基于物元分析的庐山风景名胜区水环境质量评价模型

基于物元分析的庐山风景名胜区水环境质量评价模型

水环境质量评价是对水质量进行定量或定量评估和分类的基础。目标是了解水体的质量状况，为水资源的使用和水环境的环境保护提供科学合理的方法。常用的水质评价方法有综合指数法、因子分析法、层次分析法、人工神经网络法、污染损失率法、集对分析法、模糊综合评判法、灰色聚类法以及物元分析法等。水环境质量的好坏是一个模糊概念,各水质等级是模糊集合,评价标准界限的明显量化将会遗漏一些有用信息,甚至会导致错误的结论,若以单项指标对水质进行评价,其评价结果常常具有矛盾性、不确定性和不相容性。物元分析理论是由我国蔡文教授创立,是一种主要研究和处理不相容问题的方法,它可以将复杂的问题抽象为形象化的模型,并应用这些模型研究基本理论,提出相应的应用方法。笔者以庐山风景名胜区水环境质量评价为例,说明物元模型理论在水环境质量评价中的应用过程。1物源模型理论1.1基于物元组的程处理模型利用物元分析法可以建立事物多指标性能参数的质量评定模型,并能以定量的数值表示评定结果,从而能够较完整地反映事物质量的综合水平,并易于用计算机进行编程处理,广泛应用于新产品构思与设计、优化决策、控制、识别与评价等领域,在理论和实践方面发挥了重要作用。以有序三元组R=(Q,c,v)作为描述事物的基本单元,称为物元。其中,Q表示事物;c表示Q的特征;v表示Q关于c所取得的量值。如果事物Q由n个特征c1,c2,…,cn以及相应的量值v1,v2,…,vn来描述,则称为n维物元,表示为:R=[Qc1v1c2v2⋯⋯cnvn](1)R=⎡⎣⎢⎢⎢⎢Qc1c2⋯cnv1v2⋯vn⎤⎦⎥⎥⎥⎥(1)1.2水质开元模型的构建1.2.1经典域点Rj=(Νj,ci,Xji)=[Νjc1Xj1c2Xj2⋯⋯cnXjn]=[Νjc1(aj1,bj1)c2(aj2,bj2)⋯⋯cn(ajn,bjn)](2)(i=1,2,⋯,n;j=1,2,⋯,m)Rj=(Nj,ci,Xji)=⎡⎣⎢⎢⎢⎢Njc1c2⋯cnXj1Xj2⋯Xjn⎤⎦⎥⎥⎥⎥=⎡⎣⎢⎢⎢⎢Njc1c2⋯cn(aj1,bj1)(aj2,bj2)⋯(ajn,bjn)⎤⎦⎥⎥⎥⎥(2)(i=1,2,⋯,n;j=1,2,⋯,m)式中,Nj表示所划分的j类评价标准;ci表示所选定的第i个评价因子;Xji表示Nj关于ci所规定的量值范围,称为经典域;bji和ɑji分别表示为第j类评价标准中第i个评价因子各级标准的上限值和下限值。1.2.2c1c2apn,bpnRp=(Ρ0,ci,Xp)=[Ρ0c1Xp1c2Xp2⋯⋯cnXpn]=[Ρ0c1(ap1,bp1)c2(ap2,bp2)⋯⋯cn(apn,bpn)](3)(i=1,2,⋯,n;p=1,2,⋯,m)Rp=(P0,ci,Xp)=⎡⎣⎢⎢⎢⎢P0c1c2⋯cnXp1Xp2⋯Xpn⎤⎦⎥⎥⎥⎥=⎡⎣⎢⎢⎢⎢P0c1c2⋯cn(ap1,bp1)(ap2,bp2)⋯(apn,bpn)⎤⎦⎥⎥⎥⎥(3)(i=1,2,⋯,n;p=1,2,⋯,m)式中,P0表示为评价标准的全体;Xpi表示为P0关于ci所取的量值范围,称为节域。1.2.3各级别设定2个月的数为2,2,nΚj(xi)={-ρ(xi,Xji)|Xji|=-ρ(xi,Xji)bji-aji(xi∈Xji)ρ(xi,Xji)ρ(xi,Xpi)-ρ(xi,Xji)(xiXji)(4)(i=1,2,⋯,n;j=1,2,⋯,m)Kj(xi)=⎧⎩⎨⎪⎪−ρ(xi,Xji)|Xji|=−ρ(xi,Xji)bji−aji(xi∈Xji)ρ(xi,Xji)ρ(xi,Xpi)−ρ(xi,Xji)(xiXji)(4)(i=1,2,⋯,n;j=1,2,⋯,m)式中,Kj(xi)表示各评价因子关于评价标准的关联函数;ρ(xi,Xji)表示点xi与有限区间Xji=(aji,bji)的距离;ρ(xi,Xpi)表示点xi与有限区间Xpi=(api,bpi)的距离;xi表示为第i个评价因子的实际监测值。1.2.4i-12api+bpi—距的确定。ρ(xi,Xji)=|xi-12(aji+bji)|-12(bji-aji)ρ(xi,Xpi)=|xi-12(api+bpi)|-12(bpi-api)(5)(i=1,2,⋯,n;j=1,2,⋯,m)ρ(xi,Xji)=|xi−12(aji+bji)|−12(bji−aji)ρ(xi,Xpi)=|xi−12(api+bpi)|−12(bpi−api)(5)(i=1,2,⋯,n;j=1,2,⋯,m)1.2.5j=资源规范由于各评价因子在水环境质量评价中的作用不同,因而应赋予不同的权重,其计算公式:λji=xi/sjin∑i=1(xi/sji)(6)(i=1,2,⋯,n;j=1,2,⋯,m)λji=xi/sji∑i=1n(xi/sji)(6)(i=1,2,⋯,n;j=1,2,⋯,m)式中,sji为第j评价标准中第i种评价因子各级标准的平均值。1.2.6待评对象的关联度关联度的数值表示评价对象符合某类评价标准的隶属程度,其计算公式:Κj(Ρ0)=n∑i=1λjiΚj(xi)(7)式中,Kj(P0)表示待评对象P0关于第j类评价等标准的关联度。1.2.7第1kjp0当Kj(P0)≥1.0时,表示被评价对象的水质要优于第j类评价标准;当0≤Kj(P0)≤1.0时,表示被评价对象的水质符合第j类评价标准,且数值越大,越接近标准上限值;当-1≤Kj(P0)<0时,表示被评价对象的水质不符合第j类评价标准,但具备转化为第j类评价标准的条件,且数值越大越容易转化;当Kj(P0)<-1时,表示被评价对象的水质不符合第j类评价标准,且又不具备转化为第j类评价标准的条件。2两湖四沟水系统庐山风景名胜区是世界文化景观遗产,是以人文、自然景观有机融合为主要特征、以资源保护、观光度假、科研教育为主要功能、以山岳型为主体的国家级重点风景名胜区。其水系主要包括“两湖四沟”,“两湖”是指芦林湖、如琴湖,均为人工蓄水成湖;“四沟”指东谷小溪区、西谷小溪区、剪刀峡和相思河。随着庐山旅游业不断发展,生活污水排放量逐年增长,部分水体水质已明显下降,给景区水环境带来了前所未有的压力。为了解近年来风景区地表水环境质量的状况,以2002～2006年风景区主要水体芦林湖、如琴湖、电站大坝、庐山会址、剪刀峡和相思河的平均监测数据(表1)为依据,以《地面水环境质量标准》(GB3838-2002)为各级评价标准(表2),应用物元模型对水环境质量进行评价。2.1正确处理水质监测值和评价标准由于各评价指标量化值所在的区间不完全相同,有的评价指标是以数值越小级别越高,如高锰酸盐指数、BOD和TP,而DO则刚好相反。故按公式(8)先对水质监测值和评价标准进行归一化处理,处理结果见表3和表4。处理后的水质评价指标都是以数值越小级别越高。di={xix5(高锰酸盐指数、BΟD、ΤΡ)1.0-xi-x5x1(DΟ)(8)式中,xi和di分别表示为归一化前和后的水质监测值或标准值;x1和x5分别表示为Ⅰ类和Ⅴ类评价标准值。2.2高锰酸盐指数3g根据各类地表水的水质功能,以水质I、II、III、IV和Ⅴ类的取值范围作为经典域;以各项水质指标可能的取值范围,即将各指标从Ⅰ类到Ⅴ类的取值范围确定为节域,通过公式(2)和(3),确定了庐山风景名胜区水质评价的经典域Rj及节域Rp。R1=[Ⅰ类DΟ(0.0000,0.2667)高锰酸盐指数(0.0000,0.1333)BΟD(0.0000,0.3000)ΤΡ(0.0000,0.0500)(0.0000,0.0500)]R2=[Ⅱ类DΟ(0.2667,0.4667)高锰酸盐指数(0.1333,0.2667)BΟD(0.3000,0.3000)ΤΡ(0.0500,0.2500)(0.0500,0.1250)]R3=[Ⅲ类DΟ(0.4667,0.6000)高锰酸盐指数(0.2667,0.4000)BΟD(0.3000,0.4000)ΤΡ(0.2500,0.5000)(0.1250,0.2500)]R4=[Ⅳ类DΟ(0.6000,0.8667)高锰酸盐指数(0.4000,0.6667)BΟD(0.4000,0.6000)ΤΡ(0.5000,0.7500)(0.2500,0.5000)]R5=[Ⅴ类DΟ(0.8667,1.0000)高锰酸盐指数(0.6667,1.0000)BΟD(0.6000,1.0000)ΤΡ(0.7500,1.0000)(0.5000,1.0000)]Rp=[Ⅰ~Ⅴ类DΟ(0.0000,1.0000)高锰酸盐指数(0.0000,1.0000)BΟD(0.0000,1.0000)ΤΡ(0.0000,1.0000)(0.0000,1.0000)]2.3各评价因子权重的确定根据公式(4)和(5)计算出评价因子在各级评价标准下的关联函数,计算结果见表5。根据公式(6)计算出各个评价因子的权重,计算结果见表6。最后根据公式(7)计算出庐山风景名胜区各类评价水体的关联度,计算结果见表7。2.4类水质和云中水环境质量的比较根据关联度的涵义,芦林湖的最大关联度值为-0.0167,虽然不能完全符合Ⅲ类水质的特征,但与Ⅲ类水质标准下限较为接近,因此还是认定其基本符合Ⅲ类水质,而且关联度中仅次于最大值的是Ⅰ类(-0.2164),说明芦林湖水体转化为Ⅰ类水质的可能性较大。同理,电站大坝和相思河的水质基本符合Ⅳ类水质,而如琴湖和剪刀峡的水质基本符合Ⅴ类水质。庐山会址的最大关联度值为0.0406,符合Ⅲ类水质,但由于数值较小,说明水环境质量更接近于Ⅲ类水质的下限值。由表7还可得出,如琴湖有向Ⅳ类水质转化的可能,电站大坝、庐山会址、剪刀峡有向Ⅲ类水质转化的可能,相思河有向Ⅰ类水质转化的可能。虽然庐山会址和相思河同被评为Ⅳ类水质,但两者最大关联度值电站大坝(-0.0544)>相思河(-0.1020),这就说明同为Ⅳ类水质,但电站大坝的水质情况要优于相思河的水质;同理,同为Ⅴ类水质,但如琴湖的水质要优于剪刀峡的水质。根据物元分析方法可知,庐山风景名胜区主要水体的水质优劣顺序为芦林湖>庐山会址>电站大坝>相思河>剪刀峡>如琴湖。3物元分析方法的应用在运用物元分析方法进行水质评价过程中,物元理论通俗易懂,计算方法简便,并且容易进行计算机编程。物元模型中,关联函数可取负值,分辨能力强,能全面分析判别待评价对象属于某一级别的程度,从而提供更为丰富的信息,使判断更加准确,为环境决策提供较为可靠的科学依据,并为该领域的评价方法提供了新的思路。但应用该方法时,经典域、节域量值范围的确定、关联函数的选取等问题都有待