模糊综合评判法在地表水水质评价中的应用

张洪伟，周添红，张国珍，张 翔，杨 浩

(1.兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730000；2.城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室，北京 100044)

模糊综合评判法在地表水水质评价中的应用

张洪伟1,2，周添红1，张国珍1，张 翔1，杨 浩1

(1.兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730000；2.城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室，北京 100044)

以黄土塬典型干旱半干旱区正宁县为研究对象，将模糊综合评判法引入正宁县地表水水质评价，采用模糊变换原理和最大隶属度原则，构建正宁县区域内地表水水质模糊综合评判模型，对不同河流和水库地表水的水质指标检测数据作出了定量的综合评价。结果表明：该县区域内庵里水库和无日天沟水质达到地表水Ⅱ类水质，嘉峪川河、四郎河、支党河达到Ⅰ类水质；从权重计算结果可以看出，正宁县区域内主要地表水水源庵里水库、嘉峪川河、四郎河、支党河主要污染物为NH3-N、DO；无日天沟主要污染物为CODMn、DO。说明该县区域内主要地表水水源治理和保护情况较好，水源水质均达到Ⅱ类水质以上。但作为人饮重要水源还需要继续加强保护和治理，为该区域城镇居民生活用水安全和社会经济发展提供基础保障。

模糊综合评价；地表水；水质评价

近年来，水污染事件频发，尤其针对河流、水库等地表水污染事件屡见不鲜，为群众饮水安全带来了极大的隐患，也为国家在水污染治理上蒙受了巨大的经济损失[1-5]。黄土塬干旱半干旱地区是我国缺水较为严重的区域，水资源安全问题显得尤为重要。因而，对该类型区域地表水进行科学有效的水质安全评价已成为研究的焦点，也是确定相关治理方案的重要依据[6]。

国内针对地表水的水质评价研究较多，如灰色聚类法、多元统计法、因子分析法、五元联系数、层次分析法、数学模型法以及主成分分析法等等[7-14]。然而，水体污染及其轻重程度属于模糊概念，根据水质标准进行水质评价是一个典型的模糊模式识别问题，所以应用模糊综合评判方法进行水质评价引起越来越多的学者的关注[15-18]。模糊综合评判方法考虑与被评价事物相关的各个因素，采用模糊变换原理和最大隶属度原则，建立适宜的模糊综合评判模型，能够很好地反映地表水质量的模糊性与连续性，有效解决隶属度与权重问题[19-21]。

本文以黄土塬干旱半干旱典型地区甘肃省正宁县为研究对象，在2015年10月对正宁县嘉峪川河、四郎河、无日天沟、支党河以及庵里水库进行了数据采样，采用模糊评判法对正宁县地表水水质作出了定量的综合评价，较为直观准确地表达出目前正宁县区域内地表水的水质情况，为该区域社会经济发展提供了科学的判断依据。

1 区域地表水概况

正宁县位于甘肃省庆阳市东南部、子午岭西麓两沟之间的狭长塬面上，属于典型陇东黄土高塬沟壑区，黄土层厚90～150 m，地表水主要由4条河流和一个水库组成。4条河流是嘉峪川河、四郎河、无日天沟和支党河，均属黄河流域泾河水系。正宁县唯一的一座小(Ⅰ)型水库庵里水库位于泾河一级支流四郎河上游，控制流域面积150 km2，总库容538.39万 m3，解决了县城2.5万人口的生活用水和工业用水。

2 模糊综合评判方法简介

模糊综合评判是对受多种因素影响的事物作出全面评价的一种十分有效的多因素决策方法，模糊综合评判法是在确定评价因素、因子的评价等级标准和权值的基础上，建立各因子对相应水质级别的隶属函数，然后将实测值代入相应的隶属函数，经过模糊变换与综合运算，得到综合隶属度，最终确定地表水的水质级别。一般需要如下几个步骤[22]。

1) 建立因素集U = {U1，U2，…，Ui}，U代表评价因素的集合。

2) 建立评价集V = { V1，V2，…，Vj}，V代表相应评价等级标准的集合。

3) 确定隶属函数。

采用模糊数学中的“半梯形分布”确定隶属函数。对数值越小越好的指标选用偏小型半梯形函数，如公式(1)，对数值越大越好的指标选用偏大型半梯形函数，如公式(2)。

(1)

(2)

4) 建立模糊关系矩阵

将实测值代入确定的隶属函数中，求出第i个因素对第j个等级的隶属度，从而可得出模糊关系矩阵R，如公式(3)。

(3)

5) 确定评价因素的权向量。

由于各评价因素对水质的影响不同，因此，应赋予不同的权重。pH 值选用公式(6)，对数值越小越好的指标选用公式(4)，数值越大越好的指标选用公式(5)。

(4)

(5)

(6)

式中：Ci为第i 种评价因子的实测浓度，S1为第i 种评价因子多级浓度标准值的最小值，S2为第i 种评价因子多级浓度标准值的最大值。

为了进行模糊运算，将各评价因子的权重值Pi归一化，从而得到权重集W = { w1，w2，…，wi}。

6) 因数集评判。

将权重W集与模糊评价矩阵R进行复合运算，如公式(7)。

(7)

7) 根据最大隶属度原则确定评价对象的水质级别。

3 样品采集及测试

依据正宁县行政区域划分及水质采样技术规程要求，采样点分别设在庵里水库( 108°27'55″E，35°28'33″N)、嘉峪川河( 107°57'7″E，35°16'10″N)、四郎河( 108°24'9″E，35°26'25″N)、无日天沟( 108°1'52″E，35°20'25″N)、支党河( 108°23'49″E，35°19'34″N)坐标处，样品的采集方法及保存方法均按照《HJ494-2009水质采样技术指导》和《水质采样技术规程SL187-96》相关要求进行。

选取pH、CODMn、NH3-N、DO、TP五个指标进行分析，DO和pH用水质分析仪现场测定，其余监测指标在实验室内测定。其中，TP采用钼酸铵分光光度法测定、NH3-N采用纳式试剂比色法测定，CODMn按照GB11890032-89滴定法测定，具体测定方法参照《水和废水监测分析方法(第4版)》[23]进行测试。样品测试结果见表1。

表1 样品检测结果 mg/L

4 模型的建立及应用

4.1 评价因子集构建

根据水质监测结果，选择所取样品水质中的pH、CODMn、NH3-N、DO、TP作为水质评价因子，构建评价因子集U，即U={u1，u2，…，u5}。采用《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》作为评价标准，将水质分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类共5个等级，建立水质评价指标的分级因子集V ={V1，V2，…，V5}，评价因子集U和评价标准集V见表2。

表2 水质中污染因子及等级标准 mg/L

4.2 隶属函数及模糊关系矩阵建立

根据各个因素的5级水质标准采用“降半梯形公式”确定出其各个级别的隶属函数。根据样品测试结果，CODMn、NH3-N、TP值偏小，水质较好，宜选用偏小型半梯形函数计算，偏小型半梯形函数如公式(8)所示。

(8)

而DO值测量结果较大，宜选用偏大型半梯形函数计算，偏大型半梯形函数如公式(9)所示。

(9)

公式(8)和公式(9)中，x为某个评价因子的实测浓度，ai为第i级水质标准。将表1样品各实测值代入相应隶属函数，即可得到五个采样点的模糊关系矩阵，即R1、R2、R3、R4、R5，如公式(10)、(11)、(12)、(13)、(14)所示。

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

4.3 评价因素的权重确定

在权重的计算公式选择上，根据前述方法， CODMn、NH3-N、TP选用公式(4)，DO选用公式(5)，pH值选用公式(6)，之后进行归一化运算，计算结果见表3。

4.4 评价结果

通过模糊综合运算，根据最大隶属度原则，可以评判出2015年10月正宁县区域内主要地表水水源庵里水库和嘉峪川河、四郎河、无日天沟、支党河四条河流水源的水质级别，评价结果见表4。

5 结语

本文以正宁县区域内主要地表水为研究对象，通过建立模糊综合评判模型，对正宁县庵里水库和嘉峪川河、四郎河、无日天沟、支党河四条河流的水质进行了模糊综合评价。评价结果表明：

(1)2015年10月，正宁县区域内主要地表水水源嘉峪川河、四郎河、支党河水质级别为Ⅰ类，庵里水库、无日天沟水质级别为Ⅱ类。

(2)从权重计算结果可以看出，正宁县区域内主要地表水水源庵里水库、嘉峪川河、四郎河、支党河主要污染物为NH3-N、DO；无日天沟主要污染物为CODMn、DO。

表3 因子权重的归一化结果

表4 水质模糊综合评价结果

(3)从评价方法可见，模糊综合评判法应用简单、灵活，将影响水质的多因子有机结合，能够较为方便合理地对地表水水质进行评价。

(4)从评价结果可见，正宁县区域内主要地表水水源治理和保护情况较好，水源水质均达到Ⅱ类水质以上。但作为人饮重要水源还需要继续加强保护和治理，为该区域城镇居民生活用水安全和社会经济发展提供基础保障。

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Application of fuzzy comprehensive evaluation method in surface water quality evaluation

ZHANG Hong-wei1,2，ZHOU Tian-hong1，ZHANG Guo-zhen1，ZHANG Xiang1，YANG Hao1

(1.School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China；2.Key Laboratory of Urban Stormwater System and Water Environment, Beijing 100044，China)

In this paper, the Loess Plateau typical arid and semiarid zones Zhengning County as the research object, the fuzzy comprehensive evaluation method is used assessmenting the surface water quality of Zhengning County. Based on the fuzzy transformation principle and principle of maximum degree of membership, the comprehensive evaluation on the monitoring data of surface water quality of different rivers and reservoirs is conducted by using the fuzzy comprehensive evaluation method.The results show that the water quality pollution levels of Anli Reservoir and Wuritiangou River are class II and Jiayuguan River, Silang River and Zhidang River are class I. It can be seen from the term weighting results within the main area of Zhengning County,the major pollutants of Anli Reservoir, Jiayuchuan River, Silang River, Zhidang Rive is NH3-N, DO; the major pollutants of Wuritiangou is CODMn, DO. That major surface water’s management and protection of the county area is better.Water quality achieves Ⅱ class .But as an important traditional drink water source also need to continue to strengthen protection and management, for the basic safeguard of regional urban domestic water safety and economic development.

Fuzzy Comprehensive Evaluation；Surface water；Water quality assessment

2016-10-17

城市雨水系统与水环境教育部重点实验室开放课题资助(编号：515205)；兰州交通大学实验室管理处实验教改项目资助(编号：201610)

张洪伟(1979-)，男，吉林公主岭人，讲师，主要从事水资源及水系统安全研究。

X824

A

1004-1184(2017)01-0083-04