基于模糊综合评价法的大伙房水库上游水质评价及预测

来源:http://www.shuizhifenxi.com/ 作者:余氯检测仪 时间:2019-08-01

  摘要:运用模糊综合评价法及层次分析法对辽宁省浑河大伙房水库上游北杂木、古楼及台沟断面丰、枯水期的水质进行评价,同时将水质评价结果(水质模糊综合评价指数)与对应上游来水量进行相关性分析,建立来水量与水质模糊综合评价指数的非线性回归模型,并利用该模型进行水质预测。结果表明:非线性回归模型具有较高的拟合效果,应用该模型可以对上游各来水断面的水质类别进行预测。

  关键词:水质评价;水质预测;模糊综合评价法;层次分析法;非线性回归模型;大伙房水库上游;水质模糊综合评价指数

  大伙房水库输水工程是解决辽宁省中部沈阳、鞍山、抚顺、营口、辽阳、盘锦及南部大连七城市水资源短缺问题的主要供水水源地。大伙房水库水质级别直接影响辽宁各大城市居民饮用水安全,所以对近年来大伙房水库入库水质进行评价及预测水质显得十分必要。

  水体本身是一个多元的复杂体系,影响水质评价的物理、化学及生物因素具有不确定性和模糊性,常用的评价方法可概括为单因子指数评价法和综合评价法两大类,其中综合评价法又包括模糊综合评价法、模糊模式识别法、灰色系统综合评价法、灰关联分析法、人工神经网络法、主成分分析法、综合水质标识指数法及标准类别指数评价法[1-9]。水质预测模型大致可概括为数理统计预测方法、灰色系统预测法、神经网络模型预测法、水质模拟模型预测法及混沌理论预测法等[10-14]。

  本文运用模糊综合评价法及层次分析法对大伙房水库上游水质进行综合评价,建立来水量与水质模糊综合评价指数的非线性回归模型,可用于突发洪水影响下的水质预测,进行水质污染预警。

  1模糊综合评价法

  模糊综合评价法的基本思路是:首先运用隶属函数对各单项污染因子分别进行评价,其集合构成一个模糊矩阵R;再考虑各单项污染因子对水质影响的程度大小给予不同的权重W总,进而构成一个权重集;最后通过复合运算,得出水质模糊综合评价指数FCL,藉此判别水质级别。

  1.1单因子隶属度函数

  表征水体质量的各项因子的监测值可构成一个因子集{xi},而根据不同用途和特征划分的水质级别标准又构成一个标准集{Sij}。

  对于第1级水质,隶属度函数为

  yi1=1xi≤Si1

  xi-Si2Si1-Si2Si1

  0xi≥Si2(1)

  式中:i为第i种因子,(i=1,2,…,n);xi为第i种因子的实测浓度;Si1为第1级水质标准中规定的第i种因子标准浓度值;Si2为第2级水质标准中规定的第i种因子的标准浓度值。

  对于第2级至(m-1)级水质,其隶属度函数为

  yij=1xi≤Sij   xi-Si,(j-1)Sij-Si,(j-1)Si,(j-1)

  xi-Si,(j+1)Sij-Si,(j+1)Sij

  0xi≥Si,(j+1)或xi≤Si,(j-1)

  j=2,3,…,(m-1)(2)

  对于第末级m水质,隶属度函数为

  yim=1x≥Sim

  xi-Si(m-1)Sim-Si(m-1)Si(m-1)

  0xi≤Si(m-1)(3)

  式中:xi为第i种因子实测值;Sim为第i种因子的第m级评价标准。

  1.2模糊矩阵的建立

  利用以上隶属函数,按照水质分级标准,可以计算出各项因子分别对各级水质指标的隶属度,从而构成模糊矩阵R如下:

  R=(yij)n×m=y11…y1m

  yn1…ynm(4)

  1.3确定权重

  权重是基于污染物对水质影响的大小来确定的,准确地计算各污染指标权重是评价水质的重点。运用层次分析法确定权重可有效避免主观臆断。

  (1)建立层次结构模型。将模型构成划分为目标层A、准则层B和方案层C三个层次。

  (2)构造判断矩阵。通过对准则层相互比较,确定各准则对于目标的标度值,即构造目标层判断矩阵A-B;对方案层相互比较,确定各方案对于准则层的标度值,即构造准则层判断矩阵B-C。在层次分析法中,引进矩阵判断标度(1至9标度法)。

  (3)层次单排序。根据矩阵理论计算得出同一层次各因素对于上一层次对应因素的相对重要性权重值W,它是本层次中所有元素对上一层次而言进行重要性排序的基础。层次单排序可归结为求判断矩阵的特征值和特征向量问题。即对于判断矩阵A,计算满足:AW=λmaxW的特征根与特征向量。

  求出矩阵的最大特征值后,还必须进行矩阵一致性检验。评价判断矩阵的一致性检验指标为CI=λmax-nn-1(n为判断矩阵的阶数),将CI与平均一致性指标RI进行比较,即CR=CIRI,当CR<0.1时,认为判断矩阵满足一致性,否则就要对判断矩阵进行调整。1至10阶矩阵的RI值见表1。

  (4)层次总排序。层次总排序是计算同一层次所有因素对于最高层相对重要性数值,这一过程是从最高层向最低层逐层进行的。采用层次分析法确定权重W总(表2)。

  1.4模糊综合评价

  将权重向量W总和模糊矩阵R合成,得到模糊综合评价结果矩阵:

  B=W总・R(5)

  构造水质标准类别矩阵S=[1,2,3,4,5],则计算模糊综合评价指数为

  FCL=B・S(6)

  2基于模糊综合评价法的浑河大伙房水库上

  游段水质评价

  针对浑河上游北杂木、苏子河古楼和社河台沟3个断面,选取7种实测污染因子作为水质评价集,即评价集U={溶解氧,氨氮,高锰酸盐指数,BOD5,总氮,总磷,粪大肠菌群}。以《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)评价标准为依据建立评价标准集V={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ},采用基于层次分析法的模糊综合评价法进行水质评价。

  2.1建立模糊矩阵

  应用式(1)-式(4)计算得到各断面的模糊矩阵。以2011年为例,北杂木、古楼和台沟断面模糊矩阵R分别为

  2.2评价指标的权重

  根据层次分析法将单排序分为A、B、C三个层次(表3)。

  采用层次分析法确定污染因子权重,计算结果见表4。

  总排序一致性检验:CI=∑3i=1bi(CI)i=0.0004,CR=0.000 3<0.1,即总排序满足一致性。

  因素集U={溶解氧,氨氮,高锰酸盐指数,BOD5,总氮,总磷,粪大肠菌群}的权重集W总={0.035,0.217,0.088,0.111,0.011,0.230,0.308}。

  2.3模糊综合评价

  采用2004年-2012年水质监测数据,运用模糊综合评价法计算浑河大伙房水库上游北杂木、古楼及台沟断面全年及丰、枯水期的水质模糊综合评价指数FCL及水质级别,结果见表5。

  由表5可见,北杂木断面全年水质类别均为Ⅱ类,丰水期水质类别除2011年为Ⅰ类以外其他年份均为Ⅱ类,枯水期水质类别除2012年为Ⅲ类以外其他年份均为Ⅱ类,进一步分析发现该断面当年枯水期总磷污染平均浓度为0.28 mg/L,超过国家地表水Ⅲ类水质评价标准80%。古楼断面全年水质类别均在Ⅱ类水质以上,自2008年起水质类别上升为Ⅰ类(2010年除外),水质发展趋势良好,进一步分析发现该断面2010年丰水期时氨氮污染浓度为0.71 mg/L,超过国家地表水Ⅱ类水质标准42%;高锰酸盐指数污染浓度为5.65 mg/L,超过国家地表水Ⅱ类水质标准41.25%;总氮污染浓度为3.03 mg/L,超过国家地表水Ⅴ类水质标准51.5%,且这三种污染均大于古楼断面历年监测浓度。台沟断面全年水质类别为Ⅱ类,2008年转为Ⅰ类,水质总体趋势良好,丰水期在2009年由Ⅱ类转为Ⅰ类,枯水期水质类别均为Ⅱ类。

  3水质模糊评价指数预测

  本文通过建立来水量与水质模糊综合评价指数的非线性回归模型,对水质模糊综合评价指数进行预测。

  3.1浑河大伙房水库上游段丰、枯水期划分

  根据浑河大伙房水库上游段2004年-2012年实测来水量,计算丰、枯水期多年平均月入库水量(图1)。由图1可见,大伙房水库上游丰水期为4月-9月,期间入库水量大于50 m3/s;枯水期为12月-2月,期间入库水量小于15 m3/s;平水期为3月、10月及11月,期间入库水量大于20 m3/s且小于30 m3/s[15]。   3.2非线性预测模型的建立

  利用丰水期、枯水期日平均来水量与水质模糊综合评价指数计算值,建立二者的非线性回归模型(表6)。

  3.3非线性预测模型回归分析

  应用SPSS软件对表6各非线性预测模型进行回归分析及非线性相关分析,结果见表6、表7。可见,除丰水期台沟断面回归模型的R2为0.0817外,其他各时期各断面R2均呈现较显著回归水平,说明除丰水期台沟断面外各时期各断面非线性回归方程与评价离散值拟合度较高。从表7可见,来水量与古楼断面丰、枯水期水质模糊综合评价指数均呈显著正相关(分别为p=0.807,p=0.762),与北杂木丰、枯水期及台沟断面枯水期水质模糊综合评价指数均呈正相关(分别为p=0.253,p=0.577,p=0.62),与台沟断面丰水期水质模糊综合评价指数呈负相关(p=-0.197),负相关的结果是由于评价指数值与拟合曲线差值较大造成的,并不影响对台沟断面丰水期水质评价指数进行预测。

  3.4水质预测

  应用非线性预测模型对各断面丰水期、枯水期水质模糊综合评价指数进行预测,从结果(表8、表9)可见,预测值与计算值差值百分比均在20%以内[16],两者比较吻合。北杂木断面、古楼断面、台沟断面丰水期预测指数分别为1.76、1.67、1.66,水质评价等级均为Ⅱ类;枯水期预测指数分别为3.32、1.59、2.5,水质评价等级分别为Ⅲ、Ⅱ、Ⅲ类。

  4结论

  (1)北杂木、古楼、台沟断面全年水质类别均在Ⅱ类以上,丰水期各断面水质类别均在Ⅱ类以上,枯水期除2012年北杂木断面水质类别为Ⅲ类以外,其他各断面各年均在Ⅱ类以上。

  (2)通过建立来水量与水质模糊综合评价指数的非线性回归方程,发现除台沟断面丰水期水质模糊综合评价指数与来水量相关性较差以外,其他各断面各时期均呈正相关。

  (3)北杂木、古楼、台沟断面丰水期水质预测评价等级均为Ⅱ类;枯水期水质预测评价等级分别为Ⅲ、Ⅱ、Ⅲ类。

  需要指出的是,应用本文的模糊综合评价法进行水质预测时,数据系列越长回归系数R2越接近于1,预测结果越精确。

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