基于模糊综合评价的水环境质量评价

基于模糊综合评价的水环境质量评价1——以中国矿业大学南湖校区人工湖为例宋晓猛中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州（221008）E-mail：wenqingsxm@摘要：本文旨在定量分析中国矿业大学南湖校区人工湖水环境质量现状和存在的问题，根据国家景观娱乐用水水质标准（GB12941-91），运用模糊综合评判的方法进行人工湖的水环境质量评价，结果显示学校景观用水的水质较差，仅符合景观水质标准中的III类水质，并结合实际情况提出了相关建议与优化方案：即运用水体生物-生态修复技术建立生态人工湖。

关键词：模糊综合评价；水环境质量评价；人工湖；中国矿业大学中图分类号：X8241. 引言水环境质量包括水质、水生生物和底质三部分的质量。

水质现状评价是水环境质量评价的一个方面,是以水环境监测资料为基础，按照一定的评价标准和评价方法，对水质要素进行定性评价或定量评价，以准确反映水质现状，了解和掌握水体污染影响程度和发展趋势，为水环境保护和水资源规划管理提供科学依据，是计算水环境容量和对水资源系统进行规划的基础, 有其独特的重要性。

水环境质量评价结果的可靠程度一方面取决于监测数据的准确性,另一方面依赖于科学的评价方法,包括技术的选择。

近年来,对水环境质量评价方法的研究相当活跃,各种方法的研究都是为了更客观、更准确地反映水体水质的实际情况。

单就其评价方法而言,水环境质量评价可分为单项评价和多项综合评价,单项评价一般根据国家标准或本底值采用超标指数法,评价其超标程度,做起来相对容易;综合评价则要考虑水体中所有污染物的综合作用,确定水质的综合级别。

综合评价方法[1-3]有模糊评价法，灰色评价法，物元分析法，人工神经网络(ANNs) 评价法等，本文采用模糊综合评价法对中国矿业大学的人工湖的水质进行综合评价。

2. 南湖校区概述中国矿业大学南湖校区于2004年9月开始正式使用，南湖校区远期规划在校生人数为25000人，校区内总人数约为30000人。

南湖校区占地2858亩，校舍建筑面积47.01万平方米。

南湖校区总规划建筑面积约84万平方米，主体工程将于2005年底完工。

根据校区规模设计污水处理量为8000m3/d，该校区分期建设，第一期污水处理量约为2000m3/d，第二期约达4000m3/d，第三期约达6000m3/d，第四期达到8000m3/d。

校园生活污水主要来源于学生生活区、教学区、行政办公楼、食堂、及医院排水。

该校区生活污水全部进入污水处理站。

按地形将校区分成东区、西区两路进水。

完工后东区污水进入1#污水加压泵房，水量预计2000m3/d；西区污水进入2#泵房，水量预计4600m3/d。

经处理合格排放的中水回用水量（含绿化用水，校区内水体需要的补充水量，冲厕所需要的水量，观光用水量）大约6700m3/d，其他水量排入校园人工湖。

中国矿业大学南湖校区人工湖——镜湖作为南湖校区目前唯一的1.本课题得到中国矿业大学2007年大学生科研训练计划项目（项目编号070513）的资助，为《中国矿业大学南湖校区水环境评价》部分成果。

景观区，应该同学们休息娱乐的好地方，可是由于存在许多不合理的地方，致使湖水水质很差，达不到相关的景观娱乐用水标准，失去了原有景观用水的意义。

3. 模糊综合评价方法和步骤模糊综合评价是通过构造等级模糊子集把反映被评事物的模糊指标进行量化(即确定隶属度) ,然后利用模糊变换原理对各指标综合, 一般需要如下步骤[4-7]:(1) 确定因素集 u = { u1 , u2 , un} 即评价指标集合。

(2) 确定评价集v = { v1 , v2 , vm } ,即等级集合,每一个等级可对应一个模糊子集。

(3) 进行单因素评价,建立模糊关系矩阵R在构造了等级模糊子集后,要逐个对被评事物从每个因素ui ( i = 1 ,2 , n) 上进行量化,即确定从单因素来看被评事物对各等级模糊子集的隶属度R ,进而得到模糊关系矩阵:(4) 确定评价因素的模糊权向量A = ( a 1 , a 2 , , an )在模糊综合评价中,权向量A 中的元素ai 本质上是因素ui 对模糊子集{对被评事物重要的因素}的隶属度,因而一般用模糊方法来确定,并且在合成之前要归一化。

即:1n 1=∑=i i a ai ≥0 i = 1 ,2 , , n(5) 利用合适的算子将A 与各被评事物的R 进行合成得到各被评事物的模糊综合评价结果向量B ,即:其中bj 是由A 与R 的第j 列运算得到的,它表示被评事物从整体上看对vj 等级模糊子集的隶属程度。

由B 向量结果评判评价结果。

4. 应用实例下面运用模糊综合评价方法进行中国矿业大学南湖校区人工湖的水环境质量评价，首先确定评价指标，评价指标是根据景观娱乐用水水质标准（GB12941-91）以及主要影响此人工湖的水质指标而设置的。

共设置个指标：①溶解氧（DO ）x 1；②生物需氧量（BOD 5）x 2；③高锰酸盐指数x 3；④总铁x 4；⑤氨氮x 5；⑥总磷x 6；⑦挥发酚x 7。

各评价指标的量化值所在的区间不完全相同，有的评价指标是以数值小为最优（x 2－x 7），有的则相反（x 1）。

设评判对象集为：Ｙ＝｛Ｙｉ，ｉ＝１，２｝，Ｙｉ表示第ｉ个采样点；设评判指标集为：Ｕ＝｛x1,x2,x3,x4,x5,x6，x7｝；x j表示第j种水质评价指标，详见表1。

按照景观娱乐用水水质标准可以把水质分为{I，II，III} 3个评价集。

表1 各采样点的评价指标值/（mg/l）Fig.1 the evaluation index value of the sampling points /（mg/l）采样点X1 X1 X1X1X1 X1X12 8.7 30 41 0.93 0.27 1.4 0.5表2 景观娱乐用水水质标准/（mg/l）Fig.2 the landscape recreational water quality standards /(mg/l)指标I类II类III类DO 5 4 3BOD5 4 4 8高锰酸盐指数 6 6 10总铁0.3 0.5 1.0氨氮0.5 0.5 0.5总磷0.02 0.02 0.05挥发酚 0.005 0.01 0.1建立模糊关系矩阵R，由于水质污染程度和水质分级标准都是模糊的，所以用隶属度来刻画分级界限较合理。

进评价指标DO是以数值大为最优，其余各项指标则以数值小为最优。

则DO采用偏大型分布，其隶属函数设计如下：1 x≥5u1（x）= x-4 4<x<50 x≤40 x≥5, x≤3u2（x）= x-4 4<x<5x-3 3<x≤40 x≥4u3（x）= x-3 3<x<41 x≤3其余个评价指标采用偏小型分布，同样得到各评价指标3级标准的隶属函数。

在获得各评价指标对各级标准的隶属函数基础上，可以建立单因素评价的模糊关系矩阵R。

以采样点1为例，得到其模糊关系矩阵R为：⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎝⎛=1,0,01,0,00,0,10,1,01,0,01,0,00,0,1R同样可以得到采样点2的模糊关系矩阵R 同上。

根据污染物对水质的污染大权重应大和污染小权重应小的原则，决定各指标权重的大小，其计算式为：对DO 等越大越优型影响因素：a i ’= b i /c i ；对于BOD 等越小越优型：a i ’= c i /s i 。

式中a i ’ 、c i 、b i 、s i 分别为第i 种评价指标的权重，实测浓度值，多极浓度标准的最小值和最大值。

为了进行模糊复合运算，各单因素权重必须归一化处理，即a i = a i ’/∑a i ’。

运用上述方法确定采样点1的权重系数集A 为：[0.045，0.067，0.064，0.013，0.005，0.678，0.128]，对于采样点2的的权重系数集A 为：[0.073，0.086，0.103，0.023，0.014，0.702，0.125]。

再利用加权平均模糊合成算子将A 和R 合成得到模糊综合评价结果向量B 。

计算公式为：),1min()*( bj 11r a r a ij pi i p i ij i ∑∑==== j=1,2,…,m式中b j , a i , 式中r ij 分别为隶属于第j 等级的隶属度、第i 个评价指标的权重和第i 个评价指标隶属于第j 等级的隶属度。

以采样点1为例，得到模糊综合评价结果向量B=A*R 同样得到采样点2的模糊综合评价结果向量见表3。

表3 模糊综合评价结果向量B 和评价结果表Fig.3 the B-vector fuzzy comprehensive evaluation results and evaluation results采样点 B 1 B 2 B 3 评价结果采样点1 0.05 0.013 0.937 III 类采样点2 0.087 0.023 0.89 III 类从上述的计算结果来看，人工湖的水质情况已经处于边缘地带，若不加以控制，其恶化趋势可能会越来越严重，水质也会越来越差。

5. 结论与建议从上述结果得知，人工湖的出水口水质还达不到要求，对于云龙湖风景区的水质存在影响，但是由于学校人工湖的水量较少，目前来看，其影响表现的并不明显，如果现在不加以控制，随着时间的延续，对于云龙湖风景区水质的影响是不可小嘘的；另外，学校人工湖的水质富营养化已经逐渐开始显现，且呈现逐步恶化的趋势，随着学校整体搬迁至此，学校规模逐渐扩大和人口数量逐年增加，最终将导致排放至人工湖的生活污水量增加，其氮磷含量可能会超出人工湖现有的自净能力，而使人工湖水质极度富营养化。

俗话说的好：“七分预防，三分治疗”，这个道理在景观水中同样适用。

如果设计合理并能控制住污染源，这将大大降低治理的难度及成本。

对于控制污染源，我们有如下建议：（1）选择好的水源，如果水源的水质不能达标，则应对水源进行适当的处理后，方可引入人工湖内；（2）如有条件，可在湖泊边设计排水沟，以防止绿化污水流入人工湖；（3）定期打捞漂浮在人工湖上的树叶、枯草等杂物，以防止它们向水中释放营养物质；并要加强管理，以防止各种清洁污水流入人工湖；（4）对于景观人工湖，应加强对湖周边污水的管理及监督，防止生活污水直接排入人工湖中。

不过上述几点虽说可以治理了人工湖水质恶化问题，但不是最好的方法，为此我们提出运用生态学的原理建立生态人工湖的新思路。

采用水体生物-生态修复技术实质上是按照仿生学的理论对于自然界恢复能力与自净能力的强化。

可以说按照自然界自身规律去恢复自然界的本来面貌；强化自然界自身的自净能力去治理被污染水体，这是人与自然和谐相处的可持续发展的治污思路，也是一条创新的技术路线。