基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的大伙房水庫上游水質(zhì)評(píng)價(jià)及預(yù)測

來源：http://www.attrakmagnet.com/ 作者：余氯檢測儀 時(shí)間：2019-08-01

　　摘要：運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法及層次分析法對遼寧省渾河大伙房水庫上游北雜木、古樓及臺(tái)溝斷面豐、枯水期的水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)將水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果(水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù))與對應(yīng)上游來水量進(jìn)行相關(guān)性分析，建立來水量與水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的非線性回歸模型，并利用該模型進(jìn)行水質(zhì)預(yù)測。結(jié)果表明：非線性回歸模型具有較高的擬合效果，應(yīng)用該模型可以對上游各來水?dāng)嗝娴乃|(zhì)類別進(jìn)行預(yù)測。

　　關(guān)鍵詞：水質(zhì)評(píng)價(jià);水質(zhì)預(yù)測;模糊綜合評(píng)價(jià)法;層次分析法;非線性回歸模型;大伙房水庫上游;水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)

　　大伙房水庫輸水工程是解決遼寧省中部沈陽、鞍山、撫順、營口、遼陽、盤錦及南部大連七城市水資源短缺問題的主要供水水源地。大伙房水庫水質(zhì)級(jí)別直接影響遼寧各大城市居民飲用水安全，所以對近年來大伙房水庫入庫水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)及預(yù)測水質(zhì)顯得十分必要。

　　水體本身是一個(gè)多元的復(fù)雜體系，影響水質(zhì)評(píng)價(jià)的物理、化學(xué)及生物因素具有不確定性和模糊性，常用的評(píng)價(jià)方法可概括為單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法和綜合評(píng)價(jià)法兩大類，其中綜合評(píng)價(jià)法又包括模糊綜合評(píng)價(jià)法、模糊模式識(shí)別法、灰色系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)法、灰關(guān)聯(lián)分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、主成分分析法、綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法及標(biāo)準(zhǔn)類別指數(shù)評(píng)價(jià)法[1-9]。水質(zhì)預(yù)測模型大致可概括為數(shù)理統(tǒng)計(jì)預(yù)測方法、灰色系統(tǒng)預(yù)測法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測法、水質(zhì)模擬模型預(yù)測法及混沌理論預(yù)測法等[10-14]。

　　本文運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法及層次分析法對大伙房水庫上游水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，建立來水量與水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的非線性回歸模型，可用于突發(fā)洪水影響下的水質(zhì)預(yù)測，進(jìn)行水質(zhì)污染預(yù)警。

　　1模糊綜合評(píng)價(jià)法

　　模糊綜合評(píng)價(jià)法的基本思路是：首先運(yùn)用隸屬函數(shù)對各單項(xiàng)污染因子分別進(jìn)行評(píng)價(jià)，其集合構(gòu)成一個(gè)模糊矩陣R;再考慮各單項(xiàng)污染因子對水質(zhì)影響的程度大小給予不同的權(quán)重W總，進(jìn)而構(gòu)成一個(gè)權(quán)重集;最后通過復(fù)合運(yùn)算，得出水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)FCL，藉此判別水質(zhì)級(jí)別。

　　1.1單因子隸屬度函數(shù)

　　表征水體質(zhì)量的各項(xiàng)因子的監(jiān)測值可構(gòu)成一個(gè)因子集{xi}，而根據(jù)不同用途和特征劃分的水質(zhì)級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)又構(gòu)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)集{Sij}。

　　對于第1級(jí)水質(zhì)，隸屬度函數(shù)為

　　yi1=1xi≤Si1

　　xi-Si2Si1-Si2Si1

　　0xi≥Si2(1)

　　式中：i為第i種因子，(i=1，2，…，n);xi為第i種因子的實(shí)測濃度;Si1為第1級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的第i種因子標(biāo)準(zhǔn)濃度值;Si2為第2級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的第i種因子的標(biāo)準(zhǔn)濃度值。

　　對于第2級(jí)至(m-1)級(jí)水質(zhì)，其隸屬度函數(shù)為

　　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)

　　對于第末級(jí)m水質(zhì)，隸屬度函數(shù)為

　　yim=1x≥Sim

　　xi-Si(m-1)Sim-Si(m-1)Si(m-1)

　　0xi≤Si(m-1)(3)

　　式中：xi為第i種因子實(shí)測值;Sim為第i種因子的第m級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

　　1.2模糊矩陣的建立

　　利用以上隸屬函數(shù)，按照水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可以計(jì)算出各項(xiàng)因子分別對各級(jí)水質(zhì)指標(biāo)的隸屬度，從而構(gòu)成模糊矩陣R如下：

　　R=(yij)n×m=y11…y1m

　　yn1…ynm(4)

　　1.3確定權(quán)重

　　權(quán)重是基于污染物對水質(zhì)影響的大小來確定的，準(zhǔn)確地計(jì)算各污染指標(biāo)權(quán)重是評(píng)價(jià)水質(zhì)的重點(diǎn)。運(yùn)用層次分析法確定權(quán)重可有效避免主觀臆斷。

　　(1)建立層次結(jié)構(gòu)模型。將模型構(gòu)成劃分為目標(biāo)層A、準(zhǔn)則層B和方案層C三個(gè)層次。

　　(2)構(gòu)造判斷矩陣。通過對準(zhǔn)則層相互比較，確定各準(zhǔn)則對于目標(biāo)的標(biāo)度值，即構(gòu)造目標(biāo)層判斷矩陣A-B;對方案層相互比較，確定各方案對于準(zhǔn)則層的標(biāo)度值，即構(gòu)造準(zhǔn)則層判斷矩陣B-C。在層次分析法中，引進(jìn)矩陣判斷標(biāo)度(1至9標(biāo)度法)。

　　(3)層次單排序。根據(jù)矩陣?yán)碚撚?jì)算得出同一層次各因素對于上一層次對應(yīng)因素的相對重要性權(quán)重值W，它是本層次中所有元素對上一層次而言進(jìn)行重要性排序的基礎(chǔ)。層次單排序可歸結(jié)為求判斷矩陣的特征值和特征向量問題。即對于判斷矩陣A，計(jì)算滿足：AW=λmaxW的特征根與特征向量。

　　求出矩陣的最大特征值后，還必須進(jìn)行矩陣一致性檢驗(yàn)。評(píng)價(jià)判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)指標(biāo)為CI=λmax-nn-1(n為判斷矩陣的階數(shù))，將CI與平均一致性指標(biāo)RI進(jìn)行比較，即CR=CIRI，當(dāng)CR<0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣滿足一致性，否則就要對判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整。1至10階矩陣的RI值見表1。

　　(4)層次總排序。層次總排序是計(jì)算同一層次所有因素對于最高層相對重要性數(shù)值，這一過程是從最高層向最低層逐層進(jìn)行的。采用層次分析法確定權(quán)重W總(表2)。

　　1.4模糊綜合評(píng)價(jià)

　　將權(quán)重向量W總和模糊矩陣R合成，得到模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果矩陣：

　　B=W總?R(5)

　　構(gòu)造水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)類別矩陣S=[1，2，3，4，5]，則計(jì)算模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)為

　　FCL=B?S(6)

　　2基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的渾河大伙房水庫上

　　游段水質(zhì)評(píng)價(jià)

　　針對渾河上游北雜木、蘇子河古樓和社河臺(tái)溝3個(gè)斷面，選取7種實(shí)測污染因子作為水質(zhì)評(píng)價(jià)集，即評(píng)價(jià)集U={溶解氧，氨氮，高錳酸鹽指數(shù)，BOD5，總氮，總磷，糞大腸菌群}。以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}，采用基于層次分析法的模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。

　　2.1建立模糊矩陣

　　應(yīng)用式(1)-式(4)計(jì)算得到各斷面的模糊矩陣。以2011年為例，北雜木、古樓和臺(tái)溝斷面模糊矩陣R分別為

　　2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

　　根據(jù)層次分析法將單排序分為A、B、C三個(gè)層次(表3)。

　　采用層次分析法確定污染因子權(quán)重，計(jì)算結(jié)果見表4。

　　總排序一致性檢驗(yàn)：CI=∑3i=1bi(CI)i=0.0004，CR=0.000 3<0.1，即總排序滿足一致性。

　　因素集U={溶解氧，氨氮，高錳酸鹽指數(shù)，BOD5，總氮，總磷，糞大腸菌群}的權(quán)重集W總={0.035，0.217，0.088，0.111，0.011，0.230，0.308}。

　　2.3模糊綜合評(píng)價(jià)

　　采用2004年-2012年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算渾河大伙房水庫上游北雜木、古樓及臺(tái)溝斷面全年及豐、枯水期的水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)FCL及水質(zhì)級(jí)別，結(jié)果見表5。

　　由表5可見，北雜木斷面全年水質(zhì)類別均為Ⅱ類，豐水期水質(zhì)類別除2011年為Ⅰ類以外其他年份均為Ⅱ類，枯水期水質(zhì)類別除2012年為Ⅲ類以外其他年份均為Ⅱ類，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)該斷面當(dāng)年枯水期總磷污染平均濃度為0.28 mg/L，超過國家地表水Ⅲ類水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)80%。古樓斷面全年水質(zhì)類別均在Ⅱ類水質(zhì)以上，自2008年起水質(zhì)類別上升為Ⅰ類(2010年除外)，水質(zhì)發(fā)展趨勢良好，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)該斷面2010年豐水期時(shí)氨氮污染濃度為0.71 mg/L，超過國家地表水Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)42%;高錳酸鹽指數(shù)污染濃度為5.65 mg/L，超過國家地表水Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)41.25%;總氮污染濃度為3.03 mg/L，超過國家地表水Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)51.5%，且這三種污染均大于古樓斷面歷年監(jiān)測濃度。臺(tái)溝斷面全年水質(zhì)類別為Ⅱ類，2008年轉(zhuǎn)為Ⅰ類，水質(zhì)總體趨勢良好，豐水期在2009年由Ⅱ類轉(zhuǎn)為Ⅰ類，枯水期水質(zhì)類別均為Ⅱ類。

　　3水質(zhì)模糊評(píng)價(jià)指數(shù)預(yù)測

　　本文通過建立來水量與水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的非線性回歸模型，對水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)進(jìn)行預(yù)測。

　　3.1渾河大伙房水庫上游段豐、枯水期劃分

　　根據(jù)渾河大伙房水庫上游段2004年-2012年實(shí)測來水量，計(jì)算豐、枯水期多年平均月入庫水量(圖1)。由圖1可見，大伙房水庫上游豐水期為4月-9月，期間入庫水量大于50 m3/s;枯水期為12月-2月，期間入庫水量小于15 m3/s;平水期為3月、10月及11月，期間入庫水量大于20 m3/s且小于30 m3/s[15]。 　　3.2非線性預(yù)測模型的建立

　　利用豐水期、枯水期日平均來水量與水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算值，建立二者的非線性回歸模型(表6)。

　　3.3非線性預(yù)測模型回歸分析

　　應(yīng)用SPSS軟件對表6各非線性預(yù)測模型進(jìn)行回歸分析及非線性相關(guān)分析，結(jié)果見表6、表7?？梢姡S水期臺(tái)溝斷面回歸模型的R2為0.0817外，其他各時(shí)期各斷面R2均呈現(xiàn)較顯著回歸水平，說明除豐水期臺(tái)溝斷面外各時(shí)期各斷面非線性回歸方程與評(píng)價(jià)離散值擬合度較高。從表7可見，來水量與古樓斷面豐、枯水期水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)均呈顯著正相關(guān)(分別為p=0.807，p=0.762)，與北雜木豐、枯水期及臺(tái)溝斷面枯水期水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)均呈正相關(guān)(分別為p=0.253，p=0.577，p=0.62)，與臺(tái)溝斷面豐水期水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)呈負(fù)相關(guān)(p=-0.197)，負(fù)相關(guān)的結(jié)果是由于評(píng)價(jià)指數(shù)值與擬合曲線差值較大造成的，并不影響對臺(tái)溝斷面豐水期水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)進(jìn)行預(yù)測。

　　3.4水質(zhì)預(yù)測

　　應(yīng)用非線性預(yù)測模型對各斷面豐水期、枯水期水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)進(jìn)行預(yù)測，從結(jié)果(表8、表9)可見，預(yù)測值與計(jì)算值差值百分比均在20%以內(nèi)[16]，兩者比較吻合。北雜木斷面、古樓斷面、臺(tái)溝斷面豐水期預(yù)測指數(shù)分別為1.76、1.67、1.66，水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)均為Ⅱ類;枯水期預(yù)測指數(shù)分別為3.32、1.59、2.5，水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)分別為Ⅲ、Ⅱ、Ⅲ類。

　　4結(jié)論

　　(1)北雜木、古樓、臺(tái)溝斷面全年水質(zhì)類別均在Ⅱ類以上，豐水期各斷面水質(zhì)類別均在Ⅱ類以上，枯水期除2012年北雜木斷面水質(zhì)類別為Ⅲ類以外，其他各斷面各年均在Ⅱ類以上。

　　(2)通過建立來水量與水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的非線性回歸方程，發(fā)現(xiàn)除臺(tái)溝斷面豐水期水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)與來水量相關(guān)性較差以外，其他各斷面各時(shí)期均呈正相關(guān)。

　　(3)北雜木、古樓、臺(tái)溝斷面豐水期水質(zhì)預(yù)測評(píng)價(jià)等級(jí)均為Ⅱ類;枯水期水質(zhì)預(yù)測評(píng)價(jià)等級(jí)分別為Ⅲ、Ⅱ、Ⅲ類。

　　需要指出的是，應(yīng)用本文的模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行水質(zhì)預(yù)測時(shí)，數(shù)據(jù)系列越長回歸系數(shù)R2越接近于1，預(yù)測結(jié)果越精確。

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　　[13]成立，劉超.大型泵站水力穩(wěn)定性探討[J].南水北調(diào)與水利科技，2009，7(2)：75-77.(CHENG Li，LIU Chao.A discussion on the hydraulic stability of large pumping station[J].South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology，2009，7(2)：75-77.(in Chinese))

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　　[15]朱紅耕，馮漢民.拍門水頭損失系數(shù)試驗(yàn)研究[J].排灌機(jī)械，1994(3)：49-51.(ZHU Hong-gen，F(xiàn)ENG Han-min.Experimental study on hydraulic loss coefficient of flap valve[J].Drainage and Irrigation Machinery，1994(3)：49-51.(in Chinese))

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