模糊综合评价法在地表水环境质量评价中的应用——以西安市曲江池水环境为例

张彦波

(西安石油大学 经济管理学院，陕西 西安 710065)



模糊综合评价法在地表水环境质量评价中的应用
——以西安市曲江池水环境为例

张彦波

(西安石油大学 经济管理学院，陕西 西安 710065)

水对于人类生活和社会经济的发展有着不可或缺的作用。在传统模糊综合评价法的基础上引入加权海明距离法，构成新的水质评价模型，并将新的水质评价模型应用到西安曲江池水环境质量评价中，结果表明：西安曲江池水污染较为严重，属Ⅳ类水质，其主要原因是氮量和生化需氧量过高。由此提出了治理水污染问题的一些措施，以改善其水质状况。

地表水环境；模糊综合评价法；加权海明距离法；质量评价

0　引　言

水是生命之源，也是城市发展的战略资源。但近年来伴随着我国经济的发展，人们对水资源的严重浪费以及污水废料的过度排放，使我国大部分江河湖泊遭到了不同程度的侵蚀或污染，尤其是伴随着我国城镇化的不断扩展，水资源短缺和水污染严重的问题日益突出，这不仅使我国人民的生存环境恶化，而且使我国经济的可持续发展受到了一定的遏制，可以说，保护水资源已经成为迫在眉睫的大事。西安作为西北地区的首要城市，目前同样面临着如何解决水资源短缺和水污染严重的问题，尤其是在国家主席习近平提出共建“丝绸之路经济带”和“21世纪海上丝绸之路”的战略以后，西安应当更加注意保护水资源，并采取多种办法改善人民生活用水和经济建设用水。为此，本文利用改进的模糊综合评价法对西安曲江池的水质进行评价，以此为我国水污染的治理提供更多的解决方法，使我国人民的生活用水和经济发展用水都能得到改善。

1　相关文献回顾

目前国内外关于水质评价的研究多种多样，其中最具代表性的是模糊综合评价法[1]124-128。所谓模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评价方法，具体来讲，就是根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体评价。模糊综合评价法因其具有结果清晰，系统性强的特点而适合各种非确定性问题的解决，尤其能较好地解决模糊的、难以量化的一些问题。目前模糊综合评价法对于水质的评价主要是基于水质变化的连续性和分级界限的模糊性，综合多种因素，并运用数学原理对水质状况进行综合评价。但傅金祥等认为传统的模糊综合评价法也有一些缺陷，因为水环境是不断变化的，而且水质的分级界限不够明确，为此，他们在对模糊综合评价法各个环节进行改良之后，建立了一种新的评价模型，且对该模型的适用性进行了检验，验证了模糊综合评价法能够客观地反映水环境质量状况[2]120-127。池源、李升峰认为，模糊数学评价法虽然具有很多优点，但“隶属度最大原则”也有一定的局限性和随意性，因而他们根据水体污染程度的不同，将水质状况分为简单型和复杂型两类，并将其应用于南京市玄武湖的水质评价中，验证了改进的模糊综合评价法的优点[1]124-128。郭晓贝等认为水资源是旅游场所的重要要素之一，为此，他们采用模糊综合评价法对北京市旺兴湖、东小口、海子3个郊野公园内的水环境质量进行了评价[3]57-60，结果发现以上三处水质较好。姚志远等认为水环境包含很多模糊概念，很难分层次、划级别地进行评价，但他们在引入模糊综合评价法后，很好地解决了黑河地表水的环境评价问题，获得了比较合理的评价结果[4]211-215。钟文武等认为模糊综合评价法可以对水环境进行量化评价，而且，他们通过对抚仙湖水环境的评价发现：相对于单因子指数法来讲，模糊综合评价法能更全面、更客观地反映水环境状况[5]182-187。康聪成曾将模糊综合评价法用于某陶瓷产业园的水环境评价中，并通过对河流变化趋势的预测发现：水质的变化是因其包含了很多模糊成分，且是按照一定的规律变化的，由此人们可以通过对水环境的预测而治理水质[6]90-92。

尽管国内已有很多学者利用模糊综合评价法对不同地区的水资源状况进行了研究，但目前国内外对于模糊综合评价模式如何选择还没有进行深入的探讨，可以说，模糊综合评价法在其应用过程中尚不规范。鉴于此，本文特将加权海明距离法引入传统的模糊综合评价中，从而形成一种改进的模糊综合评价法，即新的水质评价模型，并将其应用于西安曲江池的水环境评价中，从而为我国水资源的评价提供一种新的方法。

2　改进的模糊综合评价法

传统的模糊综合评价法多采用降半梯形隶属函数法对数据进行归一化处理，其计算过程极其复杂，因此，本文采用计算过程简便，且处理结果准确的改进的模糊综合评价法对数据进行归一化处理，并引入加权海明距离法，以贴近度代替最优隶属度[7]43-46，然后通过计算评价对象隶属于评价标准等级的最小值来确定其质量等级。

2.1样本矩阵和评价标准矩阵

2.1.1样本矩阵

本文的样本矩阵主要由评价对象的检测数据构成，具体矩阵详见(1)式。

(1)

(1)式中，x为评价对象的检测数据，n为评价对象的个数，m为评价指标的个数。

2.1.2评价标准矩阵

本文的标准矩阵由与评价对象对应的《地表水水质质量标准》(GB3838一2002)中的评价指标标准数据构成，具体矩阵详见(2)式。

(2)

(2)式中，c为评价指标的标准数据，r为评价标准的级别数，m为评价指标的个数。

2.2数据归一化

本文的数据归一化就是把数据映射到0～1的范围内，从而使数据的处理更为方便。

2.2.1实测数据归一化

设C1j和Ctj分别为第j个(j=1,2,…,m)评价指标的1级和t级标准值，本文对实测数据归一化后可以得到矩阵F(fij)n×m。fij的计算公式详见(3)式：

(3)

(3)式中，fij为第j个评价指标的第i个(i= 1,2,…,n)评价对象的标准化值，Xij为第j个评价指标的第i个评价对象的实测值。

2.2.2评价标准数据归一化

若规定1级和t级标准浓度的隶属度分别为0和1，则可以采用线性内插方法将标准分级矩阵归一化，由此可以得到矩阵E(eih)m×t。eih的计算公式详见(4)式：

(4)

(4)式中，eih为第i个评价指标的第h级标准的归一化值，Chi、C1i、Cti分别为第i个评价指标的第h，l，t级标准值。

2.3评价指标权重的确定

目前用于水环境质量评价的方法主要有层次分析法、熵权赋值法和样本均差法等。其中，层次分析法带有一定的主观色彩，评价结果因人而异，难以统一；熵权赋值法虽然克服了人的主观影响，其权重也是由各评价指标的实测数据确定的，但计算过程比较复杂，尤其当评价项目较多时，其缺点越发明显。而样本均差法则会因为样本获取的数量、方法、时间和地点的不同，而造成评价结果与实际情况的偏离。为此，本文结合水环境质量污染物指标的特点，采用超标倍数法来确定各评价指标的权重[8]1427-1431，之所以选择超标倍数法是因其不但能客观地反映各单因素作用的大小，而且其计算过程简单、操作方便，获得的结果更为合理，与实际情况也更符合。

下面本文设有r级评价标准，m个评价指标，则第i级(i=1，2，…，r)评价标准，第j个(j=1，2，…，m)评价指标的权重(Wij)由以下(5)式至(7)式确定：

(5)

(6)

(7)

2.4模糊模式的选择

为了使评价步骤更加规范，处理结果能全面地反映水环境状况，本文选择加权海明距离法作为评价水环境的模糊模式。由此本文设评价对象A与标准对象B均包括x1，x2，…，xm个评价指标，其中，A对xi的隶属度为μA(xj)，B对xi的隶属度为μB(xj)，各评价指标的权重分别为w1，w2，…，wm，由此，本文可以计算出A对B的加权海明距离为Dw(A,B)，其计算公式详见(8)式：

(8)

3　实证分析

3.1国家地表水质量标准

为了更清楚地反映西安曲江池水质的状况，本文特将国家环境保护总局2002年发布的《地表水环境质量标准》(GB3838一2002)详细列出，详见表1所示。

表1　 国家地表水环境质量标准

3.2西安曲江池的水质状况

曲江池是西安市曲江新区内的一个重要区域。2008年，西安市政府引黑河水注入曲江池，由此，曲江池成为西安城区重要的人文景观之一。近几年随着西安市经济的快速发展，人口的急剧增加，曲江池虽然还能发挥其水域的各种调节功能，但其水质已明显恶化，必须尽快进行治理。为了更详细地了解西安曲江池的水质状况，笔者自2015年7月至2015年10月，每周一次，持续对曲江池4个点位(A、B、C、D)进行化学需氧量、总氮量、总磷量和氨氮量检测，下面本文将曲江池各监测点所测的数据的平均值用于综合模糊评价中，详见表2所示。

表2　西安曲江池各监测点实测数据平均值

3.3数据归一化

3.3.1国家地表水环境质量标准数据归一化

下面本文再按照改进的水质评价模型(4)式对国家地表水环境质量标准数据进行标准化处理，其结果详见表3所示。

表3　 国家地表水环境质量标准数据归一化

3.3.2对曲江池水质的实测数据归一化

下面本文根据国家环境保护总局2002年发布的《地表水环境质量标准》(GB3838一2002)中相应的水质标准与西安曲江池各监测点的水质情况进行对比分析，并利用新的水质评价模型(3)式对曲江池水质的实测数据进行归一化处理，结果见表4所示。

表4　西安曲江池水环境实测数据归一化

3.4对曲江池水质的权重进行计算

本文根据上述(5)、(6)、(7)式可计算出各评价对象的指标权重矩阵W(从左至右依次为化学需氧量、总氮量、总磷量和氨氮量，从上至下依次为监测点A、B、C、D)。

从西安曲江池各评价对象的权重矩阵可以看出，总氮量在曲江池所有的监测点位上权重都大于50%，说明西安曲江池水的主要污染因子为总氮量，而化学需氧量、总磷量和氨氮量对曲江水环境的影响可以忽略不计。

3.5对曲江池水质与国家地表水环境质量标准进行相似度比较

本文利用(8)式对曲江池水质的实测数据与国家地表水环境质量标准进行相似度比较，结果详见表5所示。

表5　西安曲江池水质与国家地表水环境质量标准相似度的计算结果

由表5可以看出，西安曲江池A点和B点的水质相对较好，C点的水质最差，D点水质一般，所选取的4个点的水质评价结果都显示西安曲江池水质已属Ⅳ类，由此可见，目前西安曲江池大部分水域水质虽然还在其水域功能范围内，但部分水域(C点)水质已经开始向Ⅴ类水质过渡，这也说明西安曲江池的水质已经开始恶化。

4　目前西安曲江池水污染状况及其治理措施

4.1目前西安曲江池水污染状况

从以上评价结果可以看出，西安曲江池基本为Ⅳ类水质，水体己经受到不同程度的污染，且主要污染物为氮分子，已经显示出一定的富氧化趋势。为此，笔者对西安曲江池水的污染原因进行了调查，结果发现其原因主要有三个。

(1)水源头已遭到不同程度的污染。西安曲江池水引自黑河，但黑河源头又处于秦岭山中。近年来随着我国旅游业的发展，寒暑假或周末前往秦岭山中旅游人数不断增加，导致黑河源头污染严重，且黑河源头相距曲江池甚远，加之，很多黑河输水管道附近又建起了不少的居民区、商业街，这也难免出现管道破损而导致附近区域污水渗入的问题，从而影响水质。

(2)人为污染比较严重。曲江池地处西安繁华地带，加之曲江池区域本身就是西安市一个较为有名的旅游景点，每天前来观赏的游人络绎不绝，一些不文明现象也随之增多，比如喂食金鱼、乱丢废弃物以及动物粪便等，加上曲江池中各种娱乐设施遗漏汽油等也很容易污染其水质。

(3)点源污染。近年来，曲江池一带已经成为西安各方一个竞相热捧的区域，尤其是房地产的开发更是热火朝天，但由于房地产商在建造这些房产时，因各种各样的原因造成一些房屋结构不太合理，从而使一些住户为扩大使用面积而擅自改变房屋用途，例如将阳台改为厨房或洗衣房，致使污水混入曲江池水中，使曲江池水遭到污染。

4.2治理西安曲江池水污染的措施

从以上分析可以看出，目前西安曲江池的污染较为严重，本文提出以下治理措施。

(1)保护黑河源头，促其雨污分流。要保护黑河源头最主要的是必须护源保畅，所谓护源保畅就是扩大黑河源头的保护范围，禁止游客进入保护区，同时完善管道网络，按照雨污分流、正本清源的原则对一些住宅区一些错接乱排的管网进行改造，并将出现毁损现象或使用年限长的管网逐步替换为更加环保的管材，以解决雨污混流的问题。

(2)增设环保设施，提高环保意识。由于西安曲江池一带游人较多，因此，应在游人休息等区域增加环保设施，降低废弃物对曲江池水的污染。同时增加清洁或巡逻人员，及时制止一些不文明行为的发生，提高公众的环保意识，从而使公众能够自觉地爱护环境，保护意识。

(3)加大对重点区域的检测力度。对于重度污染区可以考虑对其进行反复的、长期的环境评估，并随时观察其是否存在暗置排污管道或临时发生水质污染的问题，做到发现一处治理一处，将水质污染尽可能消灭在萌芽之中，还市民一个清新、舒适的环境。

5　结　语

目前，保护水环境已成为一个世界性共识，为此，许多国家都投入了大量的人力、物力来保护水环境。伴随着近三十年的改革开放及经济的快速发展，我国环境污染的问题也越来越严重，尤其是水资源的污染问题更为突出。为此，本文通过改进的模糊综合评价法，构建了一种新的水质评价模型，并利用此模型对西安曲江池的水质进行了评价，结果发现：西安曲江池的水污染较为严重，对此，本文提出了治理曲江池水环境的一些具体措施，以期为我国能够更加有效地解决水污染问题提供一种科学有效、简单实用的水质评价方法，进而实现我国山青草绿、水清鱼跃的优美环境。

[1]池源,李升峰.基于改良模糊综合评价法的城市湖泊水环境质量分析[J].华中师范大学学报：人文社会科学版,2013,47(1).

[2]傅金祥,陈喆,马兴冠，等.改良模糊综合评价法在水质评价中的应用[J].环境工程,2011,29(6).

[3]郭晓贝,齐童,李宏，等.基于模糊综合评价法的北京市郊野公园水环境质量评价[J].首都师范大学学报：社会科学版,2012,33(1).

[4]姚志远,郝庆菊,江长胜，等.模糊综合评价法在北碚主要支流河流水质评价中的应用[J].中国农学通报,2009,25(13).

[5]钟文武,王文玉,孙眣，等.模糊综合评价法在抚仙湖种质资源保护区水质评价中的应用[J].水产科学,2015,34(3).

[6]康聪成.模糊综合评价法在规划环评水质变化趋势分析中的应用[J].成都大学学报：社会科学版,2012,31(1).

[7]关全成,赵双喜,刘江峰，等.模糊贴近度法在水质评价中的应用[J].节水灌溉,2012,7(1).

[8]裴廷权,王里奥,韩勇，等.三峡库区小江流域水体富营养化的模糊评价[J].农业环境科学学报,2008,27(4).

(责任编辑王栓芹)

Application of Fuzzy Comprehensive Evaluation Method to the Assessment of Surface Water Environment Quality—With the Example of Surface Water Environment in Xi'an Qujiang Pool

ZHANG Yanbo

(School of Economics and Management,Xi'an Shiyou University,Xi'an,Shaanxi,710065，China)

Water takes an indispensable role in human life and the development of social economy.Based on the traditional fuzzy comprehensive evaluation method,the weighted hamming distance method was introduced to the research in order to establish a new assessment model for water quality,which was applied to the assessment of surface water environment Quality of Xi 'an Qujiang Pool.The results show that water pollution in Xi 'an Qujiang Pool is serious,its water quality reaching up to class Ⅳ,its main pollution factors consisting of total nitrogen and biochemical oxygen demand (cod).Therefore,some measures to control water pollution are put forward so as to improve the water quality.

surface water environment;fuzzy comprehensive evaluation method;weighted hamming distance method;quality assessment

2016-03-15

张彦波，男，河北赞皇人，西安石油大学经济管理学院硕士研究生，研究方向：管理科学与工程。

F407.9

A

1008-5645(2016)04-0001-06