多种水质评价方法在木兰溪流域的比较应用.pdf
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1、Journal of Hebei Normal University of Science&Technology Vol.37 No.2 June,2023河北科技师范学院学报,2 0 2 3,37(2):5 8-6 6.D0I:10.3969/J.ISSN.1672-7983.2023.02.009多种水质评价方法在木兰溪流域的比较应用杨旭莹,宋金玲1.2*,林琢,刘风超,张经武1(1 河北科技师范学院数学与信息科技学院,河北省农业数据智能感知与应用技术创新中心,河北秦皇岛,0 6 6 0 0 4;2河北省海洋动力过程与资源环境重点实验室)摘要:为了更好地掌握木兰溪流域的水质情况,采用单因子
2、评价法、水质综合指数法、模糊综合评价法和模糊聚类法等4种方法,分别对该流域内2 0 1 8 2 0 2 0 年蒋隔水库、濑溪、木兰溪三江口、仙游石马桥、仙游西台桥和园头桥等6 个监测断面的水质进行了评价。结果表明:单因子评价法能直观的看出主要污染指标,水质综合指数法可对相同等级的水质样本进行进一步的比较,模糊综合评价法和模糊聚类法考虑了水质评价中的不确定性和模糊性,但模糊聚类法不适用于对水质进行精准的分级评价。通过对比不同水质评价方法在木兰溪水环境中的应用和适用性,使评价结果更加客观实际。关键词:水质评价;单因子评价法;水质综合指数法;模糊综合评价法;模糊聚类法;木兰溪流域中图分类号:X824
3、;X522文献标志码:A文章编号:1 6 7 2-7 9 8 3(2 0 2 3)0 2-0 0 5 8-0 9水质评价是了解水环境现状的重要基础,客观有效的水质评价方法可以为水资源的利用和保护提供科学依据1 。目前,地表水水质评价方法主要有单因子评价法、水质综合指数法、模糊综合评价法、模糊聚类法、主成分分析法和人工神经网络法等2-7 。笔者采用应用较为广泛的单因子评价法、水质综合指数法、模糊综合评价法和模糊聚类法等4种评价方法,以福建省莆田市木兰溪流域为例,对该流域的水质进行评价,并对各种方法的评价结果及适用性进行分析。1木兰溪概况木兰溪(2 5 2 2 2 5 2 5 N,1 1 8 38
4、 1 1 9 0 6 E)位于福建省东部,是莆田市的主要河流之一,全长105km,流域面积1 7 32 km。流经度尾、涵江、城东、新度、赖店、城郊、鲤城等地,贯穿莆田市区,出三江口注人台湾海峡。近年来,莆田市大力推进木兰溪流域系统治理,通过对木兰溪进行客观有效的水质评价,可以为水环境治理和水资源利用提供科学依据,使木兰溪流域的水环境治理更加全面精准。本次研究选取木兰溪流域蒋隔水库、濑溪、木兰溪三江口、仙游石马桥、仙游西台桥和园头桥等6 个断面2 0 1 8 2 0 2 0 年的水质样本数据,各个断面统一选取溶解氧(DO)、总磷(TP)、5 日生化需氧量(BO D,)、高锰酸盐指数(CODMm
5、)和氨氮(NH,一N)等5 项指标作为水质评价的因子。2评价方法2.1单因子评价法单因子评价法是依照地表水环境质量标准(GB38382002)中对各项水质指标等级阈值的规定,将其与水体各项监测指标的监测值进行对照,得出各监测指标的等级,最差的一项指标所在等级即为水体最终的水质级别。2.2水质综合指数法水质综合指数(WaterQualityIndex,简称WQI)是综合样本中的各个水质指标,来评价水环境质量的无量纲数,根据水质综合指数的值对水质进行等级划分,水质综合指数计算公式如式(1)所示。基金项目:河北省省级科技计划资助项目(项目编号:2 1 37 0 1 0 3D,2 1 37 330 1
6、 D);2 0 2 3年度河北省高等学校科学研究项目(项目编号:ZC2023123)。*通信作者,女,副教授,博士,硕士研究生导师。主要研究方向:数据库安全与数据分析处理。E-mail:s o n g j i n l i n g 9 9 。收稿日期:2 0 2 2-1 0-2 1;修改稿收到日期:2 0 2 3-0 3-0 159多种水质评价方法在木兰兰溪流域的比较应用杨旭莹等2期&N.T,WQI=鱼(1)2T式中:N,为赋给水质指标i的评分,T为水质指标i的权重值,n为水质评价指标数量。本次试验根据各个水质指标对水体质量的影响度,为每个水质指标赋予1,4 之间的权重值8 。根据地表水环境质量
7、标准(CB38382002)规定的各水质指标的水域功能取值范围,将每个水质指标的取值划分为1 0 个级别,并对应将每个级别分别赋予0,1 0 0 的评分,评分越高代表水质越好,分值划分见表1。由式(1)可知WQI的取值范围为0,1 0 0 ,基于木兰溪的水质情况,将5 个水质等级对应的WQI值设定如下:I级(8 5 WQI100)、级(7 0 WQI85)、级(5 0 WQI70)、IV 级(2 5 WQI50)、V 级(0 WQI25)。表1水质综合指数法评价水环境质量的指标权重和评分分值划分水质指标权重评分p/(mg L-1)/T.10090807060DO47.5(7.5,7.0)7.0
8、,6.56.5,6.06.0,5.0CODMn311,22,33,4 4,5BODs30.50.5,2.02.0,3.03.0,4.04.0,5.0NH,-N40.010.01,0.050.05,0.10 0.10,0.200.20,0.30TP40.010.01,0.020.02,0.050.05,0.100.10,0.15水质指标评分p/(mg L-1)50403020100DO5.0,4.04.0,3.53.5,3.03.0,2.0 2.0,1.015BODs5.0,6.06.0,8.08.0,10.010.0,12.012.0,15.015.0NH,-N0.30,0.400.40,0.
9、500.50,0.750.75,1.001.00,1.251.25TP0.15,0.200.20,0.250.25,0.300.30,0.350.35,0.400.402.3模糊综合评价法模糊综合评价法是基于模糊数学建立水质指标对各水质等级的隶属度矩阵,根据最大隶属度原则确定水质等级。模糊综合评价法的具体步骤如下:(1)确定隶属度函数。将水质划分为I,I,,IV,V 等5 级,隶属度是水体评价指标属于各级水质的程度,隶属度的值与隶属程度呈正比,通过隶属度函数可进行求解。当水质为I级时的隶属度函数为:1,M,B.1di.1(2)Bi,2-B.,1lo,M,B,2当水质为IV 级时水质的隶属度函数
10、为:M-Bu-,Buj-1 M,B.,B.,-Bi,j-1di;=(3)lo,M,Bi,j+1或 M,Bi,j-1当水质为V级时水质的隶属度函数为:37卷60河北科技师范学院学报1,M,Bi,5di,5(4)lo,M,Bi.4式中:d,是第i个水质指标对j级水质的隶属度,取值范围为0,1 ;M;是第i个评价指标的实测值;B,是第i个指标的第j级水质标准阈值;i=1,2,,n,=1,2,,m,n 和m均为5。根据式(2)(4)计算得到的每个水质指标对应各水质等级的隶属度di,j,可以表示成以下的隶属度矩阵D:(2)计算评价指标的权重dd12L1md21d22d2mD=(5)dld2dnm权重是表
11、示各评价指标对水环境质量的影响程度,权重越大则该指标对水质的影响越大。各指标的权重计算公式为:h;=B.M;(6)式中:h;为第i个评价指标的权重;M;为第i个水质指标的实测值;B;为第i个水质指标的标准值,其中各指标的标准值取地表水环境质量标准(GB38382002)中类标准限值。然后再对各指标的权重按照式(7)进行归一化,使权重值在0,1 之间,最后得到所有指标的权重矩阵H,即:H=hi,h 2,h n 。(3)先矩阵复合运算h;=-(7)将权重矩阵H与隶属度矩阵D相乘,得到的综合评价矩阵为:didi2md21d22Z=(z1,zm)=HD=(hi,h2,.,hn)2m(8)nm式中,z为
12、综合评价矩阵,为水质评价样本对第j级的隶属度。最大隶属度对应的水质等级即为评价样本的水质级别。以2 0 1 9 年1 月为例,采用模糊综合评价法对木兰溪各断面进行评价的数据及结果见表2。表22019年1 月木兰溪各断面水质的模糊综合评价数据水质指标评价断面隶属度DOCODMnBOD,NH,-NTP结果蒋隔水库0.6800.1060.0660.0410.1061.0000.0660.0000.0000.000I濑溪0.1820.1940.1910.1240.3090.5060.4680.2160.0000.000木兰溪三江口0.4110.1920.0550.0620.2800.1370.2830
13、.3870.2490.000仙游石马桥0.1650.1350.1250.2620.3130.3850.2510.4890.0000.000仙游西台桥0.2090.1320.1460.1150.3970.5610.2270.3570.0000.000I园头桥0.2080.1630.1140.1470.3670.4530.2930.3310.0370.0002.4模糊聚类法模糊聚类是在给定初始隶属度矩阵和迭代终止阈值的条件下,通过对样本数据和分类等级之间的61多种水质评价溪流域的比较应用杨旭莹等2期目标函数进行迭代优化,不断更新聚类中心和隶属度矩阵,从而得到对样本的模糊分类。模糊聚类法的基本原理如
14、下:给定样本数据集X=1,2,,),设C=c1,C 2,c 为数据集X的个聚类中心。S,为样本点;(1jn)对第i(1 i k)类的隶属度,初始隶属度矩阵一般为满足下列限制条件产生的随机值。样本的隶属度矩阵S如下:S11$12S1元$21$22S2mS=(9).Sk1S12Sk式中:s;满足条件Zt=1Sj=1;0sij1。计算每个样本点到每个聚类中心的距离,模糊聚类中各类的聚类中心与此类内的样本点距离越小越好。当样本点与聚类中心距离较远时,隶属度s;值会变小,经过指数m加权后此段距离与隶属度的乘积会接近于0。因此,为了得到最优的隶属度矩阵,将式(1 0)作为目标函数并计算该值。(10)式中:
15、x;为第j个样本点;c为第i类的聚类中心;lx;-c;ll为样本点到聚类中心的距离;m为模糊加权参数,取值范围为1,+),通常取值为2。对式(1 0)采用Lagrange求导得到公式(1 1)和(1 2)。1(11)2m-1(12)m采用式(1 1)对隶属度矩阵进行更新,根据新的隶属度矩阵按式(1 2)更新下一次迭代的聚类中心。给定一个阈值,若Q()-Q(-1)8,则迭代结束,最终得到最优聚类中心和隶属度矩阵。根据最终的隶属度矩阵中元素的取值找出每个样本所属的分类,当sij=max(s,(1 i k))时,将样本x,划分为第i类。采用模糊聚类法对木兰溪各断面进行水质评价时,计算得到的所有样本点
16、的最优聚类中心见表3,以该聚类中心计算得到的2 0 1 9 年1 月各断面的隶属度矩阵及水质评价结果见表4。3木兰溪水质评价本次试验选取木兰溪流域6 个断面2 0 1 8 2 0 2 0 年间的水质样本数据,分别采用单因子评价法、水质综合指数法、模糊综合评价法和模糊聚类法对各断面进行水质评价,4种方法的评价结果大部分比较接近,但也存在部分断面的评价结果差异较大(表5)。表32019年1 月木兰溪各断面水质的最优模糊聚类中心水质类别水质指标IVVDO0.6590.3980.2120.1520.312CODMn0.7100.2710.1430.0880.155BODs0.6830.4510.266
17、0.1840.340NH,-N0.6560.5420.3450.5330.478TP0.3990.4550.2040.3590.54437卷62河北科技师范学院学报表42019年1 月木兰溪各断面水质的隶属度矩阵及评价结果水质类别断面评价结果IVV蒋隔水库0.6250.1680.1320.0380.037I濑溪0.2260.1020.3840.1970.090三江口0.1900.0970.1850.1090.419V仙游石马桥0.1100.0690.1330.5630.124V仙游西台桥0.2940.1610.3310.1190.0951园头桥0.2160.0780.3120.2330.161
18、表520182020年4种评价方法对木兰溪各断面水质评价差异较大的评价结果单因子水质综合模糊综合监测断面年份月份水质目标模糊聚类法评价法指数法评价法3I(63.33)IV5I(62.22)IV濑溪20187I(7 2.7 8)II9II(68.89)111I(62.78)1IV3II(76.67)I5II(64.44)IV仙游石马桥20187II(68.89)9I(7 7.2 2)I11II(66.11)1IV3(7 2.7 8)I5II(66.67)IV濑溪20197(7 5.5 6)9I(71.67)11I(8 1.6 7)13II(64.44)IV5II(68.88)IV仙游石马桥201
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