模糊综合评价方法在大冶市毛铺水库水质评价中的应用

摘要：运用模糊数学综合评价模型对毛铺水库进行了综合评价，根据实测资料,选择了总氮、总磷、化学需氧量、溶解氧、铜、镉、锌、铅、悬浮物9个评价因子。评价结果表明，毛铺水库所监测的8个点位全是V类水，主要是受到了总氮和总磷的严重污染，构成了这一水库渔业养殖用水安全的重大隐患。评价成果为水污染治理以及控制提供了科学依据。

关键词：模糊综合评价法；毛铺水库；水质

中图分类号：S959 文献标识码：A

水质综合评价是一个涉及多指标、多级别、以定量的方式直观表征水环境的质量状况。考虑水质评价标准的模糊问题，通常引入模糊数学方法进行综合评价。由于它能比较准确地对水质进行分级，清晰地处理“亦此亦彼”性的问题[1-2]，常被广泛应用在河流、湖泊，地下水、海水、饮用水评价研究工作中。

大冶市毛铺水库(以下简称“毛铺水库”)是一座以防洪、灌溉为主，集养鱼、工业供水于一体的综合利用的大型水库，总库容量为2.985 x 107 m3,正常水位为71 m，控制流域面积为50.18 km,最大泄洪量为672 m/s。毛铺水库自运行以来，在防洪、农业灌溉、水产养殖等方面发挥了巨大的作用。近年来，毛铺水库由于受流域内人为活动和工业污染的影响，水质较以前有了比较大的变化，亟待明确其水质情况，若不加强对流域内污染源的控制，势必会影响该地区居民的身体健康。本文引用文献[3]毛铺水库水质监测资料，采用模糊综合评价法进行水质的综合评价，以期为水资源的合理开发和利用以及水污染的有效控制提供一定的科学依据。

1 模糊综合评价方法原理和计算步骤

1.1 方法原理

已知某断面污染因子集u={u1,u2,..,un}。

其中，元素ui(i = 1,2,...,n)为影响评价对象的各个因子。通常各因子的重要程度不一样，因此，对每个因子ui 赋于一个相应的权值 ai（i = 1,2,...,n)，构成权重集

＝(a1,a2,...an)， 且 ＝1， ai ≥ 0， i = 1,2,...,n

由于元素ai可称为因子ui时“重要”的隶属程度，因此，权重集 为因子集u上的一个模糊子集。又设普通评价集

Ｖ＝{V1,V2,...Vm}

式中Ｖj ( j=1,2,...,m)为各种可能的评价结果，可以是模糊的，也可以是非模糊的，但对Ｖ的关系是明确的。

从一个ui出发进行评价，以确定评价对象对评价集元素Ｖj的隶属程度rij (j = 1,2,...,m)称为单因子模糊评价。对第i个因子ui评价的结果Ｒi ，称为单因子模糊评价集。

＝ (ri1`, ri2,...，ri m)

它是Ｖ上的一个模糊子集，于是可得到相应于每个因子的单因子模糊评价集

＝(r11, r12,...，r1m)

＝(r21, r22,...，r2m)

… …

＝(rn1, rn2,...，rnm)

将各单因子评价集的隶属度为行，组成单因子评价矩阵,

=

显然，单因子模糊评价仅反映一个因子对评价对象的影响，而未反映所有因子的综合影响，也就不能得出综合评价结果。因此，必须综合考虑所有因子的影响，这便是模糊综合评价。综合评价集Ｂ是Ｖ上的模糊子集，可表示为

=(a1,a2,...，an)= (b1,b2,...，bm)（1）

其中， ， j = 1,2,...,m称为评价指标，它是综合考虑所有因子的影响时，评判对象对评价集中第j个元素的隶属程度。

显然，Ｂ的第 i行表示第i 个因子影响评价对象取各个评价元素的程度；第j 列表示所有因子影响评价对象取第j个评价元素的程度。因此，每列元素再乘以相应的因子权数ai (I = 1,2,...,n)，更合理地反映了所有因素的综合影响[ 3 ]。

1.2隶属度的确立

确立隶属度即是确立矩阵R，隶属度函数的确立有很多种方式，一般选用升降半梯形分布。根据国家地面水环境质量标准(GB3838-88)的有关规定，地表水分为五类，隶属度函数可由以下公式确定：

I 级:

II-（m – 1）级:（2）

m 级：

式中： 表示第 种污染因子属于第类水质的隶属度；＝１，２，⋯， ，为评价因子数； 为水质级别数； 为第 种评价因子第 类的国家标准浓度； 为第 种评价因子的实际检测值。但是必须注意，对溶解氧（ＤＯ）隶属度的算法需要将上式适当变形。

1．3权重的确立

权重确立的方法有很多，为了避免人为确立权重的局限性，本文根据 种污染因子所产生的污染作用的不同，以污染物的超标情况决定权重，并对其进行归一化处理得到权重系数矩阵，计算方式如下：

（3）

式中， 表示第 种污染物的权重。但要注意类似DO值越大、水质越好的指标，其权重取式（3）的倒数。最后得到评价因素的权重为

，经归一化处理后可得评价因素权重系数矩阵

（4）

1．4 获取评价结果

得出模糊隶属度评价矩阵 和评价因素权重系数矩阵 后， 就可由式（1）得出矩阵 ， 即可反映所评价水质对５类水质标准的所属程度。

２毛铺水库水质模糊综合评价

2．1 评价标准

采用文献[3]的分类作为评价标准，确立总氮（TN）、总磷（TP）、化学需氧量（ＣＯＤ）、溶解氧（ＤＯ）、铜（Cu）、镉（Cd）、锌（Zn）、铅(Pb)、悬浮物（SS）9个评价因子，对应的评价标准值见表１。

表1地表水质标准等级 单位：

SS*:地表水资源质量标准(SL63—94)

2．2 评价数据

评价数据采集毛铺水库出入口的水样，共设置了8个采样点，分别记为1号、2号、3号、4号、5号、6号、7号和8号， 具体见表２。

表2毛铺水库水质监测结果单位：

按照式(2)分别建立各因子的隶属函数, 然后将相应的实测值代入, 即可得到各水质监测点的隶属度矩阵:

2.3 确立各因子的权重集及进行模糊综合评判计算

首先确立计算各因子的权重, 然后进行归一化运算, 可得到如下8个监测点9个指标的权重集:

通过模糊综合运算, 根据隶属度的大小来判断各监测点的水质级别。

3 模糊综合结果与讨论

经过上述一系列的计算, 最终根据模糊运算法则, ，可以得到各水质监测点的综合模糊评判集:如水库的1号测点

即对I级水的隶属度为0.010, 对Ⅱ级水的隶属度为0.205, 对Ⅲ级水的隶属度为0.091, 对Ⅳ级水的隶属度为0.040、Ⅴ级水的隶属度为0.65, 根据隶属度最大的原则, 1号测点Ⅴ级水的隶属度0.654 最大,因此, 1号点的水质级别为Ⅴ级, 属于重污染。同理可以得到其他测点的模糊综合评价结果详见表3

表3 毛铺水库各测点模糊综合评价结果

上述各测点模糊综合评价的结果表明, 毛铺水库的水质已经明显遭到了严重污染, 并呈现进一步恶化的趋势,这从各评价指标可以看出，水库水质主要污染物为总氮和总磷，污染主要与农业污染源( 包括养殖业废水、农田径流)有关，其次化学耗氧量(COD) 和重金属锌对水质的影响程度相对较大，这主要与邻近工业污染源、及生活污染源的污染负荷排放有关。

面临如此严峻的水严重污染形势, 集中处理生活垃圾，应加强对养殖人员的素质教育，禁止各种生活垃圾直接排入养殖水域。水产行政管理部门要制订严格的规章制度，并采取措施收集、清运和处理生活垃圾。

外界污染对来自外界的污染。当地水产行政主管部门应与当地的环境保护机构共同协作，积极预防。例如，禁止使用含磷洗衣粉，禁止小作坊废水直排，在养殖水域附近航行的小船可采取非机动或电动船等等措施。对点源排放单位进行严格管理,在落实“一控双达标”环保方针的基础上, 推行清洁生产技术, 对于生活污水, 应尽快实施和完善污水处理设施; 在农业非点源污染的防治上, 加快农业产业结构调整的步伐, 减少化肥农药的施用, 严格进行固体废弃物的管理, 减少农田地表径流等面源污染对毛铺水库水质进一步恶化造成的影响, 制定区域水体污染总量控制规划, 同时加强周边生态环境建设, 积极开展植树造林工作, 制定科学可行的流域水资源保护规划, 以确保毛铺水库渔业养殖用水的水质安全。

4 结论

本文以毛铺水库为研究对象, 通过确立有代表性的评价因子, 建立了因子评价矩阵, 计算各因子的权重及进行模糊综合运算, 对水库的各监测点水质进行了模糊综合评价, 评价结果表明:

( 1) 毛铺水库的已经受到严重污染, 且从上游向下游呈现不断恶化的趋势, 主要是总氮、总磷，其次重金属锌和与化学需氧量指标超标所致, 使占本次监测点100%的水体不符合功能水质要求。

( 2) 随着养殖规模的扩张、人口的增长及工业、农业的快速发展, 毛铺水库水体接纳了大量来自上游及周边的点源和面源污染负荷, 导致水体质量严重降低。

( 3) 今后应继续加强水库的水质保护, 制定区域环境污染总量控制和流域水资源保护规划, 加强对毛铺水库污染源的治理, 减少和杜绝上游工矿企业、库区生活污水及农业非点源污染的排放, 加强周边地区生态环境建设, 以确保毛铺水库的渔业养殖用水水质安全。

参考文献

[1] 李奇珍,何俊仕.水质综合评价方法探讨口[J].人民黄河,2007，

29(1):50-52．

[2] 何锦峰,刘艳艳,舒兰等.模糊综合评价模型在水质整体质量评价中的应用[J].重庆工商大学学报:自然科学版2009,26(2):19O-l93．

[3]张丹峰,周易,尹春芹等.大冶毛铺水库水质现状调查及环境质量风险分析[J]. 黄石理工学院学报,2012,28(4):33-36