用模糊可变模型浅析白洋淀水环境质量

1、用模糊可变模型浅析白洋淀水环境质量冯书仓（河北省沧州水文水资源勘测局，河北 沧州 061000）摘要：本文针对水质表现出的模糊性，采用模糊可变集合理论的模糊可变模型对白洋淀水体的环境质量进行了综合评价。通过科学确定与地表水水质相关的各参评因子处于标准区间值的相对隶属度，根据二元比较模糊决策分析法计算各参评因子的权重，得出白洋淀水体的环境质量级别。并与采用单因子评价法的评价结果进行了对比分析。表明模糊可变模型评价的水质结果更加合理、可信。关键词：水质级别；地表水；可变模糊集；相对隶属度Analysis of the quality of water environment variable fu

2、zzy modelFENG shu-cang(Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Cangzhou in Hebei Province, Cangzhou, Hebei 061000)Abstract: In this paper, the water quality showed fuzzy variable fuzzy set theory, fuzzy variable model to carry out a comprehensive evaluation of the environmental quality of the

3、 water in Baiyangdian. Determined through scientific Involved Factors associated with the quality of surface water in the standard interval value relative membership degree, the weight to each PARTICIPATING factor is calculated based on binary comparison of fuzzy decision analysis method draw of Bai

4、yangdian water level of environmental quality. Comparative analysis and evaluation method with single factor evaluation results. Showed that the fuzzy variable model to evaluate the water quality results are more reasonable, credible.Key word: Water quality levels; surface water; Variable fuzzy sets

5、; relative membership degree水是人类生存不可缺少的自然资源，也是生物赖以生存的环境资源。随着水资源危机的加剧和水环境质量的不断恶化，水资源短缺已经演变成为当前倍受世界关注的资源环境问题之一1。水质是水量的基础，如果没有足够的水质作保证，水量再多也是没有用，甚至成为周围水环境的污染源，给经济社会发展带来更大危害。因此，对水资源的保护显得尤为重要。目前地表水水质评价方法较多，大体可分为两类：一是给定临界值判据的指数法，如单因子评价、指数评价法等。二是函数法，如模糊数学法、灰色系统法等24。水环境污染是典型的模糊概念，依据环境标准进行环境评价是一个典型模糊模式识别问题。近

6、年来，模糊数学方法逐渐运用于环境质量评价研究中，它是将系统中的不确定性通过隶属度加以量化。在水环境质量评价中，水体的污染程度、水质类别、分类界限都是一些客观存在的模糊概念和模糊现象。本文应用陈守煜教授提出的模糊可变评价模型，对2011年10月华北明珠白洋淀的水体进行了评价，从总体上对白洋淀地表水体质量所属类别做出判断，并与综合指数法进行比较分析，提高了对样本类别评价的可信度。1 模糊可变模型的建立上世纪80年代，我国学者陈守煜教授运用自然辩证法，在大量研究的基础上创立了以相对隶属度和相对隶属函数概念为基础的模糊集理论5，并在以后的实践中不断得到发展和完善。该理论是解决工程中大量存在的模糊概念和

7、模糊现象的有效方法，已在诸如水资源承载力、水环境质量评价等领域得到广泛应用。本文就模糊可变模型相关内容介绍如下。1.1 相对隶属度设X0=a，b为实轴上模糊可变集合V的吸引域，即0DA（）1区间，X=c，d为包含X0=(X0X)的某一值域区间，如图1所示。· · · · · c a M b d图1 点，M与区间a，b、c，d的位置关系根据模糊可变集合定义可知c，a与b，d均为V排斥域，即1 DA（）0区间。设M为吸引域区间，b中A()=1的点值（可根据实际问题确定）。为X区间内的任意点的量值，则落入M点左侧时，其相对差异函数模型为：DA（）=（

8、） ，M （1）DA（）= （） c，落入M点右侧时，其相对差异函数模型为：DA（）=（） M，b (2)DA（）=（） b，d式中为非负指数，通常区=1，即相对差异函数模型为线性模型。有此，可求解相对隶属度A()：A（）=1+ DA（）/2 （3）显然，A() =0，c，d （4）1.2 模糊可变模型设系统的评价对象，用m个指标特征值评价，评价等级数为c，根据参考文献3建立模糊可变评价模型：= （5）式中：评价对象u对A的相对隶属度。 、参考连续统上任意一点x指标i特征值的相对隶属度和 关于左、右极点的广义权距离。 h评价级别 h=1，2，3，c。 p距离参数，p=1为海明距离，p=2为欧氏

9、距离。 a模型优化参数，a=1为最小一乘方，a=2为最小2乘方。2 白洋淀水质评价随着经济社会的发展，我国北方地区尤其是华北平原水环境日趋恶化，甚至达到了有河皆干，有水皆污的程度，严重制约了经济可持续发展。白洋淀是海河流域最大的天然湖泊，位于河北省中部，面积336km2，库容10.7亿m3，发挥着改善华北小气候、保护生物多样性等诸多方面的有益作用，从环境、生态方面来讲有“华北之肾”称谓。因此，对白洋淀的水质进行综合评价是十分必要的。2.1 模糊可变综合评价参评因子根据地表水环境质量标准（GB38382002）6及影响白洋淀水质的主要因子而设置的，共设置了8个参评因子：高锰酸盐指数X1、化学需氧

10、量（COD）X2、氨氮X3、挥发酚X4、总镉X5、铅X6、总磷X7、石油类X8。2011年10月白洋淀水质实测值见表1。文献6将地表水水质分为类，参评因子的各类标准含量限值见表2。表1 白洋淀水样参评因子实测值 mg/LX1X2X3X4X5X6X7X87.7430.35DLDLDL0.010.09表2 地表水环境质量标准限值 mg/L参评因子类类类类类X12461015X21515203040X30.150.51.01.52.0X40.0020.0020.0050.010.1X50.0010.0050.0050.0050.01X60.010.010.050.050.1X70.010.0250.

11、050.10.2X80.050.050.050.51.0根据表1、表2，构造地表水水质5个类别的标准值区间矩阵Iab为：Iab=（）依据标准值区间矩阵Iab，构造变动区间的范围值矩阵Icd为：Icd=（）评价因子i级别h的M矩阵为：M=（M）i为参评因子i=1，2，3，4，5，6，7，8；h为水质类别h=1，2，3，4，5。根据参评因子实测值x落入M点左侧或是右侧，分别采用公式（1）、公式（2）计算参评因子i水质级别h的相对隶属度矩阵。应用二元模糊比较和指标权重重要性排序一致性定理7，确定8个参评因子相对于5个级别的权值，利用语气算子与相对隶属度之间的关系，得到8个参评因子的权向量为：=（0.

12、379，1，0.818，0.481，0.600，0.379，0.212，0.212）对其归一化得评价因子权向量为：=（0.093，0.245，0.200，0.118，0.147，0.093，0.052，0.052）利用模糊可变模型（5）计算白洋淀水样各参评因子综合相对隶属度，模型优化准则参数取=1，距离参数p=1。将相关数值带入模型（5），求得综合相对隶属度为：=（0.384，0.120，0.138，0.125，0.291）归一化后为：=（0.363，0.114，0.130，0.118，0.275）应用水质级别特征值公式：H=，可计算白洋淀水样的水质级别H=2.828。对于5级水质的评价标准来

13、说，当1.0H1.5时，水质级别为类；当1.5H2.5时，水质级别为类；当2.5H3.5时，水质级别为类；当3.5H4.5时，水质级别为类；当4.5H5时，水质级别为类8。有此可知，白洋淀水域2011年10月的水质为类。即主要适用于集中式生活饮用水地表水原地二级保护区、鱼虾类越冬场、泅游通道、水产养殖区等渔业水域泳区。2.2 单因子评价采用目前地表水环境质量评价中常用的单因子评价法（单因子浓度对比法），对白洋淀的水质类别进行评价，根据参评因子的实测浓度值与文献6水质类别限值对比，按水样中单因子级别最差的确定水质类别。评价结果见表3。表3 单因子评价法评价白洋淀水质类别结果参评因子高锰酸盐指数化

14、学需氧量氨氮挥发酚总镉总铅总磷石油类评价结果类类类类类类类类按此方法评价，白洋淀2011年10月的水质类别为类水。该评价方法采取的是主因素突出型的评判。显然，结果具有一定的片面性。由模糊可变模型评价，综合考虑了水质系统的复杂性、模糊性，得出该水体为类水，结果更加合理、准确。3 讨论与结语从评价过程分析，模糊可变模型与单因子评价法（单因子浓度对比法）评价的区别在于模糊可变模型建立了实测值与级别标准值之间的广义权距离函数，通过确定指标对模糊概念“重要性”的相对隶属度来确定权重，评价结果更趋于客观。而单因子评价法（单因子浓度对比法）突出了水质中超标的因子作用，水质类别以超标因子的类别来确定，没有综合

15、考虑其他因子的作用，丢失了其他因子的信息，评价结果具有一定片面性。本文采用模糊可变模型对白洋淀的水体进行了环境质量评价。由计算过程看出，该方法考虑的水质系统的复杂性和模糊性，具有概念清晰，逻辑性强的优点，结果更趋于实际情况。模糊可变模型进行水质评价的计算量较大，在实际应用中，宜编程进行计算以减少工作量，避免信息丢失。参考文献：1 厉艳军，杨木状。地下水水质评价方法综述J。地下水，2007，29（5）：19-24。2 扬威，卢文喜，李海杰，等。模糊数学在扶余油田地下水质评价中的应用J。东北水利水电，2006，24（6）：4647。3罗定贵，徐辉。灰色系统理论在水质评价中的应用J。华东地质学院学报，1995，18（40）：349-352。4潘峰，付强，梁川。模糊综合评价在水环境在水环境综合评价中的应用研究J。环境工程，2002，20（2）：5860。