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模糊综合评价法在乐安河水质评价中的应用 ＊ 万金保 1,2 侯得印 1,2 万兴 2 涂盛辉 1 1.南昌大学环境科学与工程学院, 江西 330031; 2.南昌大学鄱阳湖生态与生物资源利用教育部重点实验室, 江西 330031 摘要 根据模糊数学的原理, 建立了地表水环境质量模糊综合评价模型, 模型不仅计算简便而且充分体现了其系统 性、综合性的特点。 利用建立的模型对江西省重点整治的河流乐安河进行了水质评价, 为污染控制提供了科学依据。 关键词 模糊 综合评价 模型 水质 乐安河 ＊2003 年江西省科技厅科技攻关项目 20041B0304300 0 引言 水环境是一种由多介质组成的多元体系 ,涉及到 大量的污染因素和变量, 具有高度的随机性 、 复杂性 和综合性。目前 ,通用的综合污染指数 P 值法 和 W 值水质评价法都是用确切的数学概念来描述本质上 不确切的对象, 在一定程度上, 数学的精确性反而成 了短处 [ 1 -3] ; 此外, 水质的变化是连续的, 而水质标准 中污染物浓度的表示却是不连续的 ,人为地用特定的 分级标准去评价环境污染程度也是不妥当的 [ 4,5] 。 自1965 年美国控制论专家 Zadeh L. A . 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 [ 6,7] 。本文根据模糊数 学原理建立了模糊综合评价模型, 并应用模型对江西 省乐安河进行了水质评价, 模型评价结果比较合理、 更加接近客观实际。 1 模糊综合评价模型的建立 1. 1 建立评价因子集 在水质监测的若干监测指标中根据一定的原则, 选择若干个指标作为评价因子 ,建立因子集。设评价 因子集中共设置 m 个评价因子 ,所选中的评价因子 为 Xi, 则建立的评价因子集 U 满足 U { X1, X2, X3, Xm} 1. 2 建立评价集 地表水环境质量标准 GB3838 -2002 中根据地 表水水域功能和保护目标 , 将地表水水质分成了五 类,故确定评价集为 V { Ⅰ , Ⅱ , Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ} 1. 3 建立模糊关系矩阵[ R] 假设参与水质评价的评价因子有 m 个, 水质评 价标准由 n 个级别组成 。由于水质污染程度和水质 分级标准都是模糊的 ,故用隶属度来刻画分级界限比 较合理。设 rij表示第i 种污染物的环境质量数值可 以被评价为第j 类环境质量的可能性 即 i 对 j 的隶 属度 ,它们的关系即为隶属函数 ,这样就构成了水质 评价因子与水质类别的模糊关系矩阵[ R] 。 [ R] r11r12r1n r21r22r2n   rm1rm2rmn 式中 m 代表评价因子数 i 1,2, , m ; n 代表水质类别即 j 1,2 ,3,4,5。 隶属度可以通过对隶属函数的计算来确定,隶属 函数一般采用降半梯形分布来描述 。根据地表水环 境质量标准 GB3838-2002 , 对各水质类别的隶属度 rij按下式计算 rij 1ci≤sj sj 1-ci sj 1-sj sjcisj 1 0ci≥sj 1 式中 sj 评价因子 Xi的第j 类水质标准值; ci 评价的因子 Xi的监测值 。 1. 4 权重向量的计算 权重是衡量评价因子集中某一因子对水质污染 程度影响相对大小的量, 权重系数越大 , 则该因子对 水质的影响程度越大 。可以用评价因子贡献率的方 法确定权重向量 ,通过计算超标比来计算权重值。 对于一般的偏小型分布指标 , 如 CODCr、BOD5 等,其计算式一般定义为 Ii ci si 式中 Ii 无量纲数 ,表示某评价因子的实际监测 77 环 境 工 程 2006年 12 月第 24卷第 6 期 值相对于水质标准超标的倍数; ci 评价因子 Xi的监测值; si 评价 因子 Xi各类水质 标准限 值的 均值。 但是对于偏大型分布指标如 DO,其计算式应为 Ii si ci 各项含义同上式 。 当每个评价指标的超标比都计算完之后 ,将其进 行归一化处理, 便能算出每个评价指标的权重 wi Ii ∑Ii 由此即得到了权重集 W { w1,w2, , wm} 1. 5 建立模糊综合评价模型 确定了模糊评价矩阵[ R] 和权重集 W 后, 可以 得到如下的模糊综合评价模型 B W R w1,w2, , wm r11r12r1n r21r22r2n   rm1rm2rmn b1, b2, , bn 建立了模糊综合评价模型之后可以根据最大隶 属度原则 ,若 bj max b1, b2, , bn 则待评价对象的 水质级别应该为第 j 类。 2 模型应用实例 乐安河发源于江西省与浙江省的交界处 ,流经婺 源、 德兴 、 乐平 、万年、波阳等县 市 , 最后进入鄱阳 湖,河道全长 279 km , 流域面积9 616 m 2 , 年平均径流 量80. 6 亿m 3 。由于受沿岸工业废水、生活污水等的 污染 ,该河水质不断恶化 。现利用 1. 5 节所建立的模 糊综合评价模型对乐安河进行水质评价 。 2. 1 评价因子集和评价集的建立 根据乐安河及其周边的水环境条件 ,利用已有的 监测数据, 选择溶解氧 DO 、 化学耗氧量 CODCr 、高 锰酸盐指数 CODMn 、5 日生化耗氧量 BOD5 、氨氮 NH3- N 、 铜 Cu 、 铬 Cr 等7 项代表性较强的指标作 为评价因子,即得到了评价因子集 U { X1,X2, , X7} { DO、 CODCr、 CODMn、 BOD5、 NH3- N 、 Cu、 Cr} 依据 GB3838-2002 标准 , 地表水水质分为 5 类 水体 ,因此确定评价集为 V { Ⅰ , Ⅱ, Ⅲ , Ⅳ, Ⅴ} 评价中使用的各指标为地表水环境质量标准的 最低限值, 如表 1 所示 。 表 1 模糊综合评价中各项指标标准值mg L 指标 DO ≥ CODCr ≤ CODMn ≤ BOD5 ≤ NH3-N ≤ Cu ≤ Cr ≤ Ⅰ7 . 515230. 150. 010. 01 Ⅱ615430. 51 . 00. 05 Ⅲ520641. 01 . 00. 05 Ⅳ3301061. 51 . 00. 05 Ⅴ24015102. 01 . 00. 1 2. 2 模糊关系矩阵[ R] 的建立 研究所用数据是从 2003 年乐安河枯水期的 7 个 监测断面获得, 如表 2 所示 。 表 2 乐安河枯水期水质评价指标mg L 序号 监测断面DO CODCrCODMnBOD5NH3-N CuCr 1海口10. 74 25. 264. 218. 420. 130. 000. 021 2中洲9. 7925. 684. 288. 560. 140. 280. 021 3香屯9. 6627. 484. 589. 160. 140. 970. 021 4戴村10. 8525. 84. 38. 60. 350. 390. 008 5虎山9. 927. 04. 59. 00. 410. 050. 008 6韩家渡9. 2029. 14. 859. 70. 450. 020. 007 7龙口8. 612. 62. 14. 20. 040. 020. 000 按 1. 3 节描述的方法确定 7 个监测断面的模糊 关系矩阵, 例如监测断面 1 的模糊关系矩阵为 [ R1] 10000 000. 4740. 5260 00. 8950. 10500 0000. 3950. 605 10000 10000 0. 7250. 275000 监测断面 2～ 7 的模糊关系矩阵可按同样方法得 到,在此不逐一列出 。 2. 3 权重值的计算 按1. 4 节描述的方法 ,根据各评价因子的超标比 可计算出各个监测断面各评价因子的权重值 ,进行归 一化处理后所得结果如表 3 所示 。 78 环 境 工 程 2006年 12 月第 24卷第 6 期 表 3 评价因子权重值归一化结果 指标 断面 1断面 2断面3断面 4断面 5断面6断面 7 IiwiIiwiIiwiIiwiIiwiIiwiIiwi DO0. 4380. 1040. 4800. 1030. 4870. 0850. 4330. 0920. 4750. 1040. 5110. 1060. 5470. 246 CODCr 1. 0530. 2501. 070. 2291. 1450. 1991. 0750. 2281. 1250. 2471. 2130. 2510. 5250. 236 CODMn 0. 5690. 1350. 5780. 1240. 6190. 1070. 5810. 1230. 0680. 1360. 6550. 1350. 2840. 127 BOD5 1. 6190. 3851. 6460. 3531. 7620. 3061. 6540. 3501. 7310. 3801. 8650. 3850. 8080. 363 NH3- N0. 1260. 0300. 1360. 0290. 1360. 0240. 3400. 0720. 3980. 0870. 4370. 0900. 0390. 018 Cu0. 0000. 0000. 3490. 0751. 2090. 2100. 4860. 1030. 0620. 0140. 0250. 0050. 0250. 011 Cr0. 4040. 0960. 4040. 0870. 4040. 0700. 1540. 0330. 1540. 0430. 1350. 0280. 0000. 000 ∑Ii 4. 2094. 6635. 7624. 7234. 5534. 8412. 228 2. 4 水质模糊综合评价 将2. 2 节所得的各单因素模糊关系矩阵[ R] 和 2. 3 节所得的权重集 W 代入 1. 5 节建立的模糊综合 评价模型中进行计算, 即可以得到模糊综合评价集 B 。乐安河各监测断面的模糊综合评价结果如表 4 所示 。 表 4 乐安河各监测断面模糊综合评价结果 监测断面Ⅰ级Ⅱ级Ⅲ级Ⅳ级Ⅴ级评价结果 10. 2040. 1470. 1330. 2840. 233Ⅳ 20. 2500. 1510. 1160. 2570. 226Ⅳ 30. 1650. 0950. 0810. 4170. 242Ⅳ 40. 2190. 1470. 1150. 2950. 224Ⅳ 50. 1730. 1680. 0340. 1690. 458Ⅴ 60. 1620. 0850. 0800. 2870. 386Ⅴ 70. 6320. 0070. 3250. 0360. 000Ⅰ 对各监测断面进行模糊综合评价的结果表明 ,海 口、 中洲、香屯、戴村等 4个监测断面的水质都已达到 了Ⅳ级, 虎山、韩家渡等 2 个监测断面的水质甚至达 到了Ⅴ级, 这说明乐安河的水质已经受到了严重污 染,必须采取有效的控制措施 。龙口监测断面水质较 好,达到了 Ⅰ级 ,经分析, 是由于在龙口监测断面上游 信江 、 昌江汇入乐安河,稀释作用产生的效果 。 在影响乐安河水质的各指标中 ,通过对权重的计 算可以看出污染物生化需氧量 BOD5 和化学需氧量 CODCr 对水质的影响程度相对较大 ,两者的权重和 在各监测断面中均超过了 50, 这说明水体中的主 要污染物为有机物, 这与乐安河的水质污染实际情况 完全相符 。 3 结论 1 模糊综合评价模型克服了传统的综合评价模 型的缺点, 不仅计算简便而且充分体现了其系统、综 合的特点。 2 利用模糊综合评价模型进行水环境质量评 价,既可以反映出各种因子共同作用下的水质状况, 又能确定主要污染物和主要污染类型,这对于环保政 策的制订、项目开发 、经济发展以及污染防治措施的 落实都具有一定的指导性 ,为地方政府制订环保政策 和规划提供了必要的科学依据 。 参考文献 [ 1] 汪尚朋, 李江云, 郑旭荣等. 水质模糊评价的探讨. 中国农村水 利水电, 2005, 1 49 -51. 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The distensibility of BF and BOF slags was measured using steam test and the effects of size and ageing time on the distensibility were investigated. This gives evidence for application of BF and BOF slags. Keywords steel slag, free CaO, steam test and distensibility APPLICATION OF CLOSED DOMESTIC REFUSE LANDFILLS Li Xiong Xu Dimin ZhaoYoucai et al 64 Abstract By application of closed landfill compartment in Shanghai Refuse Landfill, there are lots of ways to use each closed landfill compartment in different time. Planting is one of the best ways for applications of closed landfill sites. Which will have excellent environmental, economic and social benefits. Keywords refuse landfill, planting and environemnt USE OF IMPERMEABLE MATERIALS FOR REFUSE LANDFILLS IN JAPAN Xu Sifa Yang Yang 68 Abstract It is introducedthat the structure of impermeable system and classification of impermeable materials for landfillsin Japan, aswell as the use of all sorts of impermeable materials in Japan recently . The structure of impermeable system of landfill that is suitable for China is also proposed according to the actual conditions in China. Keywords refuse landfill, impermeable system and impermeable materials DETECTION OF NICKEL USING LOW -PRESSURE ION CHROMATOGRAPHY AND CHEMICAL LUMINESCENCELuoYu Huang Meixiu 71 Abstract It was attempted under certain conditions to detect transition metal ions and conduct a study on determination of trace nickel by low-pressure ion chromatography of mobile phase and chemical luminescence. Keywords low -pressure ion chromatography, inorganic mobile phase, chemical luminescence, combined technology and nickel ion ON -LINE MONITORING SUBSYSTEM OF SULFUR DIOXIDE MASS CONCENTRATION Wang Shilong Wang Lina Wang Zhicheng 74 Abstract The on -line monitoring system of sulfur dioxidein smoke consists of two subsystems. One is subsystem to monitor the mass concentration of sulfur dioxide, the other isused to monitor the velocity and rate of flow of sulfur dioxide. The author introduces principles and plan of monitoring in the system and discusses fully the subsystems to on-line monitor the mass concentration of sulfur dioxide sufficiently . Keywords boiler smoke, sulfur dioxide, on -line monitoring and mass concentration DISCUSSION ONPROBLEMS OF DETERMINING TRACE HEAVY METALS BY FLAME ATOMIC ABSORPTIONSun Cuiling Xin Honglin Feng Xueyang 76 Abstract It was explored through experimentation that the optimal conditionsof determining trace heavy metals by flame atomic absorption, as well as the s of eliminating interference liquid, which provides excellent experience for measuring accurately the content of trace heavy metals. Keywords flame atomic absorption, trace heavy metal, experiment and interference APPLICATION OF FUZZY SYNTHETIC UATING MODEL FOR ASSESSING WATER QUALITY OF LEAN RIVERWan Jinbao Hou Deyin Wan Xing et al 77 Abstract Based on the principle of fuzzy mathematics, the fuzzy synthetic uating model for assessing surface water quality was established. The model could not only ernbody systemic and synthetic characters but also simplify the calculation. At last, the modelwas applied to assess water quality of Le an River, which supplied scientific evidence for controling pollution. Keywords fuzzy , synthetic uation, model, water quality and Le an River APPLICATION OFMATTERELEMENTMODELBASEDONENTROPYWEIGHTTO UATION OF EUTROPHICATION OF LAKESRao Qinghua Zhang Jiangshan 80 Abstract Entropy weight is used to calculate the weight of uating indicators, then a matter element model is also adopted to uate the eutrophication of lakes. The results are comparedwith those of attribute identifying model and the fuzzy administering function, the results indicate that the matter element model is feasible for uating the eutrophication of lakes. Keywords matter element, entropy weight, weight, relationship and uation 5 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 24, No. 6, Dec . , 2006