水质模糊综合评价在海湾水质评价中的应用

1、=1 NO-Aluixi觀血止 xtr 口水质模糊综合评价在海湾水质评价中的应用周丽花j谢向前2,李宁21河海大学水利水电工程学院，南京（210098）2河海大学水文水资源学院，南京（210098）E-mail: shelly5682摘 要：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。结果表明：三沙湾的官井洋海域水质较好， 达到I类，而三都澳和东吾洋海域水质较差达到W类水，主要污染物为N、P和有机污染物。关键词：三沙湾；模糊数学；水质评价三沙湾位于福建省东北部沿海，主要由东吾洋、官井洋及三都澳等三部分组成，海域面积385.

2、0km21,近几年随着三沙湾围填海等各项开发项目的展开及海水养殖的快速发展，三沙湾海域开始出现不同程度污染。在实际工作中，大都采用单因子指数法进行水质评价，由于水环境中存在大量不确定性因素，水质类别、分类标准都是一些模糊概念，因此模糊数学在水质综合评价中得到了广泛应用2。本文根据三沙湾 2005年9月的水质检测资料，运用模糊数学综合评价方法对三沙湾的水质进行了评价，以期能对三沙湾的水质状况有一个综合全面的评价。1 .建立模糊综合评价模型模糊数学是建立在集合论基础上的3,模糊综合评价是利用模糊变换原理和最大隶属度原则，考虑与被评价事物相关的各个因素或主要因素，对其所进行的综合评价。1.1建立水质

3、评价因子集合及等级集合设评价因子集合为：U = u 1 ,U2,，Un ，其中U1 ,U2,，Un为进行评价的n个评价因子。设评价等级集合为：V = V 1 , V2,，Vm ，其中V1 , V2,，Vm为进行评价的m 个评价等级。评价标准采用国家的海水水质标准（GB30971997），海水水质标准一共分4类。1.2建立隶属函数根据4类水质标准分别做出对应4个级别的隶属函数的通式I类水?S2 - X?S2 -S1x WS1S1 < x < S2x >S2s1xs2- - - o2 3 3s s scO0*"51 < x WS252 < x < S3

4、x >S1 ,x >S3?X - S2S2 < X WS3S3 -S2y水类mS3 < x< S4?x<S3S3<x<SxS443s0X >S2 , X >S4-# -=1 NO-Aluixi觀血止 xtr 口由于DO的性质与其他各因子不同， 其实测值大，说明污染轻水质好， 所以构造隶属函 数时，也要做出相应的调整。把各评价因子的实测值代入相应的隶属函数，计算出每个因子对于各评价等级的隶属度，得到U到V的一个模糊关系 R，称R为模糊矩阵。?rii ?R = ?r21? ?n1ri2r 22rn2rim ?2m ? _ （.）j hxm

5、? rnm ?-# -=1 NO-Aluixi觀血止 xtr 口-# -=1 NO-Aluixi觀血止 xtr 口1.3建立权重集各评价指标的高低不同，对水质的影响程度也有所不同，因此对各评价因子赋予权重。权重值的计算是模糊评价的关键一步，有多种计算方法，本文采用常用的方法： 按照各评判因子超标情况进行加权，超标越多，权重值越大。其计算公式如下：般因子为：Wi =XSiDO为:X max-XiX max-Si其中：Xi、Si和w分别为第i种污染物的实测浓度值、各级标准值的平均值和权重值,Xmax为饱和溶解氧。同时，在进行模糊计算时，必须先对各因子的权重值进行归一化处理：Wi-# -1=1 HU

6、 -M-AA*UJ 国 SS It 3C4NJ-A由此计算出各评价因子的权重，组成一个1 xn勺模糊矩阵A: A=(a!a2 an)1.4模糊综合评价A和模糊关系矩阵R通过模糊复合模糊综合评价考虑所有因子的影响，将模糊权重集 运算得到综合评价向量B：?rn ?12B = A XR = (a1,a2,?r21，an)x?.22?rn1rn2rimr2mr nmb2bn-# -1=1 HU -M-AA*UJ 国 SS It 3Cj个元素的隶属其中，bj称为评价指标，它是综合考虑所有因子的影响时评价对象评价第 度。2.实例应用三沙湾是福建省的一个重要海湾，不仅是一个天然良港，也是我国大黄鱼的主要繁殖

7、场，由于近些年周边地区生活及工业污水直接排入海湾，同时大量的海水养殖，使得三沙湾的水质不断恶化，福建省政府对此非常重视，在全省开展海湾的开发综合研究。2.1评价因子集和评价集的确定根据三沙湾2005年9月的水质监测资料，选择了 DO、PO4-P、DIN、COD、As、Cd、 Zn七个具有代表性的指标作为评价因子， 建立因子集：U = U1 ,U2，U7 = DO ,PO4P , DIN , COD , As, Cd , Zn。根据海水水质标准 (GB3097-1997)，确定评价集为：V = I , n ,川,W。进行评价时，使用海水水质质量标准的最低限值，见表1所示。项目In出IVDO v6

8、 5 4 3PO4_PW0.015 0.03 0.045DIN w0.2 0.3 0.4 0.5COD w2 3 4 5AsWO.020.030.05Cd <0.0010.0050.01Zn <0.020.050.10.5表1模糊综合评价各指标标准值_1Tab.1 Standard boundary values of indicators used in evaluating mg L2.2模糊关系矩阵R的确定对三沙湾的三个区域布设了9个监测点，由确定的具有代表性评价指标监测结果见表2所示。表2三沙湾水质评价指标Tab.2 Evaluating indicators of San

9、sha Bay区 域站占八、DOPO4-PDIN(mg/L)(mg/L)(mg/L)COD(mg/L)As(g g/L)Cd(gg/L)Zn(gg/L)Cu(gg/L)17.33 0.031 0.18 0.2101.740.0815.82.325.82 0.034 0.23 0.1701.630.1730.34.135.87 0.033 0.19 0.1851.700.069.52.8东46.25 0.045 0.24 0.1951.700.2366.01.8吾56.46 0.041 0.23 0.1601.7015.51.2洋66.49 0.049 0.41 0.2001.840.1223.

10、91.0三75.65 0.038 0.48 0.3401.410.1232.42.8都85.76 0.040 0.46 0.4201.380.0614.81.1澳95.53 0.043 0.49 0.1801.540.1125.61.7由1.2中所列的计算通式，计算9个监测点的模糊关系矩阵，例如监测点2的关系矩阵如下?0.180.8200?070.73 0.27?0.70.300?000?R2 =?1000?1000?0.660.3400?000?其他各监测点的关系矩阵按1.2中的通式均可求得，在此不一一列举。2.3权重集的确定按1.3的方法建立各指标的权重集，并确定权重值，最后对结果进行归一

11、化处理，结果 见表3。表3评价因子的权重值归一化结果Tab.3 Evaluation factors ' weights after normalization指标DO PO4-PDINCODAs Cd Zn CuEIi检测点1Ii0.614 1.017 0.5280.0600.0530.0150.094 0.1032.483Wi0.247 0.409 0.2130.0240.0210.0060.038 0.041检测点2Ii0.773 1.145 0.6710.0490.0490.0320.180 0.1883.087Wi0.250 0.371 0.2170.0160.0160.01

12、00.058 0.061检测点3Ii0.767 1.090 0.5300.0530.0520.0110.057 0.1292.687Wi0.285 0.406 0.1970.0200.0190.0040.021 0.048检测点4 Ii0.720 1.485 0.6860.0560.0520.0430.393 0.083 3.517-# -1=1- A JL*luisi觀血止xtr 口,_ n ,-"r-Wi0.205 0.422 0.1950.0160.0150.0120.112 0.024检测点5Ii0.697 1.357 0.6470.0460.052-0.092 0.0542

13、.943Wi0.237 0.461 0.2200.0160.018-0.031 0.018检测点6Ii0.693 1.643 1.1850.0570.0560.0230.142 0.0453.845Wi0.180 0.427 0.3080.0150.0150.0060.037 0.012检测点7Ii0.796 1.252 1.3800.0970.0430.0220.193 0.1273.910Wi0.204 0.320 0.3530.0250.0110.0060.049 0.032检测点8Ii0.781 1.337 1.3100.1200.0420.0120.088 0.0503.740Wi0

14、.209 0.357 0.3500.0320.0110.0030.024 0.013检测点9Ii0.814 1.423 1.3980.0510.0470.0210.153 0.0773.984Wi0.204 0.357 0.3510.0130.0120.0050.038 0.0192.4模糊综合评价由2.2所得的各评价因子的关系矩阵R和2.3中所得的各权重集 W代入1.4中的模糊复合运算，得到模糊综合评价向量B,三沙湾各检测点水质模糊综合评价结果见表4。表4各检测点模糊综合评价结果Tab.4 Outcomes of fuzzy synthetic evaluation in Sansha Ba

15、y区域检测点I级n级川级"级水质级别10.591 0.000 0.397 0.012I官井洋20.339 0.290 0.271 0.100I30.346 0.248 0.325 0.081I40.388 0.154 0.036 0.422IV东吾洋50.473 0.066 0.125 0.337I60.260 0.005 0.277 0.458V70.174 0.153 0.221 0.452V三都澳80.134 0.159 0.258 0.450V90.176 0.116 0.082 0.627V3.结论对各监测点的模糊综合评价表明，三都澳的3个监测点的水质都已达到了 W级，东吾

16、洋中的两个监测点也达到了 W级，而官井洋的3个监测点水质较好， 均达到I级。这与三沙湾 的实际情况相符，围垦养殖和网箱养殖大部分集中在东吾洋和三都澳，含有大量污染物的养殖废水排放使这两个海域的水质较差。而官井洋是大黄鱼繁殖保护区，随着近些年的保护力度加大，水质有很大改善达到 I类。通过对权重值的计算，可以看出个指标中对水质影响较大的是DO、DIN和PO4-P,三者的权重之和在各监测点均超过了 60% ,表明三沙湾的主要污染物为有机物和 N、P营养元 素，经分析为三沙湾周边的生活污水大部分未经处理直接排入湾中，带来大量有机物和营养lu国觀血止xtr 口,_ n ,-"r-in元素，同时

17、围垦养殖和网箱养殖的养殖废水含有大量有机物， 这些废水都是直接入海，也增 加了水体中有机污染物和 N、P的含量。模糊综合评价比较全面客观的反应了水质现状， 同时具有计算简便、系统、综合的特点， 不但可以反映各指标共同作用下的水质状况， 还可以了解主要的污染物， 对政府环保政策和 规划的制定提供了科学依据，对污染治理和合理的措施运用有指导意义。参考文献1 叶海桃，王义刚，曹兵.三沙湾纳潮量及湾内外的水交换J.河海大学学报：自然科学版，2007,35 ( 1)：96- 98.2 凌敏华，左其亭.水质评价的模糊数学方法及其应用研究J .人民黄河，2006, 28 (1).3 丁桑岚.环境评价概论M

18、.北京:化工工业出版社,20014 何桂芳，袁国明.用模糊数学对珠江口近 20 a来水质进行综合评价J.海洋环境科学,2007,26( 1):5457.5 周旭章，范真祥,湛建阶.模糊数学在化学中的应用M.长沙:国防科技大学出版社,2002. 12- 44.Utilization of Fuzzy Synthetic Evaluating Model in SeaWater QualityZhou Lihua1，Xie Xiangqian2，Li Ning2College of Water Con serva ncy and Hydropower En g. ， Hohai Un iversity ， Nan Ji ng (210098)2College of Water Resourc