模糊数学法在海洋水质评价中的应用

曹宇峰 ，林春梅 ，孙 霞

（1.中国海洋大学海洋环境学院，山东 青岛 266003；2.厦门海洋环境监测中心站，福建 厦门 361008；3.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061）

模糊数学法在海洋水质评价中的应用

曹宇峰1,2，林春梅2，孙 霞3

（1.中国海洋大学海洋环境学院，山东 青岛 266003；2.厦门海洋环境监测中心站，福建 厦门 361008；3.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061）

根据福建东碇临时海洋倾倒区2007—2009年间实施的5次海水水质监测资料，应用模糊合成-加权平均复合模型对该区及周边海域水质进行综合评价，分析倾倒活动对水质的影响情况，并与单参数特征值法评价结果相比较。结果表明∶应用模糊合成的原理，根据最大隶属度原则评价水质，体现了分级界限的模糊性，其评价结果较单参数特征值法更接近客观实际。

模糊数学；海水水质；倾倒区；福建东碇

随着近些年来我国沿海地区海洋经济的快速发展，港口、航道、码头和泊位等海洋（涉海）工程的建设与维护中产生了大量的疏浚物。这些疏浚物大部分倾倒在指定的海洋倾倒区。为保证适应倾倒区自净能力，防止倾倒区污染，必须对倾倒区及周边海域实施海洋环境跟踪监测并进行客观、科学的质量评价，从而掌握倾倒活动对海洋环境的影响，为海洋管理部门对该倾倒区采取环境维护措施和决定是否延期使用提供决策依据。但由于海水水质评价中的污染程度、水质分级界限等本身都是一些客观存在的模糊概念和模糊现象，而以往评价中常用的单参数和综合指数法都不能很好地解决这种“模糊性”，所以近几年来模糊数学法逐渐被引入水质评价中[1～4]，通过选择合适的模糊评价模型，客观、科学地反映水质状况。本文就福建东碇临时海洋倾倒区为例，根据其2007—2009年实施的5次海水水质监测资料，应用模糊合成-加权平均复合模型对倾倒区及周边海域水质进行综合评价，比较其结果与单参数指数法评价结果，表明该方法具备较显著的优势和可操作性。

1 方法原理

模糊合成-加权平均复合模型首先是确定评价参数隶属于每一质量等级的可能性，通过模糊运算法来对水质进行综合评价[5]，其基本步骤如下：

（1）计算评价参数B的隶属度：根据评价参数B质量浓度的实测值 ρ(B)和《海水水质标准》（GB 3097-1997）[6]中规定的j等级该评价参数的指标ρSj(B)，选用降半梯形公式计算评价参数B水质标准等级j下的隶属度rj（B）。该参数隶属度按式（1.1）-式（1.3）计算：

属于第j级水质的隶属度

属于最后一级水质的隶属度：

式中：rj(B)为评价污染参数对水质标准j级的隶属度，无量纲量；ρ(B)为评价污染要素的实测值，单位按GB 3097-1997海水水质标准规定；ρSj(B)为GB 3097海水水质标准中规定的评价污染要素的j等级指标；B为某评价污染要素,即该要素基本单元：原子、离子、分子、粒子或其组合；j为GB 3097海水水质标准中规定水质级别，1997 版规定：j为 1，2，3，4；n为GB 3097海水水质标准中规定水质最大级别，1997版规定：n=4。

例如：溶解氧的溶质为氧，基本单元B为O（氧原子），且GB 3097海水水质中规定的其j等级指标随着水质级数的升高而降低，所以构造其隶属度时可改写为如下形式：

（2）计算各评价要素的权：各要素的权表示各要素在决定水质等级上所起的作用的度量，不仅与实测值大小有关，而且与其水质标准中规定的各水质等级相应指标有关。不同要素，实测值相同，规定的质量浓度指标低的、则对污染的影响较大，也就是该要素超标较严重，权较大，计算公式为：

式中:W（B）为要素 B 的权；ρ（B）和 ρSj（B）与式（1.1）～（1.3）相同。

鉴于GB 3097海水水质中规定的海水中溶解氧j等级指标随着水质级数的升高而降低，其权计算式为式（2）的倒数：W（B）=ρSj（O）/ρ（O）。

对W（B）按式(3)作归一化处理。

各级人影部门均按需设岗，市级人影业务人员分为：作业天气过程预报岗、作业条件潜力预报岗、作业条件监测岗、联合作业方案制定岗、作业跟踪指挥岗、登机作业指挥岗、登机技术保障岗、外场地面保障岗、作业信息管理岗、作业效益评估岗、云水资源评估岗、指挥平台运行保障岗、探测设备保障岗、网络运行管理岗、信息上报及效果评估岗；旗县级人影业务人员分为：综合管理岗、火箭作业岗、应急保障岗、高炮管理岗、信息上报及效果评估岗等；作业点人员分为现场指挥岗、作业实施岗、空域请示及信息上报岗。这样调整以后，做到了每个岗位均由专人负责，专职专岗、岗岗有人、岗岗有责。

式中：W'（B）为要素B的权比；n为参加评价的污染要素个数。

（3）模糊评价运算：根据各要素的隶属度构造隶属矩阵R和权集W'，以式（4）采用广义模糊算子（·,V）进行合成。

式中：K 为模糊评价结果，无量纲量；rj（Bi）为第 i要素 Bi对水质标准各等级的隶属度。

2 应用实例

本文以对福建东碇临时海洋倾倒区为例，运用模糊数学评价方法对海域海水水质进行评价，并与以往常用的单参数指数方法相比较，找出两种方法在海水水质评价上的差异。

2.1 倾倒区情况

厦门港位于我国台湾海峡西岸，九龙江入海口，是东南沿海的区域性枢纽港口、对台航运主要口岸，在2006年合并了厦门市和漳州市的8个港区之后，逐步向台湾海峡区域性航运中心和国际集装箱枢纽港的目标发展。港内码头和航道工程建设产生大量的疏浚物，除了部分用于港区吹填成陆外，大部分疏浚物运载至位于福建东碇岛附近的“福建东碇临时海洋倾倒区”（后称“东碇倾倒区”）进行海洋倾倒处理①《福建东碇临时海洋倾倒区环境监测评估报告》.厦门海洋环境监测中心站.2009年4月.，倾倒区位置见图1。

图1 福建东碇临时海洋倾倒区位置及站位图

东碇倾倒区于2006年6月启用，期限3 a，期间共接受来自厦门港扩建工程的近2.5×107m3疏浚物，年倾倒量见表1。根据各工程疏浚物成分检测资料，在海上倾倒的疏浚物均属于天然疏浚物（Ⅰ类）。

表1 疏浚物年倾倒量/×104m3

2.2 评价材料

2007-2009年期间，我们在东碇倾倒区及周边海域布设14个站位实施了5次（每半年1次）水质跟踪监测②《2007年厦门港扩建工程临时海洋倾倒区海洋环境跟踪监测》.厦门海洋环境监测中心站.2007年11月.③《2008年厦门港扩建工程临时海洋倾倒区海洋环境跟踪监测》.厦门海洋环境监测中心站.2008年10月.，站位分布见图1。所有样品均按照 《海洋监测规范》（GB 17378-2007）规定的方法采集、处理、保存和分析。

2.3 评价参数和标准

本文选取溶解氧、化学需氧量、无机氮、磷酸盐、石油类、铜、铅、锌、镉、铬、汞、砷共12项要素的质量浓度作为评价参数，并按照《海水水质标准》（GB 3097-1997）中第1～4级水质标准进行模糊综合评价。

2.4 评价结果

根据东碇倾倒区2009年3月航次的水质监测结果，应用模糊合成-加权平均复合模型对该海域海水水质进行模糊综合评价，隶属度及权重计算结果见表2（以D01站为例），各站位综合评价结果见表3，其他各航次水质模糊综合评价结果见表4。

表2 隶属度和权重（以2009年3月D01站为例）

表3 2009年3月海水水质模糊综合评价结果

表4 2007—2009年海水水质模糊综合评价结果

根据最大隶属度原则可以看出5个航次的水质均为Ⅰ级，水质较好。由α值的大小确定东碇倾倒区海域各航次水质优劣顺序为：2007年 4月＞2009年 3月＞2007年 9月＞2008年3月＞2008年8月。其中2007年4月航次水质最好，α值为3.944，同年第2航次水质α值略有下降，2008年2个航次水质α值为倾倒区使用期间的低值，分别为3.766和3.750，2009年上半年水质α值好于2008年，为3.911。该海域的主要污染源是倾倒的疏浚物，2007-2009年的倾倒量顺序为2008年＞2007年＞2009年1-6月，与之对应的2008年水质α值低于2007年、2009年。通过分析疏浚物中污染物含量的资料发现3 a来倾倒的疏浚物均为天然疏浚物，基本上未受到污染，并且东碇海域位于台湾海峡，海水交换能力较好，具有一定的纳污能力，虽然2008年倾倒量远高于2007年、2009年，但海水水质仍然较好，为Ⅰ级水质。

2.5 与各航次水质单参数评价结果比较

海水中每一污染物/要素的单参数实测值与其海水水质标准规定的各等级指标的关系可以反映该要素在海洋中的环境影响程度。单参数评价方法是用诸参数实测值中归属最差等级的那项参数所属水质级别来确定海域水质类别[7]。要素B实测值（评价参数）的归属等级按式（5）求出的评价特征数确定，将要素B实测值依次按式（5），自最佳等级起，依次与其各级的指标相比，求得的评价特征数不大于1时水质等级指标对应的水质等级即为该要素归属等级。计算式为：

式中： D（B）为要素 B 的评价特征数，无量纲量；ρ（B）为要素B的实测值，单位按GB 3097海水水质规定；ρSj（B）为GB 3097海水水质中规定的要素B的j等级指标。

因溶解氧的特殊性，海水中溶解氧的评价特征值用下式计算：

式中：D（O）为溶解氧的评价特征值，无量纲量；ρ（O）为溶解氧实测浓度（mg/dm3）；ρf（O）为饱和溶解氧浓度（mg/dm3）；ρSj（O）为GB 3097海水水质中规定的溶解氧的j等级指标（mg/dm3）。

根据各航次数据以单参数评价法评价，结果如表5。

由表4、表5可以看出，两种评价方法存在着较大差异，用模糊综合评价方法得到的水质类别要优于单要素指数评价方法得到的水质类别。这是由于单因子指数法中最差水质要素对整个评价结果的决定性作用，而模糊综合评价方法对参与评价的每个要素的影响作用都计算其权重，考虑其对评价结果的贡献，可以说其评价结果是各个评价要素综合作用的结果。

表5 2007—2009年海水水质单因子综合评价结果

3 结论

本文应用模糊综合-加权平均复合模型对福建东碇临时海洋倾倒区海水水质现状及使用期间各航次水质监测结果进行了综合评价，结果表明：倾倒区及周边海域水质状况总体良好，均为Ⅰ级水质，海水水质情况的变化受到疏浚物倾倒的影响，各航次水质优劣顺序为：2007年4月、2009年3月、2007年9月、2008年3月、2008年8月。将模糊综合评价结果与单参数特征值评价结果进行对比，可以看出两种方法的评价结果相差较大，这是由于单参数特征值法在评价时其特征值界限值过于明显，没有考虑水质分级的模糊性，不能客观地反映海域水质的实际情况。而模糊数学法应用模糊合成的原理，将一些边界不易定量的因素定量化，体现了分级界限的模糊性，考虑了各评价参数在总体污染中的权，不仅反映出海域水质的级别，还能反映出不同要素对水质的污染程度，使得评价结果更接近客观实际。

致谢：本文的完成得到国家海洋标准计量中心秦嗣仁教授、国家海洋局东海预报中心沈幼元教授的指导，并提出宝贵意见，在此表示真挚的感谢。

[1]刘现明，徐恒振.疏浚物倾倒区海水水质级别的模糊综合评价[J].海岸工程，1995，14（2）：33-37.

[2]柳娟，张宏科，覃秋荣.2006年夏季广西合浦海草示范区海水水质模糊综合评价[J].海洋环境科学，2008，27（4）：335-337.

[3]潘怡，仵彦卿，叶属峰.上海海域水质模糊综合评价[J].海洋环境科学，2009，28（3）：283-287.

[4]涂向阳，高学平.模糊数学在海水入侵地下水水质评价中的应用[J].水利学报，2008（8）：64-69.

[5]王淑文，刘臣.水环境质量评价的模糊数学法[J].吉林水利，2001（2）：20-22.

[6]国家环境保护局.GB 3097-1997.海水水质标准[S].1997.

[7]曾永，樊引琴，王立伟，等.水质模糊评价法与单因子指数评价法比较[J].人民黄河，2007,29（2）：64-65.

Application of the Fuzzy Mathematics on the Assessment of Water Quality in Coastal Waste-Dumping Zone

CAO Yu-feng1,2,LIN Chun-mei2,SUN Xia3
（1.College of Physical and Environmental Oceanography,Ocean University of China,Qingdao Shandong 266003,China;2.Xiamen Marine Environmental Monitoring Central Station of SOA,Xiamen Fujian 361008,China;3.First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao Shandong 266061,China）

Using the seawater quality monitoring data in Fujian Dongding provisional coastal waste-dumping zone for five surveys from 2007 to 2009,the fuzzy composition and weighted average complex model is adopted to evaluate the seawater quality in the waste-dumping zone and nearby area.The evaluation result was applied in analyzing the influence of dumping activity on seawater quality,while being compared to the assessed result of single factor water quality identification index.The result showed that the fuzzy composition theory based on the"the biggest subordination"principle incarnates the fuzziness of classification limits,which is more impersonal than the result of single factor water quality identification index.

fuzzy Mathematics；sea water quality； waste-dumping zone；Fujian Dongding

O159,X55

B

1003-2029（2011）02-0118-05

2010-12-01

曹宇峰（1978-），男，河北唐山人，主要从事海洋环境监测与质量控制工作。