水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的模糊貼近度方法

水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的模糊貼近度方法水環(huán)境系統(tǒng)是一個(gè)受眾多因素影響的開放系統(tǒng)，人類活動(dòng)產(chǎn)生的污染物進(jìn)入水環(huán)境系統(tǒng)后，使水環(huán)境質(zhì)量發(fā)生變化，進(jìn)而危害人類的健康，因而客觀地對(duì)水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，為水污染防治和管理提供科學(xué)依據(jù)，顯得尤為重要。水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)是指通過對(duì)水體的一些物理、化學(xué)、生物指標(biāo)的監(jiān)測(cè)、調(diào)查，根據(jù)不同的目的和要求，依據(jù)一定的方法對(duì)水環(huán)境質(zhì)量優(yōu)劣程度作出的定量描述[1]。縱觀關(guān)于水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方面的文獻(xiàn)可知，水環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)，實(shí)際就是依據(jù)水污染物濃度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，判斷某個(gè)地區(qū)某一時(shí)間內(nèi)的水環(huán)境綜合質(zhì)量與哪級(jí)標(biāo)準(zhǔn)最接近，則它就被視為符合該級(jí)水環(huán)境質(zhì)量。本文嘗試采用一種新的評(píng)價(jià)模型—模糊貼近度模式（本文采用四種模式），將其應(yīng)用于寧夏回族自治區(qū)水環(huán)境質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)中,并對(duì)四種模式的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行比照，從數(shù)學(xué)角度闡明各模式在水質(zhì)評(píng)價(jià)中的可靠性、實(shí)用性。1基于模糊貼近度的水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的基本步驟1.1單項(xiàng)指標(biāo)隸屬函數(shù)的建立設(shè)每個(gè)采樣點(diǎn)含有個(gè)評(píng)價(jià)的單項(xiàng)因素（指標(biāo)），每個(gè)因素（指標(biāo)）分為個(gè)不同等級(jí)，各等級(jí)項(xiàng)因素（指標(biāo)）標(biāo)準(zhǔn)限值矩陣表示為，待評(píng)價(jià)的每個(gè)采樣點(diǎn)各項(xiàng)實(shí)測(cè)指標(biāo)值矩陣表示為：取各評(píng)價(jià)因素的第一級(jí)（起始等級(jí)）或最末等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)限值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，建立各單項(xiàng)指標(biāo)的隸屬函數(shù)，其公式和圖形如下所示：a.對(duì)于數(shù)值愈大污染愈重的指標(biāo)（如酚、亞硝氮等），隸屬函數(shù)采用降半正態(tài)分布，如圖1所示。（1）b.對(duì)于數(shù)值愈大污染愈輕的指標(biāo)（如溶解氧DO等），隸屬函數(shù)采用升半正態(tài)分布，如圖2所示。（2）式中，為第采樣點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值；為評(píng)價(jià)指標(biāo)的起始和最末兩個(gè)等級(jí)限值。1.2確定分項(xiàng)隸屬度由單項(xiàng)指標(biāo)隸屬函數(shù)公式分別計(jì)算出第采樣點(diǎn)分項(xiàng)指標(biāo)隸屬度，記為：，其中（3）個(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為特殊采樣點(diǎn)計(jì)算其分項(xiàng)指標(biāo)隸屬度，記為：，其中（4）1.3確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重由于各采樣點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)共有m個(gè)，每個(gè)指標(biāo)的重要性可能相同，也可能不相同。因此，需要考慮評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重w，w1,w2,…,wm，其中wi>0，。權(quán)重實(shí)質(zhì)上是評(píng)價(jià)因子對(duì)采樣點(diǎn)水質(zhì)所作貢獻(xiàn)大小的相對(duì)值，在同一評(píng)價(jià)指標(biāo)下,各采樣點(diǎn)的隸屬度相差愈大,則反映該指標(biāo)在綜合評(píng)價(jià)中愈重要,指標(biāo)傳輸給決策者的信息也愈多。因此,可以根據(jù)各指標(biāo)傳輸給決策者信息量的大小來確定指標(biāo)的權(quán)重。本文采用反映評(píng)價(jià)指標(biāo)特征值之間差異性的參數(shù)——變異系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重[2]，其計(jì)算公式如下：（5）（6）（7）（8）1.4計(jì)算模糊貼近度【3】（a）Hamming貼近度（9）（b）Euclid貼近度（10）（c）最大最小貼近度（11）（d）算術(shù)平均最小貼近度（12）1.5確定評(píng)價(jià)等級(jí)若，則判決第采樣點(diǎn)相對(duì)地屬于類，這就是最大隸屬原則。當(dāng)時(shí)，按最大隸屬原則作判決時(shí)有時(shí)不太合理。實(shí)用上常把最大隸屬原則與閥值原則聯(lián)合起來使用。即若（13）則拒識(shí)，若（14）則按最大隸屬原則判決。2模糊貼近度方法在水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用現(xiàn)以寧夏回族自治區(qū)地表水水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)為例，闡明模糊貼近度方法與應(yīng)用。寧夏1996年對(duì)以下9個(gè)采樣點(diǎn)的11項(xiàng)污染指標(biāo)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，各個(gè)采樣點(diǎn)各項(xiàng)污染指標(biāo)的實(shí)測(cè)值列于表１。表11996年寧夏地表水環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)單位：mg/L采樣點(diǎn)溶解氧懸浮物總硬度CODBOD氨氮揮發(fā)酚六價(jià)鉻總磷氟化物大腸DOSSHdCODmnBOD5NH3-NФ-OHCr+6P-F-菌群黃河6.983596.04138.944.83.480.7440.0050.0211.480.706357清水河6.72119.73202.5865.9234.470.3630.0050.00201.06518425茹河7.69786.52220.853.061.370.2240.0010.01201.04220217四二干溝3.43541.85140.414.7417.8918.60.040.0130.610.962369.25銀新干溝4.4872.97156.134.6141.2315.260.0230.0190.881.671181.67第三排水溝4.2273.09261.0720.69.848.4180.0590.02101.7020第五排水溝5.15429256.1519.649.330.710.0120.01500.70吳忠清水溝2.177008.83295.21032123.964.6480.4580.211000靈武入黃口4.383753.11274.03184.550.532.1680.0650.0470002.1標(biāo)準(zhǔn)選擇與水質(zhì)等級(jí)的劃分評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以GB3838-2002《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》為主要依據(jù)，將水環(huán)境質(zhì)量分為5類（k=Ⅰ,Ⅱ,…,Ⅴ），對(duì)GB3838-2002中未列入的項(xiàng)目，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)建議和資料分析進(jìn)行補(bǔ)充（如表2所示）。表2地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)單位：mg/L項(xiàng)目名稱項(xiàng)目代碼Ⅰ類Ⅱ類Ⅲ類Ⅳ類Ⅴ類溶解氧DO≥86532懸浮物SS≤304070100150總硬度(以碳酸鈣計(jì))Hd≤120150180220250化學(xué)需氧量CODmn≤246810五日生化需氧量BOD5≤234610氨氮NH3-N≤0.40.50.60.81.0揮發(fā)酚Ф-OH≤0.0010.0020.0050.010.1六價(jià)鉻Cr+6≤0.010.020.030.050.1總磷P-≤0.020.050.10.150.2氟化物F-≤0.60.811.41.5大腸菌群（個(gè)/L）≤0101001000100002.2隸屬函數(shù)的確定隸屬函數(shù)的確定，參考上述式（1）～（2），可寫出各單項(xiàng)污染指標(biāo)的隸屬函數(shù)?，F(xiàn)以溶解氧（DO）和懸浮物（SS）為例：（15）（16）2.3各采樣點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定由式（5）～（8）計(jì)算寧夏各采樣點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重如表3所示。表31996年寧夏各采樣點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重（歸一化后）權(quán)重溶解氧懸浮物總硬度CODBOD氨氮揮發(fā)酚六價(jià)鉻總磷氟化物大腸DOSSHdCODmnBOD5NH3-NФ-OHCr+6P-F-菌群0.05770.07240.03290.06110.07330.04230.21050.09840.08140.04210.22792.4模糊貼近度的計(jì)算及各采樣點(diǎn)水質(zhì)評(píng)價(jià)根據(jù)式（9）～（12）計(jì)算不同的貼近度，并取，得寧夏1996年地表水水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果如表4所示。表41996年寧夏地表水水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果模糊貼近度評(píng)判法采樣點(diǎn)不同貼近度評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)結(jié)果Hamming貼近度Euclid貼近度最大最小貼近度算術(shù)平均最小貼近度黃河Ⅲ類Ⅲ類Ⅲ類Ⅲ類清水河Ⅲ類Ⅲ類Ⅲ類Ⅲ類茹河Ⅱ類Ⅱ類Ⅱ類Ⅱ類四二干溝Ⅲ類Ⅳ類Ⅲ類Ⅲ類銀新干溝Ⅲ類Ⅳ類Ⅲ類Ⅲ類第三排水溝Ⅲ類Ⅲ類Ⅰ類Ⅰ類第五排水溝Ⅲ類Ⅲ類Ⅰ類Ⅰ類吳忠清水溝Ⅴ類Ⅴ類Ⅰ類Ⅰ類靈武入黃口Ⅲ類Ⅲ類Ⅰ類Ⅰ類2.5結(jié)果分析對(duì)比各種貼近度評(píng)價(jià)模型的評(píng)價(jià)結(jié)果，前3個(gè)采樣點(diǎn)，即黃河、清水河、茹河的評(píng)價(jià)結(jié)果是完全相同的，且符合實(shí)際；對(duì)于四二干溝、銀新干溝2個(gè)采樣點(diǎn)，四種貼近度評(píng)價(jià)模型的評(píng)價(jià)結(jié)果中，Hamming貼近度、最大最小貼近度、算術(shù)平均最小貼近度的評(píng)價(jià)結(jié)果一致，Euclid貼近度的評(píng)價(jià)結(jié)果有較小的差別，經(jīng)對(duì)表1中四二干溝、銀新干溝2個(gè)采樣點(diǎn)11項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)測(cè)資料的具體分析，筆者認(rèn)為，Hamming貼近度、最大最小貼近度、算術(shù)平均最小貼近度的評(píng)價(jià)結(jié)果是符合實(shí)際的；對(duì)于后4個(gè)采樣點(diǎn)，Hamming貼近度、Euclid貼近度的評(píng)價(jià)結(jié)果一致，而最大最小貼近度、算術(shù)平均最小貼近度的評(píng)價(jià)結(jié)果一致，但它們的評(píng)價(jià)結(jié)果相差較大，下面利用表5所列出的這4個(gè)采樣點(diǎn)11項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)資料對(duì)其水質(zhì)進(jìn)行具體分析。從表5可見，這4個(gè)采樣點(diǎn)均有8項(xiàng)（或8項(xiàng)以上）評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值全部超出Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值。因此，最大最小貼近度、算術(shù)平均最小貼近度的評(píng)價(jià)結(jié)果是不符合實(shí)際的，應(yīng)采取Hamming貼近度、Euclid貼近度的評(píng)價(jià)結(jié)果。表51996年寧夏部分地表水環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)單位：mg/L采樣點(diǎn)溶解氧懸浮物總硬度CODBOD氨氮揮發(fā)酚六價(jià)鉻總磷氟化物大腸菌DOSSHdCODmnBOD5NH3-NФ-OHCr+6P-F-群/個(gè)L-1第三排水溝4.2273.09261.0720.69.848.4180.0590.02101.7020第五排水溝5.15429256.1519.649.330.710.0120.01500.70吳忠清水溝2.177008.83295.21032123.964.6480.4580.211000靈武入黃口4.383753.11274.03184.550.532.1680.0650.047000Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)限值≥8≤30≤120≤2≤2≤0.4≤0.001≤0.01≤0.02≤0.6≤0綜上分析，1996年寧夏地表水水環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果如表6所示。表61996年寧夏地表水水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果采樣點(diǎn)黃河清水河茹河四二干溝銀新干溝第三排水溝第五排水溝吳忠清水溝靈武入黃口評(píng)價(jià)結(jié)果Ⅲ類Ⅲ類Ⅱ類Ⅲ類Ⅲ類Ⅲ類Ⅲ類Ⅴ類Ⅲ類3結(jié)語根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量的模糊性特征，本文分析