改良模糊综合评价法在水质评价中的应用.pdf

* 国家水体污染控制与治理科技重大专项 2009ZX07528- 006- 01- 05 ; 沈阳建筑大学辽宁省级重点实验室开放基金 SZ- 200907 。 改良模糊综合评价法在水质评价中的应用改良模糊综合评价法在水质评价中的应用 * 傅金祥陈喆马兴冠商涛张薇曹晓玉 沈阳建筑大学市政与环境工程学院，沈阳 110168 摘要 基于传统模糊综合评价法原理， 通过对评价指标选择、 权重确定、 模糊运算分析三个环节进行改良， 建立了一种 分辨率高、 简便有效的地表水质量评价模型， 并将其应用于辽河流域的水质评价中。改良后的模糊综合评价法能够更 实际、 更客观地反映多指标共同作用下的地面水环境质量状况， 这为制定水环境宏观决策提供了必要的科学参考。 关键词 模糊综合评价法;水质评价;辽河流域 APPLICATION OF IMPROVED FUZZY COMPREHENSIVE UATION IN WATER QUALITY ASSESSMENT Fu JinxiangChen ZheMa XingguanShang TaoZhang WeiCao Xiaoyu School of Municipal and Environmental Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，China AbstractBased on the principle of traditional fuzzy comprehensive uation ，a high resolution and effective surface water quality uation model by some improved links，such as the choices of uation factor，index weight and vector analysis of comprehensive uation results．This was applied to Liaohe River Basin．The improved fuzzy comprehensive uation reflected surface water quality status more practically and objectively on factors interaction． Furthermore，it offered scientific references for making water macro decision． Keywordsfuzzy comprehensive uation ;water quality assessment;Liaohe River Basin 0引言 我国是一个城市水安全问题比较突出的国家， 城 市水资源短缺、 河流水质污染等水资源问题日益凸 显。河水接纳污染物的类别及危害程度的不同， 很难 对水质做出准确的评价。模糊数学评价法是根据给 出的评价标准和实测值，经过模糊变换对事物做出 评价的一种方法，因此可以用于解决此类模糊、 不明 确的环境评价 ［1］。本文通过对传统模糊综合评价法 的改良， 定量地评价浑河水质的污染程度， 明确隶属 度评价等级， 确定各种污染指标的权重， 定性地得到 水质类别， 实现对各监测样本的质量等级综合评判， 从而为河流的管理决策提供比较可靠的判断依据， 提 高水质管理的科学性和准确性。 1改良的模糊综合评价法 随着传统模糊综合评价法的广泛应用， 其在水质 评价中的不足也逐渐暴露出来， 本文主要从评价指标 选择、 权重确定、 模糊运算分析三方面提出相应的 改良。 1. 1模糊综合评价基本原理 模糊综合评价就是应用模糊变换原理和最大隶属 度原则， 考虑与被评价事物相关的各个因素， 对其所作 的综合评价 ［2］。其原理可以用以下数学模式来表示 AR B 1 式中 A 为评价指标的权重经归一化处理得到的一个 1 m 阶行矩阵; R 为由各单指标评价行矩阵组成的 一个 m n 阶模糊关系矩阵; B 为综合评价结果， 它 是一个 1 n 阶行矩阵的形式。 1. 2模糊综合评价步骤 模糊综合评价法具体步骤是通过单指标评价， 分 别计算各个评价指标的在各评价等级的隶属度， 建立 模糊关系矩阵; 然后确定各评价指标在所有指标中的 相对重要性， 即指标权重; 最后通过模糊关系运算对 水质进行分析评价。 1. 2. 1评价指标的选择 021 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 传统的模糊综合评价法中， 通常采用经验判断来 筛选对环境影响较大的特征污染物作为评价指标， 此 法虽然相对简单， 但缺乏客观性和理论依据。本文引 用统计学中的累积频率 法 ［3］ cumulative frequency ， 通过各污染指标对某一标准的超标倍数百 分比的累积频率， 选取对环境综合影响较大的几个指 标作为评价指标。 Pi Ci/Sij Σ m i 1 Ci /Sij 100 2 式中 Pi为第 i 个指标超标倍数占全部超标倍数总和 的百分比; Ci为第 i 个指标的实测浓度; Sij为第 i 个 指标的 j 类环境标准值。 根据分析需求， 将累积频率由大到小排列， 选取 Pi≥85 的前 k 个指标作为综合评价指标。 1. 2. 2模糊矩阵的建立 因为分级标准与污染程度都是模糊的， 所以采用 隶属 度来划分等级 界限。隶 属度 函 数 多用“隶属 度浓度” 关系来表示， 主要有 降半梯形分布、 升半 岭形分布和升、 降半梯形分布三种类型 ［4- 6］， 考虑到运 算的实际性， 一般采用 “降半梯形分布法” 来计算。 其表达式为 Y c 10 ≤ Ci≤ a1 a2－ Ci a2－ a1 a2≤ Ci≤ a2 0Ci≥ a        2 3 式中 Ci为某水样某一污染指标的实测浓度值; a 1， a2 为水质相邻二分级标准值。 再根据 GB 383822002地 表 水 环 境 质 量 标 准 ， 确定各指标属于各水质级别的隶属函数， 从而 得出单因素模糊关系矩阵 R R r11r12r1n r21r22r2n rm1rm2r               mn 4 1. 2. 3权重的确定 指标权重的确定直接关系着评价结果的准确性。 传统模糊综合评价法多采用“污染物超标法” 计算权 重， 即根据各单项指标对环境污染的贡献不同， 通过 加权法确定各评价指标的权重系数。这种方法计算 得到的权重值仅考虑了个体指标的特征， 而对多个评 价对象的相互联系却无法描述 ［7］。因此本文选用聚 类权法 ［8］ clustering weight 确定各评价指标 的权重， 此法将实测值与标准值相结合， 更加客观地 反映了各评价指标在所有指标中的相对重要性。 则聚类权法确定的第 j 等级的指标权重矩阵为 Aj a1j， a2j， ， amj。 aij Ci/Sij Σ m i 1 Ci/Sij 5 式中 aij为第 i 个评价指标在第 j 个等级的权重; 其余 各项符号意义同前。 1. 2. 4综合评价结果分析 模糊综合评价的结果是权重 A 和关系矩阵 R 的 复合运算， 即模糊算子进行的。取不同类型的算子有 不同的复合运算 1 取小取大法 B A R dj j 1， 2， 3， ， n 其中 dj ∨ aj∧rij ; 2 相乘取大法 B A R dj j 1， 2， 3， ， n 其中 dj ∨ ai， rij ; 3 相乘相加法 B A R dj j 1， 2， 3， ， n 其中 dj Σ ai∧rij ; 4 取小相加法 B A R dj j 1， 2， 3， ， n 其中 dj Σ ai∧rij 。 式中 ∧为复合运算时取最小值; ∨为复合运算时 取最大值; dj为样本对第 j 级标准的隶属度; ai为第 i 个指标的权重; rij为 i 个指标在第 j 级标准的隶属度。 通常情况下， 4 种方法的复合运算结果都很稳 定， 但当评价指标中某一项的污染浓度较高， 而其余 项的污染浓度较低时， 在这种情况下分别采用 4 个算 子对水质进行综合评价， 就会出现完全不同的评价结 果 ［9］。前两种方法为主因素突出型， 最后一种方法 实际上是“不均衡平均型” 的评判， 唯有第三种方法 是“加权平均型” 的评价， 该方法根据权重的大小对 全部因素均衡兼顾， 保留了单因素评价的所有信息， 能够切实地反映出水质的综合状况。故本文采用第 三种方法进行模糊向量的复合运算。对应于第 j 类 水质等级的相对隶属度 bj的计算公式为 bjΣ m i 1airij 6 式中 Σ m i 1ai 1。 121 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 2应用实例 2. 1监测概况 根据 2009 年辽河流域 浑河段 20 个监测断面 12 个月监测数据的平均值， 利用模糊数学综合评价方法 对辽河流域水质进行综合评价。监测断面分布见图 1。 本文采用 2009 年各月监测数据的平均值对浑河 各监测断面的水质水量进行综合评价。所有水样均 作全分析， 分析方法遵照水和废水监测分析方法 第四版 。各监测断面化学指标平均值见表 1。 图 1辽河流域 浑河段 监测断面示意 表 1辽河流域 浑河段 监测断面化学指标平均值 监测 点位 水温pH 值电导率溶解氧 高锰酸 盐指数 生化 需氧量 氨氮石油类总氮总磷挥发酚 化学 需氧量 粪大肠 菌群 W119. 08. 16637. 65. 932. 8850. 12. 5250. 090. 006132 200 W219. 07. 787068. 3578. 2350. 15. 750. 2350. 004302 800 W319. 08. 2274. 56. 057. 8554. 720. 32. 8250. 20. 00326. 53 500 W410. 06. 999. 98. 274. 3210. 0550. 010. 0250. 03250. 00111. 5520L W514. 07. 2726. 457. 4356. 391. 50. 130. 0150. 0250. 09150. 0021320L W614. 07. 4528. 956. 6355. 1220. 160. 0350. 0250. 04350. 00217. 6560 W715. 07. 2945. 657. 233. 121. 50. 10. 030. 0250. 0380. 002515. 270 W815. 57. 9575. 66. 15510. 39511. 7855. 6850. 4750. 950. 020. 003560. 51590 W914. 07. 8067. 88. 554. 5954. 780. 370. 3851. 230. 0190. 00434. 12520L W1014. 57. 9050. 38. 625. 014. 0650. 2550. 160. 590. 0150. 002524. 1170 W1118. 07. 901217. 4356. 3954. 710. 5550. 670. 820. 030. 00237. 29580 W1216. 07. 25111. 25. 3155. 3359. 093. 80. 151. 210. 0110. 00562. 61110 W1316. 08. 0054. 259. 8254. 8653. 730. 810. 1351. 330. 0140. 00316. 99520L W1414. 87. 90299. 6252. 7710. 0250. 0550. 750. 0160. 002531 W155. 257. 45913. 5956. 195. 693. 1450. 190. 490. 020. 00724. 3820L W1617. 07. 7057. 058. 674. 1854. 6250. 93250. 180. 820. 0150. 00324. 820L W1714. 08. 0554. 4510. 2252. 0610. 03750. 040. 230. 02550. 00155491 W1817. 58. 3050. 458. 965. 084. 980. 44250. 0954. 10. 0660. 001518. 531 101 W1916. 07. 112 839. 15. 21133. 73750. 032. 480. 070. 001278 010 W207. 56. 901 899. 444. 9512. 7546. 4010. 0250. 130. 0110. 001334 610 注 1 除 pH 值无量纲， 电导率单位为 S/cm， 粪大肠菌群单位为 MPN /L， 其他指标单位均为 mg/L; 2 在所有监测井中均未检出的挥发性酚类、 氰化物、 砷、 汞、 六价铬、 铁、 锌、 铜、 铅、 镉等指标， 表中未予列出。 2. 2确定评价指标 由于辽河流域 浑河段 监测断面 pH 值均在 6. 9 ～ 8. 3 之间， 其质量符合 GB 383822002 的Ⅲ类 标准， 故可以直观上排除其为参评指标的可能性， 现 对剩余的 22 项指标用式 2 进行指标选择， 遵循以 下原则 1 累积频率 Pi≥80 。 2 先对各监测断面进行指标选择。然后对各监 测断面的入选指标再进行选择， 选择时主要考虑各监 测断面共有的指标， 每个指标在所有井出现超标的次 数需大于 5 同时兼顾个别监测断面超标明显的指标。 按以上原则选出的评价指标为氨氮、 化学需氧 量、 生化需氧量、 总氮、 石油类共 5 项， 各指标累积频 率大于 80 的断面数分别为 18， 11， 9， 8， 50。再根据 GB 383822002 把地表水环境质量分为 5 类， 故取 评价集 V { Ⅰ类， Ⅱ类， Ⅲ类， Ⅳ类， Ⅴ类} 。 2. 3建立模糊关系和权重矩阵 根据隶属函数和实测值， 计算各单项指标对 5 级 水的隶属度。以第 k 个水样的第 4 个单项指标总氮 为例， 计算步骤如下 对Ⅰ类水 r21 1xk2＜ 0. 2 0. 5 － xk2 0. 5 － 0. 2 0. 2 ＜ xk2＜ 0. 5; 0 xk2        ＞ 0. 5 7 对Ⅱ类水 221 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 r22 1 － 0. 5 － xk2 0. 5 － 0. 2 0. 2 ＜ xk2＜ 0. 5 1. 0 － xk2 1. 0 － 0. 5 0． 5 ＜ xk2＜ 1． 0; 0 xk2＜ 0. 2， xk2        ＞ 1. 0 8 对Ⅲ类水 r21 1 － 0. 5 － xk2 0. 5 － 0. 2 0. 5 ＜ xk2＜ 1. 0 1. 5 － xk2 1. 5 － 1. 0 1． 0 ＜ xk2＜ 1． 5; 0 xk2＜ 0. 5， xk2        ＞ 1. 5 9 对Ⅳ类水 r21 1 － 1. 5 － xk2 1. 5 －1. 0 1. 0 ＜ xk2＜1. 5 2. 0 － xk2 2. 0 －1. 5 1．5 ＜ xk2＜2．0; 0 xk2＜1. 0， xk2        ＞2. 0 10 对Ⅴ类水 r21 0 xk2＜ 1. 5 1 － 2. 0 － xk2 2. 0 － 1. 5 1. 5 ＜ xk2＜ 2. 0。 1xk2        ＞ 2. 0 11 同理， 可以求得第 k 个水样其他指标对 5 级水的 隶属度， 从而得到模糊关系矩阵。以水样 W1为例， 所求得的模糊关系矩阵 R 为 R 0. 00000. 0000. 4870. 5130. 000 0. 0000. 4200. 5800. 0000. 000 0. 0000. 0000. 8700. 1300. 000 0. 6000. 4000. 0000. 0000. 000                 0. 0000. 0000. 0000. 8440. 136 12 按照本文提出的修正的聚类权法， 同样以水样 W1为例， 通过计算得到权重矩阵 A 为 A 0. 1630. 6190. 0830. 1730. 038 0. 0000. 4200. 5800. 0000. 000 0. 0000. 0000. 8700. 1300. 000 0. 6000. 4000. 0000. 0000. 000                 0. 0000. 0000. 0000. 9440. 566 13 2. 4模糊综合评价 采用“相乘相加法” 的模糊运算， 对权重矩阵 A 和模糊关系矩阵 R 进行复合运算， 以水样 W1为例， 得到模糊综合评价结果向量 B AR 0. 0015， 0. 0352， 0. 1150， 0. 2732， 0. 5751 。同理， 可以得出其 它 19 个监测断面的模糊综合评价结果向量， 详见表 2。 表 2模糊综合评价结果 检测 断面 隶属度评价结果 Ⅰ类水Ⅱ类水Ⅲ类水Ⅳ类水Ⅴ类水 最大隶属 度原则 加权平均 原则 k 2 W1 0. 00150. 03520. 11500. 27320. 5751Ⅴ4. 78 W2 0. 00240. 08910. 06680. 10340. 7383Ⅴ4. 91 W3 0. 00980. 11010. 09450. 14330. 6423Ⅴ4. 86 W4 0. 00820. 09130. 13320. 56230. 2050Ⅳ3. 83 W5 0. 01140. 07450. 05310. 19430. 6667Ⅴ4. 95 W6 0. 01980. 54390. 26790. 10300. 0654Ⅱ2. 26 W7 0. 04130. 08940. 67290. 16230. 0341Ⅲ3. 43 W8 0. 05410. 09990. 19450. 52180. 1297Ⅳ4. 04 W9 0. 51340. 20190. 17420. 10210. 0084Ⅰ1. 42 W10 0. 01020. 03400. 20450. 57510. 1762Ⅳ4. 83 W11 0. 01150. 03950. 16540. 49930. 2943Ⅳ4. 41 W12 0. 02010. 02610. 32950. 48930. 1350Ⅳ3. 87 W13 0. 12140. 50320. 27210. 10030. 0030Ⅱ2. 48 W14 0. 00310. 06090. 19430. 31750. 4242Ⅴ4. 77 W15 0. 00980. 08750. 24100. 35320. 3085Ⅳ3. 83 W16 0. 02910. 07500. 22850. 44330. 2241Ⅳ4. 50 W17 0. 00100. 02350. 09880. 20460. 6721Ⅴ4. 90 W18 0. 02100. 03120. 13530. 57120. 2413Ⅳ4. 67 W19 0. 00030. 00970. 06770. 10450. 8178Ⅴ4. 88 W20 0. 00190. 01850. 25490. 34120. 3835Ⅴ4. 58 由表 2 可得 从整体上来看辽河流域水质状况令 人堪忧。在 20 个监测断面中， 水质为Ⅳ和Ⅴ类的监 测断面有 16 个， 占总监测断面的 80 ， 且以偏Ⅴ类 水为主 有 11 个监测断面的水质等级处于 4. 50 ～ 5. 00 之间 ; 水质为Ⅲ ～ Ⅳ类的监测断面有 9 个， 占 总监测断面的 45 ， 且全部为偏Ⅳ类水 1 个监测断 面的水质等级均处于 3. 00 ～ 3. 50 之间 ; 水质为Ⅱ ～ Ⅲ类的有 3 个， 占总监测断面的 15 ， 其中以偏Ⅲ类 水为主; 水质达到Ⅰ ～ Ⅱ类的有 3 个， 占总监测断面 的 15 ， 其中以偏Ⅱ类水为主。约有 85 的监测断 面达不到生活饮用水标准， 其他监测断面的水质也已 接近 Ⅲ 类水， 应当引起警惕。由此可见， 辽河流域 浑河段 的水污染已较为普遍， 且相当严重。 3结论 本文在传统模糊综合评价法基础上， 针对评价指 标选择、 权重确定、 模糊运算分析三个环节提出改良 对策， 建立了一个更为科学、 合理的模糊综合评价模 型， 并将其应用于辽河流域 浑河段 的水质评价中。 由本文评价结果可知，辽河流域 浑河段 的水质类 下转第 127 页 321 环境工程 2011 年 12 月第 29 卷第 6 期 3 本试验对获得的目标菌株从主要的环境因素 方面进行了单因素研究， 其他影响该菌株降解的条 件， 如培养基的选择与配方等还有待进一步的研究。 同时， 对其降解部位、 降解过程等降解机理还需更深 入探索。另外， 在实际的生物降解过程中， 常常存在 多种微生物对 COD 的协同作用， 这也可作为工作重 点之一。 参考文献 ［1］林乔元． 我国造纸工业碱法制浆水污染的防治［J］． 中国造 纸，2003，12 9 62- 68． ［2］颜高锋， 史惠祥，万先凯，等． 废纸造纸废水特征污染物筛选 及其迁移转化规律［J］． 环境科学研究， 2010， 23 4 504- 509． ［3］丁以俊， 金辉． 造纸废水的治理［J］． 江苏环境科技， 2008， 21 S1 35- 36． ［4］张坷． 造纸工业蒸煮废液的综合利用与防治技术［M］． 北京 中国轻工业出版社，1992． ［5］易封萍． 臭氧一混凝法处理造纸废水［J］． 工业水处理，2007， 21 1 34- 36． ［6］蒋佩霞， 黄江丽， 张晓杰． AAB 式生物处理高浓度造纸 废水 ［J］． 环境工程，2004， 12 1 11- 13． ［7］Pixxichini M，Russo C，Meoc D． Purification of pulp and paper wastewater， with membrane technology，for water reuse in a closed loop［J］． Desalination，2005，178 12 3512- 3591． ［8］胡明，张为灿，卢雪梅，等． 黄孢原毛平革菌产生的具有氧化 性活力低分子肽类物质的分离纯化与性质鉴定［J］． 中国科学 C 辑，2006，36 1 43- 50． ［9］Michad AP，RosaR，etal. 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