□ 李樂樂（河南省水利宣傳中心）

1 緒論

1.1 背景及意義

水是生命之源、生產(chǎn)之要素、生態(tài)之基礎(chǔ)。由于我國的資源狀況，決定了在水問題上將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。無論是當(dāng)代還是未來，水資源優(yōu)化配置都是人們關(guān)心、關(guān)注的重要問題。因此，防治水體污染、保護(hù)水資源、改善水體環(huán)境、維持水生態(tài)將是人們生存與發(fā)展的重要課題。

1.2 主要研究內(nèi)容

水質(zhì)評價是根據(jù)水體的用途，按照一定的參數(shù)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和評價方法，對水體的質(zhì)量做出定性、定量的評定。根據(jù)實(shí)地考察及嫩江干流的具體情況，該江河干流排污口主要污染指標(biāo)為:化學(xué)耗氧量COD、生化需氧量BOD、氨氮、揮發(fā)酚。同時，通過對比資料成果實(shí)地考察并進(jìn)行分析，本文確定了DO、BOD5、氨氮、揮發(fā)酚、總砷、COD、總氰化物7項(xiàng)為評價指標(biāo)。

2 水環(huán)境特征

嫩江是松花江的北源，發(fā)源于我國東北地區(qū)的大興安嶺伊勒呼里山，由西北向東南流淌172km后與二根河匯合，之后便被稱為嫩江干流。自此，水流由北向南流經(jīng)東北地區(qū)15個市、縣（旗），在吉林省松原市三岔河口與發(fā)源于長白山的第二松花江匯合后，始稱松花江。嫩江全長1370km，流域面積2.97×105km2,流域多年平均徑流量228億m3。

嫩江作為河道外用水，其主要作用為工業(yè)及城鎮(zhèn)供水水源、農(nóng)業(yè)灌溉、養(yǎng)殖業(yè)水源和濕地水源。作為河道內(nèi)用水，主要用于航運(yùn)和城市環(huán)境用水。

3 水環(huán)境質(zhì)量評估

3.1 模糊識別評價簡介

水環(huán)境質(zhì)量是多因素影響的反映，水環(huán)境系統(tǒng)中污染物質(zhì)之間存在復(fù)雜關(guān)系，各污染物對水體的影響不盡相同，水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)很難形成統(tǒng)一。而模糊評價法是在水環(huán)境質(zhì)量評價中引入模糊性概念，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的原理來開展水質(zhì)評價，對水環(huán)境質(zhì)量評價中的一些模糊性問題做出定量化處理，從而更好地反映水體質(zhì)量的不確定性。引入模糊數(shù)學(xué)的方法及模型，是計(jì)算水質(zhì)評價指數(shù)的一個新思路。

3.2 模糊識別評價模型

本文以嫩江水質(zhì)為研究對象，選擇了一些具有代表性或者比較重要的水體斷面數(shù)據(jù)作為參考，應(yīng)用模糊識別方法對嫩江水質(zhì)進(jìn)行評價。根據(jù)著名學(xué)者陳守煜建立的模糊識別理論的模型框架:已知若干個模式或標(biāo)準(zhǔn)樣本，識別與計(jì)算研究對象屬于各個模式的相對隸屬度，計(jì)算相對狀態(tài)（或級別）特征值，從而識別并同時判斷對象屬于哪一個模式或標(biāo)準(zhǔn)樣本。

設(shè)有需要對模糊概念或模糊子集進(jìn)行識別的n個樣本組成的集合，有m個指標(biāo)特征值，則有樣本集的指標(biāo)特征值矩陣X,矩陣中元素 Xij為樣本 j指標(biāo) i的特征值，i=1，2，…，m；j=1，2，…，n。建立指標(biāo)特征值矩陣X。

如樣本依據(jù)m個指標(biāo)按c個級別的已知指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值進(jìn)行識別，則有指標(biāo)特征值矩陣Y，矩陣中元素Yih為狀態(tài)或級別 h指標(biāo) i標(biāo)準(zhǔn)特征值，h=1，2，…，c；i=1，2，…，m。建立指標(biāo)特征值矩陣Y。

樣本j級別h對模糊子集的相對隸屬度公式的完整形式為:

上式、稱為模糊模式識別理論模型，具有廣泛的適應(yīng)性與通用性。

3.3 模糊識別評價

根據(jù)考察，收集了嫩江各水質(zhì)斷面枯水期水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并建立數(shù)據(jù)資料表格如表1所示。

表1 嫩江各水質(zhì)斷面枯水期水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表

由表1建立樣本特征值矩陣X:

為使本文的水質(zhì)評價參數(shù)、成果更加客觀，根據(jù)具體情況，結(jié)合實(shí)地考察，最終確定7項(xiàng)河流枯水期水質(zhì)評價參數(shù)，本文采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》作為評價標(biāo)準(zhǔn)。如表2所示。

表2 評價標(biāo)準(zhǔn)表

由表2建立指標(biāo)特征值矩陣Y:

對上述兩個矩陣進(jìn)行規(guī)格化，由此得S矩陣:

將樣本j的m個指標(biāo)相對隸屬度分別與矩陣S的第1，第2，…，第m行的行向量逐一地進(jìn)行比較，可得樣本j的級別上限值bj和級別下限值aj。各指標(biāo)重要程度相同，故各指標(biāo)權(quán)重相等。令距離參數(shù)p=1，為海明距離，則:

得到Dhj矩陣:

根據(jù)模糊模式識別理論模型，當(dāng)α=1時，可得U矩陣:

由上矩陣得出各個斷面水質(zhì)評價結(jié)果為:

石灰窯斷面:u11×1+u21×2+u31×3+u41×4+u51×5=1.08

該斷面水質(zhì)為Ⅰ級；

庫莫屯斷面:u12×1+u22×2+u32×3+u42×4+u52×5=1.55

該斷面水質(zhì)為Ⅱ級；

尼爾基斷面:u13×1+u23×2+u33×3+u43×4+u53×5=1.78

該斷面水質(zhì)為Ⅱ級；

拉哈斷面:u14×1+u24×2+u34×3+u44×4+u54×5=1.82

該斷面水質(zhì)為Ⅱ級；

瀏園斷面:u15×1+u25×2+u35×3+u45×4+u55×5=1.76

該斷面水質(zhì)為Ⅱ級；

白沙灘斷面:u16×1+u26×2+u36×3+u46×4+u56×5=2.86

該斷面水質(zhì)為Ⅲ級；

大安斷面:u17×1+u27×2+u37×3+u47×4+u57×5=2.42

該斷面水質(zhì)為Ⅱ級。

4 研究課題應(yīng)用及可行性分析

本文的目的是找出嫩江干流的主要污染斷面及主要污染物，并采用模糊評價法，對嫩江干流水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行綜合評價，了解嫩江干流目前的水質(zhì)狀況。根據(jù)嫩江干流的河流特點(diǎn)，建立嫩江干流水質(zhì)模糊模式識別模型，并利用該水質(zhì)模型對河流水質(zhì)進(jìn)行一些預(yù)測，進(jìn)而對嫩江干流水質(zhì)變化、水環(huán)境污染的發(fā)展趨勢做一些更好地了解。

本文在評價中引入模糊數(shù)學(xué)概念，隸屬函數(shù)的應(yīng)用，可以描述水質(zhì)分界線，注意到了界限的模糊性，使評價結(jié)果接近客觀?？紤]了各項(xiàng)參數(shù)在總體污染中的作用差異，給予了不同的權(quán)重，因此，該研究成果具有一定的參考價值。其意義在于:

第一，能夠很直觀地發(fā)現(xiàn)嫩江干流的主要污染斷面所處的位置及主要污染物是什么，為河流的綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。

第二，使水行政主管部門更好地了解其水質(zhì)現(xiàn)狀，為合理利用嫩江水資源提供決策依據(jù)。

第三，對于河流水質(zhì)的預(yù)測能夠使水行政主管部門、科研工作者了解水質(zhì)變化趨勢，為綜合治理提供理論依據(jù)。

污染物質(zhì)進(jìn)入河流水體后，由于各種復(fù)雜的物理、化學(xué)變化如遷移、轉(zhuǎn)化、沉淀、吸附等，同時水體中的污染物之間也會相互作用，這些都對水體及相關(guān)環(huán)境因素產(chǎn)生影響，降低未考慮這些作用影響的單一水質(zhì)模型的模擬精度。因此，筆者認(rèn)為，這就要求水行政主管部門要加強(qiáng)污染機(jī)理研究、高參數(shù)估值準(zhǔn)確度及所研究模型存在的不確定性，這也是科研部門在今后研究河流綜合水質(zhì)模型的一個思考重點(diǎn)和重要方向。目前，不僅僅是嫩江，我國很多河流水體污染嚴(yán)重，這必將會很大程度地制約社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也將對人民群眾的生產(chǎn)生活帶來很大的不良影響。合理開發(fā)利用水資源，加強(qiáng)飲用水源地和重點(diǎn)河流、湖泊的生態(tài)環(huán)境保護(hù)將是我國水利工作者今后需要努力的一項(xiàng)長期的戰(zhàn)略任務(wù)。

[1]胡乃利.玉清湖水庫水質(zhì)評價及預(yù)測研究[D].山東大學(xué),2008.

[2]陳守煜.工程模糊集理論與應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社，1998.

[3]范曉娜.嫩江干流水環(huán)境質(zhì)量與保護(hù)對策研究[D].東北師范大學(xué)，2003.