水质模糊综合评价模型的建立与应用
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江西农业学报2010,22(10):166—169A ct A gr i cul t ur ae J i an gxi基于模糊评价分析的天津市水价模型应用研究柴华奇,宋德强,罗淑娟(西北工业大学管理学院,陕西西安710129)摘要:天津市国民经济一直高速发展,然而我国北方水资源严重短缺,天津尤甚。
天津市水资源的短缺与其社会、经济地位极不相称,严重帝j约着该地区的发展。
本文运用模糊综合评价理论,以天津市城市水价为研究对象,构建了合理的水价评价模型,并对天津市的城市水价进行了计算分析,得出了符合生态环境保护、促进水资源永续利用的合理水价。
关键词:模糊数学;水价;综合评价;水资源;天津中图分类号:T V214文献标识码:A文章编号:1001-8581(2010)10-0166—04我国作为一个发展中的人口大国,水资源量居世界第6位,但人均占有水资源量仅为2260m3。
比世界平均值的1/4还低,已被联合国列为贫水国家之一。
近年来,随着人口的增加和经济的迅猛发展,我国水资源问题表现得尤为突出。
在全国640多座建制城市中,有近400座城市缺水,其中严重缺水的城市有130多个。
水资源分布不均匀,南多北少,年季、年内变化大。
另外我国的水资源的水质情况也不容乐观,存在严重的水污染现象。
以上一系列的原因造成了水资源利用上的资源性短缺。
然而,在水资源短缺的同时,水资源浪费现象也十分严重,这进一步加剧了水资源供需矛盾。
这种现象出现的原因之一就是水价形成机制不合理,价格机制对水资源的优化配置不能有效发挥作用。
合理的水价是促进城市节水和水资源合理配置的关键,在目前我国城市的水资源管理中,水价政策不尽合理,多数地区水价偏低,与节水、治污以及水资源合理调配利用等战略背道而驰,这势必阻碍了水资源的可持续发展。
本文以天津市为例,分析了天津市的水资源现状,引入模糊综合评价法,建立了科学的评价指标,最终构建出合理的水价评价模型,并根据作者调研的数据,得出了天津市符合本文研究理论的合理水价,可为天津市的水资源定价提供理论基础。
基于模糊数学的水环境质量综合评价研究摘要:本文将模糊数学的基本原理引入到湿地水质评价中。
参照《地面水环境质量标准》把水质的污染程度分为5个级别,正确地选择了隶属函数和各参评因子的权重,在此基础上构建了湿地水质模糊综合评判模型,并以扎龙湿地为例进行了实例计算与分析,同时结合以往多年数据,对其水质变迁做出阐释,并对其进行必要推断,进一步对湿地水环境质量的过去、现在和将来发展趋势及其变化规律作以初步探讨。
关键词:水环境质量模糊数学评价水是湿地的血液,滋润着湿地的土壤,哺育着湿地中种类繁多的生物,从而构成一个丰富多彩的湿地生态系统。
因此对湿地的水环境质量进行监测和评价显得尤为重要。
湿地水质评价问题具有以下特征:评判客体在概念上具有模糊性,没有明确的外延;评判主体的思维方法上具有多样性;评判结果在表达上具有口语化的特征。
因此,不能用一个简单的“是”或“否”,“非此即彼”来回答。
对于这种界限(边界)不分明的事物,需要有一种能对事物渐变过程中的不分明性加以描述的数学形式,模糊数学中的模糊综合评判法是处理这类外延边界“模糊不清”问题的最好方法。
本文即用这种方法对扎龙湿地水环境质量进行评价。
1 建立水质模糊综合评判数学模型1.1 确定评价因子和水质分级标准评价因子和水质分级标准以国家规定的《地面水环境质量标准》为依据。
水质共分为5个评价等级,见表1。
各评价因子的标准值也以《地面水环境质量标准》中的分类值为依据。
1.2 隶属函数的确定隶属函数是各单项水质指标模糊评价的依据,各单项指标的评价又是多因素模糊综合评价的基础。
因此确定各因素对各级的隶属函数是问题的关键。
求隶属函数的方法很多,其中有中值法以及按函数分布形态曲线求隶属函数等。
较为成熟的是用降半梯形分布函数确定某种元素的隶属函数。
分别用降半梯形和升半梯形隶属函数求两端等级的隶属度,用对称山型隶属函数求中间等级隶属度。
1.3 建立评判因子的权重矩阵在综合模糊评判中应考虑到各指标高低有所不同,在总的污染中所起的作用亦有所差别。
第22卷第20期2006年10月中国给水排水
CHlNAWATER&WASTEWATERV01.22No.20
0Ct.2006
帚秘零撰鹕零举零祭撰劫蕤环境评价嚣
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水质模糊综合评价模型的建立与应用万金保,侯得印(南昌大学鄱阳湖生态与生物资源利用教育部重点实验室,江西南昌330029)
摘要:根据模糊数学的原理,建立了地表水环境质量模糊综合评价模型,利用该模型对江西省的乐安河进行了水质评价,介绍了模型应用于水质评价中的计算过程,证明该河流的主要污染物为有机物,为污染控制提供了科学依据。关键词:模糊综合评价;水质模型;污染控制
中图分类号:X820.2文献标识码:C文章编号:1000—4602(2006)20—0101—04
EstablishmentandApplicationofFuzzySyntheticEvaluatingModelfor
SurfaceWaterQuality
WANJin—bao.HOU
De—yin
(KeyLab.ofPoyangLakeEcologyandBio—resourceUtilization<Ministryof
Education>,
NanchangUniversity,Nanchang330029,China)
Abstract:Basedontheprincipleoffuzzymathematics,thefuzzysyntheticevaluating
modelfor
surfacewaterqualitywasestablished.ThemodelwasappliedtowaterqualityofLeanRiver,and
thecalculatingprocessofevaluatingwasintroduced.Theresultsshowthatthemaincontaminationofthe
riverisorganicsubstanceandthisprovidesscientificevidenceforcontrollingpollution.
Keywords:fuzzysyntheticevaluation;waterqualitymodel;pollution
control
水环境是人类生存环境中非常重要的一部分,为了保障社会的可持续发展和人类的身体健康,迫切需要对所处的水环境质量作出科学、客观的评价‘1|。实际上,水环境是一种由多介质组成的多元体系,涉及到大量的污染因素和变量,具有高度的随机性、复杂性和综合性。目前,通用的综合污染指数(P值法)和肜值水质评价法都是用确切的数学概念来描述本质上不确切的对象,在一定程度上数学的精确性反而成了短基金项目:江西省科技厅科技攻关项目(20041B0304300)处日、3o;此外,水质的变化是连续的,而水质标准中污染物浓度的表示却是不连续的,人为地用特定的分级标准去评价环境污染程度也是不妥当的吣3。
自1965年美国控制论专家ZadehL.A.提出模糊集合的概念以来,模糊数学得到了前所未有的发展,同时被广泛运用于生产实践中MJJ。笔者根据模糊数学原理建立了模糊综合评价模型,并应用该模型对江西省乐安河进行了水质评价,评价结果与客观实际比较吻合。
·10l· 万方数据第20期中国给水排水第22卷
1模糊综合评价模型的建立1.1建立评价因子集
根据一定的原则,选择若干个水质监测指标作为评价因子,建立因子集。评价因子集中共设置m个评价因子,所选中的评价因子为xi,则建立的评价因子集U满足:U={x。,五,恐,…,x。}。1.2建立评价集《地表水环境质量标准》(GB3838--2002)根据地表水水域功能和保护目标,将地表水水质分成了五类,故确定评价集为:V={I,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,V}。1.3建立模糊关系矩阵尽假设参与水质评价的评价因子有m个,水质评价标准由几个级别组成。由于水质污染程度和水质分级标准都是模糊的,故用隶属度来刻划分级界限比较合理。设r//表示第i种污染物的环境质量数值可以被评价为第歹类环境质量的可能性(即i对J的隶属度,它们的关系即为隶属函数),这样就构成了水质评价因子与水质类别的模糊关系矩阵尽。
R=式中m——代表评价因子数i=1,2,…,mn——代表水体级别即J=1,2,3,4,5隶属度可以通过对隶属函数的计算来确定,隶属函数一般采用降半梯形分布来描述。根据《地表水环境质量标准》(GB3838--2002),对各水质类别的隶属度rii按下式计算:1Ci≤墨
iSj+Ii--Ci勺<ci<々+t(2)0。iSj+1
式中si——评价因子置的第,类水质标准值
Ci——评价因子置的监测值1.4权重向量的计算权重是衡量评价因子集中某一因子对水质污染程度影响相对大小的量,权重系数越大,则该因子对水质的影响程度越大。可以用评价因子贡献率的方法确定权重向量,通过计算超标比来计算权重值。对于一般的偏小型分布指标,如COD、BOD,等,其计算式一般定义为:,i=善(3)式中,i——一个无量纲数,表示某评价因子的实际监测值相对于水质标准超标的倍数Ci——评价因子置的监测值i_一一评价因子xi各类水质标准限值的均值但是对于偏大型分布指标如DO,其计算式应为:,i=羔(4)Ci各项含义同上式。当每个评价指标的超标比都计算完之后,将其进行归一化处理,便能算出每个评价指标的权重:,Wi2袁‘5)由此即得到了权重集:W={加1,训2,…,州。}。1.5建立模糊综合评价模型确定了模糊评价矩阵尽和权重集形后,可以得到如下的模糊综合评价模型:B=W·R。=(叫l,W2,…,W。)rm!k(6)建立了模糊综合评价模型之后可以根据最大隶属度原则,若bj=max(b。,b:,…,b。)则待评价对象的水质级别应该为第J类。2模型应用实例乐安河源于江西与浙江省的交界处,流经婺源、德兴、乐平、万年、波阳等县(市),最后进入鄱阳湖,河道全长279km,流域面积为9616km2,平均径流量为80.6×108m3/a。由于受沿岸工业废水、生活污水等的污染,该河水质不断恶化。江西省政府一直以来对乐安河流域的环境综合治理问题都极为关注,早在1997年就将乐安河列入全省的“四河”整治对象之一。现利用所建立的模糊综合评价模型对乐安河进行水质评价。2.1评价因子集和评价集的建立
根据乐安河及其周边的水环境条件,利用已有的监测数据,选择DO、COD、CODM。BOD5、NH3一N、
·102·
m临;哳‰%;‰ 万方数据第20期万金保,等:水质模糊综合评价模型的建立与应用第22卷Cu、Cr等7项代表性较强的指标作为评价因子,即得到了评价因子集:
U={x。,恐,…,x7}={DO、COD、CODM。BOD。、NH,一N、Cu、Cr}。依据CB3838--2002标准,地表水水质分为5类水体,因此确定评价集为:V={I,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,V}。评价中使用的各指标为地表水环境质量标准的最低限值,如表1所示。表1模糊综合评价中各项指标标准值Tab.1Standardboun,t舡-yvaluesofindicatorsusedinevaluatingmg‘L一
指标IⅡⅢⅣV
D0≥7.56532COD≤1515203040CODM。≤2461015BOD。≤334610NH3一N≤0.15O.51.0i.52.OCu≤0.0l1.01.01.01.OCr≤0.OlO.050.050.05O.1
2.2模糊关系矩阵8的建立研究所用数据是从2003年乐安河枯水期的7个监测断面获得,如表2所示。
表2乐安河枯水期水质评价指标Tab.2EvaluatingindicatorsofLeanRiverinthelow
writermg·L一
监测断面D0CODCODM。BOD。NH,一NCuCr
海口10.7425.264.218.42O.130.000.021
中洲9.7925.684.288.560.14O.28D.02l
香屯9.6627.484.589.160.140.97D.02l
戴村10.8525.84.38.60.35O.393.008
虎山9.927.04.59.00.410.050.008
韩家渡9.2029.14.859.70.450.023.007龙口8.612.62.14.20.040.020.000
按1.3描述的方法确定7个监测断面的模糊关系矩阵,例如监测断面l的模糊关系矩阵为:
R=监测断面2~7的模糊关系矩阵可按同样方法得到,在此不逐一列出。2.3权重值的计算按1.4描述的方法,根据各评价因子的超标比可计算出各个监测断面各评价因子的权重值,进行归一化处理后所得结果如表3所示。表3评价因子权重值归一化结果Tab.3Evaluationfactors’weightsafternormalization断面1断面2断面3断面4断面5断面6断面7指标,lWi,f埘iIil。埘i,iWi,iWi,。WiD00.4380.1040.4800.1030.4870.0850.4330.0920.4750.1040.5110.1060.5470.246COD1.0530.2501.070.2291.1450.1991.0750.2281.1250.2471.2130.25l0.5250.236CODM。0.5690.1350.5780.1240.6190.1070.58l0.1230.6080.1360.6550.1350.2840.127BOD,1.6190.3851.6460.3531.7620.3061.6540.3501.7310.3801.8650.3850.8080.363NH,一N0.1260.030O.1360.0290.1360.0240.3400.0720.3980.0870.4370.0900.0390.018Cu0.ooOO.0000.3490.0751.2090.2lO0.4860.1030.0620.0140.0250.0050.0250.01lCr0.4040.0960.4040.0870.4040.0700.1540.0330.1540.0340.1350.0280.000O.000∑t4.2094.6635.7624.7234.5534.84l2.2282.4水质模糊综合评价将2.2所得的各单因素模糊关系矩阵尽和2.3所得的权重集形代人1.5建立的模糊综合评价模型中进行计算,即可以得到模糊综合评价集B。乐安河各监测断面的模糊综合评价结果如表4所示。对各监测断面进行模糊综合评价的结果表明,海口、中洲、香屯、戴村等4个监测断面的水质都已达到了Ⅳ级,虎山、韩家渡等2个监测断面的水质甚至达到了V级,这说明乐安河的水质已经受到了严重污染,必须采取有效的控制措施。龙口监测断面水质较好,达到了I级,经分析是由于龙口监测断面上游的信江、昌江汇人乐安河,稀释作用产生的效果。在影响乐安河水质的各指标中,通过对权重的计算可以看出BOD,和COD对水质的影响程度相对较大,两者的权重和在各监测断面中均超过了·103·000∞OO0O65勉∞000045劬兰ooo0055O0眇00O"0052100O1170