朱 潔 ，連新澤 ，柯愛英 ，胡 園 ，曾國權

（1.浙江省海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖研究所，浙江 杭州 310000；2.溫州大學甌江學院，浙江 溫州 325000；3.浙江省近岸水域生物資源開發(fā)與保護重點實驗室，浙江 溫州 325005）

1 問題的提出

水源地水質評價是將水源地水質指標的監(jiān)測結果與水質標準進行比較，判定水源地水質狀況，是水源地水環(huán)境安全管理的基礎工作[1]。常用的淡水水質的評價方法有單因子評價法、綜合指數(shù)法、模糊數(shù)學評價法、灰色系統(tǒng)評價法、層次分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法、內梅羅指數(shù)法等[2-6]。

水質分類級別本質上是水質監(jiān)測指標集合上的一個模糊集，因此采用模糊數(shù)學評價法較為合理[7]，能較好地反映水質級別的模糊性與連續(xù)性[8]。

楠溪江是國內不可多得的水源保護地，是浙江省東海獨流入海河流，甌江的第二大支流。干流總長142 km，流域面積約24 936 km2，河道天然落差1 030 m，平均坡降7.4‰，上、中游平均河寬50 m，下游平均河寬達375 m，平均年徑流量28.5億m3，屬山溪性河流。

本文利用楠溪江2013 — 2016年水質監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過模糊評價法對4 a來楠溪江水質狀況進行評價，以期全面認識水質變化狀況，為楠溪江魚類資源修復及水資源保護提供數(shù)據(jù)參考。

2 評價方法

2.1 建立因子集和評價集

因子是參與評價的評價指標。在水質環(huán)境質量評價中，因子集就是參與評價的各污染因子的實際測定濃度組成的模糊集，則因子集為：

評價集是與因子集中評價因子相應的評價標準集合。在水質環(huán)境質量評價中，評價集是各個污染因子相應的水質環(huán)境質量標準等級的集合，則評價集為：

2.2 隸屬函數(shù)與關系矩陣

模糊關系矩陣（ri，j）通過隸屬函數(shù)的計算得到。水質污染指標大部分為成本型指標，即其值越低，水質越優(yōu)。這種越小越優(yōu)成本型指標采用從1變到0的分段函數(shù)表示，表達式為：

式中：xi為第i個污染物指標濃度的實際監(jiān)測值；si，j為第i個污染物指標第j類水質的標準值。對于污染物指標中的溶解氧指標為收益型指標，即越大越優(yōu)，則采用從0變到1.000的分段函數(shù)表示，隸屬函數(shù)求法類似。

在隸屬函數(shù)公式（3）～（5）中，si，j不再代表各類污染物指標的上下標準限值，而是上下限值的中間值。以氨氮污染指標為例，氨氮污染指標地表水水質標準Ⅰ～Ⅴ類分別為（0，0.150］、（0.150，0.500］、（0.500，1.000］、（1.000，1.500］、（1.500，2.000］，若 si，j取中間值，則可以得到Ⅰ類（ 0，0.075］、Ⅱ類（ 0.075，0.325］、Ⅲ類（ 0.325，0.750］、Ⅳ類（0.750，1.250］、Ⅴ類（1.250，1.750］、劣Ⅴ類（1.750，2.000］6個區(qū)間，相應地得到6個隸屬函數(shù)與隸屬度。ri，j表示第i種污染物被評價為第j類的可能性，則模糊關系矩陣R為：

2.3 評價因子權向量

在模糊綜合評價中，評價因子的權向量在類別判定中起決定性的因素，故其至關重要。權向量中的元素為評價因子集中某一個污染指標的權重，元素的數(shù)值越大，對該水質污染程度的影響越大。確定權向量的方法很多有層次分析法、熵值賦權、污染物超標法以及最優(yōu)權法?，F(xiàn)在確定權重的方法很多，但是存在主觀賦值的方法，對于水質評價工作中權重的確定方法來說，污染物超標法仍然是目前運用最多的一種權重確定方法。

污染物超標法又叫超標倍數(shù)法、 污染物濃度超標加權法、 污染物貢獻率法，是根據(jù)各評價因子的質量分數(shù)來確定權重的一種方法，其數(shù)學表達式為：

式中：Ci為為水質評價因子i的實測值，Si為水質評價因子i對應的標準值，k為待定系數(shù)，本文k取3。

2.4 水質類別判定

模糊綜合評判矩陣是權向量集和隸屬度集的復合運算，

2.4.1 傳統(tǒng)最大隸屬度原則

若模糊綜合評價矩陣為B = (b1，b2，…，bm) ，bj= max(b1，b2，…，bm) ，待評價水體即為j類水質。然而在某些情況下最大隸屬度原則會造成許多信息的損失，從而影響評價結果的客觀性和有效性，故會出現(xiàn)方法的不適用性，下一節(jié)采用隸屬度原則的有效度來判定水質類別。

2.4.2 置信度準則

王靜[9]等考慮最大隸屬度原則存在不適應性，于是對其進行改進。首先，根據(jù)模糊評價矩陣計算最大隸屬度原則的有效度，其計算公式為：

式中：m為模糊綜合評價矩陣中的元素個數(shù)；β為最大隸屬度；γ為第二大隸屬度。

計算有效度時，根據(jù)文獻[10]，當0.5 ≤α≤1時，傳統(tǒng)的最大隸屬度原則比較有效；當0＜α＜0.5時，最大隸屬度原則低效；當α = 0時，最大隸屬度原則完全失效。所以，當有效度α大于等于0.5時，可采用傳統(tǒng)的最大隸屬度原則評價水質類別；但是當最大隸屬度原則的有效度小于0.5時，將采用置信度準則評價水質類別。

置信度準則[11]：設(C1，C2，…，Cm)是一個有序的水質評價集，λ為置信度常數(shù)，檢測站x屬于Ci類水的隸屬度為ux(Ci) ，記監(jiān)測站所屬水質類別為Ck0，即表達式為：

置信度準則是從“強”的角度考慮的，認為越“強”越好，而且“強”的類別應占的比例相當大。置信度一般取 0.60 ～ 0.70[12]，本文取 0.68。

2.4.3 加權平均等級法

置信度準則相對于傳統(tǒng)最大隸屬度原則，有一定的優(yōu)越性，但是對同類水質比較時，仍然失效。這里采用加權平均等級的方法，加權平均原則是將等級看成一系列變化的值，表示式為：

式中：J介于0到100之間，J∈[100，85]為I類，J ∈(85，70]為II類，J∈(70，60]為III類，J∈(60，50]Ⅳ類，J∈(50，0]為V類。

3 楠溪江水質評價

3.1 采樣時間和地點

在該區(qū)域內設立5個水質監(jiān)測站點（見圖1）。2013 — 2016年 每年春季（4 — 5月）、夏季（7 — 8月）、秋季（10 — 11月）、冬季（12月 — 次年1月）4個季度采集水樣樣品。

圖1 水質監(jiān)測站點圖(N1-N5)

3.2 評價因子和評價集

監(jiān)測的指標20多項，在本文中的模糊綜合評價模型中評價因子的選取主要根據(jù)GB 3838 — 2002《地表水環(huán)境質量標準》來評判的監(jiān)測指標，剔除不能直接利用的指標有溫度、pH、透明度、氯度、懸浮物、鎳、葉綠素、總大腸菌群，選取溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、石油類、銅、鋅、鉛、鎘、六價鉻、汞、砷12項作為評價因子，組成評價因子集：U={溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、石油類、銅、鋅、鉛、鎘、六價鉻、汞、砷}；評價集為 V = {Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，劣Ⅴ}

3.3 建立模糊關系矩陣

根據(jù)隸屬函數(shù)的定義，計算每一個污染物指標相對于Ⅰ～ 劣Ⅴ類水質的隸屬度，可以得每個季節(jié)水質的模糊關系矩陣。2013 — 2016年4季各監(jiān)測點水質監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1 ～ 表 4。

表1 2013年4季各點位水質狀況表

表2 2014年4季各點位水質狀況表

表3 2015年4季各點位水質狀況表

表4 2016年4季各點位水質狀況表

以2013年春季為例，其隸屬度矩陣為

按照上述的超標法確定指標權重，根據(jù)式（7）計算各污染指標的權重為 W ={0.114，0.104，0.059，0.107，0.207，0.012，0.023，0.047，0.098，0.079，0.070，0.079}， 采 用模糊關系矩陣R和權重W進行復合運算，得到模糊評價的結果向量：B =（0.372，0.344，0.143，0.141，0.000，0.000），根據(jù)最大隸屬度原則楠溪江2013年夏季的水質為I類，然而B中元素的值均低于0.500，最大隸屬度原則效率低，采用置信度準則（λ = 0.371 + 0.344＞0.680），其水質為II類。采用加權平均等級計算得到78.931，也屬于II類。同理可得其他年份及對應季節(jié)各個監(jiān)測點的模糊評價結果和評價等級。

4 結果與分析

4.1 評價因子監(jiān)測的平均值及等級

2013 — 2016年度溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、石油類、銅、鋅、鉛、鎘、六價鉻、汞、砷的水質監(jiān)測的年均值見表5，每個監(jiān)測指標的年均值對比GB 3838 — 2002《地表水環(huán)境質量標準》，監(jiān)測指標的等級見表5。

表5 2013 — 2016年楠溪江水質檢測均值及等級表

由表5可知，高錳酸鹽在2013年和2014年為II類，2015 — 2016年均為I類，石油類指標連續(xù)4 a為IV類，其余監(jiān)測指標均為I類。

4.2 改進型模糊評價結果

采用改進型模糊評價2013 — 2016年楠溪江水質，結果見表6。

表6 楠溪江2013 — 2016年4季及全年的改進型模糊評價表

由表6可以得出，傳統(tǒng)模糊評價法認為2013年除冬季外其余3季是I類水質，2014 — 2016年所有季度均為I類水質；改進模糊評價法認為2013年春季為II類水質，其余3季為I類水質，2014 — 2016年所有季度均為I類水質。

5 結 語

（1）采用傳統(tǒng)方法對2013年楠溪江的數(shù)據(jù)具有一定的失效性，置信準則與加權平均方法的結果較為接近。通過傳統(tǒng)和改進模糊評價法分析，2014 — 2016楠溪江水質整體達到I類水質標準。

（2）楠溪江水質質量處于I類水質，適合增殖放流水域，以修復楠溪江自然水域特有魚類種群資源，確保楠溪江漁業(yè)資源良性發(fā)展和飲用水源安全。