西山湾水库水质评价研究.doc

天 津 广 播 电 视 大 学水利水电工程毕业设计任务书题目： XXXXXXXXXXXXX学生姓名 .指导教师 李妍 .职 称 讲师 .完成时间 .天津电大宁河工作站目 录1 引言11.1 研究目的和意义11.2研究现状及发展趋势21.3研究的主要内容31.4研究方法32 模糊综合评价法42.1 模糊综合评价法的基本原理42.2 模糊综合评价法的步骤42.2.1确定因子集和评价集42.2.2建立对应模糊关系矩阵R42.2.3 建立评价因子的权重矩阵52.2.4建立模糊综合评价模型63模糊评价法在西山湾水库水质评价中的应用63.1 西山湾水库基本资料63.1.1 西山湾水库取样63.2.1 水样指标的确定和检测方法73.2 计算模糊综合评价模型73.2.1评价因子集和评价集的建立73.2.2建立模糊关系矩阵R83.2.3确定各监测指标的权重值103.2.4水质的模糊综合评价114 结论与建议124.1结论124.2建议12参考文献14致 谢15附录1：相关英文文献16附录2：相关英文文献中文译文26摘 要西山湾水库是引滦入津的源头之一，水库的水质对天津的水资源使用有重要的影响。本文详细介绍了模糊综合评价法，并且通过选取水环境中具有代表性的评价因子，建立评价因子集、评价集，计算模糊关系矩阵、权重集和模糊综合评价集，对西山湾水库7个断面水样进行了评价，最终结果选取的7个断面所得结果6个断面为水质较差的或水。水质总体表现较差，对此提出建议，加强西山湾水库水质的保护和改善。关键词： 模糊综合评价法；水环境质量；西山湾水库级专业毕业论文西山湾水库水质评价研究1 引言1.1 研究目的和意义近年来，我国经济发展已经进入快车道，人口膨胀加剧，水资源的需求量不断提高，水已经成为公认的世界两大问题之一。如今，全球水资源稀缺的国家有，是世界总人口的2/51。我国的水资源也是极为匮乏，人均水资源少，水资源利用效率不足，污染不断加剧。湖泊，河流等水体的整体水质不断恶化，水体质量如今是一个必须要重视的问题。 水质一词是1992年由联合国教科文组织、世界卫生组织和联合国环境规划署共同出版的水质评价指南一书将“水质”做出定义：水环境的总体质量2。水质评价的目的是对水体的质量和利用价值进行评定，美国最先开始水质的评价研究，1965年Horton提出了将质量水质法用于水质评价3，20世纪70年代苏联开展了水质评价，人们在发展的过程中，不断发现水体质量的重要性。因此，水质评价的准确性和客观性也是关系到水资源利用和水污染的防治。从20世纪70年代开始，我国就开始重视水资源污染的处理，但是形势依然严峻。在我国，不能达到标准的污水排放量以每年增加大约18亿立方米，全国的农业、工业、生活污水每天的排放量近1.64亿立方米，其中80%未经处理直接排入水域4。2005年我国7大江河水系（松花江、辽河、海河、黄河、淮河、长江、珠江）有528%丧失了水体的最根本功能。2006年为26%，其中海河和辽河流域的V类水超过了整个河长的一半，海河是我国华北最大的流域，辽河是我国东北最大流域，这两条河流流经我国多个重要城市，可见河流的水体污染不但影响农业、工业用水，还直接威胁了城市自来水质量。西山湾水库是建成于1999年，位于内蒙古浑善达克沙地京蒙沙源区、多伦县境内的滦河干流上，控制流域面积8999km2，多年平均径流量195亿m3。黑风河、吐力根河是水库的两个主要水源西山湾水库作为引滦入津的滦河源头，水库的水质是决定着天津地区居民生活、工业生产、农业灌溉等用水质量。本文依托西山湾水库的水样监测分析结果，对西山湾水库的水质做出评价。1.2研究现状及发展趋势 从21世纪中旬开始，大量专家、学者对水质的评价做了很多的研究，提出了很多评价理论。如Saprobic指数、Trent River 指数等。Woodywis用这些指标研究水质达数十年之久5并且依据自身研究结果改进了前人理论，但尚存在一些不足之处，有待于今后更加深入的研究与完善。1965年美国自动控制专家Zadeh LA6发表了模糊集，第一次成功的运用精确的数学方法描述了模糊概念，模糊数学由此诞生，提出模糊集合的概念以来，模糊数学得到了前所未有的发展，同时被广泛运用于生产实践中。 在我国，1974年首次提出了表示水质污染情况的综合污染指数，希望可以用一种简便的方法评判水质的污染情况。这种方法是依据重要影响的污染物质优先考虑，然后再考虑其他影响比较小的定量污染物的水质指标。1977年，在南京城区环境质量综合评价研究中7，提出了“水域质量综合指标”，该研究中选用酚、氰、铬、砷、汞做为污染因子，这个方法为了凸显权重，在一些污染物的评价计算时乘以了一个权系数，但是该系数具有主观性。20世纪80年代以来，国内外研究人员不断提出了很多水质评价的方法，这些方法都有改进和创新，但都或多或少有一些错误和不足。计算机等产物的发展也对水质评价的发展起到了促进作用，为水体中存在大量模糊、不确定因素的计算提供了一定的技术支持。水质评价中，由于水体各个因子之间相互作用复杂，致使评价中存在大量的模糊现象和模糊概念。模糊理论在水质中的运用就显得尤为重要，目前，模糊评价理论已经成为水质评价的基石，主要有两种模糊理论评价模型，分别分为模糊综合评价模型和模式识别模型。模糊综合评价以模糊数学为基础，应用模糊关系合成原理，将一些边界不清、不易定量的因素定量化，进而实现综合评价8。通过函数关系，模糊综合评价法把反映水质污染问题的实测值转化成为表现水质优劣的质量值9。模糊综合评价法相对于传统的综合指数方法相比，克服了由于人为造成的清晰化不足等问题，具有清晰的计算原理，计算结果的可比性强，评价更加合理、科学，能够客观地反映水质的实际状况,可以解决评价水质时，由于水体污染类别的区别造成的模糊概念和模糊现象。例如王德春、王笃波、宋刚福10选择松花江的若干断面作为评价对象，证明了模糊数学的运用使评价因子不再是实体值，而是用函数的隶属表示，使水质评价的结果和实际情况有更高的吻合度。周丽花，谢向前，李宁11根据模糊数学的原理，建立了海湾水质综合评价的模型，根据2005年9月的监测资料，运用该模型对三沙湾的水质进行了评价。在评价的过程中，有大量的评价因子和之间的相互作用复杂、作用方式多样，需要引入大量的模糊概念。模糊综合评判法的应用，使水质评价的定量研究成为一种更加有效的手段12,13。1.3研究的主要内容选取西山湾水库中具有代表性的断面进行水样检测研究，然后依据水体污染状况确定溶解氧（DO）、化学需氧量（CODcr、CODmn）、五日生化需氧量（BOD5）、总磷（TP）、总氮（TN）、AS、CN、酚、Cr6+、Cd、Pb十二个评价因子，建立评价因子矩阵，进行权重计算；然后根据地表水环境质量标准划分的水质质量等级，确定出西山湾水库的水质情况；最后根据水质评价结果，对西山湾水库的水资源管理提出合理的建议，并对污染物排放总量提出相应的控制措施。1.4研究方法要对水质有一个客观的、科学的评价，必须要选择具有代表性的监测断面评价因子，可以更加全面的代表西山湾水库的水环境状况。同时还需要选择适合的评价方法，建立适当的评价模型，进行计算、分析。水环境作为一个复杂的集合体，包含了多种混合成分，这些成分之间又有复杂的相互作用，包括了生物、化学、物理等。因此具有很高的不确定性和模糊性。多年来，在从事水体研究工作时，利用一些简单的嗅觉、味觉、触觉等感官水体的温度、浊度、颜色、气味等表面因子和简单的评价方法，对于这样一个复杂的集合体显然是不恰当的。为了更加准确的进行综合评价，采用模糊综合评价法可以更加客观的反映水体的质量，清楚的反映复杂的水环境下各种成分、因子的相互作用关系。比如：张生、李畅游、梁喜珍、史小红10采用模糊综合评价法对内蒙古达里诺尔湖水质现状进行评价，利用2008年达里诺尔湖水质实际监测数据，依据评价因子建立了隶属函数集，然后根据水质评价标准和评价因子建立了权重集。最后对湖水水质进行了综合评价，评价的结果具有客观、真实性。 穆征、王方勇、李静、代智光14认为在水质评价中，水体的各个影响因子有不同的影响程度，而且影响作用复杂，具有模糊性。难于用定量的的方式进行评价，针对引起贾鲁河水质恶化的主要因素，运用实测数据，利用模糊评价的方式对河水水质进行综合评价，获得结果表明该方法更加准确，王德春、王笃波、宋刚福15选择松花江干流吉林长春松花江村断面4月1016日水质监测值作为评价对象，证明了利用模糊理论进行水质评价，可以运用模糊集和权重因子的权重集综合评价，评价结果更加准确。 通过以上的例子我们可以确定本文适合使用模糊综合评价法对西山湾水库水质进行综合评价。2 模糊综合评价法2.1 模糊综合评价法的基本原理模糊评价法即是根据给出的评价标准和实测数值，经过模糊变换对事物做出评价的一种方法。每一个事物都有自己的多重属性，所以评价一个事物必须要考虑不同的因素条件下的表现，很多问题往往很难用单一的数值去表现，即带有一定的模糊性，这个时候就需要模糊综合评价的方法。水体就是符合这种模糊性和复杂性的事物，也就是利用模糊综合评价法进行评价水质。模糊综合评价的数学表达模式是：式中，A-输入，是由参加评价的因子的权重经归一化处理得到的1个阶行矩阵； R-“模糊变换器”，它是由各单因子评价行矩阵组成的1个阶模糊关系矩阵； B-输出，是要求的综合评判结果，它是1个阶矩阵的形式。2.2 模糊综合评价法的步骤2.2.1确定因子集和评价集设水质的污染因素一共有n个，组成评价因素集合：；评价等级共有m个等级，组成评价等级集合：。2.2.2建立对应模糊关系矩阵R建立了评价因子集和评价集之后，根据水文监测数据，计算出评价因子相对应的模糊关系矩阵R，这就需要量化每个评价因子，rij表示第i个评价指标被评为第j类水环境质量可能性（i与j的关系为隶属函数关系），进而得到模糊关系矩阵：式中：n代表评价因子数； m代表水质类别即隶属度用隶属函数表示，函数区间为0.1。按各指标隶属各水质等级，对各水质类别的隶属度可按下式计算：j表示水质的级别，即第1级水质，隶属函数可以表示为： (1)式中，为第个评价因子的实测值，和是这个评价因子的第j类和j+1类水质的标准值。水质级别为至，即时，其隶属函数可以表示为： (2)水质级别为V类时，j=5，隶属函数可以表示为： (3)式中：某一监测断面第j项监测的实测值； 第i 项监测指标对第j类水的标准限值；2.2.3 建立评价因子的权重矩阵模糊综合评价应考虑指标的高低差异，在总体污染中的作用程度也有区别。因此，需要对各评价因子赋予权重。目前，常用“污染物浓度超标法”来计算权重，即根据对水体污染严重情况来加权，超标越高则污染影响越大，权重值也越大。本文设权重集为W，其计算公式如下：数值小为水体污染重，第i项指标的权重计算方式： = (4)数值大为污染重，第i项指标的权重计算方式： = (5)式中，为被评价因子的检测值比水质标准值得平均值超出的倍数；为第i项指标的实测值；为第i项指标的所有标准值的均值。为进行模糊计算，各项权重需要进行归一化处理，则计算公式： (6)式中，m为评价中所采用的监测指标数；表示归一化后的权重值；就可以得到一个的权重矩阵W，即：=2.2.4建立模糊综合评价模型计算出模糊关系矩阵R和权重集后，建立模糊综合评价模型：B=R= (7)根据最大隶属度原则，那么评价指标的水质级别应该为第j类。3模糊评价法在西山湾水库水质评价中的应用3.1 西山湾水库基本资料3.1.1 西山湾水库取样西山湾水库位于滦河之上，是引滦入津的源头之一，天津市位于我国的华北平原。是我国北方最大的沿海开放城市。拥有人口1516.81万，西山湾水库的水质情况直接影响着天津的工业、农业用水和居民的用水安全。本文为了保证西山湾水库水质评价更加客观、符合实际，在进行取样之前对西山湾水库进行了全面调查，调查方面涉及：社会、人口、气候、用途、环境生态、地形。然后进行分析、整合，最终决定依据地形和水库的水量使用情况对7个断面进行了水库水样的采集。3.2.1 水样指标的确定和检测方法水质评价指标的确定，根据地表水环境质量标准（GB3838-2002）中基本的项目和根据实地水库的特征，选择检测项目溶解氧（DO）、化学需氧量（CODcr、CODmn）、五日生化需氧量（BOD5）、总磷（TP）、总氮（TN）、AS、CN、酚、Cr6+、Cd、Pb这12项指标为水库水质评价指标。水样的检测项目的分析是按国家国家监测技术规范和环境监测分析方法分析得到样本检测结果如下：表1 水样实测值 单位:mg/L断面DOCODcrCODmnBOD5TPTNASCN酚Cr6+CdPb18.508.804.903.470.1172.1260.00350.00350.0010.0020.00050.00527.819.734.125.980.1171.4640.00350.00350.0010.0020.00050.00537.6513.024.395.280.1751.4010.00350.00350.0010.0020.00050.00548.7416.835.904.370.0772.2510.00350.00350.0010.0020.00050.00558.2314.134.974.430.0972.0010.00350.00350.0010.0020.00050.00567.8615.404.674.070.011.6010.00350.00350.0010.0020.00050.00577.9216.074.583.930.010.7000.00350.00350.0010.0020.000 50.0053.2 计算模糊综合评价模型3.2.1评价因子集和评价集的建立根据西山湾水库的地形和周边水体质量条件以及水库水资源用途，为了保证水质评价可以做出更加详细、科学的结论，共选取了溶解氧（DO）、化学需氧量（CODcr、CODmn）、五日生化需氧量（BOD5）、总磷（TP）、总氮（TN）、AS、CN、酚、Cr6+、Cd、Pb这12项指标作为评价因子，以此建立评价因子集：=DO、CODcr、CODmn、BOD5、TP、TN、AS、CN、酚、Cr6+、Cd、Pb以地表水环境质量标准( GB3838-2002)为标准，确定评价集为：表2 水质评价标准 单位：mg/L评价指标DOCODcrCODmnBOD5TPTNASCN酚Cr6+CdPbI7.515230.010.20.050.0050.0020.010.0010.01II6.015430.0250.50.050.050.0020.050.0050.01III5.020640.051.00.050.20.0050.050.0050.05IV3.0301060.11.50.10.20.010.050.0050.05V2.04015100.22.00.10.20.10.10.10.13.2.2建立模糊关系矩阵R根据上文的西山湾水库水样资料，由公式（1）、（2）、（3）和上文模糊关系矩阵计算方法求出这7个监测断面的模糊关系矩阵R，以断面1为例，可以得出矩阵： 其余7个检测断面的模糊关系矩阵可按相同的方法算得，结果如下：3.2.3 确定各监测指标的权重值根据公式（4）、（5）、（6），将各个检测指标的权重值进行归一化计算，得到以下结果：断面指标DOCODcrCODMnBOD5TPTNASCN酚Cr6+CdPb10.5530.3670.6620.6671.5192.0440.050.0270.0420.0380.0220.1140.0910.060.1080.1090.2490.3350.0080.0040.0070.0060.0040.01920.6020.4050.5571.151.5191.4080.050.0270.0420.0380.0220.1140.1010.0680.0940.1940.2560.2370.0080.0050.0070.0060.0050.01930.6140.5430.5931.0152.2731.3470.050.0270.0420.0380.0220.1150.0920.0810.0890.1520.340.2020.0070.0040.0060.0060.0040.01740.5380.7010.7970.8412.1640.050.0270.0420.0380.0220.1130.0850.1110.1260.1330.1580.3420.0080.0040.0070.0060.0030.01750.5710.5890.6720.8521.261.9240.050.0270.0420.0380.0220.1130.0930.0960.1090.1380.2050.3120.0080.0040.0070.0060.0040.01860.5980.6420.6310.78301.5390.050.0270.0420.0380.0220.1150.1330.1430.1410.17500.3430.0110.0060.0090.0080.0050.02670.5930.670.6190.75600.6730.050.0270.0420.0360.0220.1130.1650.1860.1720.2100.1870.0140.0070.0120.0110.0050.031表3 评价因子权重值归一化计算结果表3.2.4水质的模糊综合评价已知每个断面的评价因子的，可以得到权重矩阵W，模糊关系矩阵R和权重矩阵W相乘可以得到模糊综合评价集B，也就是根据公式（10）可以得到，下面以断面为例计算：B1=W1R1=(0.091,0.060,1.108,0.109,0.249,0.335,0.008,0.004,0.007,0.006,0.004,0.019) 根据其余6个断面的模糊关系矩阵和权重矩阵依据以上方法可以算的其模糊综合评价集，则由最大隶属度原则得西山湾水库所有监测断面的模糊综合评价结果如表4：表4 西山湾水库7个监测断面模糊综合评价结果标准水质级别判定水质级别10.208 0.116 0.099 0.204 0.373 20.228 0.087 0.024 0.616 0.043 30.226 0.070 0.111 0.340 0.252 40.141 0.076 0.337 0.109 0.337 50.245 0.055 0.172 0.219 0.309 60.233 0.215 0.217 0.268 0.066 70.286 0.374 0.340 0.000 0.000 计算结果表明，在西山湾水库7个断面所取水样中分别有1、4、5水样的水质级别为，2、3、6的水质级别为，第七断面的水质为，其中可以依据表2、表3可知TP、Tn、CODMn和BOD5是权重矩阵中所占权重较为大的评价因子，而7个断面的这三个指标都有不同程度的污染情况，1、4、5、6断面在该四项评价因子中还有较为严重的类或者类的检测结果出现，导致最终水质评价结果为污染严重。权重的引入同时也是体现权重因子为对水体整体污染影响较大的评价因子，因此，总氮（TP）、总磷（Tn）、化学需氧量（CODMn）是整个水体最重要的污染物。4 结论与建议4.1结论通过模糊综合评价法的应用，本文对西山湾水库的7个断面的水样进行了全面的评价，该评价可以科学、客观的反映出西山湾水库断面水样的水体质量，同时评价所利用的数据也是来自西山湾水库水体中具有代表的水样，因此可以得出以下结论：西山湾水库作为引滦入津的源头之一，但水体已经遭到了严重的污染，主要的污染物质为有机物，检测的7个断面的水质评价结果中有三个断面为水质、有三个断面为类水质，这些水质均不能达到饮用或生活利用的和类水质的要求。因此必须采取措施，在遏制污染的同时，还要改善现有水体的污染现状。要找出污染源，禁止污染物的排入，尤其是有机物、重金属元素等。模糊综合评价法考虑了水质评价中水质各个分级界限的模糊性和评价因子的权重性，可以更加客观的反映评价水体的水质情况，操作方法简单方便，是一种较为有效、科学的水质评价方法。本文采用模糊综合评价法，对水样12个评价指标进行了分析，指标涵盖了有机物、重金属、有毒物质等，按照地表水环境质量标准( GB3838-2002)为标准评价，评价结果全面、具体。4.2建议通过对西山湾水库的水质进行评价，我们可以知道，西山湾水库水质的污染已经比较严重，由于水库的水资源用途很重要，是天津地区工业、农业、居民生活用用水的重要来源。所以对水库的保护和改善刻不容缓！还水库一个纯净的水体不光是政府部门的任务，也是每一个人的任务，希望大家都可以行动起来，为了保证我们每一个人的安全、洁净的水而努力。可以从以下几个方面做起：（1） 政策规范、加强管理 充分利用政策的引导作用，对于规范的使用单位，要保障用水，对于污染的责任单位要严格处罚，利用经济手段，提高污染成本。使得经济开发同水体质量保护同步进行。（2）严控污染源头、保护水体环境政府组织专门的调查和监测人员，对水库的污染进行分析和排查，尽快找到污染的源头并加以控制，水库有机物污染比较严重，尤其是总氮、总磷，可能和农业化肥的使用不当有一定的关系，所以不光要寻找工业的排污口，也要对附近的农业污染等方面进行控制，保障水体有一个良好的环境。 （3）提高监测力度，控制污染扩散 对西山湾水库进行定期的水质检测，多取断面，保障监测更加全面，对于污染严重的断面水体要加以细致的分析，防止污染物质不断地进入水库的每一部分，做到早发现，早控制。（4）加强宣传力度，提高保护、节约水资源意识只注重经济处罚和污染控制不能更好的保护水体，要每一个人对水资源的珍贵性、稀缺性有一个充分的认识，每一个人都有对于水资源较高的社会责任感，做到不污染，多节约。参 考 文 献1 肖华文.中国的水资源危机J.城乡建设,2004,(9):11-25.2 郑成德.流域水资源丰富评价的模糊综合评价J.地理学与国土研究，1998,1:42-46.3 梁德华，蒋火华.河流水质综合评价方法的统一和改进J.中国环境监测，2002,18(2):63-66 4中国科学院中国自然地理编辑委员会.中国自然地