基于模糊综合评价模型的郑州市东风渠水环境质量评价研究

张二丽， 汪太行，王玉龙，冯 宇

(郑州财经学院 信息工程学院，河南 郑州 450044)

引言

党的十八大以来，在习近平总书记生态文明思想的指引下，河南省积极落实党中央、国务院有关生态文明建设的决策安排，大力推进生态文明建设的相关工作，出台了《关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的实施意见》和《河南省污染防治攻坚战三年行动计划(2018-2020年)》.东风渠位于郑州市北部，一直承担着郑州市东郊区农田灌溉用水的重要补给河流的责任，也是郑州市居民生活污水和工业废水排放的河流之一[1]，在郑州市的生态环保体系中发挥着十分重要的作用.

基于郑州市生态环境局发布的2018年9月至2019年8月郑州市东风渠流入七里河处的水资源监测数据[2]，利用模糊综合评价模型对东风渠的水环境质量进行评价分析.通过计算一年中东风渠流入七里河处的溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP) 四个评价因子的权重值可知，东风渠水体的主要污染物为溶解氧(DO)和化学需氧量(COD).这为郑州市生态环境局对东风渠水体污染物的治理提供了理论依据和科学支持.

1 模糊综合评价模型

模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评价方法.根据模糊数学的隶属度理论，模糊综合评价方法是将定性评价转化为定量评价，从多方面综合评价被评判事物的隶属度状况.模糊数学概念的引入满足了水质评价的客观要求[3].为了全面了解东风渠现阶段的水质状况及污染情况，本文以2018年9月至2019年8月一年内郑州市生态环境局发布的东风渠流入七里河处水质监测数据为对象，对东风渠水环境质量进行评价与分析.

1.1 模型建立的思想

根据模糊数学的思想，将描述水质的数据、判断和各种定性表述转化为模糊语言，综合识别和判断水质状况[4]，从而建立模糊综合评价数学模型.

1.2 建立综合评价因子集

选择水质检测数据的若干检测指标作为评价因子，建立因子集[5].按照监测条件，选择2018年9月至2019年8月东风渠流入七里河处的4项指标作为评价因子，即综合评价的因子集为:U={u1,u2,u3,u4}，简记为U={ui}.其中u1表示溶解氧(DO)，u2表示化学需氧量(COD)，u3表示氨氮(NH3-N)，u4表示总磷(TP)，ui表示第个污染因子值.

1.3 建立综合评价集

由水质监测数据建立各因子指标对各级标准的隶属度集，形成隶属矩阵，再把因子权重集与隶属度矩阵相乘，得到模糊积，获得一个综合评价集[6].在环境质量评价中，水体污染程度本身是一个模糊概念，评价水体污染程度的分级标准也具有模糊的特征[7].根据国家地表水环境质量标准(GB3838-2002)[8]，依据水域环境功能和保护目标，将水质类别划分为5级，建立综合评价集为：V={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ}，简记为V=(vi).其中vi代表ui的评判标准集，各级指标为地表水环境质量目标准限值，如表1所示.

表1 目标准限值 mg/L

1.4 计算权重确定因子权向量

权重是能够很好反映出各个参评因子在总体水环境质量中地位的数值.在评价过程中，每个因子的重要程度是不同的，为此，对集合U中的每个因子ui赋以一个相应的权重αi，构成权重集A=(α1,α2,α3…αn).计算权重的方法较多，本文采用污染物浓度超标加权法.该方法为：

上式中，ci是因子ui的浓度实测值，si是因子ui在各级环境标准的均值，sij是第i个因子第j级的标准值，k为评判标准集分级数.

本文选取的是2018年9月至2019年8月一年的东风渠流入七里河处监测数据，如表2所示.

表2 2018年9月至2019年8月东风渠流入七里河处监测数据 mg/L

按照气象部门季节划分法，将数据划分为2018年9月到11月(秋季)，2018年12月到2019年2月(冬季)，2019年3月到5月(春季)，2019年6月到8月(夏季).以2018年9月到11月，即秋季东风渠流入七里河处溶解氧(DO)u1指标为例，根据以下公式计算各级环境标准的平均值为：

s1=(7.5+6+5+3+2)/5=4.7，

α1=7.8/4.7=1.66.

同理，得出东风渠流入七里河处u2、u3、u4指标的权重值为：

α2=1.04，α3=0.23，α4=0.64.

A={0.468,0.294,0.063,0.175}.

同理可得东风渠流入七里河处其他三个季节评价因子的权重值，如表3所示.

表3 东风渠流入七里河处季节评价因子权重值

1.5 确定隶属度向量，建立模糊关系矩阵

假设隶属度为线性函数，建立一个U到F(V)的模糊映射f:U→F(V)，通过f诱导得出模糊关系矩阵R，本文采用分段线性函数来确定隶属函数[9].

已知东风渠水质分为5个级别，即V=(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ)，ci.水质等级的隶属函数为：

其中，sij是第i个因子第j级的标准值.根据此式可得秋季模糊关系矩阵R秋：

同理可得其他季节的模糊矩阵如下：

1.6 建立模糊综合评价模型

单因子模糊评价法只能反映出单个因子对评价对象的影响.正常情况下，影响评价对象的因子不止一个，所以必须考虑所有因子的影响，即综合评价[10].将模糊关系矩阵与权重集合A复合，记为:B=A∘R, 其中∘为综合评价合成算子.本文取成一般的矩阵乘法为B=A*R=(B1，B2，…Bn).

1.7 水质评价结果及分析

东风渠流入七里河处秋季水质综合评价向量：

同理可得东风渠流入七里河处冬季、春季、夏季的模糊综合评价结果，如表4所示.

表4 模糊综合评价结果

由表4可以看出，在4个季节评价结果中，冬季的评价结果为Ⅰ类，春季的评价结果为Ⅲ类，夏季和秋季的评价结果均为Ⅳ类，水环境质量不容乐观.对4个季节排序，可以看出受污染轻重程度依次为：冬季<春季<夏季<秋季.

通过分析各因子的权重值得知，在影响东风渠水质的四类指标中，DO和COD对水质的影响程度相对较大.这也是导致东风渠水体富营养化的主要污染物.

2 结论

基于郑州市生态环境局发布的东风渠流入七里河处的水质监测数据，运用模糊数学评价方法，建立模糊综合评价模型，对东风渠实测的DO、COD、NH3-N、TP四个指标进行评价与分析.评价结果表明，东风渠水体受污染主要是由DO和COD造成的.同时，按照季节划分法，将选取的数据划分为春、夏、秋、冬四个季节进行评价分析，结果显示，受污染轻重程度依次为：冬季<春季<夏季<秋季.

夏季、秋季是水污染的易发期，应及时对河流中含有的DO、COD等化学因素进行处理.最大限度地减少废水排量，防止工业废水污染；加强净化处理和过滤中和，最大限度地降低废水中DO、COD的浓度.

3 展望

郑州市东风渠的检测位点较多，本文只选择了东风渠流入七里河处水质进行评价研究，不能全面反映东风渠整条河流的水质情况.在今后的研究中可以进一步增加水质样本容量，深入研究确定水质评价指标，以期最终选取的权重能真实、客观地体现各因子的作用，为郑州市生态环境局水环境污染防治提供一定的科学参考.