模糊综合评价在渤海湾生态监控区水质评价中的应用

赵蓓，马文斋，唐伟

（1.国家海洋局北海环境监测中心 青岛市 266033；

2.国家海洋局海洋溢油鉴别与损害评估技术重点实验室 青岛市 266033）

模糊综合评价在渤海湾生态监控区水质评价中的应用

赵蓓1，2，马文斋1，2，唐伟1，2

（1.国家海洋局北海环境监测中心 青岛市 266033；

2.国家海洋局海洋溢油鉴别与损害评估技术重点实验室 青岛市 266033）

将模糊综合评价方法应用于渤海湾生态监控区的水质评价中，通过确定评价指标、评价等级、隶属函数、权重等构建了模糊综合评价模型，实现对各水体样本集水质的总体评价，增加对水质总体评价的精确性和可对比性，以期为制定科学的生态监控区环境污染综合防治规划及综合管理等提供依据。

模糊综合评价渤海湾生态监控区海水水质评价

海水环境质量评价作为海洋环境质量评价的一项重要的基础性内容，是进行海洋环境保护和海洋综合管理工作的重要组成部分，其评价结论可为海洋环保和综合管理提供决策性科学依据。自2004年国家海洋局组织沿海省（自治区、直辖市）在我国近岸海域部分生态环境脆弱区和敏感区建立生态监控区以来，监控区数量已达到 18个，监控区总面积已达到 5.2 万km2，主要生态类型包括海湾、河口、滨海湿地、珊瑚礁、红树林和海草床等典型生态系统[1]。渤海湾生态监控区作为我国重要的海湾，周边有天津滨海新区、河北省曹妃甸循环经济区和沧州渤海新区等已被列入国家发展战略的重大开发区域，其水质评价对于掌握监控区水质污染状况及变化趋势，改善生态监控区环境，保护监控区内典型的生态系统具有重要作用。

目前，对监控区内水环境质量评价多采用单因子污染指数评价法。单因子指数评价法能够比较直接地反应出单一评价指标的优劣状况，但是可能会忽略海洋环境中两种以上污染物的联合作用，造成夸大或缩小海洋环境污染的实际状况[2]。而随着近代数学，如模糊数学、灰色理论等相关理论的广泛应用，水环境质量评价的合理性和精确度有所提高。将模糊数学理论应用到渤海湾生态监控区的水质评价中，可以增加对水质总体评价的精确性和可对比性。

1 渤海湾模糊综合评价模型建立

模糊综合评价是以模糊数学为基础，应用模糊关系合成的原理，将一些边界不清，不易定量的因素定量化，进行综合评价的一种方法。水质评价由于不能用一个简单的“是”或“否”，“非此即彼”来回答。对于这种界限（边界）不分明的事物，需要有一种能对事物渐变过程中的不分明性加以描述的数学形式[3]。模糊模式识别模型是处理这类外延边界“模糊不清”问题的最好方法。因此，在进行评价时，采用模糊综合评价的方法进行定量化处理，评价出水体的质量等级。但权重的确定需要专家的知识和经验，具有一定的缺陷，为此，采用污染因子贡献率来确定各指标的权系数，使其更有合理性，更符合客观实际并易于定量表示，从而提高模糊综合评判结果的准确性。

模糊综合评价模型作为一种功能强大的分析方法，在水环境科学中的应用已经取得了很好的效果[4]。本研究利用年—年月渤海湾200620085生态监控区的水质监测数据，采用模糊综合评价方法评价渤海湾生态监控区在这一时期的水质状况。调查站位见图 1 。

1.1 评价指标及等级标准的确定

因渤海湾生态监控区未进行重金属的监测，且2006、2007年该监控区未进行 COD 监测，因此未将 COD 列入选取指标。选取水质评价指标为DO、磷酸盐、无机氮以及石油类 4 项重要因子。评价等级采用国家《海水水质标准》（GB 3097-1997）中对海水水质的分级标准（Ⅰ～Ⅳ类）。评价指标数值见表 1 。

图1 渤海湾生态监控区调查站位

表1 水质评价指数标准（单位：mg/L）

1.2 隶属函数的建立

通常有两种不同的指标类型：①评价指标标准值随级别 v 的增大而增大；②评价指标标准值随级别 v 的增大而减小。选取的渤海湾生态监控区水质评价的评价指标 DO 属于第②种情况，其余各项因子均属于第①种情况。第①种情况的评价指标建立隶属函数如下所示：

式中，ui为评价指标i的实测值。vij为评价项目第i级的指标值。j为海水的第Ⅰ类到第Ⅳ类海水水质评价标准。

DO 的隶属函数与上述函数相反，不在详述。

1.3 模糊关系矩阵R的建立

依据上述隶属函数，建立模糊关系矩阵R。

其中，评价指标的实测值采用各监测站位的平均值来评价。2006年—2008年的评价指标实测值浓度见表2。

表2 2006年—2008年5月渤海湾生态监控区评价指标实测值浓度（单位：mg/L）

2006年渤海生态监控区水质评价模糊关系矩阵 R1为：

同理可求得2007、2008年模糊矩阵 R2、R3。

1.4 评价指标权重的确定

由于磷酸盐、无机氮等评价指标对水质的影响程度不同，因此对各指标应赋予不同的权重。评价指标权重的计算采用污染因子贡献率，根据污染物对水质的污染大，权重大的原则来决定权重的大小。评价指标的权重为：

由于DO 浓度越大，对水质的影响程度越小，因此其权重为：

其中ai 为评价指标 i 的权重，si为评价指标 i 各评价等级标准值的平均值，i＝1，…，4。对 ai 进行归一化处理，即：

确定权重

2006年至2008年 DO、磷酸盐、无机氮及油类评价指标权重依次为：

2 模糊综合评价

依据建立的隶属函数以及评价指标权重，确定渤海湾生态监控区模糊综合评价结果见表 3 。

表3 2006—2008年5月渤海湾生态监控区模糊综合评价结果

模糊评价结果的选取一般采用最大隶属度原则，按照最大隶属度原则，2006年至2008年渤海湾生态监控区的水质分别为Ⅰ类、Ⅳ类、超Ⅳ类，污染水平呈现持续加重的趋势。但这种方法由于未能包含所有的信息容量，容易造成信息缺失的情况存在，在某些条件下可能会导致不合理的评价结果，且采用这种原则不能对多个样本进行排序，因此采用加权平均法对模糊综合评价结果向量进行分析[4]，这样不仅能评价出水质的等级，而且能对多个样本进行比较排序。

分别对评价等级Ⅰ～Ⅳ级赋值1～4，进行加权平均后得出2006年至2008年评价结果分别为2.278、2.945、2.946。即2006年渤海湾生态监控区水质总体评价结果为Ⅱ类，稍微偏向Ⅲ类，2007、2008年水质基本保持不变，总体评价结果为Ⅲ类，稍微偏向Ⅱ类。整体来看，2006年至2008年渤海湾生态监控区水质总体呈现污染加重的趋势。主要污染因子为无机氮。

3 结论

对于海水水质评价，采用模糊综合评价法避免了采用单因子指数法不能分析两种及两种以上因子对海水水质的综合作用，能够综合评价出待评价海域海水的总体情况及其变化趋势。评价指标权重采用污染因子贡献率的方法，科学客观，避免了采用层次分析法专家打分的主观性。总之，模糊综合评价在海水水质综合评价与排序研究中得以应用，效果较好，是一种行之有效的先进方法。

[1]2008年中国海洋环境质量公报[R]. 国家海洋局，2009.

[2]李亚楠，隋吉学. 海洋环境质量评价技术要点研究[J].水系污染与保护，2003(29)：76-77.

[3]尚守忠，田世义. 水资源及其利用[M].北京：科学技术出版社，1993：238-245.

[4]刘新铭. 淮河流域水环境模糊评价与容量研究[D].南京：南京理工大学，2005.

[5]胡永宏，贺思辉. 综合评价方法. 北京：科学出版社[M]，2000(10)：167-169.

2010年11月9日

渤海环境污染基本评价研究（AOCZDA20080201）。