基于可拓学的护城河水环境质量评价

杨婷 高军省

摘 要：针对护城河的水环境质量问题，以CODMn、氨氮、TN、TP、NO3-N为评价指标，采用可拓学物元分析方法，研究了荆州护城河的水环境质量状况。结果表明，与水质单指标评价比较，得出影响荆州护城河水质类别的主要因子为：TN、CODMn、氨氮、TP和NO3-N。对溶解氧的参数做了敏感性分析，表明溶解氧参数在本例中不敏感。

关键词：水环境质量；护城河；可拓学；敏感性分析

中图分类号：X824 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）33-0065-03

Abstract： Aiming at the problem of water environment quality in Jingzhou Moat， taking CODMn， NH3-N， TN， TP and NO3-N as evaluation indexes and adopting the method of extension matter-element analysis， the water environment quality status of Jingzhou Moat was studied. The results show that the main factors affecting the water quality of Jingzhou Moat are： TN， CODMn， NH3-N， TP and NO3-N， compared with the evaluation of single index of water quality. The sensitivity analysis of the dissolved oxygen parameters shows that the dissolved oxygen parameters are insensitive in this case.

Keywords： water environmental quality； moat； extenics； sensitivity analysis

1 概述

中国很多城市都有护城河。在不同的年代，护城河起到了不同的作用。古代，护城河主要是防御作用，随着社会的发展，这一作用慢慢退化。现如今，护城河不仅具有景观功能，还可以作为一个城市的形象，不少拥有护城河的城市都是旅游圣地。随着社会经济的迅猛发展和人民生活水平的不断提高，污水排放量快速增加，致使护城河水质恶化[1]，进而破坏了整个城市的生态系统。因此，为了加强水污染防治工作，改善城市水环境质量，对于护城河水环境质量的评价刻不容缓。

针对水环境质量评价的问题，国内外不少学者都对其进行了探究。如王铁良等[2]利用模糊综合评价法确定了辽宁省双台子河口湿地的水环境质量等级；Andre等[3]运用模糊逻辑方法对巴西圣保罗西南部河流建立其水质指标体系，并与传统方法做对比；高军省等[4]采用可拓学方法对洪湖的富营养化状态进行了评价分析；范良倩等[5]用改进的灰色聚类法对苕溪河余杭段四个监测断面水质进行评价；安国安等[6]基于综合指数法对河南省60条城市河流的水环境质量进行排名；何星钢等[7]利用集对分析模型对沈阳东陵大桥处浑河部分的水环境质量做出评价；万哲慧等[8]利用熵权贝叶斯模型对珊溪水库20个监测站的水质进行评价，并给出模型的适用范围。上述研究都取得了一定的成果，但是相应的也存在一些问题。比如灰色聚类分析法中的关联系数计算（点到点与点到区间的差的区别）问题；模糊综合评价法计算过程中的信息的丢失问题；集对分析法中不确定系数的合理取值问题[4]；由于各级标准间取值相同导致贝叶斯计算结果出现偏差等[8]。鉴于上述问题，本文拟运用分辨能力强，不丢失中间信息的可拓学方法对荆州护城河的水環境质量做出评价。

2 可拓学评价方法

可拓学是蔡文教授在1983提出的一种新的理论方法，主要研究不同领域的矛盾问题[9-10]。以下是可拓学评价的物元模型。

2.1 物元与物元矩阵

事物的名称N，它关于特征c的量值为v，以有序三元组R=（N，c，v）为描述事物的基本元，即物元。一个事物一般都有多个特征，若事物N以n个特征c1，c2，…，cn和相应的量值v1，v2，…，vn描述，则称之为n维物元，表示为：

R即为物元矩阵，简记为R=（N，c，v）。

2.2 经典域物元

经典域即各等级关于对应的特征所取的数值范围：

其中，N0j表示在评价时所划分的第j等级；ci表示等级N0j的第i个特征；为N0j关于ci的取值范围，即经典域。

2.3 节域物元矩阵

由每一特征量值的最小取值和最大取值组成的值域区间称为该特征的节域。由各特征的节域构成如下的节域Rp：

其中，P表示被评价对象的等级；为P关于ci的取值范围，即节域。

2.4 待评价物元

待评价物元即被评事物的多维有序三元组：

其中，R0为评价物元；P0表示待评价物元的名称；xi为P0关于ci的量值。

2.5 被评价物元关于各等级的关联度

计算公式如下：

Kj（P0）=？琢iKj（xi）

Kj（P0）为待评对象P0关于等级j的关联度；αi为第i个特征ci的权重，？琢i=1；Kj（xi）为点xi关于区间x0ji=和区间xp0j=的关联函数。

式中，ρ（xi，x0ji）为点xi到有限区间x0ji=的距；ρ（xi，xp0j）为点xi到有限区间xp0j=的距；|x0ji|是区间上的模，|x0ji|=|b0ji-a0ji|。点到区间的距由下式计算：

2.6 权重的确定

目前权重的确定方法主要分为三类：主观赋值法、客观赋值法、主客观综合赋值法。为了降低人为因素的影响，本文拟采用污染贡献法确定权重[11]。其公式如下：

其中：=Sij

式中，ci为因子i的监测值；Si为因子i的某一级标准值；Sij为因子i第j级标准值；m为级别数；n为评价因子数；为因子i的各级标准平均值。

2.7 等级的评定

若Kj*= max{Kj（P0）}，j=1，2，…，n则评定P0属于等级j*。

3 评价实例

3.1 基础数据与评价标准

荆州素有“楚国故都，三国名城”的美誉，是鄂西生态文化旅游圈的楚文化旅游中心景区。随着社会经济的快速发展和居民生活水平的不断提高，污染物排放量不断增加，致使护城河的水质逐渐恶化。本文以荆州护城河六个监测点的五项水质（CODMn、氨氮、TN、TP、NO3-N）监测数据为基础，依据地表水环境质量标准（表1），采用可拓学评价方法，对护城河的水环境质量状况进行评价和分析。

3.2 评价结果

根据前述的可拓学物元模型，计算得到不同监测点护城河的水质与各级水环境标准的关联度如表2所示。

由表2可知：荆州护城河六个监测点的水环境质量都是劣Ⅴ类。

4 结果分析

4.1 主要影响因子分析

按单因子评价，荆州护城河六个监测点水环境质量的水质分类如表3所示。

由表2和表3的水质类别等级比较，可以得出主要影响因子为：TN、COD、氨氮、TP、NO3-N。

4.2 敏感性分析

在水环境质量标准中，TN的Ⅴ类水没有上限（表1），在R06和RP的物元矩阵中，TN物元矩阵（实例中b016，bP6=5.5）中的b0j1和bPj（j=6）是影响结果的主观因素。因此，对b016和bP6的进行敏感性分析是必要的。取b016、bP6=5.225（减小5%）和b016、bP6=5.775（增加5%），计算得到荆州护城河六个监测点的水环境质量关联度如表4，与b016、bP6=5.5的结果一致，说明本例中的参数b016、bP6对水环境质量评价不敏感。

朱桂才等[12]对荆州护城河2000～2005年间的水质连续测定，取氨氮、BOD5、DO、电导率和CODMn为主要水质指标，评价结果与本文一致。此外，还有学者对荆州护城河的水质情况进行探究[13-14]，结果都与本文相符。

5 结束语

本文采用可拓学方法对荆州护城河的水环境质量进行评价，结果表明：六个监测点的水环境质量都达到了劣Ⅴ类。护城河水体已经污染严重，为了促使荆州的旅游业发展，应加强护城河的保护工作，改善水生态的良性循环，使其成为良好的生态景观。

参考文献：

[1]王桂智，唐德善.我国城市护城河发展刍议——以南京秦淮河为例[J].水利与建筑工程学报，2010，8（04）：216-220+226.

[2]王铁良，张欣，周林林，等.模糊数学在河口湿地水环境质量评价中的应用[J].沈阳农业大学学报，2009，40（05）：623-626.

[3]André Lermontov， Lídia Yokoyama，Mihail Lermontov，et al. River quality analysis using fuzzy water quality index： Ribeira do Iguape river watershed，Brazil[J]. Ecological Indicators，2009，9（6）：1188-1197.

[4]高军省，吕小凡.湖泊富营养化评价的可拓学方法及应用[J].长江大学学报（自然科学版）理工卷，2010，7（01）：33-37+382.

[5]Liang Qian Fan，Qing Yu Zhang，Qi Liu，et al. Improvement of Grey Clus

tering Model for Comprehensive Asses

sment of Environmental Quality： A Ca

se Study in Water Environment[J]. Adv

anced Materials Research，2012，14，79

（356）.

[6]安國安，林兰钰，邹世英.基于综合指数法的城市河流水环境质量排名探讨[J].中国环境监测，2016，32（06）：50-57.

[7]何星钢，王美娜.基于集对分析联系数的区间数型水环境质量综合评价模型及其应用[J].数学的实践与认识，

2017，47（06）：101-109.

[8]万哲慧，王 ，冯孙林，等.熵权贝叶斯模型在珊溪水库水环境质量评价的应用[J].节水灌溉，2018（03）：55-57+62.

[9]蔡文.可拓学概述[J].系统工程理论与实践，1998（01）：77-85.

[10]蔡文，杨春燕.可拓学的基础理论与方法体系[J].科学通报，2013，58（13）：

1190-1199.

[11]李祚泳，丁晶，彭荔红.环境质量评价原理与方法[M].北京：化学工业出版社，2004.

[12]朱桂才，余文斌，吴秋珍，等.荆州市护城河水体污染及生物修复[J].黄冈师范学院学报，2006（03）：23-27.

[13]李凯.荆州护城河生物治理试验探讨[J].城市道桥与防洪，2007（12）：38-40+115-116.

[14]王子，李方敏，董战峰，等.护城河水污染控制探讨——以荆州市护城河为例[J].环境科学与管理，2007（10）：45-48.