張洪偉，周添紅，張國珍，張 翔，楊 浩

(1.蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730000；2.城市雨水系統與水環(huán)境省部共建教育部重點實驗室，北京 100044)

模糊綜合評判法在地表水水質評價中的應用

張洪偉1,2，周添紅1，張國珍1，張 翔1，楊 浩1

(1.蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730000；2.城市雨水系統與水環(huán)境省部共建教育部重點實驗室，北京 100044)

以黃土塬典型干旱半干旱區(qū)正寧縣為研究對象，將模糊綜合評判法引入正寧縣地表水水質評價，采用模糊變換原理和最大隸屬度原則，構建正寧縣區(qū)域內地表水水質模糊綜合評判模型，對不同河流和水庫地表水的水質指標檢測數據作出了定量的綜合評價。結果表明：該縣區(qū)域內庵里水庫和無日天溝水質達到地表水Ⅱ類水質，嘉峪川河、四郎河、支黨河達到Ⅰ類水質；從權重計算結果可以看出，正寧縣區(qū)域內主要地表水水源庵里水庫、嘉峪川河、四郎河、支黨河主要污染物為NH3-N、DO；無日天溝主要污染物為CODMn、DO。說明該縣區(qū)域內主要地表水水源治理和保護情況較好，水源水質均達到Ⅱ類水質以上。但作為人飲重要水源還需要繼續(xù)加強保護和治理，為該區(qū)域城鎮(zhèn)居民生活用水安全和社會經濟發(fā)展提供基礎保障。

模糊綜合評價；地表水；水質評價

近年來，水污染事件頻發(fā)，尤其針對河流、水庫等地表水污染事件屢見不鮮，為群眾飲水安全帶來了極大的隱患，也為國家在水污染治理上蒙受了巨大的經濟損失[1-5]。黃土塬干旱半干旱地區(qū)是我國缺水較為嚴重的區(qū)域，水資源安全問題顯得尤為重要。因而，對該類型區(qū)域地表水進行科學有效的水質安全評價已成為研究的焦點，也是確定相關治理方案的重要依據[6]。

國內針對地表水的水質評價研究較多，如灰色聚類法、多元統計法、因子分析法、五元聯系數、層次分析法、數學模型法以及主成分分析法等等[7-14]。然而，水體污染及其輕重程度屬于模糊概念，根據水質標準進行水質評價是一個典型的模糊模式識別問題，所以應用模糊綜合評判方法進行水質評價引起越來越多的學者的關注[15-18]。模糊綜合評判方法考慮與被評價事物相關的各個因素，采用模糊變換原理和最大隸屬度原則，建立適宜的模糊綜合評判模型，能夠很好地反映地表水質量的模糊性與連續(xù)性，有效解決隸屬度與權重問題[19-21]。

本文以黃土塬干旱半干旱典型地區(qū)甘肅省正寧縣為研究對象，在2015年10月對正寧縣嘉峪川河、四郎河、無日天溝、支黨河以及庵里水庫進行了數據采樣，采用模糊評判法對正寧縣地表水水質作出了定量的綜合評價，較為直觀準確地表達出目前正寧縣區(qū)域內地表水的水質情況，為該區(qū)域社會經濟發(fā)展提供了科學的判斷依據。

1 區(qū)域地表水概況

正寧縣位于甘肅省慶陽市東南部、子午嶺西麓兩溝之間的狹長塬面上，屬于典型隴東黃土高塬溝壑區(qū)，黃土層厚90～150 m，地表水主要由4條河流和一個水庫組成。4條河流是嘉峪川河、四郎河、無日天溝和支黨河，均屬黃河流域涇河水系。正寧縣唯一的一座小(Ⅰ)型水庫庵里水庫位于涇河一級支流四郎河上游，控制流域面積150 km2，總庫容538.39萬 m3，解決了縣城2.5萬人口的生活用水和工業(yè)用水。

2 模糊綜合評判方法簡介

模糊綜合評判是對受多種因素影響的事物作出全面評價的一種十分有效的多因素決策方法，模糊綜合評判法是在確定評價因素、因子的評價等級標準和權值的基礎上，建立各因子對相應水質級別的隸屬函數，然后將實測值代入相應的隸屬函數，經過模糊變換與綜合運算，得到綜合隸屬度，最終確定地表水的水質級別。一般需要如下幾個步驟[22]。

1) 建立因素集U = {U1，U2，…，Ui}，U代表評價因素的集合。

2) 建立評價集V = { V1，V2，…，Vj}，V代表相應評價等級標準的集合。

3) 確定隸屬函數。

采用模糊數學中的“半梯形分布”確定隸屬函數。對數值越小越好的指標選用偏小型半梯形函數，如公式(1)，對數值越大越好的指標選用偏大型半梯形函數，如公式(2)。

(1)

(2)

4) 建立模糊關系矩陣

將實測值代入確定的隸屬函數中，求出第i個因素對第j個等級的隸屬度，從而可得出模糊關系矩陣R，如公式(3)。

(3)

5) 確定評價因素的權向量。

由于各評價因素對水質的影響不同，因此，應賦予不同的權重。pH 值選用公式(6)，對數值越小越好的指標選用公式(4)，數值越大越好的指標選用公式(5)。

(4)

(5)

(6)

式中：Ci為第i 種評價因子的實測濃度，S1為第i 種評價因子多級濃度標準值的最小值，S2為第i 種評價因子多級濃度標準值的最大值。

為了進行模糊運算，將各評價因子的權重值Pi歸一化，從而得到權重集W = { w1，w2，…，wi}。

6) 因數集評判。

將權重W集與模糊評價矩陣R進行復合運算，如公式(7)。

(7)

7) 根據最大隸屬度原則確定評價對象的水質級別。

3 樣品采集及測試

依據正寧縣行政區(qū)域劃分及水質采樣技術規(guī)程要求，采樣點分別設在庵里水庫( 108°27'55″E，35°28'33″N)、嘉峪川河( 107°57'7″E，35°16'10″N)、四郎河( 108°24'9″E，35°26'25″N)、無日天溝( 108°1'52″E，35°20'25″N)、支黨河( 108°23'49″E，35°19'34″N)坐標處，樣品的采集方法及保存方法均按照《HJ494-2009水質采樣技術指導》和《水質采樣技術規(guī)程SL187-96》相關要求進行。

選取pH、CODMn、NH3-N、DO、TP五個指標進行分析，DO和pH用水質分析儀現場測定，其余監(jiān)測指標在實驗室內測定。其中，TP采用鉬酸銨分光光度法測定、NH3-N采用納式試劑比色法測定，CODMn按照GB11890032-89滴定法測定，具體測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第4版)》[23]進行測試。樣品測試結果見表1。

表1 樣品檢測結果 mg/L

4 模型的建立及應用

4.1 評價因子集構建

根據水質監(jiān)測結果，選擇所取樣品水質中的pH、CODMn、NH3-N、DO、TP作為水質評價因子，構建評價因子集U，即U={u1，u2，…，u5}。采用《地表水環(huán)境質量標準(GB3838-2002)》作為評價標準，將水質分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類共5個等級，建立水質評價指標的分級因子集V ={V1，V2，…，V5}，評價因子集U和評價標準集V見表2。

表2 水質中污染因子及等級標準 mg/L

4.2 隸屬函數及模糊關系矩陣建立

根據各個因素的5級水質標準采用“降半梯形公式”確定出其各個級別的隸屬函數。根據樣品測試結果，CODMn、NH3-N、TP值偏小，水質較好，宜選用偏小型半梯形函數計算，偏小型半梯形函數如公式(8)所示。

(8)

而DO值測量結果較大，宜選用偏大型半梯形函數計算，偏大型半梯形函數如公式(9)所示。

(9)

公式(8)和公式(9)中，x為某個評價因子的實測濃度，ai為第i級水質標準。將表1樣品各實測值代入相應隸屬函數，即可得到五個采樣點的模糊關系矩陣，即R1、R2、R3、R4、R5，如公式(10)、(11)、(12)、(13)、(14)所示。

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

4.3 評價因素的權重確定

在權重的計算公式選擇上，根據前述方法， CODMn、NH3-N、TP選用公式(4)，DO選用公式(5)，pH值選用公式(6)，之后進行歸一化運算，計算結果見表3。

4.4 評價結果

通過模糊綜合運算，根據最大隸屬度原則，可以評判出2015年10月正寧縣區(qū)域內主要地表水水源庵里水庫和嘉峪川河、四郎河、無日天溝、支黨河四條河流水源的水質級別，評價結果見表4。

5 結語

本文以正寧縣區(qū)域內主要地表水為研究對象，通過建立模糊綜合評判模型，對正寧縣庵里水庫和嘉峪川河、四郎河、無日天溝、支黨河四條河流的水質進行了模糊綜合評價。評價結果表明：

(1)2015年10月，正寧縣區(qū)域內主要地表水水源嘉峪川河、四郎河、支黨河水質級別為Ⅰ類，庵里水庫、無日天溝水質級別為Ⅱ類。

(2)從權重計算結果可以看出，正寧縣區(qū)域內主要地表水水源庵里水庫、嘉峪川河、四郎河、支黨河主要污染物為NH3-N、DO；無日天溝主要污染物為CODMn、DO。

表3 因子權重的歸一化結果

表4 水質模糊綜合評價結果

(3)從評價方法可見，模糊綜合評判法應用簡單、靈活，將影響水質的多因子有機結合，能夠較為方便合理地對地表水水質進行評價。

(4)從評價結果可見，正寧縣區(qū)域內主要地表水水源治理和保護情況較好，水源水質均達到Ⅱ類水質以上。但作為人飲重要水源還需要繼續(xù)加強保護和治理，為該區(qū)域城鎮(zhèn)居民生活用水安全和社會經濟發(fā)展提供基礎保障。

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Application of fuzzy comprehensive evaluation method in surface water quality evaluation

ZHANG Hong-wei1,2，ZHOU Tian-hong1，ZHANG Guo-zhen1，ZHANG Xiang1，YANG Hao1

(1.School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China；2.Key Laboratory of Urban Stormwater System and Water Environment, Beijing 100044，China)

In this paper, the Loess Plateau typical arid and semiarid zones Zhengning County as the research object, the fuzzy comprehensive evaluation method is used assessmenting the surface water quality of Zhengning County. Based on the fuzzy transformation principle and principle of maximum degree of membership, the comprehensive evaluation on the monitoring data of surface water quality of different rivers and reservoirs is conducted by using the fuzzy comprehensive evaluation method.The results show that the water quality pollution levels of Anli Reservoir and Wuritiangou River are class II and Jiayuguan River, Silang River and Zhidang River are class I. It can be seen from the term weighting results within the main area of Zhengning County,the major pollutants of Anli Reservoir, Jiayuchuan River, Silang River, Zhidang Rive is NH3-N, DO; the major pollutants of Wuritiangou is CODMn, DO. That major surface water’s management and protection of the county area is better.Water quality achieves Ⅱ class .But as an important traditional drink water source also need to continue to strengthen protection and management, for the basic safeguard of regional urban domestic water safety and economic development.

Fuzzy Comprehensive Evaluation；Surface water；Water quality assessment

2016-10-17

城市雨水系統與水環(huán)境教育部重點實驗室開放課題資助(編號：515205)；蘭州交通大學實驗室管理處實驗教改項目資助(編號：201610)

張洪偉(1979-)，男，吉林公主嶺人，講師，主要從事水資源及水系統安全研究。

X824

A

1004-1184(2017)01-0083-04