渭河宝鸡段水环境质量评价

谢恒星

(渭南师范学院化学与生命科学学院，陕西渭南714000)

地表水环境的优劣关系到地区经济的发展和当地居民的健康状况［1］.渭河是黄河的最大一级支流，也是陕西省的第二大工业城市——宝鸡市地表水的主要来源，渭河水质状况对宝鸡市的经济发展举足轻重，正确了解渭河水环境对于政府制定经济发展战略、调整产业布局和采取环保措施至关重要［2］.常用的水环境质量评价方法包括灰色系统分析法［3］、人工神经网络模型［4］和综合指数法［5］.模糊数学方法在一些边界不清、不易定量的因素分析中显示出很大的优越性，也同时适用于水环境质量的评价［6］.表示水环境质量的污染物浓度指标较多，且指标之间存在较为复杂的联系，每一指标在水环境质量评价中的贡献率是水环境质量评价中较难确定的问题［7］.本文应用熵权系数法确定水环境质量评价指标中的权重系数，以消除主观因素对指标权重确定的干扰［8］，利用模糊物元法对2009年渭河宝鸡段6个过水断面的水环境质量进行综合评价，以正确认识该区域水环境质量状况.

1 基于熵权的模糊物元法基本原理

1.1 模糊物元的基本概念

物元分析中由事物M、特征C和量值x三要素组成物元R，若量值x具有模糊性，则称R为模糊物元.n个事物的m维物元组成复合模糊物元Rnm：

式中：Mj为第 j个事物(j=1，2，…，n)，Ci为第 i个特征(i=1，2，…，m)，xji为第 j个事物中第 i个特征对应的模糊量值.

1.2 从优隶属度的计算

从优隶属度μji定义为各单项指标对应的模糊量值从属于标准方案对应的模糊量值的隶属程度，由各从优隶属度μji组成从优隶属度矩阵

由于各单项指标对应的量值相对于标准方案对应的量值的优劣程度不同，因此从优隶属度采用不同的公式进行计算［9］：

式中：xji(max)和xji(min)分别为第j(j=1，2，…，n)个事物中对应的模糊量值的最大值和最小值.

1.3 标准模糊物元和差平方矩阵的计算

标准模糊物元R0m是指从优隶属度矩阵Rnm中的最大值或最小值.若以△ji(i=1，2，…，m;j=1，2，…，n)表示标准模糊物元R0m与从优隶属度矩阵R'nm中各个元素的差的平方，则差平方矩阵R△可表示为：

式中：μ0j为标准模糊物元R0m中的从优隶属度.

1.4 熵权系数的计算

由于水环境质量评价指标的重要程度不同，因此需要确定其权重.在信息论中，熵值反映信息无序化程度，其值越小，系统无序度越小，故可用信息熵评价所获系统信息的有序度及其效用，即由评价指标值构成的判断矩阵来确定指标权重.熵权系数的具体计算步骤为：

设由n个事物和m个评价指标组成判断矩阵R：

1.5 贴近度(综合评价优劣度)的计算

利用欧式贴近度来表示被评价样本与标准样本的接近程度，从而对各方案进行优劣排序或类别划分.欧式贴近度的复合模糊物元矩阵RPH的表达式为：

式中：PHj为贴进度模糊物元矩阵RPH中的第j个贴近度，且

贴近度越大，表示被评价样本与标准样本越接近，反之则相离越远，因此可以利用贴近度来表示被评价样本的环境质量与标准样本的差别程度.

2 基于熵权的模糊物元法在水环境质量评价中的应用

在运用基于熵权的模糊物元分析法对水环境质量进行评价的过程中，将评价对象的水环境质量作为物元的事物，以各项评价指标及其相应的模糊量值构造复合模糊物元，通过计算与标准模糊样本之间的欧式贴近度值，实现待评样本的水环境质量状况的识别与排序.

对于本实例来说，利用《2009年宝鸡市环境质量公报》数据，将渭河宝鸡段6个断面和5级水环境质量标准(GB3838－2002)作为11个事物，7个污染物浓度指标作为7个特征，组成复合模糊物元如表1.由于选取的水环境质量指标均为负向指标，因此利用公式(4)进行量值的从优隶属度计算.取从优隶属度矩阵中的最大值组成标准模糊物元，即各指标从优隶属度均为1，得到差平方复合模糊物元如表2.由11个事物和7个评价指标组成判断矩阵，利用式(8)将判断矩阵中的元素进行归一化处理，将结果代入式(11)和式(9)，得到评价指标的熵值，再与式(12)结合，得到评价指标的权重系数如表3.将评价指标的熵值和权重系数代入式(15)，得到欧式贴近度，即各断面的水环境质量综合排序如表4.

表1 渭河宝鸡段水环境质量的复合模糊物元 单位：mg/L

表2 渭河宝鸡段水环境质量的差平方复合模糊物元

表3 渭河宝鸡段水环境质量评价指标的熵和权重系数

表4 渭河宝鸡段各断面的水环境质量排序

由表4可知，渭河宝鸡段2009年6个过水断面的水环境质量优劣排序为林家村＞胜利桥＞卧龙寺桥＞常兴桥＞虢镇桥＞蔡家坡桥，基本呈现随渭河流向由西向东递减的趋势，这与综合水质标识指数法的研究结果相一致［10］.但综合水质标识指数法没有区别卧龙寺桥和常兴桥两个地点的水环境质量，且没有把各过水断面的水环境质量与水环境质量标准进行对比.由表4还可以看出，林家村和胜利桥断面水质达到II类地表水环境质量标准;卧龙寺桥、常兴桥和虢镇桥断面水质达到III类地表水环境质量标准;蔡家坡桥断面水质最差，达到Ⅳ类地表水环境质量标准.林家村断面位于渭河宝鸡段的上游地区，污染源较少，所以水质最好;胜利桥和卧龙寺桥断面位于市区，由于市区工业废水和生活污水的直接排放，再加上渭河河水在林家村处通过宝鸡峡被引入引渭渠进行农灌，导致下游水量减少，降低了水体的自净能力，从而导致两个过水断面水环境质量的下降;蔡家坡断面位于该区域河段的下游，污染物的聚集导致该地区水质的进一步恶化，加强该地区的污水处理是宝鸡市水环境防治的工作重点.

3 结论

利用基于熵权的模糊物元法对渭河宝鸡段6个过水断面的水环境质量进行了综合评价，得到水环境优劣排序为林家村＞胜利桥＞卧龙寺桥＞常兴桥＞虢镇桥＞蔡家坡桥，除蔡家坡桥断面水环境较差外，其他5个断面的水环境质量均达到III类地表水环境质量标准，且林家村和胜利桥断面水质达到II类地表水环境质量标准.实现渭河流域沿途工业的清洁生产，减少污染物的排放是解决渭河水污染、提高渭河水环境质量的根本措施.

［1］张艳玲.陕西省渭河流域水资源及水环境的综合治理研究［J］.西北水资源与水工程，2001，12(4)：44－46.

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［6］王陆军，廖晓芬，王科.渭河宝鸡段水环境质量分析［J］.宝鸡文理学院学报(自然科学版)，2005，25(2)：152－155.

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［9］张先起，梁川.基于熵权的模糊物元模型在水质综合评价中的应用［J］.水利学报，2005，36(9)：1057－1061.

［10］张军，耿雅妮.宝鸡主要河流水环境质量综合评价［J］.水资源与水工程学报，2010，21(5)：142－144.