摘要：運用模糊綜合評價法及層次分析法對遼寧省渾河大伙房水庫上游北雜木、古樓及臺溝斷面豐、枯水期的水質(zhì)進行評價，同時將水質(zhì)評價結(jié)果(水質(zhì)模糊綜合評價指數(shù))與對應上游來水量進行相關(guān)性分析，建立來水量與水質(zhì)模糊綜合評價指數(shù)的非線性回歸模型，并利用該模型進行水質(zhì)預測。結(jié)果表明：非線性回歸模型具有較高的擬合效果，應用該模型可以對上游各來水斷面的水質(zhì)類別進行預測。

　　關(guān)鍵詞：水質(zhì)評價;水質(zhì)預測;模糊綜合評價法;層次分析法;非線性回歸模型;大伙房水庫上游;水質(zhì)模糊綜合評價指數(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)進行評價及預測水質(zhì)顯得十分必要。

　　水體本身是一個多元的復雜體系，影響水質(zhì)評價的物理、化學及生物因素具有不確定性和模糊性，常用的評價方法可概括為單因子指數(shù)評價法和綜合評價法兩大類，其中綜合評價法又包括模糊綜合評價法、模糊模式識別法、灰色系統(tǒng)綜合評價法、灰關(guān)聯(lián)分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法、主成分分析法、綜合水質(zhì)標識指數(shù)法及標準類別指數(shù)評價法[1-9]。水質(zhì)預測模型大致可概括為數(shù)理統(tǒng)計預測方法、灰色系統(tǒng)預測法、神經(jīng)網(wǎng)絡模型預測法、水質(zhì)模擬模型預測法及混沌理論預測法等[10-14]。

　　本文運用模糊綜合評價法及層次分析法對大伙房水庫上游水質(zhì)進行綜合評價，建立來水量與水質(zhì)模糊綜合評價指數(shù)的非線性回歸模型，可用于突發(fā)洪水影響下的水質(zhì)預測，進行水質(zhì)污染預警。

　　1模糊綜合評價法

　　模糊綜合評價法的基本思路是：首先運用隸屬函數(shù)對各單項污染因子分別進行評價，其集合構(gòu)成一個模糊矩陣R;再考慮各單項污染因子對水質(zhì)影響的程度大小給予不同的權(quán)重W總，進而構(gòu)成一個權(quán)重集;最后通過復合運算，得出水質(zhì)模糊綜合評價指數(shù)FCL，藉此判別水質(zhì)級別。

　　1.1單因子隸屬度函數(shù)

　　表征水體質(zhì)量的各項因子的監(jiān)測值可構(gòu)成一個因子集{xi}，而根據(jù)不同用途和特征劃分的水質(zhì)級別標準又構(gòu)成一個標準集{Sij}。

　　對于第1級水質(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種因子的實測濃度;Si1為第1級水質(zhì)標準中規(guī)定的第i種因子標準濃度值;Si2為第2級水質(zhì)標準中規(guī)定的第i種因子的標準濃度值。

　　對于第2級至(m-1)級水質(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種因子實測值;Sim為第i種因子的第m級評價標準。

　　1.2模糊矩陣的建立

　　利用以上隸屬函數(shù)，按照水質(zhì)分級標準，可以計算出各項因子分別對各級水質(zhì)指標的隸屬度，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，準確地計算各污染指標權(quán)重是評價水質(zhì)的重點。運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)成劃分為目標層A、準則層B和方案層C三個層次。

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

　　(3)層次單排序。根據(jù)矩陣理論計算得出同一層次各因素對于上一層次對應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行重要性排序的基礎。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，計算滿足：AW=λmaxW的特征根與特征向量。

　　求出矩陣的特征值后，還必須進行矩陣一致性檢驗。評價判斷矩陣的一致性檢驗指標為CI=λmax-nn-1(n為判斷矩陣的階數(shù))，將CI與平均一致性指標RI進行比較，即CR=CIRI，當CR<0.1時，認為判斷矩陣滿足一致性，否則就要對判斷矩陣進行調(diào)整。1至10階矩陣的RI值見表1。

　　(4)層次總排序。層次總排序是計算同一層次所有因素對于層相對重要性數(shù)值，這一過程是從層向?qū)又饘舆M行的。采用層次分析法確定權(quán)重W總(表2)。

　　1.4模糊綜合評價

　　將權(quán)重向量W總和模糊矩陣R合成，得到模糊綜合評價結(jié)果矩陣：

　　B=W總?R(5)

　　構(gòu)造水質(zhì)標準類別矩陣S=[1，2，3，4，5]，則計算模糊綜合評價指數(shù)為

　　FCL=B?S(6)

　　2基于模糊綜合評價法的渾河大伙房水庫上

　　游段水質(zhì)評價

　　針對渾河上游北雜木、蘇子河古樓和社河臺溝3個斷面，選取7種實測污染因子作為水質(zhì)評價集，即評價集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)量標準》(GB 3838-2002)評價標準為依據(jù)建立評價標準集V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}，采用基于層次分析法的模糊綜合評價法進行水質(zhì)評價。

　　2.1建立模糊矩陣

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

　　2.2評價指標的權(quán)重

　　根據(jù)層次分析法將單排序分為A、B、C三個層次(表3)。

　　采用層次分析法確定污染因子權(quán)重，計算結(jié)果見表4。

　　總排序一致性檢驗：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模糊綜合評價

　　采用2004年-2012年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，運用模糊綜合評價法計算渾河大伙房水庫上游北雜木、古樓及臺溝斷面全年及豐、枯水期的水質(zhì)模糊綜合評價指數(shù)FCL及水質(zhì)級別，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，進一步分析發(fā)現(xiàn)該斷面當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)評價標準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，進一步分析發(fā)現(xiàn)該斷面2010年豐水期時氨氮污染濃度為0.71 mg/L，超過國家地表水Ⅱ類水質(zhì)標準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)標準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)標準51.5%，且這三種污染均大于古樓斷面歷年監(jiān)測濃度。臺溝斷面全年水質(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)模糊評價指數(shù)預測

　　本文通過建立來水量與水質(zhì)模糊綜合評價指數(shù)的非線性回歸模型，對水質(zhì)模糊綜合評價指數(shù)進行預測。

　　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年實測來水量，計算豐、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)模糊綜合評價指數(shù)計算值，建立二者的非線性回歸模型(表6)。

　　3.3非線性預測模型回歸分析

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

　　3.4水質(zhì)預測

　　應用非線性預測模型對各斷面豐水期、枯水期水質(zhì)模糊綜合評價指數(shù)進行預測，從結(jié)果(表8、表9)可見，預測值與計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、臺溝斷面豐水期預測指數(shù)分別為1.76、1.67、1.66，水質(zhì)評價等級均為Ⅱ類;枯水期預測指數(shù)分別為3.32、1.59、2.5，水質(zhì)評價等級分別為Ⅲ、Ⅱ、Ⅲ類。

　　4結(jié)論

　　(1)北雜木、古樓、臺溝斷面全年水質(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)模糊綜合評價指數(shù)的非線性回歸方程，發(fā)現(xiàn)除臺溝斷面豐水期水質(zhì)模糊綜合評價指數(shù)與來水量相關(guān)性較差以外，其他各斷面各時期均呈正相關(guān)。

　　(3)北雜木、古樓、臺溝斷面豐水期水質(zhì)預測評價等級均為Ⅱ類;枯水期水質(zhì)預測評價等級分別為Ⅲ、Ⅱ、Ⅲ類。

　　需要指出的是，應用本文的模糊綜合評價法進行水質(zhì)預測時，數(shù)據(jù)系列越長回歸系數(shù)R2越接近于1，預測結(jié)果越精確。

　　參考文獻(References)：

　　[1]甘霖，張強.指數(shù)評價法在川北某村地下水水質(zhì)評價中的應用[J].職業(yè)與健康，2009，25(24)：2670-2672.(GAN Lin，ZHANG Qiang.Application of index evaluation method in evaluation of ground water quality in a certain village of Northern Sichuan[J].Career and health，2009，25(24)：2670-2672.(in Chinese))

　　[2]曾永，樊引琴，王麗偉.水質(zhì)模糊綜合評價法與單因子指數(shù)評價法比較[J].人民黃河，2007，29(2)：64-65.(ZENG Yong，F(xiàn)AN Yin-qin，WANG Li-wei.Water quality fuzzy comprehensive evaluation method compared with single factor index evaluation method[J].The people of the Yellow River，2007，29(2)：64-65.(in Chinese))

　　[3]徐力剛，葉昌，張奇.基于模糊模式識別的地下水水質(zhì)綜合評價研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2011，38(5)：7-12.(XU Li-gang，YE Chang，ZHANG Qi.Application of fuzzy pattern recognition for the comprehensive assessment of groundwater quality[J].Hydrogeology Engineering geology，2011，38(5)：7-12.(in Chinese))

　　[4]李晴新，朱琳，陳中智.灰色系統(tǒng)法評價近海海洋生態(tài)系統(tǒng)健康[J].南開大學學報，2010，42(1)：39-43.(LI Qing-xin，ZHU Lin，CHEN Zhong- zhi.Ecosystem health assessment of marine sublittoral ecosystem by grey system method[J].Journal of Nankai University，2010，42(1)：39-43.(in Chinese))

　　[5]趙天燕，賀方升，侯棋棕.一種改進的灰關(guān)聯(lián)分析法在水質(zhì)評價中的應用[J].安全與環(huán)境學報，2005，5(1)：26-29.(ZHAO Tian-yan，HE Fang-sheng，HOU Qi-zong.Application of improved gray relation analysis method for water quality assessment in aquatic system[J].Journal of safety and the environment，2005，5(1)：26-29.(in Chinese))

　　[6]向娜.基于神經(jīng)網(wǎng)絡和人工蜂群算法的水質(zhì)評價和預測研究[D].廣州：華南理工大學，2012.(XIANG Na.Exploration for water quality assessment and prediction based on neural networks and artificial bee colony algorithm[D].Guangzhou：South China university，2012.(in Chinese)) 　　[7]姚煥玫，黃仁濤，劉洋，等.主成分分析法在太湖水質(zhì)富營養(yǎng)化評價中的應用[J].桂林工學院學報，2005，25(2)：248-251.(YAO Huan-mei，HUANG Ren-tao，LIU Yang，et al.Principal component analysis of water high eutrophication evaluation in Taihu Lake[J].Journal of Guilin institute of technology，2005，25(2)：248-251.(in Chinese))

　　[8]胡成，蘇丹.綜合水質(zhì)標識指數(shù)法在渾河水質(zhì)評價中的應用[J].生態(tài)環(huán)境學報，2011，20(1)：186-192.(HU Chen，SU Dan.Application of comprehensive water quality identification index in water quality assessment of Hun River[J].Journal of ecological environment，2011，20(1)：186-192.(in Chinese))

　　[9]潘術(shù)香，李蓮芳，張寶莉.利用標準類別指數(shù)評價法評價北京主要水系河流水質(zhì)[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2004，23(3)：560-564.(PAN Shu- xiang，LI Lian-fang，ZHANG Bao-li.Utillizing standard category index method to assessthe water quality of main rivers of Beijing[J].Agricultural Journal of Environmental Science，2004，23(3)：560-564.(in Chinese))

　　[10]韋璐，江敏，余根鼎，等.凡納濱對蝦養(yǎng)殖塘葉綠素a與水質(zhì)因子主成分多元線性回歸分析[J].中國水產(chǎn)科學，2012，19(4)：620-625.(WEI Lu，JIANG Min，YU Gen-ding.Exploring the influence of water quality parameters on chlorophylla in Litopenaeus vannamei culture ponds using the method of multiplelinear regression of principal components[J].Agricultural journal of environmental science，2012，19(4)：620-625.(in Chinese))

　　[11]魏智寬，蔣世云，李少旦.灰色理論在龍江突發(fā)鎘污染水質(zhì)預測中的應用[J].水資源與水工程學報，2013，24(3)：135-141.(WEI Zhi -kuan，JIANG Shi-yun，LI Shao-dan.Application of grey theory in water quality prediction of sudden cadmium pollution in Longjiang River[J].Journal of water resources and water engineering，2013，24(3)：135-141.(in Chinese))

　　[12]梁楠.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的水質(zhì)預測及MATLAB實現(xiàn)[D].西安：長安大學，2007.(LIANG Nan.Research on artificial neural networks for water quality forecasting and realization on the MATLAB[D].Xi′an：Chang′an University，2007.(in Chinese))

　　[8]陳堅，婁紅巖，李娟.大口徑自由側(cè)翻式拍門結(jié)構(gòu)和撞擊力計算[J].灌溉排水學報，2008，27(4)：44-47.(CHEN Jian，LOU Hong-yan，LI Juan，et al.Structure and impact force calculating of the Side-turn-over flap value of large diameter[J].Journal of Irrigation and Drainage，2008，27(4)：44-47.(in Chinese))

　　[9]王志祥，李端明，李娜，等.泵站不同類型拍門的開啟角和撞擊力分析[J].中國農(nóng)村水利水電， 2012(7)：87-90.(WANG Zhi-xiang，LI Duan-ming，LI Na，et al.Opening angle and impact force analysis of different types flap valve in pumping station[J].China Rural Water and Hydropower，2012(7)：87-90.(in Chinese))

　　[10]Anthony Spiteri Staines.Modeling and analysis of a cruise control system[J].International Journal of Electrical and Computer Engineering，2008，3(10)：652-656.

　　[11]Demmin DM，Hallman Eric.Power take-off(PTO) safety[R].Department of Agricultural and Biological Engineering，Cornall University，New York，2009.

　　[12]楊帆，周濟人，劉超.泵裝置拍門水力損失數(shù)值模擬與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2011，42(9)：108-112.(YANG Fan，ZHOU Ji-ren，LIU Chao.Numerical simulation and experiment of hydraulic loss of pump unit flap valve[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery，2011，42(9)：108-112.(in Chinese))

　　[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))

　　[14]何志堅，葉鋒.側(cè)向式拍門流態(tài)分析及能效估算[J].陜西水利，2013：119-120.(HE Zhi-jian，YE Feng.Flow analysis and efficiency estimation of lateral flap valve[J].Shanxi Water Resources，2013：119-120.(in Chinese))

　　[15]朱紅耕，馮漢民.拍門水頭損失系數(shù)試驗研究[J].排灌機械，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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