引江沖污對大運(yùn)河鎮(zhèn)江段水環(huán)境改善效果的模糊綜合分析

郭海峰 王志保

（江蘇省水文水資源勘測局鎮(zhèn)江分局 江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

1 引言

大運(yùn)河又稱京杭大運(yùn)河，其在鎮(zhèn)江諫壁口與長江交匯，構(gòu)成了國內(nèi)聞名遐邇的“十字黃金水道”。作為引江濟(jì)太的骨干河段，大運(yùn)河鎮(zhèn)江段在防控太湖藍(lán)藻危害方面發(fā)揮了巨大作用。但是，近幾年來，由于水污染物的大量排放，大運(yùn)河鎮(zhèn)江段污染日趨嚴(yán)重，從而對本地區(qū)沿河用水及太湖流域補(bǔ)水產(chǎn)生了極大的影響。為改善大運(yùn)河鎮(zhèn)江段水環(huán)境，以達(dá)到補(bǔ)給太湖流域優(yōu)質(zhì)水源和緩解本地區(qū)水污染壓力的雙重目的，鎮(zhèn)江市通常利用設(shè)于大運(yùn)河入江口處的諫壁閘對大運(yùn)河引江沖污。那么，此項(xiàng)措施實(shí)施后產(chǎn)生的效果究竟如何，目前，尚無相關(guān)文獻(xiàn)對此作出分析與研究。2010年鎮(zhèn)江市防汛防旱指揮部組織實(shí)施了“太湖流域湖西區(qū)鎮(zhèn)江市水量調(diào)度與水環(huán)境改善試驗(yàn)”，本文根據(jù)該項(xiàng)目實(shí)施期間大運(yùn)河鎮(zhèn)江段水質(zhì)監(jiān)測資料，采用模糊綜合評判法對大運(yùn)河鎮(zhèn)江段調(diào)引江水前后的水質(zhì)狀況進(jìn)行了評價(jià)[1-2]，并較為客觀地分析了長江引水對大運(yùn)河鎮(zhèn)江段水環(huán)境的改善作用。

2 評價(jià)方法適用性分析

在水質(zhì)評價(jià)中，污染程度的界線是模糊的，人為地用特定的分級標(biāo)準(zhǔn)去給水質(zhì)污染程度定性，往往會(huì)得出不符合實(shí)際的評價(jià)結(jié)果，如用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002） 分別對 30.0 mg/L和 30.1 mg/L COD含量幾近相等的水體水質(zhì)作類別評判[3]，前者為Ⅳ類水,后者卻為Ⅴ類水。對于此類模糊問題，采用模糊綜合評判法便可得到合理的解決，該方法應(yīng)用了模糊數(shù)學(xué)理論[4-5]，能夠?qū)⒁恍┻吔绮磺濉⒉灰锥康囊蛩囟炕?，評價(jià)出水體的質(zhì)量等級。因而，在進(jìn)行大運(yùn)河鎮(zhèn)江段水質(zhì)評價(jià)時(shí)，本文采用了模糊綜合評判法，以提高評價(jià)結(jié)果的合理性和可信度。

3 監(jiān)測方案概述

根據(jù)對本次“太湖流域湖西區(qū)鎮(zhèn)江市水量調(diào)度與水環(huán)境改善試驗(yàn)”的部署,在大運(yùn)河鎮(zhèn)江段上共設(shè)水質(zhì)監(jiān)測斷面3個(gè)，分別為近大運(yùn)河入江口處的鎮(zhèn)大公路橋斷面、丹陽市城區(qū)段下游的丹陽南二環(huán)橋斷面以及與常州交界處的呂城站斷面，各斷面位置分布見圖1、表1。于2010年11月5日～11月7日開啟諫壁閘閘門3天，引長江水入大運(yùn)河，引水量級為100m3/s～200m3/s，引水期間，分別于每天的9:00、12:00、16:00對各斷面取樣監(jiān)測一次。

4 水質(zhì)的模糊綜合評判

4.1 因子集的建立

本文綜合考慮了大運(yùn)河鎮(zhèn)江段的實(shí)際情況、太湖流域補(bǔ)水要求等方面因素，選取高錳酸鹽指數(shù)（IMn）、化學(xué)需氧量（CODcr）、溶解氧（DO）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）作為評價(jià)因子，建立因子集：U=｛IMn,CODcr,DO,NH3-N，TP｝。以11月5日9:00的監(jiān)測結(jié)果，即試驗(yàn)的首次監(jiān)測結(jié)果作為引水前各因子的濃度值，以11月7日16:00的監(jiān)測結(jié)果，即試驗(yàn)的末次監(jiān)測結(jié)果作為引水后各因子的濃度值，表2為各項(xiàng)因子的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4.2 評價(jià)集的建立

《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）將水質(zhì)分為五個(gè)等級，各因子標(biāo)準(zhǔn)限值見表3。與其相對應(yīng)，本次評價(jià)將水質(zhì)分為五個(gè)模糊等級，從而建立了評價(jià)集：V={Ⅰ類，Ⅱ類，Ⅲ類，Ⅳ類，Ⅴ類｝。

4.3 因子權(quán)重的確定

不同污染因子對水質(zhì)影響程度不同，一般而言，污染因子超標(biāo)越重，其對水體污染危害越大，因此，以污染因子的超標(biāo)情況決定其權(quán)重，計(jì)算公式如下：

式中，wi為第i種污染因子的權(quán)重，ci為第i種污染因子的濃度實(shí)測值為第i種污染因子各級標(biāo)準(zhǔn)濃度限值的平均值。為了進(jìn)行模糊合成運(yùn)算，各因子權(quán)重必須歸一化，即：

將歸一化后的各因子權(quán)重組成一個(gè)權(quán)重集A，它是因子集U上的一個(gè)模糊子集，用行矩陣表示，則 A=()。以引水前鎮(zhèn)大公路橋斷面為例，對各因子進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，見表4。其中，溶解氧由于與其他因子性質(zhì)相反，實(shí)測濃度低時(shí)，表示水質(zhì)遭受了污染，所以對其權(quán)重賦值時(shí)取倒數(shù),即：

經(jīng)計(jì)算，得出引水前鎮(zhèn)大公路橋斷面評價(jià)因子權(quán)重行矩陣 A=（0.083，0.185，0.152，0.381，0.199）。同理，可得出引水前后所有監(jiān)測斷面的評價(jià)因子權(quán)重行矩陣。

4.4 模糊關(guān)系矩陣的建立

4.4.1 計(jì)算隸屬度

模糊關(guān)系矩陣為所有參評因子對各水質(zhì)級別隸屬程度的一種數(shù)學(xué)表達(dá)形式，在構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣時(shí)，首先需計(jì)算隸屬度。為了方便，采用梯形分布建立評價(jià)因子對5個(gè)水質(zhì)級別的隸屬函數(shù)，以高錳酸鹽指數(shù)為例，其對各水質(zhì)級別的隸屬函數(shù)如下：

表1 水質(zhì)監(jiān)測斷面與入江口相對位置關(guān)系

表2 大運(yùn)河鎮(zhèn)江段水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù) （單位：mg/L）

表3 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值 （單位：mg/L）

可用同樣方法建立其他各評價(jià)因子對5個(gè)水質(zhì)級別的隸屬函數(shù)。將評價(jià)因子的實(shí)際監(jiān)測值x代入某一水質(zhì)級別的隸屬函數(shù)，便可計(jì)算出評價(jià)因子對該水質(zhì)級別的隸屬度u。仍以引水前鎮(zhèn)大公路橋斷面為例，其評價(jià)因子對各水質(zhì)級別的隸屬度見表5。

4.4.2 構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣

以每個(gè)單項(xiàng)因子的5個(gè)隸屬度構(gòu)造成一個(gè)行矩陣，再由各單項(xiàng)因子隸屬度行矩陣構(gòu)造成模糊關(guān)系矩陣，記為R。由表5構(gòu)造出引水前鎮(zhèn)大公路橋斷面評價(jià)因子對各水質(zhì)級別隸屬度的模糊關(guān)系矩陣如下：

同理，可構(gòu)造出引水前后所有監(jiān)測斷面的評價(jià)因子對各水質(zhì)級別隸屬度的模糊關(guān)系矩陣。

4.5 模糊綜合評判

將評價(jià)因子權(quán)重行矩陣A與評價(jià)因子對水質(zhì)級別隸屬度的模糊關(guān)系矩陣R進(jìn)行合成運(yùn)算，便可得到綜合評價(jià)結(jié)果B，它是評價(jià)集V上的一個(gè)模糊子集，可表示為：

模糊矩陣合成運(yùn)算的方法很多，常用方法有四種，分別為取積取大法（·，∨）、取積求和法（·，⊕）、取小取大法（∧，∨）以及取小求和法（∧，⊕）。用不同的合成運(yùn)算方法得到的綜合評價(jià)結(jié)果的精細(xì)程度不一樣，如取小取大法（∧，∨）過分地強(qiáng)調(diào)了極值的作用，在進(jìn)行取小取大運(yùn)算時(shí)，有可能將一些有價(jià)值數(shù)據(jù)舍棄掉，因而，往往會(huì)于評價(jià)結(jié)果中出現(xiàn)多個(gè)相同的最大隸屬度；由一些合成運(yùn)算方法產(chǎn)生的綜合評價(jià)結(jié)果還會(huì)受到評價(jià)因子數(shù)目的影響，如取小求和法（∧，⊕）和取小取大法（∧，∨），在評價(jià)因子數(shù)目增多時(shí)，歸一化后的各單因子權(quán)重將趨于減小，因而在進(jìn)行取小運(yùn)算時(shí)，就不易被舍棄，相反，在評價(jià)因子數(shù)目減少時(shí)，歸一化后的各單因子權(quán)重將趨于增大，因而在進(jìn)行取小運(yùn)算時(shí)，就容易被舍棄，這樣就有可能產(chǎn)生以權(quán)重或單因子評價(jià)替代綜合評價(jià)的結(jié)果，于是，便失去了綜合評價(jià)的意義。

表4 引水前鎮(zhèn)大公路橋斷面各因子權(quán)重計(jì)算表

表5 引水前鎮(zhèn)大公路橋斷面評價(jià)因子對各水質(zhì)級別隸屬度

基于上述分析，本文采用取積取大法（·，∨）與取積求和法（·，⊕）作模糊矩陣的合成運(yùn)算，對大運(yùn)河鎮(zhèn)江段水質(zhì)進(jìn)行綜合評價(jià)。其中，取積求和法（·，⊕）考慮了所有因子對評價(jià)結(jié)果產(chǎn)生的影響，而取積取大法（·，∨）只考慮最大的起主要作用的那個(gè)因子對評價(jià)結(jié)果產(chǎn)生的影響。以取積取大法（·，∨）為例，對引水前鎮(zhèn)大公路橋斷面進(jìn)行A與R的合成運(yùn)算：

表6 大運(yùn)河鎮(zhèn)江段水質(zhì)綜合評價(jià)結(jié)果

歸一化后得：

按取積取大法運(yùn)算，引水前鎮(zhèn)大公路橋斷面對Ⅳ類水隸屬度最大，為0.417。因而，根據(jù)最大隸屬度原則，判定水質(zhì)為Ⅳ類。

以有界和算子“⊕”代替取積取大法（·，∨）中的取大算子“∨”作模糊矩陣的合成運(yùn)算，便是取積求和法（·，⊕），其中有界和算子“⊕”數(shù)學(xué)含義可用下式表示：

式中 a1、a2…an為實(shí)數(shù)，min 為取小運(yùn)算。

對引水前鎮(zhèn)大公路橋斷面按取積求和法（·，⊕）進(jìn)行A與R的合成運(yùn)算，并對結(jié)果作歸一化處理，可得：

根據(jù)最大隸屬度原則，亦可判定引水前鎮(zhèn)大公路橋斷面水質(zhì)為Ⅳ類。

4.6 評價(jià)結(jié)果分析

對引水前后大運(yùn)河鎮(zhèn)江段各監(jiān)測斷面進(jìn)行綜合評價(jià)，歸一化后的評價(jià)結(jié)果見表6。

由表6可以看出，在對大運(yùn)河鎮(zhèn)江段水質(zhì)進(jìn)行綜合評價(jià)時(shí)，分別以取積取大法（·，∨）、取積求和法（·，⊕）作模糊矩陣的合成運(yùn)算，再按最大隸屬度原則確定水質(zhì)的級別，得到的結(jié)果是一致的。根據(jù)引水前后各監(jiān)測斷面水質(zhì)級別的變化情況，可以判定本次長江引水對大運(yùn)河鎮(zhèn)江段水環(huán)境的改善作用比較明顯，其中，鎮(zhèn)大公路橋斷面由Ⅳ類水改善為Ⅲ類水，水質(zhì)提高了1個(gè)級別，丹陽南二環(huán)橋斷面由Ⅴ類水改善為Ⅳ類水，水質(zhì)提高了1個(gè)級別，呂城站斷面由Ⅴ類水改善為Ⅲ類水，水質(zhì)提高了2個(gè)級別。

5 結(jié)語

（1）本文采用模糊綜合評判法對大運(yùn)河鎮(zhèn)江段引水前后水質(zhì)進(jìn)行了評價(jià)，解決了水質(zhì)污染程度界線的模糊性問題，從而使得評價(jià)結(jié)果更具合理性。

（2）評價(jià)與分析結(jié)果表明，通過引江沖污，可達(dá)到改善大運(yùn)河鎮(zhèn)江段水環(huán)境的目的。因而，引江沖污可作為大運(yùn)河鎮(zhèn)江段水環(huán)境保護(hù)與改善的一項(xiàng)有效措施。

（3）于非引水期內(nèi)，由于沿河污染物的排放，仍會(huì)致使大運(yùn)河鎮(zhèn)江段水環(huán)境恢復(fù)至原來的污染狀態(tài)，因此，欲維持和鞏固引水對大運(yùn)河鎮(zhèn)江段水環(huán)境的改善效果，還必須控制污染源頭，對大運(yùn)河鎮(zhèn)江段并施污水截流、污染源整治、河道清淤等多項(xiàng)污染綜合防治措施。陜西水利

[1]奚旦立,孫裕生,劉秀英.環(huán)境監(jiān)測[M].北京:高等教育出版社,1995.

[2]王淑文，劉臣.水環(huán)境評價(jià)的模糊數(shù)學(xué)法[J].吉林水利，2001，(2):20-22.

[3]GB3838-2002，地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]楊綸標(biāo)，高英儀.模糊數(shù)學(xué)原理及應(yīng)用[M].第四版.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2005.

[5]劉普寅，吳孟達(dá).模糊理論及其應(yīng)用[M].長沙:國防科技大學(xué)出版社，1998.