基于可變模糊集模型的渭河流域水質(zhì)監(jiān)測

劉 嶸

(甘肅省天水水文水資源勘測局，甘肅 天水 741000)

作為我國黃河最大支流，渭河全長818km，流域總面積134766km2，渭河流域主要分為甘肅省段與陜西省段，流域范圍較廣，水系復(fù)雜且不對稱，擁有較多支流[1]。從俯視圖上可以清楚地看出秦嶺北坡的徑流深隨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臺山。渭河沖積平原十分平坦，水利化程度很高，屬于低產(chǎn)流區(qū)[2- 3]。渭河流域人口密集，耕地資源豐富，且渭河支流部分存在許多工業(yè)基地。隨著我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展、人口數(shù)量的激增，生活污水、工業(yè)污水大量排放，造成水體嚴(yán)重污染，極大影響了生態(tài)功能和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，環(huán)保部門和水質(zhì)監(jiān)測部門極其重視河流水體污染問題[4]，確保渭河流域能夠可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)水資源的科學(xué)合理利用，實(shí)現(xiàn)社會、資源、環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。本文基于可變模糊集模型對渭河流域的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，了解渭河流域水質(zhì)具體情況，為渭河流域水體保護(hù)、水污染治理提供數(shù)據(jù)參考。

1 渭河流域水質(zhì)調(diào)查情況

近年來全國各地水體嚴(yán)重污染，針對這一情況對渭河流域水質(zhì)進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)陜西省的居住人口都集中在渭河流域，另外還有很多發(fā)展迅速的工業(yè)基地，緊鄰渭河支流[5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，渭河流域人口占全省人口的61%，工業(yè)企業(yè)千余家，無論是城市污水還是工業(yè)廢水，都經(jīng)支流最終排入渭河。因此，基于可變模糊集模型對渭河流域水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測是十分必要的，有助于詳細(xì)了解渭河流域水質(zhì)現(xiàn)狀，并做出針對性的治理和保護(hù)[6- 7]。

2 基于可變模糊集模型的水質(zhì)監(jiān)測

陳守煜教授創(chuàng)建的模糊集合理論是可變模糊集模型的基礎(chǔ)性理論，也是可變模糊集模型的核心?；谀：侠碚?，并結(jié)合相對隸屬度處理連續(xù)隸屬、指標(biāo)動態(tài)變化及模糊邊界情況[8]。通過變換模型參數(shù)指標(biāo)來完成變量間的線性模擬或非線性模擬。

可變模糊集理論包含了隸屬函數(shù)和自然辯證法，不僅被應(yīng)用于實(shí)際工程領(lǐng)域，更被廣泛應(yīng)用于水文水資源學(xué)中。可變模糊集模型可綜合多個指標(biāo)，對渭河流域水質(zhì)樣本進(jìn)行客觀、科學(xué)地監(jiān)測，能夠更加準(zhǔn)確地獲取該流域內(nèi)水質(zhì)狀況。也能夠?yàn)槲己恿饔蛩w保護(hù)和水污染治理提供依據(jù)[9- 10]。本文把可變模糊集模型應(yīng)用于渭河流域水質(zhì)監(jiān)測中，具體步驟如下。

2.1 水質(zhì)監(jiān)測樣本處理

(1)

式中，xij—j水質(zhì)樣本、i指標(biāo)的特征值，i可取值1，2，…，m；j可取值1，2，…，n。m—指標(biāo)特征數(shù)量；n—待監(jiān)測水樣數(shù)量；X—指標(biāo)特征矩陣。

(2)

式中，yih—i指標(biāo)h級別的標(biāo)準(zhǔn)值，h可取值1，2，…，c；Y—構(gòu)成m×c型指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣。

2.2 可變模糊集模型建立

設(shè)立具有代表性的水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)，通過對關(guān)鍵點(diǎn)的監(jiān)測了解水域整體水質(zhì)空間分布特征情況：

(3)

(4)

(5)

(6)

2.3 水質(zhì)監(jiān)測

由于指標(biāo)存在量綱，且指標(biāo)變化方向不統(tǒng)一(透明度、溶解氧為逆指標(biāo)，總磷、總氮為正指標(biāo))，利用下列公式規(guī)劃水質(zhì)監(jiān)測樣本和標(biāo)準(zhǔn)。

(7)

(8)

式中，rij—j水質(zhì)樣本i指標(biāo)對監(jiān)測的相對隸屬度；Sih—i指標(biāo)的h級標(biāo)準(zhǔn)特征值的規(guī)劃結(jié)果。計(jì)算渭河流域水質(zhì)檢測樣本與標(biāo)準(zhǔn)的廣義指標(biāo)權(quán)距離，即可求出所監(jiān)測水質(zhì)樣本j在水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)級別h中的相對隸屬度uhj。

(9)

式中，h—水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)級別，取值1，2，…，c；aj—監(jiān)測水質(zhì)樣本的下限值；bj—監(jiān)測水質(zhì)樣本的上限值。

通過模型參數(shù)可以模擬指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)間的不同關(guān)系，一般a，p可分下列4種關(guān)系：

(10)

把式(9)求得的相對隸屬度uhj代入式(11)中，即可得出渭河流域監(jiān)測水樣j的綜合監(jiān)測級別。

(11)

式中，H—監(jiān)測水樣的綜合監(jiān)測級別，其他系數(shù)同上述公式。用此可變模糊集模型來監(jiān)測渭河流域水質(zhì)情況，經(jīng)分析研究，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可用于渭河流域水體保護(hù)和污染治理。

3 監(jiān)測結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證基于可變模糊集模型對渭河流域水質(zhì)監(jiān)測的準(zhǔn)確性，以渭河流域總磷已知濃度和錳元素已知濃度為參考標(biāo)準(zhǔn)，與原子吸收分光光度法做對比，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，得出渭河流域總磷濃度監(jiān)測對比(如圖1所示)和渭河流域錳濃度監(jiān)測對比(如圖2所示)。

圖1 渭河流域總磷濃度監(jiān)測對比

圖2 渭河流域錳濃度監(jiān)測對比

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對比驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，基于可變模糊集模型對渭河流域總磷濃度和錳濃度的監(jiān)測數(shù)據(jù)更接近已知濃度，而對比試驗(yàn)使用原子吸收分光光度法進(jìn)行監(jiān)測的數(shù)據(jù)則偏離已知濃度較遠(yuǎn)。由此可知，本文提出的基于可變模糊集模型對渭河流域水質(zhì)監(jiān)測相較于其他監(jiān)測方法更為準(zhǔn)確，有助于實(shí)時(shí)掌握渭河流域水質(zhì)狀況，更適合應(yīng)用。對于水體保護(hù)和治理水體污染具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)語

由于渭河流域附近工業(yè)廠房較多，居住人口密集，導(dǎo)致近年來渭河流域水質(zhì)污染嚴(yán)重，由于水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果的不準(zhǔn)確給水體治理帶來了難度和阻礙。為了更準(zhǔn)確掌握渭河流域水質(zhì)狀況，基于可變模糊模型對渭河流域水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測。經(jīng)過對比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該方法的監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果更為準(zhǔn)確，提高了渭河流域水質(zhì)監(jiān)測工作的效率，說明該方法的有效性和快捷性。希望為水質(zhì)監(jiān)測提供方法參考和依據(jù)，為治理水體污染提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)保障。