基于可变模糊集模型的渭河流域水质监测

刘 嵘

(甘肃省天水水文水资源勘测局，甘肃 天水 741000)

作为我国黄河最大支流，渭河全长818km，流域总面积134766km2，渭河流域主要分为甘肃省段与陕西省段，流域范围较广，水系复杂且不对称，拥有较多支流[1]。从俯视图上可以清楚地看出秦岭北坡的径流深随山地高程升高而增加，由低于100mm到高于600mm，最高中心在太白山及南五台山。渭河冲积平原十分平坦，水利化程度很高，属于低产流区[2- 3]。渭河流域人口密集，耕地资源丰富，且渭河支流部分存在许多工业基地。随着我国工业产业的飞速发展、人口数量的激增，生活污水、工业污水大量排放，造成水体严重污染，极大影响了生态功能和区域经济发展。因此，环保部门和水质监测部门极其重视河流水体污染问题[4]，确保渭河流域能够可持续发展，实现水资源的科学合理利用，实现社会、资源、环境以及经济的协调发展。本文基于可变模糊集模型对渭河流域的水质进行监测，了解渭河流域水质具体情况，为渭河流域水体保护、水污染治理提供数据参考。

1 渭河流域水质调查情况

近年来全国各地水体严重污染，针对这一情况对渭河流域水质进行调查，发现陕西省的居住人口都集中在渭河流域，另外还有很多发展迅速的工业基地，紧邻渭河支流[5]。据统计，渭河流域人口占全省人口的61%，工业企业千余家，无论是城市污水还是工业废水，都经支流最终排入渭河。因此，基于可变模糊集模型对渭河流域水质进行监测是十分必要的，有助于详细了解渭河流域水质现状，并做出针对性的治理和保护[6- 7]。

2 基于可变模糊集模型的水质监测

陈守煜教授创建的模糊集合理论是可变模糊集模型的基础性理论，也是可变模糊集模型的核心。基于模糊集合理论，并结合相对隶属度处理连续隶属、指标动态变化及模糊边界情况[8]。通过变换模型参数指标来完成变量间的线性模拟或非线性模拟。

可变模糊集理论包含了隶属函数和自然辩证法，不仅被应用于实际工程领域，更被广泛应用于水文水资源学中。可变模糊集模型可综合多个指标，对渭河流域水质样本进行客观、科学地监测，能够更加准确地获取该流域内水质状况。也能够为渭河流域水体保护和水污染治理提供依据[9- 10]。本文把可变模糊集模型应用于渭河流域水质监测中，具体步骤如下。

2.1 水质监测样本处理

(1)

式中，xij—j水质样本、i指标的特征值，i可取值1，2，…，m；j可取值1，2，…，n。m—指标特征数量；n—待监测水样数量；X—指标特征矩阵。

(2)

式中，yih—i指标h级别的标准值，h可取值1，2，…，c；Y—构成m×c型指标的标准特征值矩阵。

2.2 可变模糊集模型建立

设立具有代表性的水质监测点，通过对关键点的监测了解水域整体水质空间分布特征情况：

(3)

(4)

(5)

(6)

2.3 水质监测

由于指标存在量纲，且指标变化方向不统一(透明度、溶解氧为逆指标，总磷、总氮为正指标)，利用下列公式规划水质监测样本和标准。

(7)

(8)

式中，rij—j水质样本i指标对监测的相对隶属度；Sih—i指标的h级标准特征值的规划结果。计算渭河流域水质检测样本与标准的广义指标权距离，即可求出所监测水质样本j在水质标准级别h中的相对隶属度uhj。

(9)

式中，h—水质标准级别，取值1，2，…，c；aj—监测水质样本的下限值；bj—监测水质样本的上限值。

通过模型参数可以模拟指标与标准间的不同关系，一般a，p可分下列4种关系：

(10)

把式(9)求得的相对隶属度uhj代入式(11)中，即可得出渭河流域监测水样j的综合监测级别。

(11)

式中，H—监测水样的综合监测级别，其他系数同上述公式。用此可变模糊集模型来监测渭河流域水质情况，经分析研究，统计数据可用于渭河流域水体保护和污染治理。

3 监测结果及分析

为了验证基于可变模糊集模型对渭河流域水质监测的准确性，以渭河流域总磷已知浓度和锰元素已知浓度为参考标准，与原子吸收分光光度法做对比，经过多次实验，得出渭河流域总磷浓度监测对比(如图1所示)和渭河流域锰浓度监测对比(如图2所示)。

图1 渭河流域总磷浓度监测对比

图2 渭河流域锰浓度监测对比

经过实验对比验证发现，基于可变模糊集模型对渭河流域总磷浓度和锰浓度的监测数据更接近已知浓度，而对比试验使用原子吸收分光光度法进行监测的数据则偏离已知浓度较远。由此可知，本文提出的基于可变模糊集模型对渭河流域水质监测相较于其他监测方法更为准确，有助于实时掌握渭河流域水质状况，更适合应用。对于水体保护和治理水体污染具有重要现实意义。

4 结语

由于渭河流域附近工业厂房较多，居住人口密集，导致近年来渭河流域水质污染严重，由于水质监测结果的不准确给水体治理带来了难度和阻碍。为了更准确掌握渭河流域水质状况，基于可变模糊模型对渭河流域水质进行监测。经过对比验证，发现该方法的监测数据结果更为准确，提高了渭河流域水质监测工作的效率，说明该方法的有效性和快捷性。希望为水质监测提供方法参考和依据，为治理水体污染提供准确的数据保障。