基于模糊綜合評價(jià)法的大伙房水庫上游水質(zhì)評價(jià)及預測

來(lái)源：http://thesierramadre.com/ 作者：余氯檢測儀 時(shí)間：2019-08-01

　　摘要：運用模糊綜合評價(jià)法及層次分析法對遼寧省渾河大伙房水庫上游北雜木、古樓及臺溝斷面豐、枯水期的水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)，同時(shí)將水質(zhì)評價(jià)結果(水質(zhì)模糊綜合評價(jià)指數)與對應上游來(lái)水量進(jìn)行相關(guān)性分析，建立來(lái)水量與水質(zhì)模糊綜合評價(jià)指數的非線(xiàn)性回歸模型，并利用該模型進(jìn)行水質(zhì)預測。結果表明：非線(xiàn)性回歸模型具有較高的擬合效果，應用該模型可以對上游各來(lái)水斷面的水質(zhì)類(lèi)別進(jìn)行預測。

　　關(guān)鍵詞：水質(zhì)評價(jià);水質(zhì)預測;模糊綜合評價(jià)法;層次分析法;非線(xiàn)性回歸模型;大伙房水庫上游;水質(zhì)模糊綜合評價(jià)指數

　　大伙房水庫輸水工程是解決遼寧省中部沈陽(yáng)、鞍山、撫順、營(yíng)口、遼陽(yáng)、盤(pán)錦及南部大連七城市水資源短缺問(wèn)題的主要供水水源地。大伙房水庫水質(zhì)級別直接影響遼寧各大城市居民飲用水安全，所以對近年來(lái)大伙房水庫入庫水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)及預測水質(zhì)顯得十分必要。

　　水體本身是一個(gè)多元的復雜體系，影響水質(zhì)評價(jià)的物理、化學(xué)及生物因素具有不確定性和模糊性，常用的評價(jià)方法可概括為單因子指數評價(jià)法和綜合評價(jià)法兩大類(lèi)，其中綜合評價(jià)法又包括模糊綜合評價(jià)法、模糊模式識別法、灰色系統綜合評價(jià)法、灰關(guān)聯(lián)分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法、主成分分析法、綜合水質(zhì)標識指數法及標準類(lèi)別指數評價(jià)法[1-9]。水質(zhì)預測模型大致可概括為數理統計預測方法、灰色系統預測法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型預測法、水質(zhì)模擬模型預測法及混沌理論預測法等[10-14]。

　　本文運用模糊綜合評價(jià)法及層次分析法對大伙房水庫上游水質(zhì)進(jìn)行綜合評價(jià)，建立來(lái)水量與水質(zhì)模糊綜合評價(jià)指數的非線(xiàn)性回歸模型，可用于突發(fā)洪水影響下的水質(zhì)預測，進(jìn)行水質(zhì)污染預警。

　　1模糊綜合評價(jià)法

　　模糊綜合評價(jià)法的基本思路是：首先運用隸屬函數對各單項污染因子分別進(jìn)行評價(jià)，其集合構成一個(gè)模糊矩陣R;再考慮各單項污染因子對水質(zhì)影響的程度大小給予不同的權重W總，進(jìn)而構成一個(gè)權重集;最后通過(guò)復合運算，得出水質(zhì)模糊綜合評價(jià)指數FCL，藉此判別水質(zhì)級別。

　　1.1單因子隸屬度函數

　　表征水體質(zhì)量的各項因子的監測值可構成一個(gè)因子集{xi}，而根據不同用途和特征劃分的水質(zhì)級別標準又構成一個(gè)標準集{Sij}。

　　對于第1級水質(zhì)，隸屬度函數為

　　yi1=1xi≤Si1

　　xi-Si2Si1-Si2Si1

　　0xi≥Si2(1)

　　式中：i為第i種因子，(i=1，2，…，n);xi為第i種因子的實(shí)測濃度;Si1為第1級水質(zhì)標準中規定的第i種因子標準濃度值;Si2為第2級水質(zhì)標準中規定的第i種因子的標準濃度值。

　　對于第2級至(m-1)級水質(zhì)，其隸屬度函數為

　　yij=1xi≤Sij 　　xi-Si，(j-1)Sij-Si，(j-1)Si，(j-1)

　　xi-Si，(j+1)Sij-Si，(j+1)Sij

　　0xi≥Si，(j+1)或xi≤Si，(j-1)

　　j=2，3，…，(m-1)(2)

　　對于第末級m水質(zhì)，隸屬度函數為

　　yim=1x≥Sim

　　xi-Si(m-1)Sim-Si(m-1)Si(m-1)

　　0xi≤Si(m-1)(3)

　　式中：xi為第i種因子實(shí)測值;Sim為第i種因子的第m級評價(jià)標準。

　　1.2模糊矩陣的建立

　　利用以上隸屬函數，按照水質(zhì)分級標準，可以計算出各項因子分別對各級水質(zhì)指標的隸屬度，從而構成模糊矩陣R如下：

　　R=(yij)n×m=y11…y1m

　　yn1…ynm(4)

　　1.3確定權重

　　權重是基于污染物對水質(zhì)影響的大小來(lái)確定的，準確地計算各污染指標權重是評價(jià)水質(zhì)的重點(diǎn)。運用層次分析法確定權重可有效避免主觀(guān)臆斷。

　　(1)建立層次結構模型。將模型構成劃分為目標層A、準則層B和方案層C三個(gè)層次。

　　(2)構造判斷矩陣。通過(guò)對準則層相互比較，確定各準則對于目標的標度值，即構造目標層判斷矩陣A-B;對方案層相互比較，確定各方案對于準則層的標度值，即構造準則層判斷矩陣B-C。在層次分析法中，引進(jìn)矩陣判斷標度(1至9標度法)。

　　(3)層次單排序。根據矩陣理論計算得出同一層次各因素對于上一層次對應因素的相對重要性權重值W，它是本層次中所有元素對上一層次而言進(jìn)行重要性排序的基礎。層次單排序可歸結為求判斷矩陣的特征值和特征向量問(wèn)題。即對于判斷矩陣A，計算滿(mǎn)足：AW=λmaxW的特征根與特征向量。

　　求出矩陣的最大特征值后，還必須進(jìn)行矩陣一致性檢驗。評價(jià)判斷矩陣的一致性檢驗指標為CI=λmax-nn-1(n為判斷矩陣的階數)，將CI與平均一致性指標RI進(jìn)行比較，即CR=CIRI，當CR<0.1時(shí)，認為判斷矩陣滿(mǎn)足一致性，否則就要對判斷矩陣進(jìn)行調整。1至10階矩陣的RI值見(jiàn)表1。

　　(4)層次總排序。層次總排序是計算同一層次所有因素對于最高層相對重要性數值，這一過(guò)程是從最高層向最低層逐層進(jìn)行的。采用層次分析法確定權重W總(表2)。

　　1.4模糊綜合評價(jià)

　　將權重向量W總和模糊矩陣R合成，得到模糊綜合評價(jià)結果矩陣：

　　B=W總?R(5)

　　構造水質(zhì)標準類(lèi)別矩陣S=[1，2，3，4，5]，則計算模糊綜合評價(jià)指數為

　　FCL=B?S(6)

　　2基于模糊綜合評價(jià)法的渾河大伙房水庫上

　　游段水質(zhì)評價(jià)

　　針對渾河上游北雜木、蘇子河古樓和社河臺溝3個(gè)斷面，選取7種實(shí)測污染因子作為水質(zhì)評價(jià)集，即評價(jià)集U={溶解氧，氨氮，高錳酸鹽指數，BOD5，總氮，總磷，糞大腸菌群}。以《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)評價(jià)標準為依據建立評價(jià)標準集V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}，采用基于層次分析法的模糊綜合評價(jià)法進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)。

　　2.1建立模糊矩陣

　　應用式(1)-式(4)計算得到各斷面的模糊矩陣。以2011年為例，北雜木、古樓和臺溝斷面模糊矩陣R分別為

　　2.2評價(jià)指標的權重

　　根據層次分析法將單排序分為A、B、C三個(gè)層次(表3)。

　　采用層次分析法確定污染因子權重，計算結果見(jiàn)表4。

　　總排序一致性檢驗：CI=∑3i=1bi(CI)i=0.0004，CR=0.000 3<0.1，即總排序滿(mǎn)足一致性。

　　因素集U={溶解氧，氨氮，高錳酸鹽指數，BOD5，總氮，總磷，糞大腸菌群}的權重集W總={0.035，0.217，0.088，0.111，0.011，0.230，0.308}。

　　2.3模糊綜合評價(jià)

　　采用2004年-2012年水質(zhì)監測數據，運用模糊綜合評價(jià)法計算渾河大伙房水庫上游北雜木、古樓及臺溝斷面全年及豐、枯水期的水質(zhì)模糊綜合評價(jià)指數FCL及水質(zhì)級別，結果見(jiàn)表5。

　　由表5可見(jiàn)，北雜木斷面全年水質(zhì)類(lèi)別均為Ⅱ類(lèi)，豐水期水質(zhì)類(lèi)別除2011年為Ⅰ類(lèi)以外其他年份均為Ⅱ類(lèi)，枯水期水質(zhì)類(lèi)別除2012年為Ⅲ類(lèi)以外其他年份均為Ⅱ類(lèi)，進(jìn)一步分析發(fā)現該斷面當年枯水期總磷污染平均濃度為0.28 mg/L，超過(guò)國家地表水Ⅲ類(lèi)水質(zhì)評價(jià)標準80%。古樓斷面全年水質(zhì)類(lèi)別均在Ⅱ類(lèi)水質(zhì)以上，自2008年起水質(zhì)類(lèi)別上升為Ⅰ類(lèi)(2010年除外)，水質(zhì)發(fā)展趨勢良好，進(jìn)一步分析發(fā)現該斷面2010年豐水期時(shí)氨氮污染濃度為0.71 mg/L，超過(guò)國家地表水Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標準42%;高錳酸鹽指數污染濃度為5.65 mg/L，超過(guò)國家地表水Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標準41.25%;總氮污染濃度為3.03 mg/L，超過(guò)國家地表水Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標準51.5%，且這三種污染均大于古樓斷面歷年監測濃度。臺溝斷面全年水質(zhì)類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，2008年轉為Ⅰ類(lèi)，水質(zhì)總體趨勢良好，豐水期在2009年由Ⅱ類(lèi)轉為Ⅰ類(lèi)，枯水期水質(zhì)類(lèi)別均為Ⅱ類(lèi)。

　　3水質(zhì)模糊評價(jià)指數預測

　　本文通過(guò)建立來(lái)水量與水質(zhì)模糊綜合評價(jià)指數的非線(xiàn)性回歸模型，對水質(zhì)模糊綜合評價(jià)指數進(jìn)行預測。

　　3.1渾河大伙房水庫上游段豐、枯水期劃分

　　根據渾河大伙房水庫上游段2004年-2012年實(shí)測來(lái)水量，計算豐、枯水期多年平均月入庫水量(圖1)。由圖1可見(jiàn)，大伙房水庫上游豐水期為4月-9月，期間入庫水量大于50 m3/s;枯水期為12月-2月，期間入庫水量小于15 m3/s;平水期為3月、10月及11月，期間入庫水量大于20 m3/s且小于30 m3/s[15]。 　　3.2非線(xiàn)性預測模型的建立

　　利用豐水期、枯水期日平均來(lái)水量與水質(zhì)模糊綜合評價(jià)指數計算值，建立二者的非線(xiàn)性回歸模型(表6)。

　　3.3非線(xiàn)性預測模型回歸分析

　　應用SPSS軟件對表6各非線(xiàn)性預測模型進(jìn)行回歸分析及非線(xiàn)性相關(guān)分析，結果見(jiàn)表6、表7?？梢?jiàn)，除豐水期臺溝斷面回歸模型的R2為0.0817外，其他各時(shí)期各斷面R2均呈現較顯著(zhù)回歸水平，說(shuō)明除豐水期臺溝斷面外各時(shí)期各斷面非線(xiàn)性回歸方程與評價(jià)離散值擬合度較高。從表7可見(jiàn)，來(lái)水量與古樓斷面豐、枯水期水質(zhì)模糊綜合評價(jià)指數均呈顯著(zhù)正相關(guān)(分別為p=0.807，p=0.762)，與北雜木豐、枯水期及臺溝斷面枯水期水質(zhì)模糊綜合評價(jià)指數均呈正相關(guān)(分別為p=0.253，p=0.577，p=0.62)，與臺溝斷面豐水期水質(zhì)模糊綜合評價(jià)指數呈負相關(guān)(p=-0.197)，負相關(guān)的結果是由于評價(jià)指數值與擬合曲線(xiàn)差值較大造成的，并不影響對臺溝斷面豐水期水質(zhì)評價(jià)指數進(jìn)行預測。

　　3.4水質(zhì)預測

　　應用非線(xiàn)性預測模型對各斷面豐水期、枯水期水質(zhì)模糊綜合評價(jià)指數進(jìn)行預測，從結果(表8、表9)可見(jiàn)，預測值與計算值差值百分比均在20%以?xún)萚16]，兩者比較吻合。北雜木斷面、古樓斷面、臺溝斷面豐水期預測指數分別為1.76、1.67、1.66，水質(zhì)評價(jià)等級均為Ⅱ類(lèi);枯水期預測指數分別為3.32、1.59、2.5，水質(zhì)評價(jià)等級分別為Ⅲ、Ⅱ、Ⅲ類(lèi)。

　　4結論

　　(1)北雜木、古樓、臺溝斷面全年水質(zhì)類(lèi)別均在Ⅱ類(lèi)以上，豐水期各斷面水質(zhì)類(lèi)別均在Ⅱ類(lèi)以上，枯水期除2012年北雜木斷面水質(zhì)類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)以外，其他各斷面各年均在Ⅱ類(lèi)以上。

　　(2)通過(guò)建立來(lái)水量與水質(zhì)模糊綜合評價(jià)指數的非線(xiàn)性回歸方程，發(fā)現除臺溝斷面豐水期水質(zhì)模糊綜合評價(jià)指數與來(lái)水量相關(guān)性較差以外，其他各斷面各時(shí)期均呈正相關(guān)。

　　(3)北雜木、古樓、臺溝斷面豐水期水質(zhì)預測評價(jià)等級均為Ⅱ類(lèi);枯水期水質(zhì)預測評價(jià)等級分別為Ⅲ、Ⅱ、Ⅲ類(lèi)。

　　需要指出的是，應用本文的模糊綜合評價(jià)法進(jìn)行水質(zhì)預測時(shí)，數據系列越長(cháng)回歸系數R2越接近于1，預測結果越精確。

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