基于物元分析法的錢塘江流域水質(zhì)量評價

陳惠雄，楊 坤

(1.浙江財經(jīng)大學(xué) 工商管理學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.江蘇省信息中心，江蘇 南京 210013)

基于物元分析法的錢塘江流域水質(zhì)量評價

陳惠雄1，楊 坤2

(1.浙江財經(jīng)大學(xué) 工商管理學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.江蘇省信息中心，江蘇 南京 210013)

基于物元分析法對錢塘江流域水質(zhì)狀況進(jìn)行評價，選取氨氮、總磷、總氮、pH(無量綱)等代表性指標(biāo)為待評物元，應(yīng)用物元分析法構(gòu)建的錢塘江流域水質(zhì)評價模型對流域水質(zhì)進(jìn)行評價，得出2012年錢塘江流域水質(zhì)整體屬于Ⅱ類水質(zhì)的結(jié)論，與客觀數(shù)據(jù)相一致.研究表明，基于物元分析的水質(zhì)評價方法，具有優(yōu)良的客觀性和實際應(yīng)用價值.

錢塘江；水質(zhì)量；物元分析法；可拓工程方法

水資源既要滿足經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要，又要滿足生態(tài)用水需要，從而在自然、經(jīng)濟(jì)、社會系統(tǒng)中發(fā)揮重要的紐帶作用.水資源質(zhì)量優(yōu)劣直接影響水資源—生態(tài)—經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)和功能發(fā)揮，水質(zhì)差則會導(dǎo)致復(fù)合大系統(tǒng)的惡性循環(huán).當(dāng)前，水資源研究的重要方向之一就是采用何種方法來對水質(zhì)狀況進(jìn)行評價，為流域生活、生產(chǎn)的運行提供科學(xué)信息和依據(jù)，并使得水污染治理的政策措施更有針對性.目前對流域水環(huán)境質(zhì)量的評價方法很多，本文研究發(fā)現(xiàn)，物元分析法目前還沒有應(yīng)用于錢塘江流域水環(huán)境質(zhì)量的評價.本文運用2012年錢塘江流域水資源數(shù)據(jù)，利用物元分析法對錢塘江流域水質(zhì)狀況進(jìn)行評價，旨在探求可解決錢塘江流域水質(zhì)評價中面臨各種矛盾的新途徑，為流域水資源與生態(tài)、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展系統(tǒng)集成管理提供輔助性的理論依據(jù)和檢驗支持.

物元分析法屬于可拓工程方法(Extension Engineering Method)的一種.當(dāng)前，可拓工程方法在現(xiàn)代人工智能、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、控制、檢測及管理等領(lǐng)域都得到快速應(yīng)用與發(fā)展，在水資源環(huán)境評價及水資源管理等方面也取得了很大進(jìn)展[1].本文在已有研究基礎(chǔ)上，建立物元可拓評價模型，結(jié)合錢塘江流域水質(zhì)數(shù)據(jù)，對流域的水環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行研究.由于水質(zhì)評價因子與水質(zhì)等級之間存在復(fù)雜的非線性關(guān)系，目前還沒有一個被普遍接受的評價模型[2].物元分析方法應(yīng)用于水質(zhì)評價，可以將水質(zhì)的模糊性、不確定性等屬性考慮進(jìn)去，并能定性、定量地處理水質(zhì)分析中的多指標(biāo)矛盾問題，因而是一種可行可取的評價方法，并能為后續(xù)的水質(zhì)治理提供比較明晰可靠的信息和依據(jù)[3].

1 物元模型構(gòu)建

物元分析法(Matter Element Analysis)是系統(tǒng)科學(xué)與其他學(xué)科的交叉與分支學(xué)科方法，主要研究與解決不相容問題的規(guī)律及方法.物元分析是將物元模型、可拓集合、關(guān)聯(lián)函數(shù)理論作為基礎(chǔ)，對多元數(shù)據(jù)進(jìn)行量化的一種評價方法.本文運用物元可拓集分析理論，建立錢塘江流域水質(zhì)評價模型.

1.1 基本模型

給定事物的名稱為T，特征D的量值為U，以有序三元組R=(T，D，U)為描述給定事物的基本元，簡稱物元[4].若事物T由n個特征d1,d2,…,dn和相應(yīng)的量值u1，u2,…，un來描述，則可以表示為：

(1)

上式稱R為n維物元.設(shè)有m評價等級T1，T2，…，Tm建立相應(yīng)的物元：

(2)

其中，Xij(j=1,2,…,n)是評價等級Ti(i=1,2,…,m)關(guān)于評價參數(shù)di(i=1,2,…,n)的量值范圍，即各等級關(guān)于對應(yīng)特征所取的數(shù)值范圍，稱為經(jīng)典域.

下面構(gòu)造節(jié)域，建立物元RP，取RP?Ri，有：

(3)

上述稱Xpi=〈api,bpi〉(i=1,2,…,n)為Tp關(guān)于di(i=1,2,…,n)的節(jié)域.顯然有xij?xpi(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)，對于要評價的對象P，其量監(jiān)測結(jié)果為：

(4)

1.2 質(zhì)量等級關(guān)聯(lián)度的確定

依據(jù)可拓集合理論以及相關(guān)的具體條件，可以建立水質(zhì)的等級關(guān)聯(lián)函數(shù)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)

對于每個特征Di，ωi為第i項特征值的權(quán)重.

(9)

則Kj(p)為待評對象P關(guān)于j質(zhì)量等級的關(guān)聯(lián)度.

1.3 權(quán)系數(shù)的確定

對于評價等級Ti(i=1,2,…,m)的門限值xji(j=1,2,…,n),權(quán)系數(shù)ωi為：

(10)

1.4 質(zhì)量等級評定

若Kjo(p)=maxKj(p)，其中jo∈{1,2,…,m}，j=1,2,…,m，則評定對象P屬于jo等級.當(dāng)-1

2 錢塘江流域水質(zhì)評價過程

2.1 水質(zhì)數(shù)據(jù)

本文以錢塘江流域2012年水質(zhì)總體數(shù)據(jù)為研究對象，數(shù)據(jù)來源于浙江省錢塘江管理局以及通過計算獲??；通過利用可拓集合分析理論對錢塘江流域水質(zhì)狀況進(jìn)行總體評價.錢塘江干支流采樣分布圖(見圖1).

2012年錢塘江干支流水環(huán)境質(zhì)量總體特征(見表1).

圖1 錢塘江干支流采樣分布圖

表1 錢塘江水環(huán)境質(zhì)量總體特征

2.2 確定待測評物元

由于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[7]給定的地表水環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)比較多，考慮到數(shù)據(jù)獲取的難易程度以及計算量的繁簡等因素，本文篩選出具有代表性的pH值、氨氮、石油類、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、揮發(fā)性酚、5日生化需氧量等七項指標(biāo)為待測評物元，其監(jiān)測值及各級標(biāo)準(zhǔn)(見表2).

表2 錢塘江流域水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值及實測值

以上各評價指標(biāo)量化值不全相同，需要歸一化處理各評價指標(biāo)與評價標(biāo)準(zhǔn)[8].歸一化后的評價標(biāo)準(zhǔn)和平均實測值(見表3).

表3 歸一化錢塘江流域水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值及實測值

2.3 確定經(jīng)典域

根據(jù)物元、節(jié)域的概念以及水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，得出錢塘江流域水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)矩陣，如下：

2.4 確定節(jié)域物元和待判物元

基于物元分析法，可以用水質(zhì)監(jiān)測值作為待判物元，則錢塘江2012年的節(jié)域物元與待判物元如下.

節(jié)域物元：

待判物元：

2.5 確定各評價因子的權(quán)值

采用污染物濃度超標(biāo)法，根據(jù)上述公式(10)，經(jīng)過計算過程處理，最終得出各評價因子權(quán)重為：ωi=(0.348 0,0.162 8,0.140 0,0.136 9,0.157 0,0.032 7,0.022 7).

2.6 計算關(guān)聯(lián)系數(shù)Kj(xi)及關(guān)聯(lián)度Kj(P)

在對各評價因子的關(guān)聯(lián)函數(shù)計算的基礎(chǔ)上，結(jié)合權(quán)重的計算結(jié)果，計算出待判物元隸屬于經(jīng)典域的關(guān)聯(lián)度(見表4).

表4 各評價因子的關(guān)聯(lián)系數(shù)Kj(xi)及關(guān)聯(lián)度Kj(P)

若K=max[Kj(P)]，j∈(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)，對于任何水質(zhì)類別j，若存在Kj(P)≤0，表示待測評水環(huán)境質(zhì)量不屬于所劃定的j類別范圍內(nèi)；若0

綜上所述，本文基于物元分析理論構(gòu)建了錢塘江流域的水質(zhì)評價模型，并把水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、評價指標(biāo)與其特征值作為物元[10]，歸一化處理錢塘江流域?qū)崪y數(shù)據(jù)和評價等級，推導(dǎo)出模型的經(jīng)典域、節(jié)域、權(quán)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度，構(gòu)建了物元分析模型，由此可以實現(xiàn)歸總各因素指標(biāo)的所有內(nèi)容的目標(biāo)，避免信息的丟失，更加準(zhǔn)確地反應(yīng)出錢塘江流域水質(zhì)的真實狀況[11].物元分析方法靈活、簡單，容易通過計算機(jī)編寫相關(guān)程序，并避免主觀因素的影響.而關(guān)聯(lián)函數(shù)的計算過程亦較為簡便，可正可負(fù)取值，因而能綜合分析事物屬于某集合的程度.因此，該評價結(jié)果更為貼近客觀實際的流域水質(zhì)狀況，同時更為精細(xì).

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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年度國家自然科學(xué)基金資助項目(41371526)

陳惠雄(1957-)，男，浙江蘭溪人，博士，教授，主要研究方向為幸福經(jīng)濟(jì)學(xué)、資源環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué).

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A

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