謝恒星

(渭南師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，陜西渭南714000)

地表水環(huán)境的優(yōu)劣關(guān)系到地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和當(dāng)?shù)鼐用竦慕】禒顩r［1］.渭河是黃河的最大一級(jí)支流，也是陜西省的第二大工業(yè)城市——寶雞市地表水的主要來源，渭河水質(zhì)狀況對(duì)寶雞市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展舉足輕重，正確了解渭河水環(huán)境對(duì)于政府制定經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略、調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局和采取環(huán)保措施至關(guān)重要［2］.常用的水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法包括灰色系統(tǒng)分析法［3］、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型［4］和綜合指數(shù)法［5］.模糊數(shù)學(xué)方法在一些邊界不清、不易定量的因素分析中顯示出很大的優(yōu)越性，也同時(shí)適用于水環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)［6］.表示水環(huán)境質(zhì)量的污染物濃度指標(biāo)較多，且指標(biāo)之間存在較為復(fù)雜的聯(lián)系，每一指標(biāo)在水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的貢獻(xiàn)率是水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中較難確定的問題［7］.本文應(yīng)用熵權(quán)系數(shù)法確定水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)中的權(quán)重系數(shù)，以消除主觀因素對(duì)指標(biāo)權(quán)重確定的干擾［8］，利用模糊物元法對(duì)2009年渭河寶雞段6個(gè)過水?dāng)嗝娴乃h(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以正確認(rèn)識(shí)該區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量狀況.

1 基于熵權(quán)的模糊物元法基本原理

1.1 模糊物元的基本概念

物元分析中由事物M、特征C和量值x三要素組成物元R，若量值x具有模糊性，則稱R為模糊物元.n個(gè)事物的m維物元組成復(fù)合模糊物元Rnm：

式中：Mj為第 j個(gè)事物(j=1，2，…，n)，Ci為第 i個(gè)特征(i=1，2，…，m)，xji為第 j個(gè)事物中第 i個(gè)特征對(duì)應(yīng)的模糊量值.

1.2 從優(yōu)隸屬度的計(jì)算

從優(yōu)隸屬度μji定義為各單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的模糊量值從屬于標(biāo)準(zhǔn)方案對(duì)應(yīng)的模糊量值的隸屬程度，由各從優(yōu)隸屬度μji組成從優(yōu)隸屬度矩陣

由于各單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的量值相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)方案對(duì)應(yīng)的量值的優(yōu)劣程度不同，因此從優(yōu)隸屬度采用不同的公式進(jìn)行計(jì)算［9］：

式中：xji(max)和xji(min)分別為第j(j=1，2，…，n)個(gè)事物中對(duì)應(yīng)的模糊量值的最大值和最小值.

1.3 標(biāo)準(zhǔn)模糊物元和差平方矩陣的計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)模糊物元R0m是指從優(yōu)隸屬度矩陣Rnm中的最大值或最小值.若以△ji(i=1，2，…，m;j=1，2，…，n)表示標(biāo)準(zhǔn)模糊物元R0m與從優(yōu)隸屬度矩陣R'nm中各個(gè)元素的差的平方，則差平方矩陣R△可表示為：

式中：μ0j為標(biāo)準(zhǔn)模糊物元R0m中的從優(yōu)隸屬度.

1.4 熵權(quán)系數(shù)的計(jì)算

由于水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要程度不同，因此需要確定其權(quán)重.在信息論中，熵值反映信息無序化程度，其值越小，系統(tǒng)無序度越小，故可用信息熵評(píng)價(jià)所獲系統(tǒng)信息的有序度及其效用，即由評(píng)價(jià)指標(biāo)值構(gòu)成的判斷矩陣來確定指標(biāo)權(quán)重.熵權(quán)系數(shù)的具體計(jì)算步驟為：

設(shè)由n個(gè)事物和m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)組成判斷矩陣R：

1.5 貼近度(綜合評(píng)價(jià)優(yōu)劣度)的計(jì)算

利用歐式貼近度來表示被評(píng)價(jià)樣本與標(biāo)準(zhǔn)樣本的接近程度，從而對(duì)各方案進(jìn)行優(yōu)劣排序或類別劃分.歐式貼近度的復(fù)合模糊物元矩陣RPH的表達(dá)式為：

式中：PHj為貼進(jìn)度模糊物元矩陣RPH中的第j個(gè)貼近度，且

貼近度越大，表示被評(píng)價(jià)樣本與標(biāo)準(zhǔn)樣本越接近，反之則相離越遠(yuǎn)，因此可以利用貼近度來表示被評(píng)價(jià)樣本的環(huán)境質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)樣本的差別程度.

2 基于熵權(quán)的模糊物元法在水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

在運(yùn)用基于熵權(quán)的模糊物元分析法對(duì)水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)的過程中，將評(píng)價(jià)對(duì)象的水環(huán)境質(zhì)量作為物元的事物，以各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)及其相應(yīng)的模糊量值構(gòu)造復(fù)合模糊物元，通過計(jì)算與標(biāo)準(zhǔn)模糊樣本之間的歐式貼近度值，實(shí)現(xiàn)待評(píng)樣本的水環(huán)境質(zhì)量狀況的識(shí)別與排序.

對(duì)于本實(shí)例來說，利用《2009年寶雞市環(huán)境質(zhì)量公報(bào)》數(shù)據(jù)，將渭河寶雞段6個(gè)斷面和5級(jí)水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838－2002)作為11個(gè)事物，7個(gè)污染物濃度指標(biāo)作為7個(gè)特征，組成復(fù)合模糊物元如表1.由于選取的水環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)均為負(fù)向指標(biāo)，因此利用公式(4)進(jìn)行量值的從優(yōu)隸屬度計(jì)算.取從優(yōu)隸屬度矩陣中的最大值組成標(biāo)準(zhǔn)模糊物元，即各指標(biāo)從優(yōu)隸屬度均為1，得到差平方復(fù)合模糊物元如表2.由11個(gè)事物和7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)組成判斷矩陣，利用式(8)將判斷矩陣中的元素進(jìn)行歸一化處理，將結(jié)果代入式(11)和式(9)，得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值，再與式(12)結(jié)合，得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)如表3.將評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值和權(quán)重系數(shù)代入式(15)，得到歐式貼近度，即各斷面的水環(huán)境質(zhì)量綜合排序如表4.

表1 渭河寶雞段水環(huán)境質(zhì)量的復(fù)合模糊物元 單位：mg/L

表2 渭河寶雞段水環(huán)境質(zhì)量的差平方復(fù)合模糊物元

表3 渭河寶雞段水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵和權(quán)重系數(shù)

表4 渭河寶雞段各斷面的水環(huán)境質(zhì)量排序

由表4可知，渭河寶雞段2009年6個(gè)過水?dāng)嗝娴乃h(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)劣排序?yàn)榱旨掖澹緞倮麡颍九P龍寺橋＞常興橋＞虢鎮(zhèn)橋＞蔡家坡橋，基本呈現(xiàn)隨渭河流向由西向東遞減的趨勢(shì)，這與綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法的研究結(jié)果相一致［10］.但綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法沒有區(qū)別臥龍寺橋和常興橋兩個(gè)地點(diǎn)的水環(huán)境質(zhì)量，且沒有把各過水?dāng)嗝娴乃h(huán)境質(zhì)量與水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比.由表4還可以看出，林家村和勝利橋斷面水質(zhì)達(dá)到II類地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn);臥龍寺橋、常興橋和虢鎮(zhèn)橋斷面水質(zhì)達(dá)到III類地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn);蔡家坡橋斷面水質(zhì)最差，達(dá)到Ⅳ類地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn).林家村斷面位于渭河寶雞段的上游地區(qū)，污染源較少，所以水質(zhì)最好;勝利橋和臥龍寺橋斷面位于市區(qū)，由于市區(qū)工業(yè)廢水和生活污水的直接排放，再加上渭河河水在林家村處通過寶雞峽被引入引渭渠進(jìn)行農(nóng)灌，導(dǎo)致下游水量減少，降低了水體的自凈能力，從而導(dǎo)致兩個(gè)過水?dāng)嗝嫠h(huán)境質(zhì)量的下降;蔡家坡斷面位于該區(qū)域河段的下游，污染物的聚集導(dǎo)致該地區(qū)水質(zhì)的進(jìn)一步惡化，加強(qiáng)該地區(qū)的污水處理是寶雞市水環(huán)境防治的工作重點(diǎn).

3 結(jié)論

利用基于熵權(quán)的模糊物元法對(duì)渭河寶雞段6個(gè)過水?dāng)嗝娴乃h(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，得到水環(huán)境優(yōu)劣排序?yàn)榱旨掖澹緞倮麡颍九P龍寺橋＞常興橋＞虢鎮(zhèn)橋＞蔡家坡橋，除蔡家坡橋斷面水環(huán)境較差外，其他5個(gè)斷面的水環(huán)境質(zhì)量均達(dá)到III類地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，且林家村和勝利橋斷面水質(zhì)達(dá)到II類地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn).實(shí)現(xiàn)渭河流域沿途工業(yè)的清潔生產(chǎn)，減少污染物的排放是解決渭河水污染、提高渭河水環(huán)境質(zhì)量的根本措施.

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