棘洪滩水库水质模糊评价

陈立国，宋美华，赵文竹

（1.山东省胶东调水局，山东济南250100；2.山东大学土建与水利学院，山东济南250061；3.山东省胶东调水局博兴管理站，山东博兴256500）



棘洪滩水库水质模糊评价

陈立国1，宋美华2，赵文竹3

（1.山东省胶东调水局，山东济南250100；2.山东大学土建与水利学院，山东济南250061；3.山东省胶东调水局博兴管理站，山东博兴256500）

采用模糊识别模型，结合MATLAB编程计算，选取溶解氧、氨氮、化学需氧量、高锰酸盐指数、生化需氧量和总磷六项指标，对2008—2014年棘洪滩水库的水质进行模糊评价，以水质级别特征值H反映水库水质；分析水质级别特征值的变化规律，为水库管理提供理论支持。

水质；模糊识别模型；棘洪滩水库；模糊评价

水库水质监测评价目前多采用单因子指数评价法，单因子评价就是用水质最差的单项指标所属类别来确定水体综合水质类别，在整个评价过程中充分显示超标最严重的评价因子对整个评价结果的影响。为综合考虑每个因子对综合评价结果的贡献，并把贡献按权重进行分配，本文选取棘洪滩水库2008—2014年溶解氧、氨氮、化学需氧量、高锰酸盐指数、生化需氧量和总磷六项水质指标的监测值，以模糊数学为基础，建立模糊识别模型，对水库水质进行综合评价，探寻水质的变化规律。

1　模糊识别模型的建立

应用模糊关系合成原理，将一些边界不清、不易定量的因素定量化，进行综合评价的方法称为模糊综合评价。本文在模糊数学的基础上，建立水质评价的模糊识别模型，过程如下：

1.1建立模糊集样本矩阵和指标标准矩阵

1）样本集的指标特征值矩阵

式中：xij为样本j中指标i的实测值，i=1，2，…，m；j=1，2，…，n。

2）指标标准特征值矩阵

式中：yih为等级h时指标i的标准特征值，i= 1，2，…，m；h=1，2，…，c。

1.2建立相对隶属度矩阵本文采用线性内插法求隶属函数。

1）模糊集相对隶属矩阵

对于正指标，浓度越大，水质越好；对于逆指标，浓度越小，水质越好。

2）h级指标标准特征值对模糊集的相对隶属矩阵

R矩阵中若存在一列全为“0”，则该列样本的水质评价指标均满足Ⅰ类水标准，即H=1。矩阵R中其他不全为“0”的列，按照步骤（3）～（5）的方法计算其水质级别。

1.3确定权重

超标倍数法能够客观地反映各指标作用的大小。一般指标监测值超标越多，权重越大；但某些因子超标越多，权重反而越小，此时权重取其倒数。

式中vij为第j个样本中第i个指标的权重值。对vij进行归一化处理，组成模糊权重集V=｛V1，V2，…，Vm｝；将V和单因素模糊评价矩阵R进行复合运算，得到综合评价模型A；将A的元素值按列进行归一化处理，得到环境指标综合权重矩阵W。

1.4建立模糊模式识别模型

确定样本j对于模糊级别h的最优相对隶属度：

式中uij为样本j对级别h的最优相对隶属度；p为距离参数，本文取p=2，为欧氏距离。

1.5级别特征值

本文采用级别变量特征值作为评判指标，样本集的级别特征值矩阵H的计算见式（9）。

2　棘洪滩水库水质模糊评价

2.1数据来源

选用溶解氧、氨氮、化学需氧量、高锰酸盐指数、生化需氧量和总磷6项指标，序列长度取2008—2014年，取入库口和出库口监测值的平均值作为计算序列值。

对于某指标个别月份缺少监测值的情况，以其他年份同月监测值的平均值代替。对低于检出限的指标进行如下处理：化学需氧量检出限值较大，且其与高锰酸盐指数的相关性较高，故当化学需氧量低于检出限时，用同时段的高锰酸盐指数的监测值代替；其他指标出现低于检出限的情况时，取检出限的1/2代表监测值；各指标的检出限见表1。

表1　水质指标检出限mg/L

2.2评价过程

选取的评价指标共6项，即m=6，6项指标按行排列依次为溶解氧、氨氮、化学需氧量、高锰酸盐指数、生化需氧量和总磷；采用2008—2014年全年监测数据，则样本共有84个，即n=84；采用《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）为评价标准，水质等级划分为Ⅴ级，即c=5。

采用模糊识别模型，利用公式（1）～（9），计算水质级别特征值H，由此得到H的范围是［1，5］。当H∈［1，1.5）时，水质为Ⅰ类；当H∈［1.5，2.5）时，水质为Ⅱ类；当H∈［2.5，3.5）时，水质为Ⅲ类；当H∈［3.5，4.5）时，水质为Ⅳ类；当H∈［4.5，5］时，水质为Ⅴ类。因模糊识别模型计算量较大，所以本文利用MATLAB编程计算。

2.3评价结果分析

棘洪滩水库2008—2014年的水质级别特征值H的计算结果见图1。

图1　棘洪滩水库2008—2014年水质级别特征值H

由图1可见，棘洪滩水库水质多年来一直满足Ⅲ类水标准，水质整体状况良好。2008年1月～2012年9月水库水质稳而好，保持在Ⅰ类～Ⅱ类水平；但2012年10月之后，水库水质持续波动，水质出现变坏的趋势，如图1中虚线所示。

结合6项水质指标监测值序

列的变化，可以发现，水库水体中氨氮、化学需氧量、高锰酸盐指数和生化需氧量的含量基本不变或略有减少，对水库水质变化影响不大；但溶解氧含量的降低和总磷含量的升高较明显。由此推断，引起水库水质变坏的主要因素是溶解氧和总磷。

影响水体溶解氧含量的因素很多，如水生植物的光合作用、水生动物的呼吸作用和有机物的分解作用等，水库水体中的磷主要来自外部输入和底部沉积物的分解释放；且溶解氧和总磷含量之间相互影响，较低的溶解氧浓度将促使沉积物中磷元素的释放。

棘洪滩水库作为一座调蓄型平原水库，来水水质的好坏直接影响库内水体的质量。棘洪滩水库主要为引黄水，有时为提高供水保证率，要从大沽河或其他水源引水。因此，要严格做好入库水质的监测工作，在来水水质不好的情况下，要充分利用水库的自净功能，及时采取人为辅助措施，例如投放滤食性鱼类等，积极改善水库水质。

3　结语

1）采用模糊识别模型，对2008—2014年棘洪滩水库水质进行评价，得到棘洪滩水库水质状况良好，满足Ⅲ类水标准，但近几年水质出现变坏的趋势；2）影响棘洪滩水库水质的主要因素是溶解氧和总磷；故为进一步改善水库水质，应严密监测入库水质，加强库内水体中的生物循环，降低溶解氧和总磷的含量；3）本文采用的评价指标数量较少，由此得到的评价结果的代表性还有待进一步验证。

［1］潘峰，付强，梁川．基于层次分析法的模糊综合评价在水环境质量评价中的应用．东北水利水电，2003，21（08）：22-25.

［2］刘聚涛，高俊峰，姜加虎.不同模糊评价方法在水环境质量评价中的应用比较［J］.环境污染与防治，2010，32（1）.

（责任编辑赵其芬）

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1009-6159（2016）-07-0051-02

2016-02-14

陈立国（1981—），男，工程师