模糊综合评价法在京杭运河徐州市区段水质评价中的应用

李 倩 陈 颖 范传辉

模糊综合评价法在京杭运河徐州市区段水质评价中的应用

李 倩 陈 颖 范传辉

一、前言

京杭运河徐州市区段北起蔺家坝，南至解台闸，横贯徐州市区北部，全长26.9km。该河段担负着南水北调东线工程调水和输水的双重任务，具有饮用水源、航运、灌溉、行洪等多种功能。

按照《江苏省地表水（环境）功能区划》和南水北调东线工程治污目标的要求，该段水域执行《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅲ类标准。由于其位于南水北调东线工程的中段，其水质状况直接影响南水北调东线江苏段的出境水质。但近年来随着汇水区域内工农业的迅速发展，该河段也受到了不同程度的污染。为更好地反映该河段的水质状况，本文采用模糊数学方法对其水质进行综合评价，该方法更切合实际，更贴近水体质量评价的本质。

二、模糊综合评价数学模型的建立

1.建立水质评价因子集合、等级集合

首先建立评价对象因素集合：U= {Ul，U2，…，Um}，其中Ul，U2，…，Um为参与评价的m个评价因子。参照国家相应的环境质量标准，建立评价等级集合为V={V1，V2，…，Vn}，其中V1，V2，…，Vn是与Um相对应的评价标准等级。

2.建立模糊矩阵

在U和V都给定之后，根据其中的模糊关系，得到关系模糊矩阵。m个评价因子隶属于n个不同级别的隶属度组成隶属度矩阵R（R为m×n阶）：

根据模糊关系的定义rij表示第i个评价因子对第j评价等级的隶属度，隶属度可通过隶属函数的计算进行确定。

第1级水质，即j=1时，隶属函数为：

第2～（n-1）级水质，即j=2，3，…，n-1时，隶属函数为：

第n级水质，即j=n时，隶属函数为：

式中：xi为第i个因素Ui的实测值；sij-1、sij、sij+1分别为因素 Ui的第j-1、j、j+1级水质的标准值。

3.建立权重向量

权重系数越大，则该因子对水质的影响程度越大。该研究采用评价因子贡献率的方法确定权向量，通过计算超标率计算权重值，即：

Ii=xi/Si平均

每个评价指标的超标率计算完成后，对其进行归一化处理，即得每个评价指标的权重：

Wi=Ii/ΣIi

式中：Si平均为第i种污染物各级标准值的算术平均值；Ii为无量纲数，表示某评价因子的实际监测值相对于水质标准超标倍数；Wi为第i评价指标的权重。由此可得到权重向量：Wi=｛Wl，W2，W3，…，Wm｝。

4.建立模糊综合评价模型

确定模糊评价矩阵Rij和权重向量Wi后，则可建立模糊综合评价模型：Bij=Wi·Rij。该模型遵循矩阵的运算法则，结合最大隶属度原则，即可得出水体的水质级别。

三、京杭运河徐州市区段水质评价

1.评价范围及数据来源

京杭运河徐州市区段共选取解台闸（上）、荆山桥、洞山西、蔺家坝闸（下）四处水质监测断面来评价河段水质情况。采用2011年各断面年平均水质监测资料来评价分析本河段现状水质状况。采用2007～2011年本河段按照河长和各断面监测值加权平均后的水质资料，来评价分析该河段污染趋势。

2.评价因子集与评价集

根据本河段水质污染特点,评价因子选用CODM n、BOD5、NH3-N、TP、挥发酚共五项指标来评价本河段水质状况,即U= ｛CODM n、BOD5、NH3-N、TP、挥发酚｝。2011年各断面平均值见表1。2007～2011年本河段加权平均值见表2。

表1 2011年各断面平均值表 mg/L

由于水体污染程度本身就是一个模糊概念，因此作为评价污染程度的分类标准也应具有模糊的特征。参考《地表水环境质量标准》（GB3838—2002），评价等级分5级，组成评价等级集合：V={Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ}，污染程度相应为优、良好、轻度污染、中度污染和重度污染，各等级的标准见表3。

3.模糊评价矩阵

以解台闸（上）断面为例，根据各评价因子的隶属函数及实测值，求出各评价因子对各级水的隶属度，并组成模糊矩阵：

表2 2007～2011年本河段加权平均值表 mg/L

表3 模糊综合评价中各项指标的标准值 mg/L

表4 解台闸（上）断面因子权重

表5 各断面的水质评价结果表

表6 2007年～2011年本河段水质评价结果表

4.评价因子的权重矩阵

解台闸（上）断面各评价因子的权重计算方法和结果如表4所示。

5.模糊综合评价模型

根据模糊评价法的原理，可得出解台闸（上）断面水质的评价结果：

Bij=Wi·Rij

由Bij值可知，0.62值最大，根据最大隶属度原则确定解台闸（上）的水质评价等级为Ⅲ级。

6.模糊综合评价结果

对其他断面进行评价结果见表5。2007～2011年本河段水质评价结果见表6。

四、评价结果和讨论

本文将模糊数学的方法引用到水质评价中，根据各指标在描述水体污染程度时清晰化、定量化，反映了监测断面的综合水质状况，最终确定了水质质量级别，避免了以往水质分级不连续的缺点，不至于因某项参数超标而使各综合指标的评价偏高，从而保证了评价结果的可靠性。根据2011年京杭运河徐州市区段4个监测断面监测数据系，本段水质综合评价结果为Ⅲ类。起始断面蔺家坝闸（下）和末端断面解台闸（上）水质较好，全年评价结果在Ⅰ类～Ⅲ类之间。中部断面荆山桥水质较差，部分时段出现了Ⅳ类和Ⅴ类水，主要原因是徐州市北郊工业企业、城市污水处理厂废水通过荆马河进入荆山桥断面上游，主要污染指标为NH3-N。2007年～2011年本河段水质综合评价结果为Ⅲ类～Ⅳ类之间。2007年水质最差，模糊综合评价水质结果为Ⅳ类，主要污染指标为NH3-N、TP、CODM n。通过Ⅳ类水质隶属度结果可以看出，京杭运河徐州市区段水环境状况正逐年转好，这说明2007年以来南水北调东线工程逐步的建设实施对改善沿线水环境状况起到了重要作用。

随着南水北调徐州市截污导流主体工程的建成，徐州市区污水处理厂和污水收集管网亦在加速建设、完善，各种污废水将通过资源化利用、东调入海，本河段纳污量将会逐步减少，水质情况会持续好转

（作者单位：江苏省水文水资源勘测局徐州分局 221006）