徐州市云龙湖水质的模糊数学综合评价.pdf

1 徐州市云龙湖水质的模糊数学综合评价徐州市云龙湖水质的模糊数学综合评价 蒋滔 李多松 张凯 中国矿业大学环境与测绘学院 江苏徐州 221008 E mail tianshu68 摘摘 要要 运用模糊数学方法 选用DO CODMn TP TN作为评价因子 参照地面水环境质量 标准 通过计算污染因子权重分配系数和隶属度对徐州市云龙湖水质给出客观的评价 综合评 判结果表明云龙湖水质为 类 湖水处于轻度富营养状态 用模糊概念进行推理 经过运算得 出综合评价结果 与一般评价方法相比更接近客观 关键词关键词 模糊数学 水质 隶属函数 综合评价 1 环境质量评价标准环境质量评价标准 环境质量评价是人类社会根据自身需要而对环境系统状态的一种价值判断 必须建立起一 套既能体现出人类社会生存发展的需要 又能具体衡量环境质量 对人类社会生存发展需要满 足程度的指标体系 这套指标体系及其指标值的对应含义被称为环境质量评价标准 1 环境质 量标准是各国政府对环境要素中各种污染物在一定时间和空间范围内的允许含量所作的强制性 规定 根据环境标准的要求来控制污染 改善环境 并使环境保护纳入整个国民经济和社会发 展计划中 在 地表水环境质量标准 中 根据地表水水域的使用目的和保护目标 将我国领 域内江 河 湖泊 水库等具有使用功能的地表水水域划分为5类 类主要适用于源头水 国 家自然保护区 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 2 本文在对徐州市云龙湖水质行进模糊综合评价时选取2005年4月到5月监测资料的DO 溶解 氧 CODMn 高锰酸盐指数 TP 总磷 TN 总氮 四个指标为评价项目 见表1 3 评价标准依 据国家 地面水环境质量标准 GB3838 2002 表1 徐州市云龙湖水质评价标准 单位 mg L Table 1 The standard of water quality evaluation of Yunlong lake in Xuzhou 水质类别 水质参数 类 类 类 类 类 DO 7 5 6 5 3 2 CODMn 2 4 6 10 15 TP 0 01 0 025 0 05 0 1 0 2 TN 0 2 0 5 1 0 1 5 2 0 云龙湖位于徐州市南郊 属浅水性湖泊 水面面积为5 8km2 最近三年的平均水位为海拔 32 71m 平均水深1 67m 相应库容量951 9万m3 校核洪水位37 14m 相应库容量4346万m3 流域内河流在没有大雨和暴雨情况下 地面径流几乎为零 由此可见 云龙湖流域内水体具有 容量小 水源缺乏 自净能力低 不具备纳污能力等特点 目前云龙湖已被列入省级名胜保护 区 它除了作为旅游景观外 还兼有蓄水 养殖 防洪等多种功能 2 2 模糊综合评价方法模糊综合评价方法 环境质量评价方法众多 但很多的评价方法都是用同样的思路来解决环境质量评价这个问 题的 那就是 对于一组环境监测数据和一套分级环境标准 寻找一种客观有效地 尽量避免个 人主观影响的方法 用这种方法判断这组检测数据与某级标准最为接近 本文采用模糊综合评价法对徐州市云龙湖2005年的水质监测数据 表2 进行评价 与其他方 法比较 它的优点是 用隶属函数描述水质等级分界线 使评价结果接近客观 可对各参 数进行评价 考虑了各项参数在总体污染中的作用差异给以不同权重 4 其过程是 首先对 各单项参数进行评价 然后考虑各项参数在总体中的地位配以适当权重 在此基础上用模糊概 念进行推理 经过运算得出评价结果 表2 徐州市云龙湖水质监测数据 单位 mg L Table 2 the monitor date of water quality of Yunlong lake in Xuzhou 污染物类别 采样时间 DO CODMn TP TN 04 22 8 17 6 52 0 035 0 58 04 28 7 87 6 78 0 061 0 64 05 06 8 17 7 06 0 056 0 69 05 12 6 86 6 44 0 040 0 45 05 19 7 11 6 89 0 056 0 58 2 1 建立水质隶属函数建立水质隶属函数 隶属度是描述污染物的含量与各污染等级之间的相关程度的参数 根据污染物的实测值和 各级评价标准就可以计算出污染物相对于各污染等级的隶属度 在计算污染物的隶属度时 需 要选择一个隶属度函数 常用的隶属度函数包括降半阶隶属度函数 高斯隶属度函数 三角隶 属度函数等等 在这里我们采用的是降半阶梯形隶属度函数 用j表示污染的等级j 1 2 m 用 xi表示环境要素的第i种污染物的实测值 用Sij表示第i种污染物的第j级标准 用rij表示第i种污染 物对第j级的隶属度 则隶属度的计算公式如下 当j 1时 iji jiiij ijji iji jii ij Sx SxS SS xS Sx r 1 0 1 1 1 1 当j 2 3 m 1时 3 1 1 1 1 1 1 11 0 jiiij ijji iji ijiji jiij jii jiijii ij SxS SS xS SxS SS Sx SxSx r 当j m时 iji ijiji jiij jii jii ij Sx SxS SS Sx Sx r 1 0 1 1 1 1 2 2 建立模糊关系矩阵建立模糊关系矩阵 建立方法是先用全部污染物指标建立一个nm 的隶属度矩阵 本文污染物项目数m 4 类 别标准n 5 即建立一个某一时间的54 的隶属度矩阵 k R 例如以2005年4月22日的徐州市云 龙湖水质监测数据为例 建立隶属度矩阵为 COD DO 0016 084 00 004 06 00 013 087 000 00001 Mn 4444434241 3534333231 2524232221 1514131211 TN TP rrrrr rrrrr rrrrr rrrrr Rk 由此可见 2005年4月22日徐州市云龙湖水中DO浓度为 级 达100 的程度 CODMn浓度为 级 达87 的程度 TP为 级 达60 的程度 TN为 级 达84 的程度 根据表2的实测资 料数据 代入隶属函数计算 并建立模糊关系矩阵见表3 表3 徐州市云龙湖水质模糊关系矩阵表 Table 3 the lable of fuzzy relation matrix of water quality of Yunlong lake in Xuzhou 水质类别 采样时间 指标 类 类 类 类 类 DO 1 0 0 0 0 CODMn 0 0 0 87 0 13 0 TP 0 0 6 0 4 0 0 04 22 TN 0 0 84 0 16 0 0 DO 1 0 0 0 0 CODMn 0 0 805 0 195 0 0 TP 0 0 0 78 0 22 0 04 28 TN 0 0 72 0 28 0 0 DO 1 0 0 0 0 05 06 CODMn 0 0 0 735 0 265 0 4 TP 0 0 0 88 0 12 0 TN 0 0 62 0 38 0 0 DO 0 427 0 573 0 0 0 CODMn 0 0 0 89 0 11 0 TP 0 0 4 0 6 0 0 05 12 TN 0 167 0 833 0 0 0 DO 0 74 0 26 0 0 0 CODMn 0 0 0 778 0 222 0 TP 0 0 0 88 0 12 0 05 19 TN 0 0 84 0 16 0 0 2 3 计算环境要素的各种污染物的权值 并进行归一化 得出污染物的归一化权值 矩阵 计算环境要素的各种污染物的权值 并进行归一化 得出污染物的归一化权值 矩阵 模糊综合评价中赋权方法很多 可以分为标准赋权法和主因素突出赋权法两大类 标准赋 权法因为仅仅考虑评价标准间的差异常会产生荒谬的结论 超标倍数法是一种主因素突出型的 赋权方法 但不同的权重定义使评价结果也相差很大 本文采用超标倍数赋权法 并将权值归一化 这样既可突出环境质量评价中主要污染物的 作用 又考虑了不同污染物标准值的差异 计算较简便 其计算公式为 n i i i ii i s x sx w 1 式中 i w 参数 污染物 i的权重值 i s 第i种参数五个类别标准的平均值 i x 参数i的实际浓度值 对 i w进行归一化后可得到一个41 的权重值矩阵W 具体计算结果见表4 表4 权重计算结果 Table 4 the result of weight 污染物类别 采样时间 DO CODMn TP TN 04 22 0 48 0 24 0 13 0 15 04 28 0 42 0 23 0 22 0 15 05 06 0 43 0 23 0 18 0 16 05 12 0 44 0 27 0 16 0 13 05 19 0 41 0 25 0 20 0 15 2 4 对隶属度矩阵和归一化权值矩阵进行模糊矩阵复合运算 得出环境要素的模糊 评价结果矩阵 并根据模糊评价结果矩阵判断出环境要素的污染等级 对隶属度矩阵和归一化权值矩阵进行模糊矩阵复合运算 得出环境要素的模糊 评价结果矩阵 并根据模糊评价结果矩阵判断出环境要素的污染等级 模糊矩阵W和R复合运算其含义是 W中的四个数值是 ij r四个单项指标对于总体污染作用的 权重大小 R中第1 5列是 ij r上五个单项指标分别对于 类水质的隶属度 考虑总体对几 类水质的隶属度就必须考虑各项分类指标对几类的隶属度及其权重 这就是W中第一行与R中第 5 一列复合运算的目的 有2种模糊矩阵复合运算的方法 一种是 交 和 并 算子 即先取小后取大的方法 另一种是 乘 和 算子 也就是先乘后并 利用 算子进行模糊矩阵复合运算 得出 模糊评价结果矩阵 模糊评价结果矩阵实际上是一个一维向量 它包含n个元素 依据最大隶属 度原则可以由结果矩阵得出评价对象的污染等级 即结果矩阵的n个元素与n个污染等级一一对 应 结果矩阵的n个元素中哪一个元素的数值最大 评价对象的污染等级就是哪一级 但是 采 用先取小后取大的计算方法所得结果有时会使矩阵的诸元素中有若干个元素的数值非常接近 以至于无法根据结果矩阵判断出评价对象的污染等级 另外这种算法会丢掉较多数据信息 所 以本文采用先乘后并的方法 以便获得比较清晰的结果矩阵 准确得出评价对象的污染等级 从而对评价对象做出较好的描述 根据以上数据以及计算方法和步骤得到最终计算结果见表5 表5 模糊综合评价结果 Table 5 The result of fuzzy comprehensive evaluation 水质类别 年份 类 类 类 类 类 评价结果 不考虑溶解氧 04 22 0 48 0 13 0 21 0 035 0 类 04 28 0 42 0 18 0 17 0 048 0 类 05 06 0 43 0 099 0 17 0 061 0 类 05 12 0 19 0 25 0 24 0 030 0 类 05 19 0 30 0 13 0 19 0 056 0 类 3 计算结果分析计算结果分析 1 从表3中我们可以看出云龙湖的水质中溶解氧很高 基本全部都达到了国家 类标准 但是总磷和总氮的影响不容乐观 使水质在 类和 类之间徘徊 也就是说云龙湖的水质有富 营养化的表现 2 从表4各污染因子权重系数中我们可以出 三种污染指标中 CODMn对云龙湖的水质影 响最大 所以权重最高 而总磷和总氮的影响其次 不过我们可以看出它们的影响也在日益加 重 富营养化的趋势在所难免 这是因为云龙湖是属于蓄水性的静态型水体 而且云龙湖又具有 避暑纳凉 渔业养殖等功能 养殖投放的饵料过多造成水体的富营养化 这应该引起徐州市政府 及环境保护人士的注意和重视 不能让湖水再继续恶化下去 3 综合评价结果表明 不考虑溶解氧对本次评价的影响 则云龙湖的总体水质呈 类或者 类 类水质在某些区域也时有发生 但是总体来说 云龙湖的水质现状与江苏省其它城市 湖泊水质相比较还是很好的 2006年十运会的铁人三项就在徐州市的云龙湖举行 这就是一个 很好的证明 4 结论结论 用模糊数学的方法 采用隶属度函数来描述水质状况 体现了实际界限的模糊性 其优点 是综合客观 缺点是计算较为复杂 权重的大小是根据实测值与标准值的比较确定的 也比较 6 客观 它不仅考虑到了污染因子的综合作用 而且还考虑到了高浓度污染因子的作用 最终结 果不仅能反映水质级别 还能反映各种污染物的隶属情况 模糊数学作为一种方法 不仅可以 对水质进行评价 而且还可以对大气 生物 物理等其他各项环境质量进行评价 使其评价结 果更接近客观实际 评价结果表明 COD是云龙湖的主要污染物 湖水处于轻度富营养状态 云龙湖的主要污 染源一是流域内污染物直接排入湖水 二是通过大雨 暴雨形成地表径流将污染物带入 三是 补库调水水源带来污染 四是湖面降水 包括降雨 降雪 降雾等 中含有污染物质 五是湖面 降尘 指干降 造成湖水污染 六是空气中的有害气体溶于湖水中形成水质污染 七是固体污染 物向湖中抛洒形成的水质污染 5 虽然徐州政府在保护云龙湖水质方面做了许多努力 出台了 徐州市云龙湖水环境保护条例 以及关闭了流域内的许多工厂和餐馆 但是云龙湖水环境保 护的路任重而道远 随着徐州市经济的发展 污染物的来源会日益广泛 参考文献参考文献 1 王文成 张铁松等 应用模糊数学评价南充市大气环境质量 J 环境科学与管理 2006年10月第31卷第7期 2 陆书玉 环境影响评价 M 北京 高等教育出版社 2001 3 郝红艳 单爱琴等 徐州市云龙 湖富营 养化特征分析与评价 J 资源开发与市场 2006年第22期 4 王鸿杰 尤宾等 模糊数学分析方法在水环境评价中的应用 J 水文 2005年12月第25卷第6期 5 王美荣 常若龙 云龙湖水体功能及其水污染防治对策 J 江苏环境科技 2001年l2月 第l4卷第4期 Fuzzy Mathematics Based Comprehensive Evaluation of Water Quality of Yunlong lake in Xuzhou Jiangtao Liduosong Zhangka China University of Mining and Technology College of Environment and Spatial informatics Xuzhou Jiangsu 221008 E mail tianshu68 Abstract The water quality of Yunlong lake in Xuzhou was