模糊数学法在水环境质量评价中的应用_以滦河迁安段为例.pdf

第卷第期 南水北调与 水利科技 阮卜沙乙 年月 模糊数学法在水环境质量评价中的应用 一以滦河迁安段为例 韩国才 澈丽木格 河北省水利科学研究院 石家庄 摘要在自然科学或社会科学研究中 存在着许多定义不很严格或者说具有模糊性的概念 这里所谓的模糊性 主要 是指客观事物的差异在中间过渡中的不分明性 这些通常是本来就属于模糊的概念 为处理这些模糊概念而进行的 种种努力 催生了模糊数学 通过对环境质量指标的综合分析 确定了模糊综合评价方法 并将其应用到滦河迁安段 水环境质量评价中 结果表明 该方法较传统的方法能提供更多的信息 从而提高了评价结果的科学性 关键词模糊数学 综合评价 水环境质量 中图分类号 文献标识码文章编号 一一一 们 冉 口一 砚 分 一 一 一 阴夕 比 份 亏 一 厅 一 盯 油 引言 水环境是一个统一的整体 河流和湖泊等地面水体与地 下水是相互补充 相互影响的 海洋是内陆水的受体 一个水 体是由水 底质和水生物三 部分组成 它们之间是相互联系 相互影响的 在进行水环境评价时要注意水体之间和水体内 各组成部门之间的相互关系 水环境是河流 湖泊 海洋 地下水等各种水体的总称 水环境评价包括地面水河流 湖库 海洋等 地下水 水生生 物 底质等评价 本论文主要对滦河水地面环境进行评价 水环境质量评价方法 随着环境科学和技术的不断发展 人类对环境问题的认 识越来越全面 表征环境质量的信息所设计的环境要素也 不断增多 环境质量的全面评价是将环境这一复杂体系的 多项观测指标进行综合 使之成为一个单指数的形式 事 实上 只有在一维空间中 才能使评价分级或评价排序 成 为可能 另一方面 用简明 确切 有代表性 的数值来表达 一定时空范围的环境质量状况 便于提高公众直观理解环 境问题 也有利于公众更好地参与环境保护工作 同时 量 化的指数也便于环境管理部门和政府决策部门更有针对性 地开展环境保护工作 环境评价模型的分类 目前最常用的环境质量评价模型可以分为三大类 第一 类是环境质量指数模型第二类是环境质量分级模型第三类 是环境质量综合评价的半定量模型 环境质量指数是一个有代表性的 综合性的数值 它表征着 环境质量整体的优劣 该指数既可以只用单个环境因子的观测 指标计算得到 也可以是多个环境因子观测指标综合算出 环境质量分级是根据环境质量指数 按照一定的数学方 收稿日期 一一 修回日期 一一 作者简介韩国才 一 男 河北怀来人 高级工程师 主要从事水资源开发利用方面的研究 环 境水 利 法 将表征环境质量的各种数值综合归类 确定环境质量所属 的等级 环境质量综合评价的半定量模型是针对环境质量评价中 不能用确切是数字表达时的半定量化的分析模型 如环境影 响矩阵模型 列表清单分析及生态图等 环境质量指数的分级方法 环境质量指数的计算并不能达到我们最终的目的 环境 质量评价的最终目的是为各级政府和有关部门制定经济发展 计划 制定能源政策 确定大型工程项目及区域规划提供环境 保护的依据 并为各级环境部门制定环境规划 贯彻以管促制 的方针 为实现全面 科学的环境管理服务 因此 环境质量 评价要明确回答 该区域环境是否受到污染和破坏 程度如 何区域内什么地方环境质量最差 污染最严重什么地方环 境质量最好 污染和破坏较轻 造成污染严重的原因何在等 这就要求对具体的环境状态属于什么级别进行判断 不仅对 个单项因子所属的级别进行判断 寻找出影响环境质量最重 要的因子 还要对环境质量综合水平进行评判 确定开展环境 管理工作的整体水平和促进社会经济发展的环境容量等 环境质量指数分级方法有很多种 其中最常用的方法是 线性加权加和法 近来使用较多的一种方法是模糊数学法 根据资料和地区特点下面用模糊数学法确定滦河环境质量的 综合评价等级 模糊数学法 在很多情况下 评价等级难以用一个简单的数值表示 比如 二氧化硫的空气质量标准一级标准为 耐 二 级标准为耐 若实测值是 它介于一 级 二级之间 这时采用模糊数学中的综合评价方法则更全 面 客观 模糊集合概念川模糊集合理论是年美国自动 控制专家札德教授首先提出来的 模糊数学是 建立在集合论基础上的 对于一个普通的集合 若存在一个子 集 则空间中任一元素 要么属于 要么不属于 二者必居其一 用函数表示为 称为集合的特征函数 或隶属函数 只取 两值 第卷 总第期 南水北调与水利科技 年第期 由于常用的模糊子集是离散形式 可以表示为 一产 工 产 脚 任 模糊关系和模糊矩阵复合运算 模糊关系 两个 论域 的积集 记作 又 定义的一个模糊子集 尺称为 与的一个模糊关系 又 净 它以声 二 必这个隶属函数表示其关系特征 声 二 妇 可以用多种方式确定 当两个集合 为有限集合时 可以 用矩阵的形式表示与之间的模糊关系 模糊矩阵运算 模型 采用札德算子 和 八 记 作 设有两个模糊矩阵 设其复合运算结果为 记作 一 则中的元素为 一叩 气 一认仁 八久 模型 采用 和 算子 记作破 采用该复合运算 则中的元素为 氏 一 弓 却纵 任 任 模糊综合评价模糊综合评价数学模型的建立 一般 可归纳为四个步骤 建立评价对象的因素集 一 因素 就是参与评价的 个因子的数值指标 建立评价集 一 切 二 是与中相应 评价标准分级的集合 找出因素论域和评价论域之间的模糊关系矩阵 只 斗 称为单因素评价矩阵 于是 构 成一个综合评价模型 或称为综合评价空间 综合评价 由于对中各因素有不同的侧重 需要对 每个因素赋予不同的权重 它可表示为上的一个模糊子集 并且规定艺 在与求出后 则综合评价为 式中 一 氛 队 它是上的一个 模糊子集 如果艺 共 应将其归一化 这里 一 其中 可广义 的理解为四种模糊复合 运算中的任何一种 工 一 将特征函数推广到模糊集中的巨 川区间 即可对模糊集 合作如下定义 用以说明模糊的概念 定义设给定域 上的一个模糊子集 对于任意元 素 工任 都能确定一个函数产 任 二 用以表示 工 属于 的程度 脚力称为 工 对的隶属度 滦河水环境质量评价 滦河水环境质量现状调查 迁安市环境检测站对滦河水质进行布点检测 检测断 面为首钢水厂大桥 检测数据为年年均数据 检测结果 见表 表滦河首钢水厂大桥检测断面检测结果 检测项目水温电导率 氏 以公 总磷 数值 巧 挥发酚 检测项目 数值 氯化物总硬度 一一 总氰化物氟化物石油类 之 环 境水利 韩国才等 模糊数学法在水环境质量评价中的应用 晰川 刊 叫 川习叼 评价因子 评价因子选择 一 总磷 仪玖 挥发酚等五种 因子 这五个因子比较常见 而且对环境影响比较大 一般 污水中都存在着 及氨氮 因此选择这五个因子作为评 价依据 评价标准 评价标准采用 地面水环境质量标准 一 将水质分为工 班 及超类 见表 工类 主要适 用于源头水 国家自然保护区类主要适用于集中式生活 饮用水水源地一级保护区 珍贵鱼类保护区 鱼虾产卵场等 类主要适用于集中式生活饮用水水源地二级保护区 一般 鱼类保护区及游泳区类主要适用于一般工业用水区及人 体非直接接触的娱乐用水区类主要适用于农业用水区及 一般景观要求水域 表地表水环境质量标准基本项 目标准限值 项目级标准级标准皿级标准级标准级标准 一 总磷 兀 挥发酚 评价过程 滦河水环境质量评价就采用 地 面水环境质量标准 一 表 采用模糊数学法确定环境质量的综合 评价等级 根据各因子五级标准做出其五个级别的隶属函数 二 为 污染物含量 少为属于级标准的隶属程度 氨氮 一 八目 尸 一一 一 一 一工 权重系数模糊子集中 表示单因子 在所有因素中 所起作用大小的度量 一般而言 对具体的单因子指数到分 指数的综合过程中 根据数据的统计性质或环境化学性质等 定权较方便而从环境要素分指数到环境质量综合评价指数 的过程中 专家评分法及层次分析法等能在更高的层次上把 握住环境质量的优劣程度 在滦河水质评价中 水质环境要素评价确定权重系数时 直接考虑其评价标准 由于单因子指数在水质评价分指数中 的权重与某项因子分级标准无直接关系 权重系数由下式计 算得到 门 以 一 苟 凡 崛 酚 一 讥 酚 艺 艺 艺 艺 艺 式中艺 一叭吮 孤 琳 十叭 呱 为第 个指 标的第个评价标准值 最终的权重系数计算过程见表 表滦河水质评价权重系数的计算结果 项目总 玫 挥发酚 艺 乞 由此可得 有了权重系数模糊子集和模糊关系矩阵 则可以用 模糊复合运算得到综合评价结果 为保证结果 采用模型和 模型两种复合运算求出 采用模型 八 之 之 一一一一 工 自 级水 级水 皿级水 级水 一 之百全 一 雪 二 级水 一 一 簇 二 二镇 了 二毛 二 二簇 了 二 二 二毛 二毛 二 镇 了 二 同理 其他各项指标均可按同样方法求出隶属函数 从表得知 五项指标数值为 一 总 玖 挥发酚 则由所对应 的隶属函数可计算出一个 义 的模糊关系矩阵 一 八八 三 八 八八 八 八 八八八 八 八八 八 八八八八 一 环 境水利 经过归一化后得到 因此 该水质评价的等级为 对级水的隶属度为 级水的隶属度为 级水的隶属度为 级水的 隶属度为 级水的隶属度为 级水的隶属度最大 结论是该水体综合评价的等级为级 采用模型 闪 门门 土乙 厂 尸 经过归一化后得到 因此 该水 质评 价的等级 为 对工级水的隶属度为 级水的隶属度为 皿级水的隶属度 为 第卷 总第期 南水北调与水利科技 年第期 级水的隶属度为 级水的隶属度为 级水的隶属度最大 结论是该水体综合评价的等级还是级 可见 两种评价结果是一样的 对滦河水环境评价有一定 的准确性 因此 采用上述结果 滦河水质属于级水 结语 综合评价就是对受到多个因素制约的事物或对象作出一 个总的评价 由于从多方面对事物进行评价难免带有模糊性 和主观性 采用模糊数学的方法进行综合评价将使结果尽量 客观从而取得更好的实际效果川 模糊数学目前在各个领域 的应用比较广泛 从该学科的发展趋势来看 它具有极其强大 的生命力和渗透力 在本论文中模糊数学法用于评价水环境 质量 比起传统的单因子评价方法 此法更能全面的反应水环 境的污染程度 正确评价水环境综合评价等级 单因子评价 方法的结果表示某种评价因子在环境中的观测值相对于环境 质量评价标准的程度 而本论文中采用的模糊数学综合评价 方法不仅能体现单因子观测值相对于环境质量评价标准的程 度 还能体现多个因子对环境的综合影响 直至实现水环境多 个因子的综合评价 但是值得一提的是 如果隶属函数建立 不当 权重函数设置不合理 也会造成评价结果不准确 因 此 运用模糊数学法评价水环境质量需慎重 参考文献 仁 丁桑岚环境评价概论 北京化学工业出版社 河北省水利水电第二勘测设计研究院迁安水资源调查总报告 石家庄河北省水利电第二勘测设计研究院 史聆聆 鞠美庭 李智 等 模糊数学法在区域环境影响评价中 的应用研究 叨中国科技论文在线 详司二 动态 水利科技与经济 期刊 欢迎投稿订阅刊登广告 刊号 一 一 水利科技与经济 是中国核心期刊遴选数据库刊源 中国期刊网收录期刊 中国学术期刊 光盘版全文收录期刊 美国剑桥科学文摘数据库刊源 俄罗斯 文摘杂志月数据库刊源 水利科技与经济 是国家新闻出版署 国家科委批准的正式科技期刊 是哈尔滨市水利规划设计研究院主办的综