陳立國(guó)，宋美華，趙文竹

（1.山東省膠東調(diào)水局，山東濟(jì)南250100；2.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東濟(jì)南250061；3.山東省膠東調(diào)水局博興管理站，山東博興256500）

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棘洪灘水庫(kù)水質(zhì)模糊評(píng)價(jià)

陳立國(guó)1，宋美華2，趙文竹3

（1.山東省膠東調(diào)水局，山東濟(jì)南250100；2.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東濟(jì)南250061；3.山東省膠東調(diào)水局博興管理站，山東博興256500）

采用模糊識(shí)別模型，結(jié)合MATLAB編程計(jì)算，選取溶解氧、氨氮、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量和總磷六項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)2008—2014年棘洪灘水庫(kù)的水質(zhì)進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)，以水質(zhì)級(jí)別特征值H反映水庫(kù)水質(zhì)；分析水質(zhì)級(jí)別特征值的變化規(guī)律，為水庫(kù)管理提供理論支持。

水質(zhì)；模糊識(shí)別模型；棘洪灘水庫(kù)；模糊評(píng)價(jià)

水庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)目前多采用單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法，單因子評(píng)價(jià)就是用水質(zhì)最差的單項(xiàng)指標(biāo)所屬類(lèi)別來(lái)確定水體綜合水質(zhì)類(lèi)別，在整個(gè)評(píng)價(jià)過(guò)程中充分顯示超標(biāo)最嚴(yán)重的評(píng)價(jià)因子對(duì)整個(gè)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。為綜合考慮每個(gè)因子對(duì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的貢獻(xiàn)，并把貢獻(xiàn)按權(quán)重進(jìn)行分配，本文選取棘洪灘水庫(kù)2008—2014年溶解氧、氨氮、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量和總磷六項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)值，以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，建立模糊識(shí)別模型，對(duì)水庫(kù)水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，探尋水質(zhì)的變化規(guī)律。

1　模糊識(shí)別模型的建立

應(yīng)用模糊關(guān)系合成原理，將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的方法稱(chēng)為模糊綜合評(píng)價(jià)。本文在模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上，建立水質(zhì)評(píng)價(jià)的模糊識(shí)別模型，過(guò)程如下：

1.1建立模糊集樣本矩陣和指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)矩陣

1）樣本集的指標(biāo)特征值矩陣

式中：xij為樣本j中指標(biāo)i的實(shí)測(cè)值，i=1，2，…，m；j=1，2，…，n。

2）指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣

式中：yih為等級(jí)h時(shí)指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)特征值，i= 1，2，…，m；h=1，2，…，c。

1.2建立相對(duì)隸屬度矩陣本文采用線(xiàn)性?xún)?nèi)插法求隸屬函數(shù)。

1）模糊集相對(duì)隸屬矩陣

對(duì)于正指標(biāo)，濃度越大，水質(zhì)越好；對(duì)于逆指標(biāo)，濃度越小，水質(zhì)越好。

2）h級(jí)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值對(duì)模糊集的相對(duì)隸屬矩陣

R矩陣中若存在一列全為“0”，則該列樣本的水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)均滿(mǎn)足Ⅰ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，即H=1。矩陣R中其他不全為“0”的列，按照步驟（3）～（5）的方法計(jì)算其水質(zhì)級(jí)別。

1.3確定權(quán)重

超標(biāo)倍數(shù)法能夠客觀(guān)地反映各指標(biāo)作用的大小。一般指標(biāo)監(jiān)測(cè)值超標(biāo)越多，權(quán)重越大；但某些因子超標(biāo)越多，權(quán)重反而越小，此時(shí)權(quán)重取其倒數(shù)。

式中vij為第j個(gè)樣本中第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值。對(duì)vij進(jìn)行歸一化處理，組成模糊權(quán)重集V=｛V1，V2，…，Vm｝；將V和單因素模糊評(píng)價(jià)矩陣R進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算，得到綜合評(píng)價(jià)模型A；將A的元素值按列進(jìn)行歸一化處理，得到環(huán)境指標(biāo)綜合權(quán)重矩陣W。

1.4建立模糊模式識(shí)別模型

確定樣本j對(duì)于模糊級(jí)別h的最優(yōu)相對(duì)隸屬度：

式中uij為樣本j對(duì)級(jí)別h的最優(yōu)相對(duì)隸屬度；p為距離參數(shù)，本文取p=2，為歐氏距離。

1.5級(jí)別特征值

本文采用級(jí)別變量特征值作為評(píng)判指標(biāo)，樣本集的級(jí)別特征值矩陣H的計(jì)算見(jiàn)式（9）。

2　棘洪灘水庫(kù)水質(zhì)模糊評(píng)價(jià)

2.1數(shù)據(jù)來(lái)源

選用溶解氧、氨氮、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量和總磷6項(xiàng)指標(biāo)，序列長(zhǎng)度取2008—2014年，取入庫(kù)口和出庫(kù)口監(jiān)測(cè)值的平均值作為計(jì)算序列值。

對(duì)于某指標(biāo)個(gè)別月份缺少監(jiān)測(cè)值的情況，以其他年份同月監(jiān)測(cè)值的平均值代替。對(duì)低于檢出限的指標(biāo)進(jìn)行如下處理：化學(xué)需氧量檢出限值較大，且其與高錳酸鹽指數(shù)的相關(guān)性較高，故當(dāng)化學(xué)需氧量低于檢出限時(shí)，用同時(shí)段的高錳酸鹽指數(shù)的監(jiān)測(cè)值代替；其他指標(biāo)出現(xiàn)低于檢出限的情況時(shí)，取檢出限的1/2代表監(jiān)測(cè)值；各指標(biāo)的檢出限見(jiàn)表1。

表1　水質(zhì)指標(biāo)檢出限mg/L

2.2評(píng)價(jià)過(guò)程

選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)共6項(xiàng)，即m=6，6項(xiàng)指標(biāo)按行排列依次為溶解氧、氨氮、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量和總磷；采用2008—2014年全年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，則樣本共有84個(gè)，即n=84；采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)等級(jí)劃分為Ⅴ級(jí)，即c=5。

采用模糊識(shí)別模型，利用公式（1）～（9），計(jì)算水質(zhì)級(jí)別特征值H，由此得到H的范圍是［1，5］。當(dāng)H∈［1，1.5）時(shí)，水質(zhì)為Ⅰ類(lèi)；當(dāng)H∈［1.5，2.5）時(shí)，水質(zhì)為Ⅱ類(lèi)；當(dāng)H∈［2.5，3.5）時(shí)，水質(zhì)為Ⅲ類(lèi)；當(dāng)H∈［3.5，4.5）時(shí)，水質(zhì)為Ⅳ類(lèi)；當(dāng)H∈［4.5，5］時(shí)，水質(zhì)為Ⅴ類(lèi)。因模糊識(shí)別模型計(jì)算量較大，所以本文利用MATLAB編程計(jì)算。

2.3評(píng)價(jià)結(jié)果分析

棘洪灘水庫(kù)2008—2014年的水質(zhì)級(jí)別特征值H的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1　棘洪灘水庫(kù)2008—2014年水質(zhì)級(jí)別特征值H

由圖1可見(jiàn)，棘洪灘水庫(kù)水質(zhì)多年來(lái)一直滿(mǎn)足Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)整體狀況良好。2008年1月～2012年9月水庫(kù)水質(zhì)穩(wěn)而好，保持在Ⅰ類(lèi)～Ⅱ類(lèi)水平；但2012年10月之后，水庫(kù)水質(zhì)持續(xù)波動(dòng)，水質(zhì)出現(xiàn)變壞的趨勢(shì)，如圖1中虛線(xiàn)所示。

結(jié)合6項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)值序

列的變化，可以發(fā)現(xiàn)，水庫(kù)水體中氨氮、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)和生化需氧量的含量基本不變或略有減少，對(duì)水庫(kù)水質(zhì)變化影響不大；但溶解氧含量的降低和總磷含量的升高較明顯。由此推斷，引起水庫(kù)水質(zhì)變壞的主要因素是溶解氧和總磷。

影響水體溶解氧含量的因素很多，如水生植物的光合作用、水生動(dòng)物的呼吸作用和有機(jī)物的分解作用等，水庫(kù)水體中的磷主要來(lái)自外部輸入和底部沉積物的分解釋放；且溶解氧和總磷含量之間相互影響，較低的溶解氧濃度將促使沉積物中磷元素的釋放。

棘洪灘水庫(kù)作為一座調(diào)蓄型平原水庫(kù)，來(lái)水水質(zhì)的好壞直接影響庫(kù)內(nèi)水體的質(zhì)量。棘洪灘水庫(kù)主要為引黃水，有時(shí)為提高供水保證率，要從大沽河或其他水源引水。因此，要嚴(yán)格做好入庫(kù)水質(zhì)的監(jiān)測(cè)工作，在來(lái)水水質(zhì)不好的情況下，要充分利用水庫(kù)的自?xún)艄δ埽皶r(shí)采取人為輔助措施，例如投放濾食性魚(yú)類(lèi)等，積極改善水庫(kù)水質(zhì)。

3　結(jié)語(yǔ)

1）采用模糊識(shí)別模型，對(duì)2008—2014年棘洪灘水庫(kù)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到棘洪灘水庫(kù)水質(zhì)狀況良好，滿(mǎn)足Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，但近幾年水質(zhì)出現(xiàn)變壞的趨勢(shì)；2）影響棘洪灘水庫(kù)水質(zhì)的主要因素是溶解氧和總磷；故為進(jìn)一步改善水庫(kù)水質(zhì)，應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)測(cè)入庫(kù)水質(zhì)，加強(qiáng)庫(kù)內(nèi)水體中的生物循環(huán)，降低溶解氧和總磷的含量；3）本文采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)量較少，由此得到的評(píng)價(jià)結(jié)果的代表性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

［1］潘峰，付強(qiáng)，梁川．基于層次分析法的模糊綜合評(píng)價(jià)在水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用．東北水利水電，2003，21（08）：22-25.

［2］劉聚濤，高俊峰，姜加虎.不同模糊評(píng)價(jià)方法在水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用比較［J］.環(huán)境污染與防治，2010，32（1）.

（責(zé)任編輯趙其芬）

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1009-6159（2016）-07-0051-02

2016-02-14

陳立國(guó)（1981—），男，工程師