（水利工程专业论文）系统模糊集理论在水环境系统——水质评价中的应用.pdf

摘要 本文应用模糊集理论与方法对环境系统中存在的水质污染问题进行了实质 性评价。全义共分六章内容提要如下： 首先论述了水环境系统中广泛存在着的模糊现象是客观的而普遍存在着的 自然属性，以及在水环境系统中应用和研究模糊集理论与方法的重要性和必要 性。然后结合文献总结，综述了模糊集理论在水环境系统一水质评价巾的应用 研究现状。最后概述了本文选题的基本内容和要点。 第二章作为本文研究应用的基础和为了便于论述，现将陈守煜教授提出的 模糊识别、划分与决镣坪论加以介绍。第三章目前存麻用模糊数学原坪与方法和 环境质量分类评价研究方面需要进一步探索的f 、j 题就是研究模糊划分聚类分析 理论与方法在水质分类评价中的应用。并详细阐明以加权距离平方和为最小聚类 准则及其相应的迭代公式的数学与物理意义。第四章对水质进行科学评价，评价 方法是评价理论的核心。是现代环境科学基础理论研究的重要课题之。，评价方 法的合理性，将直接影响至4 评价结果的可靠性。由于环境评价涉及到许多模糊性 概念，应用模糊集理论号方法，引入权重。采用二级模糊综合评判模型，进行水 质评价，比传统的评价方法更符合实际情况，能使环境评价的理论与方法建立在 比较严谨的数学模型基五 f 之卜。第五章根据水环境质量评价的特点，陈守煜教授 在模糊模式识别理论模型的基础上，运用了超标枞重矩阵和动态分级的环境质量 评价的模糊识别模式。此模型鲒构比较合理。评价过程能够充分利用实际数据中 所包含的信息，评价结果更合理可靠。 在第六章对上述工作进行了总结；最后，提出下步待研究课题。 总之，研究和应用模糊集理论及水环境系统的模糊系统分析方法，发展和丰 富其内容尤其是在水质评价中的其体应用，是本文的根本目的。同时与环保部 门目前使用的水质评价方法加以对比，进一步验证水环境系统的模糊集理论和方 法存水环境系统中的适用性为城市水环境污染状况提供更合理的依据。 关键词：模糊集理论水环境系统水质评价应用研究 2 a b s t r a c t t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l ys t u d i e st h ea p p l i c a f i o no fe n g i n e e r i n gf u z z ys e t ss y s t e mt h e o r ya n d m e t h o dt ot h ee w l u a t i o no fw a t e l q u a l i t yp o l u f i e np r o b l e m se x i s t e di ne n v i r o n m e n t a ls y s t e m s w h i c hi n c l u d e ss i xc h a p t e r sb r i e f l yi n h o d u c e da af 0 1 l o w s r r 吐 1 7 碍c o n c e p t s a r et nb er e g n l 删躲o b j e c t i v ea n d p e r v a s i v en a t u r a la t l r i b n t e si n w a t e r e n v i r o n m e n t a ls y s t e m s ，a n dt h es i g m f i c a a o ea n dn e c e s s i t yo f t h ea p p l i c a t i o no f e n g i n e e r i n gf u z z y s e t st h e o r yt ot h i sf i e l da l ea l s od i s c u s s e dt h e n , c o m b i n i n gw i t hr e f e r e n c er e v i e w , t h er e s e a e h t e n d e n c yo ff u z z ys e t s 也e o r yi nw a t e rq m l 姆e v a l u a t i o n i ss u m m a r i z e d f i n a l l y , t h ef r a m e w 口k a n d k e yp o i n t so f t h i sp a p e rmg e n e r a l i z e d c l m p t e r2m a i n l yr e v i e w sf u z z yr e c o g n i t i o n , f u z z yp a r t i t i o na n df u z z yd e c i s i o nm a k i n gt h e o r y p r o p o s e db yp r o c h e r t8 h o u y u , w h i c h a f et h e 甘地o n 疵a lf o u n d a t i o no ft h i sp a p e r i nc t m p t e r3 t h es t u d y w o r t h yp r o b l e n mo f a w l y i a g 伽曲, o o r i n gf w - ys e bt h e o r yl ) t h ei e ；l g n i t i l v fw a t e r q u a l i t ya g ef i r s td 遗c u s s e d , t h e n t h em a t h e m a t i c a la n dp h y s i c a lf e a t u r e so ff u z z yi t e r a t i o nm e t h o d ， w l mag o a ll i m c t i o no f l e a s t q u a d r a t i cs l i mo f w e i g h t e dg e n e r a le u c l i d e a nw e i g h t e dd i s t a n c e s 目 p r o f o u n d l yd e m o n s t r a t e d t h es c i e n t i f i ce v a i n a t i o no f w a t e rq u a r r yi sa n i m p o r t a n tr e a g c h6 e l d i nb a s i c t h e o r ys t u d yo fm o d e r ne n v i r o n m e n t a ls o i e l l c e , a n dt h er a t i o n a l i t yo ft h es e l e c t e d e v a l u a t i o nm e t h o d sh a sad i r e c ti n f l u e n c eo nt h e i a b i h 可o ft h ee v a l u a t i o nr e s u l t s d u et ot h e e x i t e di 畸c o n c e p t s , e n g i n e e r i n gf i l z 巧咖t h e o r yj si n t r o d u c e di n t oe n v i r o n m e n t a le v a l u a t i o n i n c h a p t e r4 ，a n dt h e nf u z z ys y n t h e t i c e v a l u a t i o nm o d e li su s e dt oc e r c yo u tw a t e rq u a l i t y e d l u a t i o n , w l f i c hi sl m 甜0 1 1p r e c i m a t h e n m l i ：a lm o d e l , a n di si i l o i ft a m s i s t e n tw i t ht h ef a c to f w a l d l q u a l i t ye o m p ”e d w i t ht h er e s u l tf r o m t r a d i t i o n a l 酬u 咖m e t h o d s i nc h a p t e r5 ，b a s e d o n t h ec h a r a c t e d m i c 8o fw a t e re n v i r o n m e n t a le v a l u a t i o na n d t 缸z yp a t t e r nr e c o g m t i o nm o d e l p r o p o s e db yp r o fc h e r ts h o u y n , an e w f o r m u l at ot r a n s f o r md e c i s i o n m a k i n gi n d e xm a t r i xi n t o t h er e l a t i v em e m b e r s h i pd e g r e em a t r i xi si n t r o d u c e d , t h e nu n d e rd y u a n u er a n k i n g c o n d i t i o n s , t h e f u z z yr e c o g n i t i o nm o d e lp r e n t o db yp r o fc h e ni su s e dt oi m p l e m e n te v a l u a t i o n , w h i c hh a s r e a s o n a b l es t m c 札t r e a n dc a n f u l l ym t e g r a l et h ei n f o r m a t i o nf r o m r e a ld a t a , a n d c o n s e q u e n t l y l e a d s t om o r er e l i a b l ee v a l u a t i n gr e s a l t s ( 确a p t e r6g e n e r a l i t e st h ea b o v ew o r k ，a n dp r e , q e n t sr e s e a r c ht a s k s t oh e s t ! i x d i e x lf u r t h e r t h i s p a p e r a j 埘【i st o s t u d y t h e a p p l i c a t i o n o f e n g i n e e r i n gf u z z y s e t s t h e o r y t ow a t e l - e n v i r o n m e n t a ls y s t e m s ，p e 蛐t ow a t e rq u a l i t ye v a l u a t i o n c o m p a r e dw 址t h et r a d i t i o n a l m e t h o d su s e di ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ns e c t o r s ，t h e a p p l i c a b i l i t yo fe n g i n e e r i n gf u z z ys e t s t h e o r y a n dm e t h o dt ow a t e re n v i r o n m e n t a l s y s t e m s i s 伍r h e rv a l i d a t e d ，w h i c ho f f e r s1 1 1 0 r e r e a s o n a b l er e t b r e n c et o p o l l u t e ds t a t u so f 嘶w a t e r r e s o u r c e s k e y w o r d s ：e n g i n e e r i n g 岫s e t st h e o r y w a t e re n v i r o n m e n t a l s y s t e m w a t e r q u a l i t y e v a l u a t i o i l a p p l e t o n a n d s t u d y 致谢 本文是在导师王本德教授的精心指导下完成的，其严谨求实、孜孜不倦、精 益求精的治学精神给学生树立了学习的榜样。王本德教授虽日理万机，但仍给学 生很多的支持和帮助。在此，谨向老师表示诚挚的感谢和深深的敬意。 在论文完成期间，得到了大连理工大学土木工程系水资源教研室的陈守煜教 授，周惠成教授，千国力老师和其它老师及研究牛、进修牛的帮助，借此机会向 他们表示忠心的感谢。 本文的完成也曾得到大连理工大学土木工程系办公室各位老师的大力协助， 借此机会向他们表示忠心的感谢。 作者还要感谢自己的家人对我的理解、关心、支持和帮助。 最后，向所有关心和帮助过的人们表示感谢! 第一章绪论 第一章绪论 摘要：本章论述了水环境系统中广泛存在着的模糊现象是客观的而普遍存在着的自 然属性，以及在水环境系统中应用和研究模糊集理论与方法的重要性和必要性。然后结 合文献总结，综述了模糊集理论在水环境系统一水质评价中的应用研究现状。最后概 述了本文选题的基本内容和要点。 1 1 水环境系统中的模糊性 所谓模糊性主要是指客观现象( 事件、概念) 的差异在中间过度时呈现的亦此亦彼 性。如水环境的质量的“清洁”与“污染”之间并不存在明确的数值界限。污染物的浓 度“高”与“低”，方案的“优”与“劣”，指标在决策或评价中地位的“很重要”与“较 重要”，污染的危害性或风险性的“大”与“小”等等，都无法用确定的界限加以贴切 划分。又如：地面水水质评价中规定，挥发酚大于0 5 r a g 1 为重污染，大于0 1 i n g 1 为 轻污染。因此，浓度为0 5 z g 1 属于中污染，浓度为0 5 1 m s 1 属于重污染。其实o 5 0 和0 5 1 二者在数值和污染程度上并没有多大区别，但如上的硬性区分显得不尽合理。 客观世界中的一切事物在不断地运动变化，通过量变到质变，又从新的量变到新的质变， 依次循环，永无止境。因此，模糊性的存在是普遍的、永恒的。尤其在人类的思维活动 中，模糊性的作用更为突出。 恩格斯在自然辩证法中，对自然系统演化过程中出现的这种。过渡”状态作了 深刻论述。他指出：“一切差异都在中间阶段融合，一切对立都经过中间环节而互相过 渡，对自然观的这种发展阶段来说，旧的形而上学的思维方法就不在够了。辩证法不知 道什么绝对分明的和固定不变的界限，不知道什么无条件的普遮有效的。非此即彼i ， 它使固定的形而上学的差异互相过度，除了非此即彼i 又在适当的地方也承认亦 此亦彼j 并且使对立互为中介。”“3 所谓“亦此亦彼1 t 是指在一定的条件下新旧系统的界限是分明的、确定的。必须 从系统的确定性来把握系统。但在物质系统演化过程中又存在着中问阶段或过渡状态， 在这里新旧系统之间界限和差异是不确定的，模糊的。按照辩证法的思维方式，要全面 地把握系统，从发展中把握系统，除了承认“非此即彼”外，还必须在适当的地方承认 “亦此亦彼j 承认它是这个系统又不是这个系统。嘲 1 9 2 3 年大哲学家伯特兰罗素就曾经专门论述过模糊性问题。伽 1 9 6 5 年美国控制论专家查德( l h z a d e h ) 发表了关于模糊集合的第一篇论文m 。 由此产生了一个新的数学分支模糊数学。模糊数学的产生把数学的应用范围从精确 扩展到模糊现象领域，因此，一经产生就显示了强大的生命力。学科本身的发展十分迅 速，已建立了很多分支理论，如模糊拓补、模糊逻辑、模糊测度、模糊群、模糊算术、 可能性理论、模糊优化理论等等。应用从自然科学的多个领域扩展到社会科学的许多领 2第一章绪论 域。 1 9 9 3 年，陈守煜教授在论述模糊性概念时与一般的模糊集合论著略有不同。认为客 观事物之间的差异并不一定具有中介过渡性。当事物处于共维条件下它们的差异才呈 现出中介过渡。嘲 1 2 水环境的复杂性意昧着模期性 系统的复杂性主要表现在：( 1 ) 系统输入的不确定性( 随机性和模糊性) 和难以预 测性。( 2 ) 系统目标包括易于定量的清晰目标和不易于定量的非清晰目标或模糊目标。 ( 3 ) 系统约束条件的多样性。包括清晰约束和弹性约束。( 4 ) 系统决策受到决策人的 经验、知识水平等多种模糊性因素影响。 系统分析方法从整体的观点出发，把众多的客观因素及其关系给予定量描述，把不 确定因素引导到决策者的注意范围，并尽可能加以清晰的处理；用系统的、逻辑推理的 和数学方法来揭示各种决策可能产生的作用和影响；用选优去劣的原理来分析、比较方 案；从而是决策者可以更好地进行分析判断。系统科学的这些优越性是不可否定的。也 是行为科学无法代替的。但是。在系统分析中使用的模型是从客观现实中经过大量的简 化后抽象出来的，只能近似的反映客观世界中已为人们所理解的那一部分现实，很难全 面反映水环垢系统规划管理中的各种复杂性，有很多对决策起较大作用的因素( 诸如决 策人的经验，政治、经济体制，传统习惯因素等) 被遗弃在模型之外。在决策分析过程 中，每一方案的经济效益、社会效益及生态影响的评价既要定量计算，又要定性分析， 还要凭经验判断，并非所有各方面都可以有模型求解来确定。 随着水环境系统理论与实践的发展，系统变得愈来愈复杂，系统中的精确性与复杂 性之间的矛盾日益突出。l a l a d e h 从实践中总结出这样一个互克性原理；“当系统的复 杂性日益增长时，我们作出系统特性的精确然而有意义的描述能力将相应降低，直至达 到这样一个闽值一旦超过它，精确性和有意义性将变成两个互相摊斥的特性”。这就 是说，复杂程度越高。有意义的精确化能力便越低。复杂性意味着因素众多，存在饕可 定量和不易定量的因素和变量，存在着清晰和非清晰的目标和约束等等。如果说，在过 去的水环境系统分析中，能够回避模糊性而运用传统的模型与方法。那么，在发展至今 天的水环境分析中，人们再也无法回避模糊性了。 1 3 模糊集理论是研究水环境系统的有效工具 水环境系统中各种事物和现象的客观存在性，以及伴随者复杂的水环境系统存在的 模糊性都决定了水环境科学这门新兴综合学科的发展过程中必须重视模糊数学的应用， 模糊数学可称为是继经典数学和统计数学之后又一个新发展，它将普通集合隶属函数的 二值值域 0 ，1 ) 扩展为模糊集合隶属函数的连续值域 0 ，1 ，为描述和反映水环境系 统中的各种模糊事物和现象如模糊指标、模糊概念，目标和约束以及各系统之间的模糊 关系提供了有效手段。模糊数学可使数学吸取人脑识别与判决中的模糊性，对识别和判 一 苎二皇堕堡 ! 决过程中所涉及的经验知识和模糊信息给出客观的数学描述育效的解决了许多光靠经 典数学和统计数学难以很好解决的水环境系统中问题。因此，可以说模糊集理论与方法 在水环境系统中的合理应用与研究是水环境科学的一个必然发展方向。 我国著名科学家钱学森教授多次强调，在解决大系统盼系统工程问题时，要注意利 用不能称之为“科学”的人的知识与经验。为了完整地分析、描述水环壤系统的特征及 在水环境分析中重视决策人的知识与经验。将定量计算与定性分析相结合，把基于事物 的物理本质、经济规律进行严密的科学计算与根据人的经验、知识和智慧进行直觉判断 有机的结合起来。在现有的水环境系统模糊理论基础上，陈守煜教授多次得到国家自然 科学基金和高等院校博士学科点专项科研基金的资助，先后出版了专著”水利水文水 资源与环境模糊集分析、水利水文水资源系统的模糊优化与数值计算、模糊水文 学与水资源系统模糊优化原理、水文水资源系统模糊识别理论，系统地论述了模糊 优化理论及求解方法。其中包括了模糊识别、划分与决策理论及模型，水质的模糊模式 识别，环境系统评价预测理论与模型等新课题。其发展了横糊集理论。具有深刻的意义。 水环境系统模糊系统分析的根本特点就在于它不仅要吸收系统分析的成果，而且还致力 于把这些成果与人的经验、知识、智慧结合起来，并把这些难以定量的因素规范化、模 型化，使之能更好地研究解决现代复杂水环蟾系统的管理决策问题。 1 4 模糊集理论在水环境系统 ( 水质评价) 应用研究现状及简要回顾 自从六十年代j a c o b s 和h o r t o n 等人n o 】提出了水体质量评价的水质指数( w q i ) 概念和公式以来，环境质量的评价方法发展很快。常规的环境质量评价方法大致可以分 为四大类。其中综合指数法在六、七十年代应用较多，国内外已提出了2 0 余种不同模 式，如：n c m c r o w 模式叫、均方差模式【n j 、指数模式叫等。 水环境质量评价中的环境污染程度、分类级别都是一些客观存在的模糊概念和模糊 现象，因此应用模糊集理论进行环境质量评价比“非此即彼”的常规评价方法更能客观 地反映环境污染状况。近十几年来，模糊集理论在环境质量评价中的应用与研究得到了 飞速发展，且大都集中在对环境质量现状评价方面。主要成果有： ( 1 ) 模糊综合评判法叫 这是目前在环境质量评价中应用最为广泛的方法。其基本形式是b = 4 r 。其中曰 为综合评判结果，表示评价样本对评判分类的隶属度，爿为污染因子的权重向量，一般 通过超标倍数归一化后得到；月为各污染因子与评价标准之间的模糊关系矩阵，由定义 的隶属函数式确定。模糊综合评判法的模型表达式可简写为m ( ，) i f ”，；分别表示 为模糊广义“与”运算、“或”运算。可取不同算予。较为常用的具体模型有四种 1 6 】： m ( a ，v ) 、m ( ，v ) 、m ( 0 ) 、m ( a ，0 ) 。由于模糊缘舍评判法形式篱单，运算方 便，受到环保工作者的偏爱，在有关环境各个要素以及区域性环境的质量评价中得到了 普遍的应用a 如大气质量的评判l ”刮、水环境( 包括江、河、湖、海、水库和地下水等) 质量评价等【z “。 第一章绪论 ( 2 )模糊聚类法 模糊集理论的发展和模糊集理论在环境系统中的应用都是从研究模糊聚类开始的。 这种方法首先是根据客观事物间的特征、亲疏程度和相似性，通过建立模糊相似性关系 对客观事物进行分类的。大致有两种方法：一是z a d e h 刎和t a m u r a 提出的基于模糊 等价关系的动态聚类法；二是b e z d e km 提出的i b o d a t a 聚类分析法。第一种方法在 环境质量的分类与评价中最为普遍，有关文献很多p ”2 】 ( 3 )模糊模式识别法 将环境质量标准作为己知模式，评价样本作为未知待识别模式，运用模糊贴近度1 3 3 j 、 模糊度m 1 等概念和隶属度最大原则判分环境质量评价样本应属于的类别。 ( 4 )模糊概率法州 统计一定时期内污染因子监测值的概率分布规律情况。将监测值转化为隶属度，利 用模糊概率理论得到一定时期内各污染因子的统计平均隶属度，再运用模糊综合评判、 综合指数等方法进行综合评价。 ( 5 )灰色聚类法l “叫 经分析看出，灰色聚类法的评价原理与模糊综合评判法中的加权平均模型是一致 的。 1 5 小结与本文主要工作 模糊性在环境系统的客观存在性和环境系统本身的复杂性都决定了重视模糊集分 析方法在环境系统和环境科学领域中的应用研究是十分必要的。纵观现有的研究成果， 环境系统中的模糊数学方法发展虽然较快，但毕竟只有十几年时间，还很不成熟，存在 着应用不平衡，以及方法比较单一和不完善等缺陷。国内主要集中在有关环境质量现状 评价方法，而且大多运用颇有争议的模糊综合评判模型和模糊聚类法；在关于环境系统 决策方面，以应用层次分析法、线性加权法和贴近度概念为主。国外的研究开展较国内 少。主要集中在对环墙治理或规划方案的模糊选择和决策，以及对污染处理系统的模糊 逻辑控制方面，且多为会议论文。总体上来看，模糊集理论在环缝领域的应用研究目前 尚处在发展的初级阶段。 以陈守煜教授主持的博士点专项科研基金资助项目模糊水文学的划分、识别理论 ( 1 9 9 1 1 9 9 3 ) 和国家自然科学基金项目水资源系统模糊优化识别理论( 1 9 9 2 1 9 9 4 ) 为主要参考背景。陈守煜、李桂花在文献牌j 提出了模期混合聚类方法，对第二松花江八 个采样断面十九项污染指标进行了水质分类评价，取得了满意结果。陈守煜在文献p 8 l 的 基础上，进一步研究了模糊聚类分析理论与方法在水质分类评价中的应用，并详细阐明 了以加权距离平方和最小的聚类准则及相应迭代公式的数学与物理意义陋】。文用该 方法研究了碧漉河水库的水质评价问题。研究结果表明，用这种模糊划分聚类分析方法 进行环境质量或水质分类评价，理论更严谨，实用上比模糊等价关系聚类方法得到的结 果更符台实际情况。因此用模糊集理论研究水体、环境污染分类评价是一条值得重视与 探索的新途径。 4 第一章绪论! 总之，任何学科的发展都需鬻经历相当长的时间，而且要经过实践的检验从实践 中来到实践中去的多次循环反复过程。为此，研究和应用模糊集理论及水环境系统的模 糊系统分析方法，发展和丰富其内容，尤其是在水质评价中的具体应用，是本文的根本 目的。同时与环保部门目前使用的水质评价方法加以对比，进一步验证水环境系统的模 糊集理论和方法在水环境系统中的适用性。为城市水环境污染状况提供更合理的依据。 本文主要工作内容有： 1 5 1 按期识别、期分与决策理论及其模型 4 1 j 水环境系统中的模糊性表现在识别和划分过程中，因此，模糊识别与划分理论是水 环境系统模糊集分析理论的基础。作为本文研究的基础和为了便于论述，现将陈守煜教 授提出的模糊识别、划分与决策相结合理论。( 即将模糊模式识别、模糊划分与模糊决 策联系起来，形成模糊识妫、划分与决策统一的模型) 加以介绍。应该指出，模糊识 别、划分与决策理论，发展了模糊数学关于模糊模式识别、模糊聚类、模糊决策理论， 对其它学科领域具有普遍的实用性。 1 5 2 水质分类评价舔模糊蝴分、聚类方；寿在水质分类评价中应用i 叫大连主要河 流水质综合分类评价 目前在应用模糊数学原理与方法和环境质量分类评价研究方面需要进一步探索的 问题就是研究模糊划分聚类分析理论与方法在水质分类评价中的应用，并详细阐明以加 权距离平方和为最小聚类准贝及其相应的迭代公式的数学与物理意义。本文通过对大连 主要河流水质综合分类评价的研究结果表明：用模糊划分聚类分析方法进行环境质量或 水质分类评价，理论上更为严谨。实用上比用模糊等价关系( 或基于模糊等价关系原理) 聚类方法得到的结果更符合实际情况。同时指出，通过与环保部门目前使用的综合分类 平均指数法分析对比。就分类而言，综合分类平均指数法，简易可行结果良好。 1 5 3 水质综合评价的模搦集分析原理与方法在水质评价中的应用 ”i 碧液河水 库水质模辫综合评价 尉水质进行科学评价，评价方法是评价理论的核心。评价方法的合理性，将直接影 响到评价结果的可靠性。环境评价的价值就在于准确可靠，如果缺乏准确性仅有一个大 致的笼统的概念，评价就不会有权威性，对决策就不会具有约束力与指导意义。 盛l 于环境评价涉及到许多模期性概念，应用模糊集理论与方法，比传统的评价方法 更符合实际情况，能使环境评价的理论与方法建立在比较严谨的数学模型基础之上。 应用模糊综合评判模型进行水质评价的关键是确定权重。由于影响水体质量的污染 因素众多t 为了避免各个因素权重的过小与均化，一级综合评判只自隧择其中几项最主 要的污染因索进行评判。但是水环境的污染是多种污染因紊的综合效应，为此文提出 用二级模糊综合评判模型进行水质评价，它可以综合考虑众多污染因素对水质的影响， 避免因素过多时不宣配以权重的缺点。显然，二级模糊综合评判模型比一级模糊综合评 判模型有着更强的适应性。 第一章绪论 1 5 。4 环境系统模期模式识别综合评价理论与模塑在水质评价中的应用1 9 | ( 1 ) 大莲市( 县) 近岸海域水质状况分析( 2 ) 大连市( 县) 区地下水水质状况分析 ( 1 ) 问题的提出 具有模糊性质的事物或现象、概念在环境系统领域中是大量存在着的。如当今世界 环境污染严重，已经成为世界进一步发展迫切需要解决的一个重大问题。为了切实有效 地治理、改善与保护人类生存的环境质量。首先必须对环境质量进行科学的评价，评价的 理论与方法是现代环境科学基础理论研究的重要内容。由于环境的评价要涉及到许多模 糊概念，诸如：环境的质量的“清洁”与“污染”之问并不存在明确的数值界限；污染 程度的“高”与“低”、方案的“优”与“劣”、指标在决策或评价中地位的“很重要” 与“较重要”、污染事故的危害性和风险性的“大”与“小”等等，都无法用确定的界 限加以区别或划分。模糊概念之间客观地存在着差异，但差异并非是绝对的，从差异的 一方到另一方没有明显的界限。中间经历一个从量变到质变的连续过渡过程。即差异的 中介过渡性。由差异的过渡性而产生划分上的非确定性就是模糊性。因此，模糊性不是 由于人的主观认识达不到客观实际而造成的，而是事物的一种客观属性，是事物的差异 之间存在着中间过渡过程的结果。 由于模糊集理论这门新兴学科自身发展的不完善以及环境科学的复杂性和特殊性， 目前有些模糊数学方法在环境质量评价方面的应用还存在一些缺陷。为此，陈守煜教授 在模糊水文学研究中，将环境系统中对立概念之间，在划分过程中不存在明确的界面的 论点，拓展到一般的环境系统。建立环境系统模糊评价捧序理论与模型。其比传统的评 价方法更能够符合现象的实际情况。 ( 2 ) 环境质量评价的模糊识别模式 根据水环境质量评价的特点，陈守煜教授在模糊模式识别理论模型的基础上。运用 了超标权重矩阵、动态分级的环境质量评价的模糊识别模式。模型结构比较合理，评价 过程能够充分利用实际数据中所包含的信息，评价结果更合理可箍。 ( 3 ) 应用实例：( 1 ) 大连市( 县) 区近岸海域水质状况分析( 2 ) 大连市( 县) 区地 下水水质状况分析 1 5 5 结论与展望 水环境系统模糊系统分析方法吸收了一般系统分析方法的优点，并可以较为妥善地 处理系统中的众多模糊性因素。把人的经验、知识和智慧定量化，使过去系统分析中难 以加以考虑的因素直接进入数学模型，以适应当前和未来水环境系统日益复杂化的要 求，有效地处理精确性与复杂性之间的矛盾。如此优越的特点恰恰是其它分支学科难 以取代的。因此，不久的将来水环境模糊系统分析将在模糊数学发展中占有重要的地位， 并有着广阔发展前景。 6 第一章绪论 参考文献 思格斯自然辩证法人民出版社1 9 7 1 年版 中国科学技术大学等台编自然辩证法原理湖南教育出版社，1 9 8 4 年 伯特兰罗素。论模期性，大洋州心理学和哲学杂志第一卷1 9 2 3 年杨清、吴涌涛译 模 糊系统与教学，第四卷1 9 9 0 ( 1 ) l a z a d e h f u z z ys e t s ji n f o r m a t i o na n dc o n t r 0 1 1 9 6 5 ( 8 ) 张华厦关于差异，矛盾与系统辨证论的对话系统辨证学学报，1 9 9 3 ( 4 ) 。 际守熳水利水文水资源与环境模糊集分析 ，大连理工大学出版杜，1 9 8 7 陈守煜，水利水文水资源系统的模糊优化与数值计算 、大连理工大学出版社，1 9 8 9 陈守煜，模糊水文学与水资源系统模糊优化原理 、大连理工大学出版社1 9 9 0 踌守煜。水文水资源系统的模期识别理论、大连理工大学出版社。1 9 9 2 j s e o b s8 l e ta 1 w a t e a rq u a l i t yc r i t e r i a j o u r n a l o fw a t e rp o l l u t t o nc o n t r o i f e d e r a t i o n ，1 9 6 5 ，3 7 ( 5 ) ：2 9 2 3 0 0 。 郦桂芬，环境质量评价。北京，中围环境科学出版杜1 9 8 9 徐鸿楷，半集均方差水质评价模式，环境科学，1 9 8 56 ( 4 ) ：5 5 6 7 w a l s k l t m a n dp a r k e r 。f l c o n s u m e r sw a t e rq u a l i t yi n d e x j o u n a lo fe n v l r o n m e n t a l e n g i n e e r i n gd i v i s i o n ，1 9 7 4 ，1 0 0 ( e e 3 ) ：5 9 3v 6 0 1 汪培庄，模糊集合论及其应用上海科学技术出版社，1 9 8 3 年 陈永义等，综合评判的数学模型，模期教学，1 9 8 3 。( 1 ) ：6 1 1 0 沈德直，范健，论五种f u z z y 综合评判模型与环境质量评价，环境科学动态1 9 8 3 ，( 3 ) ：9 1 2 门雅莉，马有福等用模糊数学的综合评价方法评价沈阳市大气质量，环境保护科学，1 9 9 0 ， 1 6 ( 2 ) ：3 1 勺7 ，7 7 叶晓红甘平大气环境质量的模糊综合评价，环境科技。1 9 9 0 ，1 0 ( 5 ) ：6 9 7 i 李亚，模糊数学在大气环境质量评价中的应用尝试，大气环境1 9 9 1 ，6 ( i ) ：1 5 1 7 豢敬意运用模糊数学方法评价大气环境质量城市环境与城市生态。1 9 8 9 ，2 ( 4 ) ：3 9 4 i ， 4 5 高洪芳，邵彦琴，模糊数学在评价浑河( 沈阳段) 水质有机污染中的应用，环境保护科学，1 9 9 1 ， 1 7 ( 1 ) ：2 1 2 4 ，2 7 劳期团，模糊数学方法在水库水质综合评判中的应用，中圜环境科学1 9 8 9 ，9 ( 3 ) ：2 2 5 2 2 9 朱玉仙模糊综舍评判法在地下水水质污染结合评价中的应用，水文地质工程地质，1 9 8 6 ， ( 2 ) ：3 9 4 1 张振珠李亚，应用模糊数学法进行化工区地下水水质评价的尝试，化工环保，1 9 8 9 ，9 ( 3 ) ： 2 2 5 2 2 9 阎竣，水体质量评价与富营养化评价中的模糊数学方法，系统工程理论与实践，1 9 9 0 ，1 0 ( 4 ) ： 6 6 7 1 曹斌、宋健社，湖泊水质富营养化评价的模糊决策方法环境科学，1 9 9 1 ，1 2 ( 5 ) ：8 8 9 1 彩云辉，王肇宴i | 。海洋环境质量几种评价方法的比较，海洋环境科学1 9 8 6 ，5 ( 2 ) ：4 3 5 3 7 m 嘞嘲m m 旧呈 兰m m m m 吣啪 叭 融啪 叭 啪 8第一章绪论 【2 8 z e d e b ，l a ，s i m i l a r i t y r e l a t i o n sa n df u z z yo r d e r i n g i n f o r m a t i o n s i e n c e ，1 9 7 1 ，( 3 ) ：1 7 7 2 0 0 t a m u r a ，s e ta 1 p a t t e r nc l a s s i f i c a t i o nb a s e do nf u z z yr e l a t i o n i e e et r a n s a c t i o n s o ns y s t e m s ，m a n dc y b e r n e t i c s ，1 9 7 1 ，1 ( 1 ) ：6 1 “6 6 8 e z d e k ，j c p h y s i c a ti n t e r p r e t a t i o no ff u z z y i s o d a t a i f _ e et r a n s a c t i o n so n s y s t e m s ，m a na n dc y b e r n e t i c s1 9 7 6 。6 ：3 8 7 3 8 9 宋印胜。她下度环境质量评价的聚类方法比较，工程勘察1 9 9 2 ，( 1 ) ：3 9 4 l 李湘中，f u z z y 聚类分析在水体水质分类中的应用模糊数学。1 9 8 4 ，( 1 ) ：8 5 9 0 李扳亮。水质污染评价中的b e a m i n g 贴近度评价法。环境工程1 9 8 9 。7 ( 6 ) ：4 1 4 6 李柞泳，等。模糊度概念用于湖泊奎营养化评价环境科学研究，1 9 9 1 ，1 2 ( 2 ) ：8 6 9 0 李柞泳，赵邦杰区域环境质量综台评价的一种方法一f u z z y 的概率法，环境科学学报，1 9 8 4 ， 4 ( 3 ) ：2 0 5 “2 1 2 慕金波，侯克复。灰色聚类法在水环境质量评价中的应用。环境科学。1 9 9 1 1 2 ( 2 ) ：8 6 “9 0 刘广吉，刘淑文。灰色聚类法在水质评价中的应用。水利水电技术，1 9 8 8 ，( 6 ) ：l 4 陈守媪、李桂花，环境质量分类评价的模糊混合聚娄法，东北水力发电学报，1 9 8 6 ( 2 ) 。 陈守煜，水质评价模糊集理论与应用，水文，1 9 9 1 ( 6 ) 。 阵守煜，碧流河水库永质模糊综台评价水利水文水资源系统的模糊优化与数值计算。大连理 工大学出版社，1 9 8 9 。 陈守煜系统模糊决策理论与应用大连理工大学出版社，1 9 9 4 。 胨守煜。赵瑛骐，模糊数学在水利中的应用，1 9 8 6 ，2 ( 3 ) ：4 2 5 1 胨守煜工程水文水资源系统模糊集分析理论与实践，大连理工大学出版牡1 9 9 7 ( 1 1 ) ： 1 7 5 1 8 2 李桂花，二级模糊综合评判模型在水质评价中的应用全田环境科学研究生学术讨论会论文， 1 9 8 6 。 8 啪 啪 m m m 瞰陆 l墨嘞l呈 m 吣 m 第二章棱糊识别、募类、决策理论及萁模型 第二章模糊识别、聚类、决策理论及其模型【1 l 9 摘要模糊识别、模糊聚类、模糨推理及模糊综合决策是当前模糊数学应用比较广 泛的三个领域。识别、聚类、决策问题在水文水资源系统中的应用也相当普遍。它们是 人工智能、知识工程专家系统的强有力的工具。因此，作为水环境系统模糊集分析理论 的基础和为便于论述，现将陈守煜教授提出的模糊识别、划分与决策相结合理论，( 即 将模糊模式识别、模糊划分与模糊决策联系起来，形成模糊识别、划分与诀策统一的模 型) 加以介绍。应该指出，老师的模糊识别、划分与决策理论，发展了模糊数学关于 模糊模式识别、模糊聚类、模糊推理及模糊决策理论，对其它学科领域具有普遍的实用 性。 2 1 模糊识别与聚类理论模型 设有待识别或划分的n 个样本组成的样本集合 x = x l ，x 2 ，x 。 每一个样本有m 项指标特征值向量表示： x j 。和，x w ) 值 则有样本集m x n 阶指标特 i 睢阵： x = x l lx t zx 1 n x 2 1x 2 x x 2 l i x m lx m 2 x m = ( x i ) ( 2 一1 ) ( 2 3 ) x 样本j 指标i 的特征值；产l ，2 ，m ；j = l ，2 ，n ； 由于m 个指标特征值物理量的量纲不同，在进行识别或划分时要先消除指标特征值 物理量的量纲的影响，使指标特征值规格化。即将指标特征值矩阵转变为模糊指标特征 值矩阵： r = f 1 1q 2。 r 2 1 r 2 。 = ( ) b 一一指标特征值规格化数，o 1 ( 2 4 ) 1 0 第二章模糊识别、聚类、决蘸理论及其横型 一一覆蒋i 不稃本依据样本的m 个指标特征按c 个类剐加以识别或划分，其模糊识剐或 划分矩阵为 u u nu 1 2u 1 n u 2 1u 2 2u 2 n u c lu c 2u 饥 2 ( ) ( 2 5 ) 式中u b j 样本j 从属于类别h 的隶属度h _ 1 ，2 ，c 矩阵( 2 5 ) 满足 条件： u 目= 1 u h i 0 h 设类别m 个指标特征称为标准指标或中心指标，则c 个类别的指标特征可用mx c 阶模糊标准或中心指标矩阵 s = s 1 1s 1 2 s 2 1s 2 2 8 m 1s m 2 s k s 2 c - - s 眦 气屯) ( 2 8 ) 表示。 b m 类别h 标准或中心指标i 的特征值规划数，0 8 t h 1 样本j 的m 个指标特征用向量表示为： r j = ( ，r 2 j ，) 7 ( 2 9 ) 类别h 的n 1 个标准或中心指标特征用向量表示为： s h = ( 8 m ，82 l l ，s n ) 样本j 与类别h 之问的差异，数学中通常用广义距离 慨_ s h ，怦隆( f i j l 扣1 ( 2 1 0 ) 表示。式中p 为距离参数。 为了在模糊识别与划分理论中，引入专家或决策者的知识与经验，考虑不同指标对 识别或划分的重要程度不同，将广义距离公式加以拓广，给出定义： 一一一 苎三皇堡苎塑! 墨型：壅耋：选笺墼矍基堕型 定义1设有指标权重矩阵 w 1 1w 1 2w 1 n w 2 1w 2 2w 2 n w m lw m 2 w m w u = 1 vj 2 ( w i ) 且有模糊指标特征矩阵r 。模糊