基于模糊可变评价模型的水库水环境质量评价

程建设

(江西省瑞昌市水利局, 江西 瑞昌 333200)



环境与生态

基于模糊可变评价模型的水库水环境质量评价

程建设

(江西省瑞昌市水利局, 江西 瑞昌 333200)

随着我国经济快速发展，水库水环境质量问题成为社会关注的热点以及政府工作的难点。以可变模糊集合为理论支撑，选取江西省某水库作为研究对象，应用模糊可变评价模型，在单因子评价法的基础上，评价该水库水环境质量的总体情况。采用3种方法确定指标权重，通过变化模型参数构造多种模型，提高对水库水环境质量等级评价的可信度。该模型实用性强、计算结果可靠，可应用于类似水库水环境质量的综合评价。

水库水环境；水环境质量；模糊可变评价；指标权重

1 研究背景

生态文明建设是关系国家长久发展的大计，保护水环境是推进生态文明建设的重要内容。水环境质量评价是合理开发利用水资源的基础工作，也是验证水资源保护成果的重要程序。在水库水环境评价工作中，常用的方法有单因子评价法、可变模糊模型法、灰色系统法、水质标识指数法、BP人工神经网络法等[1-5]。

基于模糊可变评价模型的水库水环境评价方法，是根据水库水环境影响因素多、变化复杂的特点，以陈守煜提出的以模糊可变集为核心的模糊可变评价模型为理论依据[6]，结合江西省某水库的实际情况，构建水环境质量等级评价体系，确定评价指标处于级别区间的相对隶属度，并通过改变权重及模型参数，检验水环境质量级别特征值的稳定性，并取不同情况下级别特征值的均值作为评价结果。

我国规定地表水环境质量评价采用单因子评价法，该方法是目前使用最多的水质评价法，对水环境质量进行定性分析，在水环境总体概念上存在局限[7]。本文在单因子评价法的基础上，采用基于模糊可变评价模型的综合评价方法，用两种方法的结果作为水库水环境评定等级的参考，从而提高评价结果的可靠性，实现对水库水环境质量的多模型综合评价。

2 模糊可变评价理论简介

设论域U上的对立模糊概念，以A与AC表示吸引与排斥性质，对U中的任意元素u，u∈U，在参考连续统区间[1,0] (对A)与[0,1](对AC)的任一点上，吸引与排斥的相对隶属度分别为μA(u)、μAC(u)，且μA(u)+μAC(u)=1。设

(1)

则DA(u)称为u对A 的相对差异度。

映射u|→DA∈[-1,1]称为u对A的相对差异函数，如图1所示。

图1 相对差异函数示意

令

(2)

则V称为可变模糊集合。

评价对象u对A的相对隶属度以μhj表示，则模糊可变评价模型表示为

(3)

其中，xij为样本j指标i的特征值，i=1,2,…，m；j=1,2,…,n。h为指标级别值，h=1,2,…，c。1级为优级，c级为劣级。ωi为指标权重，m为评价指标数。α为模型优化准则参数，α=1、α=2分别为最小一、二乘方准则；P为距离参数，P=1、P=2分别为海明、欧式距离。

3 水库水环境质量模糊可变评价方法

3.1 构建指标体系

江西省某水库是一座兼有防洪、发电、养殖、灌溉等综合效益的中型水库。近年来，该水库水体被污染，主要污染源是排放的工业污水及生活废水、喷洒的水产养殖及农业种植的化肥农药、周边开采矿山带来的污染等。根据《江西省湖库普查技术大纲》要求，该水库的入口、库心和出口3处设有监测断面，可获取1a不同时期水环境质量监测的数据。根据水环境质量监测数据，发现主要污染项目为高猛酸盐指数、化学需氧量、氨氮、总磷、总氮、硒、砷和铅等。

结合该水库水质问题的主要影响因素，根据水环境污染物监测结果，依据系统性、代表性、典型性和科学性的原则[8-10]，选取8个污染因子作为水环境质量评价指标，分别为：高猛酸盐指数(指标X1)、化学需氧量(指标X2)、氨氮(指标X3)、总磷(指标X4)、总氮(指标X5)、硒(指标X6)、砷(指标X7)和铅(指标X8)。

我国依据地表水水域环境功能和保护目标，按功能高低划分为5类。对应Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类的标准，将水环境质量分为1级、2级、3级、4级和5级，共5个级别，1级最好，5级最差。

3.2 指标相对隶属度

选取2016年各监测断面的指标浓度年均值作为研究对象，如表1所示。

表1 2016年各监测断面的指标年均值 mg/L

因入口、库心和出口3个断面的水环境质量相差不大，本文采用平均值作为评价对象u进行总体研究，则其指标特征值向量为：X=(4.16，24.12，0.46，0.13，0.68，0.017，0.061，0.04)

根据我国《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，确定8个评价指标对应各级别的标准值，如表2所示。

表2 水库水环境质量评价指标分级 mg/L

根据指标标准值得到 8个评价指标5个级别的水环境质量指标标准值区间矩阵为Iab，构造范围矩阵Icd，计算分析指标i级别h的点矩阵M，M不一定为区间[a,b]的中点值，设该水库水环境质量指标特征值x为X区间内任意点的量值，点x、M与区间[a,b]、[c,d]的位置关系如图2所示。

图2 位置关系

当水库水环境质量指标特征值x落入M点左侧时，相对隶属函数公式为

(4)

当水库水环境质量指标特征值x落入M点右侧时，相对隶属函数公式为

(5)

式中，β为大于0的指数，通常可取β=1，即线性函数。根据以上公式计算水库水环境质量指标的相对隶属度矩阵，对该矩阵关于评价指标i进行归一化处理，得到评价指标i对级别h的相对隶属度矩阵μA(u)：

表3 水库水环境质量级别特征值计算结果

4 结 语

水环境质量评价是确定水库功能、明确水库现状的重要内容。本文以江西省某水库作为研究对象，在单因子评价法的基础上，应用以模糊可变集为理论基础、 用相对隶属函数表示的模糊可变评价模型，采用3种不同的权重确定方法，对水库水环境质量进行了评价。评价结果可以为水库治理提供参考依据，进而采取合理的修复技术方案，对保证水库的正常运行、 促进生态文明建设具有现实意义。另外，该方法也可用于解决类似地表水环境质量问题的综合评价。

[1] 赵前信.四种水环境质量评价方法在六安市水库中的应用[J]. 环境工程,2014(3):113-116，120.

[2] 王惠.模糊神经网络模型在水环境质量评价中的应用[J]. 硅谷,2012(20)：82，123.

[3] 于福荣,刘中培,李俊.灰色关联分析法和模糊综合评判法在水库水质评价中的应用[J]. 水文,2012(4):67-70.

[4] 李茜,张建辉,林兰钰,等.水环境质量评价方法综述[J]. 现代农业科技,2011(19):285-287，290.

[5] 景晓林.济南市锦绣川水库水质评价及风险分析[D].济南：济南大学,2014.

[6] 陈守煜.可变模糊集理论与模型及其应用[M].大连：大连理工大学出版社,2009.

[7] 侯得印.鄱阳湖水环境质量评价与水质预测模型的研究[D].南昌：南昌大学,2007.

[8] 王海峰,柴春岭,李春燕.基于模糊可变模型的水环境质量评价方法[J]. 人民黄河,2011(5):66-68.

[9] 李峰,李甲亮.多目标模糊决策模型对水环境质量的评价[J]. 环境工程,2010(3):22，102-103.

[10]袁永强,付佳,程全国.基于组合权重的模糊数学法对水质的评价[J]. 数学的实践与认识,2015(16):107-113.

(编辑：李 慧)

3.3 指标权重

(1) 等权重法。认为各项指标对水库水环境质量的影响一样，得到等权重向量ω1=(0.125 0.125 0.125 0.125 0.125 0.125 0.125 0.125)。

(2) 二元比较模糊量化分析法。根据指标重要性排序一致性定理，并结合该水库实际情况，得到通过检验的8个水环境质量指标重要性排序一致性标度矩阵E。按矩阵E关于重要性排序，进行关于重要性程度的二元比较判断，结合语气算子与相对隶属度之间的关系，分析判断得出水库水环境质量评价指标的权向量，并进行归一化处理，得到权重向量ω2=(0.134 0.109 0.087 0.098 0.078 0.164 0.182 0.148)。

3.4 级别特征值

通过可变模糊评价模型确定各评价指标i的综合相对隶属度，采用等权重法、二元比较模糊量化分析法和变异系数法3种方法确定权重，通过变化优化准则参数α以及距离参数P构造不同的水环境质量评价模型，计算不同权重不同模型下水环境质量的级别特征值，如表3所示。

根据表3，水库水样在3种权重确定模型下的级别特征值分别为3.50，3.59和 3.67，3种权重的平均级别特征值为 3.59。模糊可变评价模型的研究结果表明，该水库的总体水环境质量等级为4级(Ⅳ类)。应用单因子评价法分析，该水库水环境质量为Ⅴ类。结合两种评价方法的成果，根据该水库的功能定位，应提出治理措施，并加强水库保护工作。

水库水环境质量模糊可变评价方法能够科学、合理地确定水环境质量评价指标处于级别区间的相对隶属度，且可同时采用多种权重模型(本文为3种)以及通过变换参数(α与P)改变模型(本文共4个模型，其中2个线性、2个非线性)进行综合评价，对多个评价结果对比分析，保证了评价结果的稳定性，并取多模型评价结果的平均值作为综合评价结果，提高了评价结果的可靠度。

2017-04-15

程建设，男，江西省瑞昌市水利局，工程师

1006-0081(2017)07-0017-03

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