R;根據(jù)運算結(jié)果，取最大值對應的等級級別，即為水質(zhì)級別［3－5］。以上兩個矩陣可寫作:

式中，xi為第i個評價因子的實測值;vij為第i個評價因子的第j級評價標準的標準值;rij為第i個評價因子所對應的j級標準的隸屬度。

A=［a1，a2，…，a3］，其中，(數(shù)值越小污染越嚴重)或(數(shù)值越大污染越嚴重)。式中，w為第ii個評價因子的權(quán)重數(shù);為第i個評價標準的平均值。

2 應用實例

該研究數(shù)據(jù)來自青海省漁業(yè)環(huán)境監(jiān)測站，研究區(qū)域共設置3個檢測斷面:野牛溝、黑河水文站、八寶河口。選用總氮、氨氮、高錳酸鉀指數(shù)、鉛、鎘、汞、砷、銅和六價鉻9個指標作為黑河3個監(jiān)測斷面的評價指標。水環(huán)境質(zhì)量評價標準依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838－2002)，如表1所示［6］。單因素評價矩陣R(隸屬度)計算結(jié)果見表2。評價因子權(quán)重矩陣A計算結(jié)果見表3。A×R結(jié)果見表4。

3 結(jié)果與分析

3.1 兩類錯誤的提出 目前，對于水質(zhì)的評價方法，研究者們進行了大量的研究。其中使用最廣泛的評價方法有單因子評價法、污染指數(shù)法、模糊數(shù)學法、灰色關(guān)聯(lián)度評價、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等［7－12］。由于在水質(zhì)標準中只規(guī)定了某一指標的水質(zhì)等級，所以在同時評價多個指標時，其評價結(jié)果將與3個因素有關(guān):評價對象總體污染狀況和特點;評價因子的選擇;評價方法的選擇［13］。

在評價各指標水質(zhì)等級不同的水質(zhì)時，由于使用不同的水質(zhì)綜合因子評價方法可能導致兩類錯誤:將高品質(zhì)水質(zhì)評價為低品質(zhì)水質(zhì);將低品質(zhì)水質(zhì)評價為高品質(zhì)水質(zhì)。為了簡便，將以上兩個問題分別稱作I類錯誤和II類錯誤。由于在已有的評價方法中，單因子評價方法的結(jié)果最悲觀。于是單因子評價方法可認為是最容易發(fā)生I類錯誤的評價方法。

表1 地表水環(huán)境質(zhì)量分級標準mg/L

表2 單因素評價矩陣R

表3 評價因子權(quán)重矩陣A

表4 A×R結(jié)果

3.2 黑河水質(zhì)評價 由評價結(jié)果可知，在野牛溝、黑河水文站和八寶河口屬于I類水的可能性分別為35.2%、40.5%和37.4%，均為最大值。依據(jù)數(shù)學模糊法的評價原理，野牛溝、黑河水文站和八寶河口評價為I類水質(zhì)。

通過觀察數(shù)據(jù)并結(jié)合數(shù)學模糊法的定義會發(fā)現(xiàn)，在這3個地點，屬于II～IV類水的可能性分別為64.8%、59.5%和62.6%，遠遠超過其屬于I類水的可能性?；诖?，筆者采用了單因子標識指數(shù)和綜合水質(zhì)污染指數(shù)法進行了驗證計算。評價結(jié)果為:單因子標識指數(shù)顯示3個地區(qū)的水質(zhì)均為III類;綜合指數(shù)法結(jié)果顯示3個地區(qū)的水質(zhì)均為II類。

所以在評價青海省黑河水質(zhì)，選用總氮、氨氮、高錳酸鉀指數(shù)、鉛、鎘、汞、砷、銅和六價鉻9個環(huán)境因子作為評價指標時，模糊數(shù)學法所取得的評價結(jié)果最優(yōu)，即最易犯II類錯誤，綜合指標法次之。

3.3 原因分析 通過分析前人的研究資料，當評價因子中出現(xiàn)較多的I類單因子指標時，數(shù)學模糊法的評價結(jié)果往往優(yōu)于其他方法的評價結(jié)果。這可能是由于對于數(shù)學模糊法，高品質(zhì)單因子指標較低品質(zhì)指標對綜合水質(zhì)有更大的影響所導致的。這也是在此次評價結(jié)果中，數(shù)學模糊法得出高品質(zhì)水環(huán)境質(zhì)量的主要原因。

4 結(jié)論

由于模糊數(shù)學法評價的結(jié)果得出的是屬于X類水的可能性，所以筆者計算本次結(jié)果的水質(zhì)等級的期望值可以得到:野牛溝2.29;黑河水文站1.95;八寶河口2.17。根據(jù)期望值的計算，可以得出3個監(jiān)測點的水質(zhì)均為II類，這與綜合指數(shù)法評價結(jié)果一致。筆者認為，使用數(shù)學模糊法的期望值，在評價有較多I類單因子指標的水體中，要比數(shù)學模糊法更為準確。

［1］李惠.黑河流域水質(zhì)評價及變化趨勢分析［D］.蘭州:蘭州理工大學能源與動力工程學院，2014.

［2］朱曉霞.黑河水質(zhì)現(xiàn)狀及防治對策［J］.甘肅環(huán)境研究與檢測，2003，16(3):275 －276.

［3］王淑文，劉臣.水環(huán)境質(zhì)量評價的模糊數(shù)學法［J］.吉林水利，2001(2):20－22.

［4］湛貽勝，方菊，童禎恭.模糊數(shù)學法在給水管網(wǎng)水質(zhì)評價中的應用［J］.西南給排水，2011，33(3):15 －18.

［5］馬虹，屈宜春，劉仁偉.污染指數(shù)法和模糊數(shù)學法在水質(zhì)評價中的應用［J］.環(huán)境保護與水利，2002(3):164 －165.

［6］中國環(huán)境科學研究院.GB 3838－2002地表水環(huán)境質(zhì)量標準［S］.北京:中國環(huán)境科學出版社，2002.

［7］段春青，陳曉楠，劉昌明.可變模糊集力法在湖泊水質(zhì)評價中的應用［J］.數(shù)學的實踐與認識，2009，39(22):36 －40.

［8］胡明星，郭達志.湖泊水質(zhì)富營養(yǎng)化評價的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡模型［J］.環(huán)境科學研究，1998，11(4):40 －42.

［9］史曉新，夏軍.水環(huán)境質(zhì)量評價灰色模式識別模型及應用［J］.中國環(huán)境科學，1997，17(2):127 －130.

［10］郭明明.標識指數(shù)法在河流水質(zhì)評價中的應用［J］.環(huán)境科學與管理，2006，31(7):175 －178.

［11］嚴桂英.標識指數(shù)評價法在河流水質(zhì)評價中的應用［J］.污染防治技術(shù)，2013，26(5):19 －23.

［12］盧文喜，李迪，張蕾，等.基于層次分析法的模糊綜合評價在水質(zhì)評價中的應用［J］.節(jié)水灌溉，2011(3):43－46.

［13］毛興華.常用水質(zhì)評價方法的選擇［J］.水科學與工程技術(shù)，2006(1):21－23.