基于模糊层次分析法的南四湖典型河流入湖口区水质评价

基于模糊层次分析法的南四湖典型河流入湖口区水质评价

河流入湖口区水质的评价南四湖位于山东省西南部（3427'3520'，11634'e11721）。是k东线工程的重要引水通道和储水湖泊。其水质对湖区工农业生产、生态和北冰洋地区的水质有显著影响。南水北调东线工程中所规划的功能用水要求其水质达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中的Ⅲ类水质标准。近年来,尽管地方政府投入了大量人力物力建设南四湖流域入湖河流截污导流等工程,但随着城市的扩张及工农业的发展,大量工业污水、生活污水及农业面源污染物仍在丰水季节通过入湖河道进入南四湖,导致湖水水质下降,因此控制入湖河道污染物对于湖泊治理至关重要,而对河流入湖口区水质的合理评价是判别水环境质量及对其进行规划的基础,为水环境管理及水污染防治提供数据支持与依据。目前常用的水质评价方法有单因子评价法、污染指数法、模糊数学评价法、层次分析法、人工神经网络法等。近年来,模糊数学和层次分析法相结合的模糊层次分析法在环境科学领域得到了广泛的应用。模糊数学评价法是由监测数据建立各评价因子对各级标准的隶属度集,形成隶属度矩阵,再把因子的权重集与隶属度矩阵相乘,获得1个综合评判集。该综合评判集表明评价水体水质对各级标准水质的隶属程度,反映了综合水质级别的模糊性,模糊数学评价法的关键在于目标权重的确定。层次分析法(AHP)是1种成熟的确定权重的方法,但其构造矩阵时容易产生随意性。本文利用改进层次分析法(IAHP),并在此基础上应用模糊综合评价法对南四湖13条典型河流入湖口区的水质进行综合评价,确定水质的分类和质量。1样本和方法1.1水样采集和采样采样在2012年5月中旬进行,在离水面20~30cm处采集水样,装入聚乙烯瓶内,每个采样点采样3次。各个采样点利用GPS定位,采样点位置见图1。1.2hg、cu、zn、cd、pb监测指标主要包括pH、CODcr、TP、TN、F-、As、Hg、Cu、Zn、Cd、Pb等。除pH在现场进行测定外,其余指标均在中国冶金地质总局山东局测试中心进行测定,监测方法均参照《水和废水监测分析方法》(第四版)规定的方法进行。1.3评估原则和方法模糊综合评价是在考虑与被评价对象相关的主要因子后,利用模糊运算法则和最大隶属度原则,对其所做的评价。1.3.1评价因子的确定评价因子即评价对象的指标体系。为了使模糊综合评价的计算简单化及选取的评价因子代表性强,本文在现有监测指标的基础上,以南水北调东线工程要求的Ⅲ类水质为标准,通过计算13条河流入湖口区处的水质指标的污染分担率值,确定出污染分担率之和大于90%的水质指标作为评价因子,即TN、TP、F-和Hg。22评估标准参照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)制定分级评价标准,见表1。1.3.2评估方法采用一级模糊综合评价法评价。表达式为2河流进入湖泊的水质模糊综合评价表2为南四湖13条典型河流入湖口区的四项评价因子(TN、TP、F-和Hg)的实测结果平均值。2.1河流水质指标构成因子集由于需要综合评价13条河流入湖口区的水质状况,且每条河流均筛选出4项统一的评价指标,为便于数学表达,建立两级评价对象集合:“因子集”与“子因子集”。13条河流(标号为1-13,见表2)的全体构成因子集,每条河流对应的4项水质指标构成子因子集,具体表达为因子集U={U1(1),U2(2),U3(3),U4(4),U5(5),U6(6),U7(7),U8(8),U9(9),U10(10),U11(11),U12(12),U13(13)。};子因子集Ui={Ui1(TN),Ui2(TP),Ui3(F-),Ui4(Hg)}(i=1,2,3,…,13)。2.2评价集分级《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中把地表水环境质量分为5类,故取评价集V={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ},水质划分为优(Ⅰ)、良(Ⅱ)、中(Ⅲ)、差(Ⅳ)、劣(Ⅴ)五级;污染程度相应为未污染、轻污染、中污染、重污染和严重污染。2.3环境质量评价模型考虑到水体污染程度与水质分级的相关性及模糊性,并且水质变化具有连续性的特点,用隶属度来描述模糊的水质分级界限,使评价结果更具有科学合理性。由于各种因素对于水质评判等级的隶属函数可按线性变化,本文采用线性隶属函数描述各评价因子。TN、TP、F-和Hg等4个指标均是浓度越高,水质越差,故隶属函数可统一表达为式中ui为评价因子实测质量浓度,mg/L;vik为环境质量分级评价标准值,mg/L;μik为评价因子隶属度;k为环境质量分级级别,k=1,2,…,5(1,2,…,5分别表示罗马数字Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ所代表的水质级别)。2.4员工隶属度计算和单因子评价矩阵根据因子集U上每个评价因子的实测数据,通过上述隶属函数分别求出其隶属于各水质级别的程度,即隶属度μik,进而得到单因子评价矩阵Rui。2.5采用改进ahp理论计算权重权重wi表示评价因子i在4个评价因子中所起作用大小的度量,其值的准确性直接影响评价结果的合理性。虽然改进的AHP将定性与定量相结合,其指标权重的排序具有较高的合理性,但仍然无法克服主观随意性较大的缺陷。本文中权重的确定是在各评价指标实测数据的基础上再采用改进AHP计算权重,克服了一般改进AHP仅考虑各评价因子在整个环境中的重要性而忽略了模糊评价集中污染较突出因子的不足。(1)权重的具体计算过程如下。计算各评价因子的平均值,按单因子评价法分别确定其评价等级,并计算相应的隶属度,结果见表3。(2)根据表3中评价因子的等级及隶属度,将各因子的重要性程度进行两两比较,进而确定各因子的判断矩阵A。当因子i与因子j处于同一等级时,认为它们对整体水质的影响同等重要;而当因子i所处污染级别比因子j高时,则认为因子i对整体水质的贡献率比因子j大。设定污染级别每相差一级其相应的贡献率aij相差一倍,再根据隶属度大小(以0.5为分界点)对aij进行调整:当两因子隶属度同时大于或小于0.5时,aij不变;否则需±0.5。由此得到判断矩阵2.6外集b的表示模糊综合评价的结果由单因素权重矩阵A和模糊矩阵R复合运算得到,即综合评价集B表示为:B=A·R常用的运算因子有4种,即取大取小法、相乘取大法、取小相加法、相乘相加法。其中取大取小型算子带有主观性,并且评价结果取决于主元素,信息损失量大。因此本文采用相乘相加法,用最大隶属度原则确定评价结果。2.7南四湖流域水体污染研究按最大隶属原则,对各河流入湖口区水质进行评价,评价结果见表4。从表4可以看出,13条河流入湖口区的水质均较差,绝大多数水质达到Ⅳ类,属于重污染状态。梁济运河和城郭河入湖口区的水质甚至达到了Ⅴ类,已处于严重污染状态,这可能与城郭河的平均比降较大导致污染物汇聚时间较短有关。济宁市区及周边工农业和城市污水是梁济运河的重要污染源。相对而言,泗河和韩庄运河入湖口区的水质较好,属Ⅲ类,能够达到南水北调东线工程所要求的水质标准。沈吉等研究表明入湖河流河口区TP、TN污染物输入是南四湖水质污染的重要因素之一。本研究中的评价因子权重也表明TP和TN对入湖口区水质的影响程度较大,并且其含量已超出发生富营养化的氮、磷条件。通过对比表3中2012年南四湖入湖河口区TP、TN的平均含量与武周虎所研究的2006年至2011年间的入湖河口区TP、TN的平均含量可知,南四湖入湖河口区TP、TN的含量随着南水北调东线工程通水时间的临近总体上呈下降趋势,2012年相对于2010-2011年TP、TN的平均含量下降率分别为21.05%和54.19%,可见,南四湖流域治污和环境监管力度尤其是对TN污染物排放的控制效果显著。李爽通过估算南四湖流域内的非点源污染指出,流域内水体氮元素污染的主要原因是氮肥的过量施用,磷元素污染的主要贡献是禽畜的大量养殖。据济宁市统计年鉴资料显示,南四湖流域内养殖业、种植业发达,农业生产过程中施用的化肥量严重超标,并且农作物对化肥的利用率很低,农村生活污水没有统一的排污管道进行收集处理。因此,应加大力度对南四湖流域禽畜养殖业及种植业废水的排放进行控制管理,以解决环境污染问题。3分层次分析法的运用(1)利用污染分担率来确定评价的水质指标,不仅能够使选取的水质指标代表性强,而且简化了模糊综合评价的计算,所得到的评价结果能够客观地反映评价水体的水环境质量。(2)模糊综合评价采用隶属函数来描述水质的分级,能较好地解决水环境评价中的模糊性,权重值的确定对评价结果有显著影响,本文以实测数据为基础,采用能够反映污染程度的改进层次分析法来确定权重值,使评价结果更有针对性,能够真实反映出水环境污染状况。(3)南四湖13条典型河流入湖口区水质均较差,评价因子中TP和TN对水质的影响程度较大并且已远远超出发生富营养化的氮、磷条件。仅泗河和韩庄运河入湖口区的水质能够达到南水北调东线工程所规划的功能用水的水质要求。TP、TN的平均含量随着南水北调东线工程通水时间的临近总体上呈下降趋势,说明近年来南四湖流域环境监管力度成效显著。解决南四湖入湖河流污染物的关键是对南四湖流域禽畜养殖业及种植业废水的排放进行控制管理。1权系数集法面说式中B为模糊综合评价结果向量;W为评价因子集的权重向量;W=(W1,…,Wi,…,Wn),Wi为第i个评价因子的权重值;R为评价因子隶属于不同水质级别的隶属度矩阵;·为1种模糊运算法则。评价结果向量按最大隶属度原则确定水质级别,如果同时存在2个或2个以上最大值时,则考虑隶属度次大值所属的水