基于物元分析法的钱塘江流域水质量评价

陈惠雄，杨 坤

(1.浙江财经大学 工商管理学院，浙江 杭州 310018；2.江苏省信息中心，江苏 南京 210013)

基于物元分析法的钱塘江流域水质量评价

陈惠雄1，杨 坤2

(1.浙江财经大学 工商管理学院，浙江 杭州 310018；2.江苏省信息中心，江苏 南京 210013)

基于物元分析法对钱塘江流域水质状况进行评价，选取氨氮、总磷、总氮、pH(无量纲)等代表性指标为待评物元，应用物元分析法构建的钱塘江流域水质评价模型对流域水质进行评价，得出2012年钱塘江流域水质整体属于Ⅱ类水质的结论，与客观数据相一致.研究表明，基于物元分析的水质评价方法，具有优良的客观性和实际应用价值.

钱塘江；水质量；物元分析法；可拓工程方法

水资源既要满足经济社会发展需要，又要满足生态用水需要，从而在自然、经济、社会系统中发挥重要的纽带作用.水资源质量优劣直接影响水资源—生态—经济社会发展系统的运转和功能发挥，水质差则会导致复合大系统的恶性循环.当前，水资源研究的重要方向之一就是采用何种方法来对水质状况进行评价，为流域生活、生产的运行提供科学信息和依据，并使得水污染治理的政策措施更有针对性.目前对流域水环境质量的评价方法很多，本文研究发现，物元分析法目前还没有应用于钱塘江流域水环境质量的评价.本文运用2012年钱塘江流域水资源数据，利用物元分析法对钱塘江流域水质状况进行评价，旨在探求可解决钱塘江流域水质评价中面临各种矛盾的新途径，为流域水资源与生态、经济社会发展系统集成管理提供辅助性的理论依据和检验支持.

物元分析法属于可拓工程方法(Extension Engineering Method)的一种.当前，可拓工程方法在现代人工智能、计算机科学与技术、控制、检测及管理等领域都得到快速应用与发展，在水资源环境评价及水资源管理等方面也取得了很大进展[1].本文在已有研究基础上，建立物元可拓评价模型，结合钱塘江流域水质数据，对流域的水环境质量状况进行研究.由于水质评价因子与水质等级之间存在复杂的非线性关系，目前还没有一个被普遍接受的评价模型[2].物元分析方法应用于水质评价，可以将水质的模糊性、不确定性等属性考虑进去，并能定性、定量地处理水质分析中的多指标矛盾问题，因而是一种可行可取的评价方法，并能为后续的水质治理提供比较明晰可靠的信息和依据[3].

1 物元模型构建

物元分析法(Matter Element Analysis)是系统科学与其他学科的交叉与分支学科方法，主要研究与解决不相容问题的规律及方法.物元分析是将物元模型、可拓集合、关联函数理论作为基础，对多元数据进行量化的一种评价方法.本文运用物元可拓集分析理论，建立钱塘江流域水质评价模型.

1.1 基本模型

给定事物的名称为T，特征D的量值为U，以有序三元组R=(T，D，U)为描述给定事物的基本元，简称物元[4].若事物T由n个特征d1,d2,…,dn和相应的量值u1，u2,…，un来描述，则可以表示为：

(1)

上式称R为n维物元.设有m评价等级T1，T2，…，Tm建立相应的物元：

(2)

其中，Xij(j=1,2,…,n)是评价等级Ti(i=1,2,…,m)关于评价参数di(i=1,2,…,n)的量值范围，即各等级关于对应特征所取的数值范围，称为经典域.

下面构造节域，建立物元RP，取RP⊃Ri，有：

(3)

上述称Xpi=〈api,bpi〉(i=1,2,…,n)为Tp关于di(i=1,2,…,n)的节域.显然有xij⊂xpi(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)，对于要评价的对象P，其量监测结果为：

(4)

1.2 质量等级关联度的确定

依据可拓集合理论以及相关的具体条件，可以建立水质的等级关联函数如下[5]：

(5)

其中:

ρ(xi,xji)=|xi-0.5(aji+bji)|-

0.5(bji-aji)

(6)

ρ(xi,xpi)=|xi-0.5(api+bpi)|-

0.5(bpi-api)

(7)

|xji|=|aji-bji|

(8)

对于每个特征Di，ωi为第i项特征值的权重.

(9)

则Kj(p)为待评对象P关于j质量等级的关联度.

1.3 权系数的确定

对于评价等级Ti(i=1,2,…,m)的门限值xji(j=1,2,…,n),权系数ωi为：

(10)

1.4 质量等级评定

若Kjo(p)=maxKj(p)，其中jo∈{1,2,…,m}，j=1,2,…,m，则评定对象P属于jo等级.当-1

2 钱塘江流域水质评价过程

2.1 水质数据

本文以钱塘江流域2012年水质总体数据为研究对象，数据来源于浙江省钱塘江管理局以及通过计算获取；通过利用可拓集合分析理论对钱塘江流域水质状况进行总体评价.钱塘江干支流采样分布图(见图1).

2012年钱塘江干支流水环境质量总体特征(见表1).

图1 钱塘江干支流采样分布图

表1 钱塘江水环境质量总体特征

2.2 确定待测评物元

由于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[7]给定的地表水环境质量指标比较多，考虑到数据获取的难易程度以及计算量的繁简等因素，本文筛选出具有代表性的pH值、氨氮、石油类、溶解氧、高锰酸盐指数、挥发性酚、5日生化需氧量等七项指标为待测评物元，其监测值及各级标准(见表2).

表2 钱塘江流域水环境质量标准值及实测值

以上各评价指标量化值不全相同，需要归一化处理各评价指标与评价标准[8].归一化后的评价标准和平均实测值(见表3).

表3 归一化钱塘江流域水环境质量标准值及实测值

2.3 确定经典域

根据物元、节域的概念以及水质标准，得出钱塘江流域水质分级标准矩阵，如下：

2.4 确定节域物元和待判物元

基于物元分析法，可以用水质监测值作为待判物元，则钱塘江2012年的节域物元与待判物元如下.

节域物元：

待判物元：

2.5 确定各评价因子的权值

采用污染物浓度超标法，根据上述公式(10)，经过计算过程处理，最终得出各评价因子权重为：ωi=(0.348 0,0.162 8,0.140 0,0.136 9,0.157 0,0.032 7,0.022 7).

2.6 计算关联系数Kj(xi)及关联度Kj(P)

在对各评价因子的关联函数计算的基础上，结合权重的计算结果，计算出待判物元隶属于经典域的关联度(见表4).

表4 各评价因子的关联系数Kj(xi)及关联度Kj(P)

若K=max[Kj(P)]，j∈(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)，对于任何水质类别j，若存在Kj(P)≤0，表示待测评水环境质量不属于所划定的j类别范围内；若0

综上所述，本文基于物元分析理论构建了钱塘江流域的水质评价模型，并把水质标准、评价指标与其特征值作为物元[10]，归一化处理钱塘江流域实测数据和评价等级，推导出模型的经典域、节域、权系数及关联度，构建了物元分析模型，由此可以实现归总各因素指标的所有内容的目标，避免信息的丢失，更加准确地反应出钱塘江流域水质的真实状况[11].物元分析方法灵活、简单，容易通过计算机编写相关程序，并避免主观因素的影响.而关联函数的计算过程亦较为简便，可正可负取值，因而能综合分析事物属于某集合的程度.因此，该评价结果更为贴近客观实际的流域水质状况，同时更为精细.

[1] 门宝辉,梁 川.水质量评价的物元分析法[J].哈尔滨工业大学学报,2003,35(3):358-361.

[2] 赵 卫,刘景双,孔凡娥.物元模型及其在区域水环境质量评价中的应用[J].云南环境科学,2006,25(2):40-43.

[3] 何 敏,张健强.基于物元分析法的河流水环境质量评价[J].环境科学与管理，2013,38(3):172-175.

[4] 何 华,初元满,孙江河.物元分析法在环境影响评价中的应用[J].鸡西大学学报,2004,4(2):85-87.

[5] 何逢标.综合评价方法MATLAB实现[M].北京：中国社会科学出版社,2010.

[6] 刘邦贵,刘永强,王 浩,等.基于物元分析法的区域水资源安全评价[J].南水北调与水利科技,2014,5(12):100-103.

[7] 国家环境保护总局.GB3838—2002地表水环境质量标准[S].北京：中国环境科学出版社，2002.

[8] 韩 霞，孟文清，杨自学.关于可拓工程方法在水环境质量评价中的研究[J].河北工程大学学报(自然科学版),2009,26(1):103-105.

[9] 蔡临明.钱塘江流域水环境发展趋势分析[J].人民长江,2007,38(8):51-52.

[10] 高宗军.水环境评价概述[J].山东科技大学学报,2007,26(1):20-23.

[11] 孙秀玲,褚君达,马惠群,等.物元可拓评价法的改进及其应用[J].水文,2007,27(1):4-7.

WaterQualityAssessmentinQiantangRiverBasinbyMatter-elementAnalysisMethod

CHEN Hui-xiong1,YANG Kun2

(1.College of Business Administration,Zhejiang University of Finance and Economics,Hangzhou 310018,China; 2. Information Center of Jiangsu Province,Nanjing 210013,China)

Based on the matter-element analysis method,the water quality in Qiantang River basin is evaluated,and the representative indicators,such as ammonia nitrogen,total phosphorus,total nitrogen,pH (dimensionless) and so on,are selected as assessment matter-element,therefore,the quality evaluation model on water environment in Qiantang River basin is built. It is likely to draw the conclusion that water quality of Qiantang River in 2012 is at Grade II as a whole,which is consistent with the objective data. Research indicates that matter-element analysis method has better objectivity on the evaluation of water quality and practical application value.

Qiantang River; water quality; matter-element analysis method; extension engineering method

2016-07-17

2014年度国家自然科学基金资助项目(41371526)

陈惠雄(1957-)，男，浙江兰溪人，博士，教授，主要研究方向为幸福经济学、资源环境经济学.

X824

A

1008-536X(2016)10-0016-05