逯曄坤，靳春玲，貢 力

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730070)

0 引 言

水是地球表面最多的天然物質(zhì)，覆蓋了71%以上的表面。作為生活不可缺少的重要組成部分，水質(zhì)的好壞對人類生活具有深遠(yuǎn)的影響。近年來，隨著基礎(chǔ)工程的大量建設(shè)，相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了大量工業(yè)廢水并沒有合理處置，導(dǎo)致一些生態(tài)環(huán)境被破壞，水的自凈功能降低，使水質(zhì)發(fā)生惡化，嚴(yán)重影響了人類正常生活，保護(hù)水資源，防治水污染已成為重要一環(huán)。黃河自西向東流經(jīng)9個省及自治區(qū)，提供了豐富的水資源。蘭州作為黃河唯一穿城而過的省會城市，黃河水的使用作為城市用水的主要來源，使得對水質(zhì)的要求變得尤為突出，故而對黃河蘭州段水質(zhì)進(jìn)行評價，對蘭州經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

國外水質(zhì)評價始于20世紀(jì)60年代中期，在70年代發(fā)展較為繁榮，各種評價水質(zhì)質(zhì)量指數(shù)的方法被相繼提出，20世紀(jì)80年代，國內(nèi)學(xué)者對水質(zhì)質(zhì)量指數(shù)計算進(jìn)行了改進(jìn)，提出了幾何均數(shù)評價[1]、半集均方差評價[2]等。隨著發(fā)展水質(zhì)評價產(chǎn)生大量評價方法，但沒有確定、統(tǒng)一的評價方法，國內(nèi)外對水質(zhì)評價的研究方法主要分為單因子評價法、綜合指數(shù)評價法和綜合評價方法(包括：模糊綜合評價法、主成分分析法、集對分析法、灰色評價法及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等)[3-8]。單因子評價法是以最差因素的水質(zhì)級別作為最終水質(zhì)評價級別，評價結(jié)果保守；綜合指數(shù)評價法方便易用，但沒有考慮因素的權(quán)重；綜合評價方法考慮影響水質(zhì)的多個指標(biāo)與評價標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系，從而確定水質(zhì)的綜合結(jié)果[9]。

在和諧理念下，采用和諧理論定量分析方法—和諧度方程(HDE)，考慮影響水質(zhì)因素的和諧程度，建立新的評價模型。馬軍霞[10]利用和諧度方程的“分類等級評價”方法對水質(zhì)進(jìn)行了評價，本文在參考其基礎(chǔ)上利用和諧度方程“綜合程度評價”方法[11]對黃河蘭州段水質(zhì)進(jìn)行評價。

1 和諧度方程(HDE)評價模型

左其亭教授于2009年在《和諧論的數(shù)學(xué)描述方法與應(yīng)用》中把研究“和諧”行為的理論和方法體系稱為和諧論(harmony theory)，并進(jìn)一步定義“和諧論是研究多方參與者共同實現(xiàn)和諧行為的理論和方法”[12,13]。和諧論具有廣泛的應(yīng)用前景，是揭示自然界和諧關(guān)系的重要理論，其定量表達(dá)方法為和諧度方程(harmony degree equation)，被期刊《The Scientific Word Journal》編輯稱為“左氏和諧度方程”(Zuo-harmony degree equation)[14]。自和諧度方程提出以來，在水資源的研究中做出了一定的成果，比如跨界河流分水問題[15]；流域人水和諧問題[16]；入河污染物排放量分配問題[17]；水資源分配和調(diào)度優(yōu)化問題[18]。

1.1 和諧度方程表達(dá)式

1.1.1 單因素和諧度方程

HDk=ai-bj

(1)

式中：HDk為某一因素Fk對應(yīng)的和諧度，是表達(dá)和諧程度的指標(biāo)，HDk∈[-1，1]；a為統(tǒng)一度(unity degree)，和諧參與者按照和諧規(guī)則具有“相同目標(biāo)”所占的比重，a∈[0，1]；b為分歧度(difference degree)，和諧參與者對照和諧規(guī)則和目標(biāo)存在分歧情況所占的比重，b∈[0，1]；i為和諧系數(shù)(harmony coefficient)，反映和諧目標(biāo)的滿足程度，可依據(jù)和諧目標(biāo)計算確定，i∈[0，1]；j為不和諧系數(shù)(disharmony coefficient)，反映和諧參與者對存在分歧現(xiàn)象的重視程度，可以根據(jù)分歧度計算確定，j∈[0，1]。

1.1.2 多因素和諧度方程

(1)加權(quán)平均計算。

(2)

式中：HD為綜合和諧度，HD∈[-1，1]；wk為權(quán)重，wk∈[0，1]。

(2)指數(shù)權(quán)重加權(quán)計算。

(3)

式中：βk為指數(shù)權(quán)重，βk∈[0，1] 。

1.2 和諧度方程各參數(shù)確定方法

(1)統(tǒng)一度a。

a=φ(A1，A2)

(4)

式中：φ(A1，A2)為和諧行為A1與A2之間的關(guān)聯(lián)程度隸屬度，通常對指標(biāo)體系建立線性函數(shù)進(jìn)行計算。

(2)分歧度b。分歧度b與統(tǒng)一度a表達(dá)的意思相反，且a+b=1 ，故：

b=1-φ(A1，A2)

(5)

(3)和諧系數(shù)i。根據(jù)和諧目標(biāo)滿足程度確定和諧系數(shù)曲線，即而確定和諧系數(shù)，本文采用和諧系數(shù)兩節(jié)點公式計算，故：

(6)

(4)不和諧系數(shù)j。 其反映和諧參與者對存在分歧現(xiàn)象的重視程度，可以根據(jù)分歧度計算確定，一般取j=b。

因和諧度方程參數(shù)確定較為靈活，詳細(xì)計算參照文獻(xiàn)[12]。

1.3 和諧度方程評價流程

(1)確定評價指標(biāo)及指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)確定單因素和諧度。按照指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，分別計算指標(biāo)的統(tǒng)一度a、分歧度b、和諧系數(shù)i、不和諧系數(shù)j，確定指標(biāo)的和諧度。

(3)確定指標(biāo)的權(quán)重。

(4)確定綜合和諧度。通過上述多因素和諧度計算方法，計算出評價對象的和諧度值。

(5)確定評價結(jié)果。對比評價標(biāo)準(zhǔn)確定最終結(jié)果。

圖1 和諧度方程評價流程Fig.1 Harmony equation evaluation process

2 黃河蘭州段水質(zhì)評價

2.1 評價指標(biāo)數(shù)據(jù)

以蘭州環(huán)境保護(hù)局2017年黃河蘭州段新城橋斷面和什川橋斷面黃河水pH值、水溫、濁度、溶解氧、電導(dǎo)率、氨氮和高錳酸鹽指數(shù)7項指標(biāo)的自動監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行黃河水質(zhì)評價。具體數(shù)據(jù)見表1和表2。

2.2 評價指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)

我國依據(jù)地表水水域環(huán)境功能和保護(hù)目標(biāo)，將水質(zhì)劃分為Ⅰ～Ⅴ類，不同功能類別分別執(zhí)行相應(yīng)類別的標(biāo)準(zhǔn)值。按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)確定上述除濁度和電導(dǎo)率外5項指標(biāo)的等級標(biāo)準(zhǔn)，濁度和電導(dǎo)率單獨進(jìn)行級別考慮，見表3。

2.3 評價指標(biāo)和諧度參數(shù)計算

2.3.1 統(tǒng)一度a計算

根據(jù)表3的標(biāo)準(zhǔn)劃分和相關(guān)研究，對相關(guān)指標(biāo)建立線性函數(shù)，按式(4)確定指標(biāo)每一季度的統(tǒng)一度，如下：

表1 黃河蘭州段2017年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.1 Water quality monitoring data for 2017 in the Yellow River Lanzhou Section

表2 黃河蘭州段2017年四個季度水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.2 Water quality monitoring data for the fourth quarter of 2017 in the Yellow River Lanzhou section

表3 黃河水質(zhì)評價相關(guān)指標(biāo)及其標(biāo)準(zhǔn)值 mg/L

(7)

(8)

(9)

其余指標(biāo)中濁度(TB)和電導(dǎo)率(EC)在《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中沒有明確要求，以黃河的實際情況考慮，取統(tǒng)一度a=0.5；考慮蘭州的溫度變化情況對水溫(T)的影響情況，取統(tǒng)一度a=0.5；溶解氧(DO)的實測值全部高于7.5 mg/L，滿足Ⅰ類水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)，取統(tǒng)一度a=1。詳細(xì)計算數(shù)值見表4。

2.3.2 分歧度b計算

分歧度b表示和諧參與者對照和諧規(guī)則和目標(biāo)存在分歧情況所占的比重，與統(tǒng)一度a表達(dá)的意思相反，故按式(5)進(jìn)行計算，各指標(biāo)分歧度數(shù)值見表5。

2.3.3 和諧系數(shù)i計算

根據(jù)和諧目標(biāo)滿足程度確定和諧系數(shù)曲線或函數(shù)。本文和諧系數(shù)計算通過模糊思想，將和諧系數(shù)按照地表水等級標(biāo)準(zhǔn)劃分為0～0.25、0.25～0.5、0.5～0.75、0.75～1、1五類并和各指標(biāo)具體劃分范圍進(jìn)行匹配，按照式(6)，確定各指標(biāo)和諧系數(shù)。

水溫、濁度和電導(dǎo)率取i=0.5，溶解氧取i=1，指標(biāo)詳細(xì)數(shù)值見表6。

表4 各指標(biāo)統(tǒng)一度a 值Tab.4 Unity degree “a” value of each indicator

表5 各指標(biāo)分歧度b值Tab.5 Difference degree “b” value of each indicator

表6 各指標(biāo)和諧系數(shù)i值Tab.5 Harmony coefficient “i” value of each indicator

2.3.4 不和諧系數(shù)j計算

不和諧系數(shù)j反映和諧參者對從在分歧現(xiàn)象的重視程度，可以根據(jù)分歧度計算確定，即j=b，各指標(biāo)不和諧系數(shù)參照表5確定。

2.4 確定各指標(biāo)和諧度HDk

采用式(1)確定各指標(biāo)和諧度值，結(jié)果見表7。

表7 各指標(biāo)和諧度值Tab.7 harmony degree values of each indicator

2.5 確定權(quán)重

(1)通過對兩斷面各指標(biāo)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用熵權(quán)法確定PH值、水溫、濁度、溶解氧、電導(dǎo)率、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)7項指標(biāo)的權(quán)重值，結(jié)果見表8。

表8 各指標(biāo)權(quán)重Tab.8 weights of indicators

(2)因為每季度跨度較長，無法精確確定其權(quán)重，故采用等權(quán)重法，確定每季度的權(quán)重，即每季度的權(quán)重分別為0.250；新城橋、什川橋斷面分別為蘭州段上游和下游的監(jiān)測斷面，具有同等作用，故權(quán)重分別為0.500。

通過采用等權(quán)重法和熵權(quán)法相結(jié)合的主客觀方法確定權(quán)重，減少了權(quán)重的主觀性，使權(quán)重更加客觀。

2.6 確定蘭州段黃河水質(zhì)的和諧度

采用多因素和諧度方程的加權(quán)平均計算公式[式(2)]，計算各項指標(biāo)每季度的和諧度，即：

(10)

式中：ωi為斷面權(quán)重；HDki為對應(yīng)斷面指標(biāo)和諧度值。

計算得出黃河蘭州段每季度的和諧度值見表9。

表9 每季度和諧度值Tab.9 Quarterly harmony degree values

再次進(jìn)行加權(quán)平均計算，最終得2017年蘭州段黃河水質(zhì)和諧度HD=0.56。

2.7 確定最終結(jié)果

通過運用和諧度方程計算得出2017年蘭州段黃河水質(zhì)和諧度值，根據(jù)和諧度水質(zhì)等級劃分表(見表10)，確定出2017年蘭州段黃河水質(zhì)為Ⅲ類水，結(jié)果符合實際情況。

表10 水質(zhì)和諧度劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.10 Water quality harmony degree classification standard

3 結(jié) 論

(1)通過確定每季度和諧度，得出第一季度至第四季度和諧度以此增加，故應(yīng)該重視第一季度各指標(biāo)的變化情況，其對水質(zhì)影響較明顯。黃河水質(zhì)監(jiān)測的因素中，水溫、濁度和電導(dǎo)率和諧度最低，與蘭州段情況相符，因蘭州段“冬長夏短”溫差變化較大，上游黃土受長期沖刷導(dǎo)致黃河水泥沙含量高，既而水的純凈度低，水中含有能導(dǎo)電物質(zhì)增加，使得電導(dǎo)率數(shù)值很高。在環(huán)境生態(tài)建設(shè)的前提下，應(yīng)突出對黃河上游水生態(tài)的修復(fù)，提高黃河上游水環(huán)境，使得黃河水質(zhì)逐漸得到改善。

(2)和諧度方程中的和諧系數(shù)i、不和諧系數(shù)j可根據(jù)實際情況進(jìn)行靈活選擇，綜合評價方法存在一定的模糊性，不易用確定的模式評價問題，其自身靈活確定的特性，突出了和諧度方程綜合評價方法的優(yōu)勢。

(3)本文運用和諧理論的定量表達(dá)方式和諧度方程(HDE)進(jìn)行黃河蘭州段水質(zhì)評價，得出黃河蘭州段水質(zhì)為Ⅲ類水質(zhì)，與黃河委員會2017年水質(zhì)公報結(jié)果相對比，符合實際。其簡便、靈活、符合實際的特點，避免了復(fù)雜的理論和實踐要求，對在實際工作中易于操作，可以對其進(jìn)行一定推廣。

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