引江冲污对大运河镇江段水环境改善效果的模糊综合分析

郭海峰 王志保

（江苏省水文水资源勘测局镇江分局 江苏 镇江 212003）

1 引言

大运河又称京杭大运河，其在镇江谏壁口与长江交汇，构成了国内闻名遐迩的“十字黄金水道”。作为引江济太的骨干河段，大运河镇江段在防控太湖蓝藻危害方面发挥了巨大作用。但是，近几年来，由于水污染物的大量排放，大运河镇江段污染日趋严重，从而对本地区沿河用水及太湖流域补水产生了极大的影响。为改善大运河镇江段水环境，以达到补给太湖流域优质水源和缓解本地区水污染压力的双重目的，镇江市通常利用设于大运河入江口处的谏壁闸对大运河引江冲污。那么，此项措施实施后产生的效果究竟如何，目前，尚无相关文献对此作出分析与研究。2010年镇江市防汛防旱指挥部组织实施了“太湖流域湖西区镇江市水量调度与水环境改善试验”，本文根据该项目实施期间大运河镇江段水质监测资料，采用模糊综合评判法对大运河镇江段调引江水前后的水质状况进行了评价[1-2]，并较为客观地分析了长江引水对大运河镇江段水环境的改善作用。

2 评价方法适用性分析

在水质评价中，污染程度的界线是模糊的，人为地用特定的分级标准去给水质污染程度定性，往往会得出不符合实际的评价结果，如用《地表水环境质量标准》（GB3838-2002） 分别对 30.0 mg/L和 30.1 mg/L COD含量几近相等的水体水质作类别评判[3]，前者为Ⅳ类水,后者却为Ⅴ类水。对于此类模糊问题，采用模糊综合评判法便可得到合理的解决，该方法应用了模糊数学理论[4-5]，能够将一些边界不清、不易定量的因素定量化，评价出水体的质量等级。因而，在进行大运河镇江段水质评价时，本文采用了模糊综合评判法，以提高评价结果的合理性和可信度。

3 监测方案概述

根据对本次“太湖流域湖西区镇江市水量调度与水环境改善试验”的部署,在大运河镇江段上共设水质监测断面3个，分别为近大运河入江口处的镇大公路桥断面、丹阳市城区段下游的丹阳南二环桥断面以及与常州交界处的吕城站断面，各断面位置分布见图1、表1。于2010年11月5日～11月7日开启谏壁闸闸门3天，引长江水入大运河，引水量级为100m3/s～200m3/s，引水期间，分别于每天的9:00、12:00、16:00对各断面取样监测一次。

4 水质的模糊综合评判

4.1 因子集的建立

本文综合考虑了大运河镇江段的实际情况、太湖流域补水要求等方面因素，选取高锰酸盐指数（IMn）、化学需氧量（CODcr）、溶解氧（DO）、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）作为评价因子，建立因子集：U=｛IMn,CODcr,DO,NH3-N，TP｝。以11月5日9:00的监测结果，即试验的首次监测结果作为引水前各因子的浓度值，以11月7日16:00的监测结果，即试验的末次监测结果作为引水后各因子的浓度值，表2为各项因子的监测数据。

4.2 评价集的建立

《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）将水质分为五个等级，各因子标准限值见表3。与其相对应，本次评价将水质分为五个模糊等级，从而建立了评价集：V={Ⅰ类，Ⅱ类，Ⅲ类，Ⅳ类，Ⅴ类｝。

4.3 因子权重的确定

不同污染因子对水质影响程度不同，一般而言，污染因子超标越重，其对水体污染危害越大，因此，以污染因子的超标情况决定其权重，计算公式如下：

式中，wi为第i种污染因子的权重，ci为第i种污染因子的浓度实测值为第i种污染因子各级标准浓度限值的平均值。为了进行模糊合成运算，各因子权重必须归一化，即：

将归一化后的各因子权重组成一个权重集A，它是因子集U上的一个模糊子集，用行矩阵表示，则 A=()。以引水前镇大公路桥断面为例，对各因子进行权重计算，见表4。其中，溶解氧由于与其他因子性质相反，实测浓度低时，表示水质遭受了污染，所以对其权重赋值时取倒数,即：

经计算，得出引水前镇大公路桥断面评价因子权重行矩阵 A=（0.083，0.185，0.152，0.381，0.199）。同理，可得出引水前后所有监测断面的评价因子权重行矩阵。

4.4 模糊关系矩阵的建立

4.4.1 计算隶属度

模糊关系矩阵为所有参评因子对各水质级别隶属程度的一种数学表达形式，在构造模糊关系矩阵时，首先需计算隶属度。为了方便，采用梯形分布建立评价因子对5个水质级别的隶属函数，以高锰酸盐指数为例，其对各水质级别的隶属函数如下：

表1 水质监测断面与入江口相对位置关系

表2 大运河镇江段水质监测数据 （单位：mg/L）

表3 地表水环境质量标准基本项目标准限值 （单位：mg/L）

可用同样方法建立其他各评价因子对5个水质级别的隶属函数。将评价因子的实际监测值x代入某一水质级别的隶属函数，便可计算出评价因子对该水质级别的隶属度u。仍以引水前镇大公路桥断面为例，其评价因子对各水质级别的隶属度见表5。

4.4.2 构造模糊关系矩阵

以每个单项因子的5个隶属度构造成一个行矩阵，再由各单项因子隶属度行矩阵构造成模糊关系矩阵，记为R。由表5构造出引水前镇大公路桥断面评价因子对各水质级别隶属度的模糊关系矩阵如下：

同理，可构造出引水前后所有监测断面的评价因子对各水质级别隶属度的模糊关系矩阵。

4.5 模糊综合评判

将评价因子权重行矩阵A与评价因子对水质级别隶属度的模糊关系矩阵R进行合成运算，便可得到综合评价结果B，它是评价集V上的一个模糊子集，可表示为：

模糊矩阵合成运算的方法很多，常用方法有四种，分别为取积取大法（·，∨）、取积求和法（·，⊕）、取小取大法（∧，∨）以及取小求和法（∧，⊕）。用不同的合成运算方法得到的综合评价结果的精细程度不一样，如取小取大法（∧，∨）过分地强调了极值的作用，在进行取小取大运算时，有可能将一些有价值数据舍弃掉，因而，往往会于评价结果中出现多个相同的最大隶属度；由一些合成运算方法产生的综合评价结果还会受到评价因子数目的影响，如取小求和法（∧，⊕）和取小取大法（∧，∨），在评价因子数目增多时，归一化后的各单因子权重将趋于减小，因而在进行取小运算时，就不易被舍弃，相反，在评价因子数目减少时，归一化后的各单因子权重将趋于增大，因而在进行取小运算时，就容易被舍弃，这样就有可能产生以权重或单因子评价替代综合评价的结果，于是，便失去了综合评价的意义。

表4 引水前镇大公路桥断面各因子权重计算表

表5 引水前镇大公路桥断面评价因子对各水质级别隶属度

基于上述分析，本文采用取积取大法（·，∨）与取积求和法（·，⊕）作模糊矩阵的合成运算，对大运河镇江段水质进行综合评价。其中，取积求和法（·，⊕）考虑了所有因子对评价结果产生的影响，而取积取大法（·，∨）只考虑最大的起主要作用的那个因子对评价结果产生的影响。以取积取大法（·，∨）为例，对引水前镇大公路桥断面进行A与R的合成运算：

表6 大运河镇江段水质综合评价结果

归一化后得：

按取积取大法运算，引水前镇大公路桥断面对Ⅳ类水隶属度最大，为0.417。因而，根据最大隶属度原则，判定水质为Ⅳ类。

以有界和算子“⊕”代替取积取大法（·，∨）中的取大算子“∨”作模糊矩阵的合成运算，便是取积求和法（·，⊕），其中有界和算子“⊕”数学含义可用下式表示：

式中 a1、a2…an为实数，min 为取小运算。

对引水前镇大公路桥断面按取积求和法（·，⊕）进行A与R的合成运算，并对结果作归一化处理，可得：

根据最大隶属度原则，亦可判定引水前镇大公路桥断面水质为Ⅳ类。

4.6 评价结果分析

对引水前后大运河镇江段各监测断面进行综合评价，归一化后的评价结果见表6。

由表6可以看出，在对大运河镇江段水质进行综合评价时，分别以取积取大法（·，∨）、取积求和法（·，⊕）作模糊矩阵的合成运算，再按最大隶属度原则确定水质的级别，得到的结果是一致的。根据引水前后各监测断面水质级别的变化情况，可以判定本次长江引水对大运河镇江段水环境的改善作用比较明显，其中，镇大公路桥断面由Ⅳ类水改善为Ⅲ类水，水质提高了1个级别，丹阳南二环桥断面由Ⅴ类水改善为Ⅳ类水，水质提高了1个级别，吕城站断面由Ⅴ类水改善为Ⅲ类水，水质提高了2个级别。

5 结语

（1）本文采用模糊综合评判法对大运河镇江段引水前后水质进行了评价，解决了水质污染程度界线的模糊性问题，从而使得评价结果更具合理性。

（2）评价与分析结果表明，通过引江冲污，可达到改善大运河镇江段水环境的目的。因而，引江冲污可作为大运河镇江段水环境保护与改善的一项有效措施。

（3）于非引水期内，由于沿河污染物的排放，仍会致使大运河镇江段水环境恢复至原来的污染状态，因此，欲维持和巩固引水对大运河镇江段水环境的改善效果，还必须控制污染源头，对大运河镇江段并施污水截流、污染源整治、河道清淤等多项污染综合防治措施。陕西水利

[1]奚旦立,孙裕生,刘秀英.环境监测[M].北京:高等教育出版社,1995.

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

[3]GB3838-2002，地表水环境质量标准[S].

[4]杨纶标，高英仪.模糊数学原理及应用[M].第四版.广州：华南理工大学出版社，2005.

[5]刘普寅，吴孟达.模糊理论及其应用[M].长沙:国防科技大学出版社，1998.