基于模糊综合－聚类评价模型的烟台市区排污混合区范围论证

桑恒春，孙英兰

（中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100）

基于模糊综合－聚类评价模型的烟台市区排污混合区范围论证

桑恒春，孙英兰

（中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100）

基于烟台市区排污混合区2009年2月的海水水质监测资料，应用模糊综合—聚类评价模型对混合区的水质现状进行综合评价，并利用克里格插值法对水质进行平面空间分析，进而论证混合区范围划定的合理性。该模型克服了单独应用模糊综合评价或模糊聚类分析进行水质评价的不足，结合了两者的优点。结果表明：混合区中部水质为四类或劣四类，边缘水质为二类或三类，西北部水质优于东南部。混合区相邻海域水质已达到相应的海域功能要求，可见该混合区范围的划定是合理的。

模糊综合—聚类评价；海水水质；排污混合区；烟台

海水在风、波浪、潮汐和潮流的耦合作用下，对流和湍扩散效应强烈，污染物随海水的运动迁移变化过程非常复杂，水质变化具有连续、渐变和模糊的特性。海水的污染程度、水质分级界限是客观存在的模糊现象和模糊概念，因此应用模糊数学方法进行水质评价是合理的。目前常用于水质评价的模糊数学方法有模糊综合评价法、模糊聚类分析等。但模糊综合评价按最大隶属度原则进行评价，对隶属度相差不大的等级只取最大等级；模糊聚类分析是对各站位进行归类，水质等级较难判断。这就降低了两种方法的实用性。本文应用模糊综合—聚类评价模型[1,2]，前半部根据各评价因子对各站位水质进行模糊综合评价，后半部结合模糊聚类分析对各站位进行归类，最后确定水质等级和归类，综合了两种方法的优点，提高了水质评价的置信度。

污水自扩散器连续排出，各个瞬时造成附近水域污染物浓度超过该水域水质目标限值的平面范围的叠加称为混合区[3]。合理评价混合区水质并划定范围，对计算所在海域环境容量具有重要意义。目前已有一些评价混合区水质和范围的报道[4,5]，而应用模糊综合—聚类评价模型对混合区水质进行综合评价，进而论证混合区范围的报道还较少见。本文应用该模型对水质进行综合评价，根据评价结果，论证了烟台市区排污混合区范围划定的合理性。

1 材料来源

烟台市区排污混合区位于烟台市芝罘岛北侧中西部海域，面积约410 hm2，芝罘岛北岸坡度陡峭，北侧海域水深较大，海面开阔，潮流流速大，水交换活跃，利于污染物扩散，且不是主航道，也不是主要养殖区，被烟台市政府批准为排他性使用水域和污水排放混合区，套子湾污水厂等处理的污水在此深海排放。本文依据烟台市城市排水监测站2009年2月在该混合区及附近海域的监测资料，各站位监测数据为高潮时表、中、底层水质的平均数据。根据《海洋监测规范》（GB17378.4-2007），共布设13个站位，分布于混合区中部、边缘和外部，具体站位见图1。并按该规范对样品进行采集、处理、保存和分析测定。选取评价因子：DO、SS、C ODMn、无机氮、活性磷酸盐、石油类、铜和锌等8项。各站位水质监测结果见表1。

图1 混合区位置及监测站位Fig. 1 Location of mixing zone and distribution of sampling stations

表1 2009年2月的水质监测结果（ mg⋅ L-1）Tab. 1 Monitoring results of water quality in February 2009（ mg⋅ L-1）

2 模型的建立

模糊综合—聚类评价模型由模糊综合评价子模型和模糊聚类分析子模型构成，应用两个子模型的评价结果进行综合分析，确定水质的最优评价结果，从而论证混合区范围划定的合理性。

2.1 模糊综合评价子模型的建立[6]

属于第一类水质的隶属度函数为：

式中： 为隶属度；c为污染因子监测值； 为海水水质标准值；i为某评价因子；下标 j−1、 j、 j+1为对应海水标准等级， j=2，3。构造DO的隶属度函数时上式要做相应变化。根据各评价因子对各类水质的隶属度，构造隶属度矩阵R。

2.2 模糊聚类分析子模型的建立[9]

用水体饱和DO浓度减去各站位DO监测值，使DO与其它污染因子具有一致性。海水中饱和DO浓度按UNESCO值进行查表取得[10]，温度取2月的平均水温3℃，盐度取30，再将所查的饱和DO浓度乘以氧气分子量32，使与DO监测数据单位一致。

3 结果与讨论

3.1 水质现状综合评价与归类

基于水质监测资料，根据模糊综合—聚类评价模型进行评价：应用“隶属度加权型”模糊综合评价子模型进行计算，权重及隶属度见表2（以1和6站位为例）。各站位模糊综合评价结果见表3；应用模糊聚类分析子模型对各站位进行归类，生成动态聚类图，见图2。模糊综合评价是根据最大隶属度确定水质等级，根据模糊综合评价的综合值w值大小确定水质优劣排序；模糊聚类分析排序则是越先聚为一类的站位，其水质越接近。将两种方法相结合，对计算结果进行综合分析，选择合理的置信水平 λ=0.773，将各站位水质分为五类，见表4。由表3、4和图2可看到：13、12、1、2站位水质为一类且优劣顺序为13＞12＞1＞2；10站位水质为二类；11、9、3、4、5、6站位水质为三类且优劣顺序为11＞9＞3＞4＞5＞6；7站位水质为四类；8站位为劣四类水质。

表2 权重和隶属度（以1和6号站位为例）Tab. 2 Weight coefficients and subordinating degree of sampling stations 1 and 6 (for example)

表3 水质模糊综合评价结果Tab. 3 Results of fuzzy comprehensive evaluation on water quality

表4 各站位的水质等级Tab. 4 Sea water quality grade of sampling stations

3.2 水质等级的空间分布

在绘图软件surfer8.0中应用克里格插值法，根据表3的w值，对水质变化进行线性无偏分析和最佳估值[11]，揭示水质的空间变化分布规律，生成水质等值线图，见图3。

由表3和图3可看出：混合区西北部水质优于东南部。这是因为芝罘岛北侧海域的潮流为往复流，落潮流由西北流向东南，涨潮流向正好相反，落潮流速明显大于涨潮流速，导致污染物更易往东南方向扩散输运所致。

图2 各站位动态聚类图Fig. 2 Dynamic clustering figure of sampling stations

图3 水质等级空间分布 Fig. 3 Distributing grade of sea water quality

4 结 论

由表2中6站位可看出（6站位代表混合区内站位）：无机氮权重最大，其次是活性磷酸盐，它们是芝罘岛北侧海域的主要污染物，超标严重。套子湾污水处理厂应大幅度提高脱氮除磷能力。

应用模糊综合—聚类评价模型进行水质现状评价，将模糊综合评价和模糊聚类分析的优点结合起来，结果表明：各站位水质优劣顺序为 13＞12＞1＞2＞10＞11＞9＞3＞4＞5＞6＞7＞8，混合区中部（污水扩散器周围很小的范围）水质为四类或劣四类，边缘水质已达到三类甚至二类水质标准，外部水质为一类，西北部水质优于东南部，可见排污影响主要集中在混合区内。芝罘岛北侧海域海阔水深，潮流流速大，水交换活跃，利于污染物扩散，混合区位置的确定是合理的。根据《山东省近岸海域环境功能区划》，烟台市区排污混合区相邻海域为二类和三类环境功能区。混合区边缘水质已达到相邻海域的环境功能要求，可见混合区范围的划定从环境和规划角度看是合理的。

[1] 罗定贵, 王学军, 后立胜. 模糊综合评价—聚类复合模型在地下水质评价与分区中的应用 [J]. 地理与地理信息科学, 2003, 19(6)： 77-80.

[2] 付延玲, 骆祖江, 王增辉. 用聚类分析—模糊综合评判评价地质环境质量 [J]. 煤田地质与勘探, 1999, 27(6)： 47-50.

[3] GB18486-2001, 污水海洋处置工程污染控制标准 [S].

[4] 贾怡然, 孙英兰, 孙长青. 烟台市辛安河污水处理厂排污混合区范围论证 [J]. 海洋湖沼通报, 2007, (S1)： 131-136.

[5] 吴航, 王泽良, 黄剑等. 深圳市政污水排海工程排污混合区范围的确定 [J]. 环境监测管理与技术, 2002, 14(6)： 37-40.

[6] 宋新山, 邓伟. 环境数学模型 [M]. 北京： 科学出版社, 2004： 262-268.

[7] 张龙江. 水质评价的模糊综合评判—加权平均复合模型应用 [J]. 环境工程, 2001, 19(6)： 53-55.

[8] 柳娟, 张红科, 覃秋荣. 2006年夏季广西合浦海草示范区海水水质模糊综合评价 [J]. 海洋环境科学, 2008, 27(4)： 335-337.

[9] 谢季坚, 刘承平. 模糊数学方法及其应用 [M]. 武汉： 华中科技大学出版社, 2006： 64-68.

[10] GB12763.4-91, 海洋调查规范——海水化学要素观测 [S].

[11] 谭继强, 丁明柱. 空间数据差值方法的评价 [J]. 测绘与空间地理信息, 2004, 27(4)： 10-13.

Range verification based on the model of fuzzy comprehensive-cluster evaluation in pollution mixing zone located in Yantai city

SANG Heng-chun, SUN Ying-Lan
(College of Environmental Science & Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Based on the investigation data of pollution mixing zone located in Yantai city in February 2009, the model of fuzzy comprehensive-cluster evaluation is used to evaluate the present sea water quality, and the distribution for the water quality is analyzed by Kriging interpolation, then the rational range of mixing zone is proved. This model overcomes the deficiency which the fuzzy comprehensive evaluation or fuzzy cluster analysis is used solely for water quality evaluation, and combines their advantages. The results show that the center quality is the fourth or inferior fourth level, the edge quality is the second or third level, and the northwest quality is better than the southeast of the mixing zone. The water quality of adjacent mixing zone has come up to corresponding marine area functional demands,so the range of this mixing zone is rational.

fuzzy comprehensive-cluster evaluation; sea water quality; pollution mixing zone; Yantai

X192

A

1001-6932(2010)02-0219-06

2009-06-25；

2009-09-17

国家自然科学基金 ( 40742011 )

桑恒春 (1984－)，男，山东潍坊人，硕士研究生，从事海洋环境动力学和海洋环境影响评价研究，电子邮箱：hengchunsang@126.com