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第卷第 期水 利 科 学 与 寒 区 工 程V o l ,N o 年 月H y d r oS c i e n c ea n dC o l dZ o n eE n g i n e e r i n gO c t,曹阳阳不同方法在地表水质评价中的对比研究J水利科学与寒区工程,():不同方法在地表水质评价中的对比研究曹阳阳(河北省秦皇岛水文勘测研究中心,河北 秦皇岛 )摘要:本文采用水污染指数法和改进模糊综合评价法对戴河口断面地表水质类别进行对比分析.从水污染指数的角度来看,年全年戴河口断面表现为总氮指标超标,其次是月浊度指标超标,根据水污染指数法按照WP I最高值判断水质污染类别的方法,戴河口断面水质类别应判定为劣类.而根据模糊评价最大隶属度原则,戴河口断面 年全年地表水水质类别应评价为类,两者结论相差较大,究其原因,水污染指数法在确定水质类别时未考虑各项指标的重要性程度,因此评价结果可能存在一定的片面性,而模糊综合评价法考虑了各评价指标的重要性,并按重要程度对各监测指标赋予权重向量,因而所得结论更加客观、真实.另外,从实际情况来看,近年来通过实施戴河治理工程,戴河水质整体上有较大提升,根据监测成果 年全年戴河口水质总体表现为类,与本文模糊综合评价结论较为一致.因此,采用模糊综合评价法进行水质评价更加客观.关键词:地表水质;水污染指数法;改进层次分析法;模糊综合评价中图分类号:T V ;TU 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:作者简介:曹阳阳(),女,河北秦皇岛人,工程师,研究方向为水质研究与化验.E m a i l:q q c o m.研究方法 水污染指数法水污染指数法是地表水环境质量评价的一种重要方法,它是基于单因子法的基本原则,通过内插计算得到各项评价指标的WP I值,通过选取WP I的最高值来判断水质污染类别,该方法能将各评价指标的实测值反映到WP I指标中,但是实际评价过程中无法有效反映各指标重要性,因此在评价指标选取上需要充分结合当地实际情况.根据研究区水质类别不同,WP I计算方法有所区别,其中类水质污染指数计算如式():WP I(i)WP Il(i)WP Ih(i)WP Il(i)Ch(i)Cl(i)(C(i)Cl(i),Cl(i)C(i)Ch(i)()式中:WP I(i)为第i个污染物所对应的指数值;WP Ih(i)、WP Il(i)分别为第i个污染物所在类别标准上 限、下 限 浓 度 值 对 应 的 指 数 值;Ch(i)、Cl(i)分别为第i个评价指标所在类别标准的上限、下限浓 度 值;C(i)为 第i个 评 价 指 标 的 实 测 浓度值.超过类水质时WP I值计算如式():WP I(i)C(i)Cl(i)C(i)()式中:C(i)为第i个评价指标的类标准限值.水质 类 别 和 水 质 污 染 指 数 对 应 关 系 如 表所示.表水质类别和水质污染指数对应水质类别WP I水质类别WP I类(,类(,类(,类(,类(,劣类(,)地表水质模糊综合评价法 指标权重确定层次分析法是美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂提出的一种层次权重决策分析方法.本文采用改进三标度法进行权重计算,具体步骤如下:()构建判断矩阵.采用三标度法,需根据评价指标对准则层的重要性进行排序,并根据指标重要性判断结果构建互补性判断矩阵F(fi j)nn.如式():fi j,C(i)C(j),C(i)C(j),C(i)C(j)()式中:fi j为指标C(i)、C(j)的相对重要性判断结果.将F(fi j)nn调整为一致性判断矩阵R(Ri j)nn,转换公式如式()、式():rinjfi j()ri jrirjn()()指标权重.初始权重向量计算.在得到一致性判断矩阵后,采用行和归一法计算指标初始权重向量,即对一致性判断矩阵计算行和并进行归一化处理,如式():W()(w,w,wn)Tnjrjninjri j,njrjninjri j,njrn jninjri jT()构建互反型矩阵.将R(Ri j)nn变为互反型矩阵P(Pi j)nn,如式():Pi jri jrj i()求解更高精度的权重向量.以W()作为初始迭代值W,如式():Wk PWk()当WkWk()时,此时计算的Wk即为最大特征值,将此时得到的Wk进行归一化处理,即得到最终权重向量,迭代结束.建立地表水水质评价的模糊关系矩阵地表水水质评价是一项复杂的多目标决策问题,而模糊综合评价法是一种基于模糊数学理论的综合评价方法.它具有结果清晰,系统性强的特点,能较好地解决模糊的、难以量化的问题,适合各种非确定性问题的解决.本文中地表水水质评价问题与模糊综合评价方法特征相符,因此采用模糊综合评价法评判地表水水质是较为合理的,具体过程如下:()建立水质评价对象因素集及评价等级.水质评价对象因素集是由评价指标构成,总的因素集Ux、x、x、x,xn,依 次 代 表n项评价指标.评价等级依据 地表水环境质量标准(G B ),确定为类,即V、.()隶属度确定.在各评价指标中,部分指标表现为越小越优,而另一部分指标则为越大越好,在确定指标隶属度时,两者采用的方法是不相同的,对随等级升高而因子标准数值增大的偏小型分布指标一般采用降半梯形分布来描述,对降半梯形 分 布,各 水 质 类 别 的 隶 属 度ri j解 析 式 如式()式()所示,而对偏大型分布则相反.第i项指标对级水质的隶属度函数为:ri,cisisicisisi,sicisi,cisi()第i项指标对j级水质的隶属度函数为:ri jcisi j si jsi j,si j cisi jsi j cisi j si j,si jcisi j,cisi j,cisi j()第i项指标对n级水质的隶属度函数为:ri n,cisi n cisi n si nsi n,si n cisi n,cisi n()式中:ci为第i项指标的实测值;si j为第i项指标对j级水质的标准值;ri j为第i项指标对j级水质的隶属度.()计算模糊评价结果.对权向量合集T与模糊关系矩阵S做矩阵乘法,即可得到评价对象的模糊综合评价向量如式():VTS(v,v,vn)()式中:vi为评价对象从整体上看对sj等级模糊子集的隶属度.按照模糊数学理论,一般根据最大隶属度原则对模糊评价结果进行决策,从而得到评价结论.实例应用 研究区概况戴河位于河北省秦皇岛市北戴河区的西部,第 期曹阳阳不同方法在地表水质评价中的对比研究是冀东沿海独流入海河流之一.戴河发源于抚宁区.东源为沙河,发源于抚宁区蚂蚁沟村西北青石岭清河塔寺;西源主流为西戴河,发源于抚宁区北车厂;西源支流名为渝河,发源于抚宁区聂口北.另一源为高家店米河.戴河像一条银色的玉带由北往南缓缓流淌,在北戴河区海滨镇的河东寨村西南注入渤海,河床宽度约 m,戴河流域北宽南窄,形如纺锤,除上游属山区外,皆为丘陵区,主河道比降 .流经北戴河区 k m,北戴河境内流域面积 k m.近年来,戴河实施了多项水生态治理工程,通过河道清淤、堤防绿化、生物防治、河流水系贯通、岸线湿地保护等改善区域水环境,提升河道水质质量,保证入海河流水质达标 .数据来源本文地表水水质监测数据取自国家地表水水质自动监测站数据,监测断面为河北省秦皇岛市戴河口断面,主要数据指标包括溶解氧、浊度、高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮共项指标,见表所示.表戴河口断面 年 月主要数据监测指标采集月份溶解氧/m gL浊度/N TU高锰酸盐指数/m gL氨氮/m gL总磷/m gL总氮/m gL月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 基于水污染指数法的地表水质评价根据戴河口断面主要监测数据,计算各指标WP I数值,并根据各指标WP I最高值来判断水质污染类别.在所选取的项指标中,年 月 总氮指标均突破m g/L,其中月最低为 m g/L,根 据 标 准G B ,总 氮 含量m g/L时 应 判 断 为 劣类 水,据 此 判 断 年 月戴河口断面水质类别为劣类水,主要污染指标为总氮和浊度,如表.表戴河口断面 年 月主要监测指标W P I计算值采集月份WP I水质类别主要污染指标月 劣类总氮月 劣类总氮月 劣类总氮月 劣类总氮月 劣类总氮月 劣类浊度、总氮月 劣类浊度、总氮月 劣类浊度、总氮月 劣类浊度、总氮 月 劣类总氮 月 劣类总氮 月 劣类总氮 基于模糊综合评价法的地表水质评价 指标权重计算根据表地表水质主要评价指标,结合国家地表水水质自动监测站数据,利用M a t l a b a软件按照式()式()步骤对各指标的权重进行计算,经过次迭代(计算精度)得到秦皇岛市戴河口断面地表水质主要评价指标权重,计算结果见表.表秦皇岛市戴河口断面主要监测指标权重目标层指标层初始权重向量求解更高精度权重向量溶解氧 浊度 秦皇岛市戴河口断面地表水主要监测指标高锰酸盐指数 氨氮 总磷 总氮 构建模糊关系矩阵S模糊关系矩阵S由各监测指标隶属度值构成,根据标准G B 对地表水质评价的主要指标要求及国家地表水水质自动监测站成果资料,水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷按式()式()步骤计算各监测指标隶属度值,结果见表.表秦皇岛市戴河口断面 年 月主要监测指标隶属度计算评价指标月份评价指标隶属度类类类类类月份评价指标隶属度类类类类类月份评价指标隶属度类类类类类溶解氧浊度 高锰酸钾指数月月月 氨氮总磷 总氮溶解氧浊度 高锰酸钾指数月 月 月 氨氮总磷 总氮溶解氧浊度高锰酸钾指数月 月 月 氨氮总磷 总氮溶解氧浊度 高锰酸钾指数 月 月 月 氨氮 总磷 总氮根据表中各评价指标隶属度计算结果,可以分别得出 年 月秦皇岛市戴河口断面主要监测指标隶属度模糊关系 矩阵,依次为SS,其中:S S 戴河口断面地表水质模糊综合评价根据改进层次分析法计算得到的评价指标权重Wk分别与相应隶属度矩阵S,S 进行矩阵乘法,可根据计算结果依次对秦皇岛市戴河口断面地表 水 质 进 行 模 糊 综 合 评 价,计 算 结 果 如表.第 期曹阳阳不同方法在地表水质评价中的对比研究根据模糊评价最大隶属度原则,秦皇岛市戴河口断面 年月及 月地表水水质综合评价为类,月 地 表 水 水 质 综 合 评 价 为类.表秦皇岛市戴河口断面 年 月地表水水质模糊综合评价月份水质类别类类类类类月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 结论根据水污染指数法和模糊综合评价法对戴河口水质类别评价,结果两者存在较大差距,究其原因,水污染指数法在确定水质类别时主要根据WP I最高值,未考虑各项指标的重要性程度,因此评价结果往往带有一定的片面性,难以客观反映水质真实情况,使用该方法进行水质评价时,需结合相关经验选择具有较强代表性的指标进行评价,方能得到较为客观的评价结果.而模糊综合评价法在水质评价时,考虑了各评价指标的重要性,并按重要程度对各监测指标赋予权重向量,因而模糊综合评价法在水质评价中通常具有更加客观的表现,从实际情况来看,近年来通过实施戴河治理工程,戴河水质整体上有较大提升,国家地表水水质自动监测结果表明 年 月全年大部分时间戴河口水质普遍表现为类,与本文模糊综合评价结论较为一致.因此,采用模糊综合评价法进行水质评价比水污染指数法更加客观.参考文献:彭小玉,周理程,毕军平,等不同水质评价方法在浏阳河水质评价中的应用比较J绿色科技,():李永,胡向红,乔箭改进的模糊层次分析法J西北大学学报:自然科学版,():,全玉莲,纪献兵,王丽芸,等秦皇岛主要入海河口水质分析与评价J海洋湖沼通报,():黄毓林,王双银,樊镕鑫,等宝鸡峡灌区水源地水质综合评价J水利技术监督,():付博超基于内梅罗综合污染指数法的秦皇岛水质评价J水利科学与寒区工程,():田海兰,程林,刘西汉,等基于水质标识指数法的秦皇岛市河流 水 质 评 价 J中 国 农 村 水 利 水 电,():马灿云秦皇岛市河流水质评价与防治对策J中国环境管理干部学院学报,(Z):水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷