黃浦江水質(zhì)的模糊數(shù)學(xué)綜合評價(jià)研究

1、環(huán)境污染與防治 第 3 2卷 第 1 期 2 0 1 0年 1月 黃浦江水質(zhì)的模糊數(shù)學(xué)綜合評價(jià)研究 吳詩劍 。韓 中豪胡雄 星 徐 捷 張明旭。周 培 ( 1 ． 上 海 交 通 大 學(xué) 環(huán)境 科 學(xué) 與工 程 學(xué) 院 ， 上 海 2 0 0 2 4 0 ； 2 ． 上 海 市 環(huán) 境 監(jiān) 測 中心 ， 上 海 2 0 0 0 3 0 )摘 要 在黃浦江的水質(zhì)綜合評價(jià)中 ， 采用基 于加權(quán)平均模型的模糊數(shù)學(xué)綜合評價(jià)法進(jìn)行評價(jià) ， 取得

2、 了良好 的效 果研 究結(jié)果表 明， 黃浦江水質(zhì)基本屬 于Ⅲ～Ⅳ類水 ， 偏 Ⅳ類 并嘗試采用 S P S S統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行 多元 統(tǒng)計(jì)分析 ， 深入探 討各 污染指 標(biāo)之間 的相互 關(guān) 系， 更好地了解 黃浦江水質(zhì)的污染 特性 。通過 S P S S統(tǒng)計(jì)軟件的相關(guān)分析結(jié)果表 明， 所選擇的 7 項(xiàng)污染指標(biāo)是有代表性 的。關(guān)鍵詞 黃浦江 模糊數(shù)學(xué) S P S S 統(tǒng)計(jì) 軟件 評價(jià) 黃浦江 被稱 為上 海 的 “ 母 親河 ” ， 盡 管

3、近年 來 上 海 市政府加 大 了對 黃 浦 江 環(huán)境 整 治 力度 ， 但 “ 隱 形 ”污染 依然觸 目驚 心 。黃浦 江 水 質(zhì) 數(shù) 據(jù) 較 為完 整 ， 且 覆 蓋范 圍廣 ， 采 用模糊 數(shù)學(xué)對 其進(jìn) 行綜 合 評價(jià) ， 以及 用 S P S S統(tǒng)計(jì) 軟件 進(jìn)行 多 元統(tǒng) 計(jì)分 析 目前 尚處 于 空 白階段 。筆者采 用模糊 數(shù)學(xué) 綜合評 價(jià) 方法 對黃 浦 江 水 質(zhì)狀況 進(jìn)行評 價(jià) ， 該 方法更 切合 實(shí) 際 ， 更

4、貼 近水 體 質(zhì) 量評價(jià) 的本 質(zhì) ， 有 廣闊 的應(yīng) 用前 景 。1 模糊 數(shù)學(xué) 綜合評 價(jià)方 法的建 立 自 1 9 6 5年 美 國的 Z E DE H 教 授提 出模 糊 集 合 以來 ， 人們注 意到 ， 一些模 糊屬 性 的問題 用經(jīng) 典數(shù) 學(xué) 難 以表示 ， 而 采用 模 糊 數(shù) 學(xué)方 法 則 可 以得 到合 理 的 結(jié)果 。環(huán)境科 學(xué) 中有 許 多 模 糊性 的 問題 ， 比如 對 某 一 水 域水質(zhì) 污染狀 況 的評價(jià)

5、 [ 1 。 ] ， 由于水 環(huán)境 污染 程 度 與水質(zhì)分 級 相互 聯(lián) 系 并存 在 模 糊 性 ， 而 水 質(zhì) 變化 是連 續(xù) 的 ， 模 糊數(shù) 學(xué)法 則 比較 合理 ， 評價(jià) 結(jié) 果更 接 近 實(shí)際 ， 其關(guān) 鍵是 構(gòu)造隸 屬 函數(shù) 或矩 陣 以及 權(quán)重 矩 陣 。1 ． 1 模 糊矩 陣運(yùn)算 目前可用 的模糊 矩 陣復(fù)合運(yùn) 算模 型有 4種 ：( 1 )模型 1采 用扎德 算子 “^” 和 “V” ， 記作 M1 (^，V) 。

6、設(shè)有 2 個(gè) 模糊 矩陣 A 和 B， 設(shè)其 復(fù)合運(yùn)算 結(jié) 果為 C，記作 C —A。 B， 則 C中的元 素為 ：C—ma xmi n[ n， b] 一 VE ahb]( 1 )h式 中 ： n、 b分別 為模糊 矩 陣 A 和 B 的元素 。( 2 )模 型 2采用扎德算 子“· ” 和“ 0” ， 記作 Mz (· ， 0) 。采用該 復(fù)合運(yùn) 算 ， 則 C 中的元 素為 ：C一 ∑ ( n， b 蔚 ) 一

7、( n ¨ b l)0 ( 口b 2)① ?0 ( “ *， b)( 2 )式 中 ： ∑表 示對 k個(gè)數(shù) 在“ 0 ” 下求 和 。( 3 ) 模 型 3采用 扎德算 子“· ” 和“ V” ， 記 作 M3 (·，V) 。采用 該復(fù) 合運(yùn)算 ， 則 C中的元 素為 ：C— ma x ( a， b) 一 V ( n， b ^)( 3 )h( 4 )模 型 4采用扎德算子“^ ” 和“ 0” ， 記作 M

8、 (^， ∈ 王 ≥ ) 。采 用該 復(fù)合運(yùn) 算 ， 則 c中 的元 素 為 ：C一 ∑( Ⅱ， b) 一 ( n n^b 1)0 ( 口hb 2)① ? 0 ( 口 *Ab)( 4 )在 大多 數(shù) 情 況 下 ， 4個(gè)算 子 的計(jì) 算 結(jié) 果 具 有 很 好 的趨 同性 ， 所 得 出 的評 價(jià) 結(jié) 果 基 本是 一 致 的。 由于算子 M2 在計(jì) 算 時(shí) 考 慮 了所 有 參評 因子 對 環(huán)境 質(zhì) 量 的影 響 ， 采用 基 于加

9、權(quán) 平 均模 型 的方 法 既 強(qiáng) 調(diào) 了 最大 污染 因子 的影 響 ， 又 使 所 有 的參 評 因子 在 評價(jià) 中均 能發(fā) 揮應(yīng)有 的作 用 ， 充 分利用 了所有 的 信息 ， 避 免 了在模 糊矩 陣 的 復(fù)合 運(yùn) 算 中 取大 數(shù) 時(shí) 丟 小 數(shù) 、 取 小 數(shù)時(shí) 丟大數(shù) 所 造 成 的不 利 影 響 ， 能 使評 價(jià)成 為 名 副其 實(shí) 的綜合評 價(jià) ， 比較 準(zhǔn) 確 地 反 映水 質(zhì) 的環(huán) 境 質(zhì) 量 ， 故優(yōu) 先選用

10、算子 M2 進(jìn)行計(jì) 算 。1 ． 2 評 價(jià) 步驟 模 糊數(shù)學(xué) 法 主要根據(jù) 已有 的環(huán) 境質(zhì) 量分 級 系統(tǒng) 和實(shí) 際數(shù)據(jù) 劃分 出級別 ， 具體 步驟 如下 ：( 1 )建 立水 質(zhì)評價(jià) 指標(biāo) 的分 級系統(tǒng) 。( 2 )根據(jù)地 面水質(zhì) 標(biāo) 準(zhǔn) 的各 級標(biāo) 準(zhǔn) 分別 建 立每 種水質(zhì) 評價(jià) 因子 相應(yīng)于 不 同水 質(zhì)級 別 的隸 屬 函數(shù) 。( 3 )將 各水 質(zhì)斷 面 的各 實(shí) 際 監(jiān)測 值 代入 相 應(yīng) 的 隸屬 函數(shù) ， 計(jì) 算

11、 隸 屬 度 得 到 相 應(yīng) 的 隸 屬 度 矩 陣 R。第一作者 ： 吳詩劍 ， 男， 1 9 7 3年生 ， 博士研究生 ， 主要從事有機(jī)分析 工作 。通訊作者 。·9 2·環(huán) 境 污 染 與 防治 第 3 2卷 第 1期 2 0 1 0年 1月淀峰 斷面年 均 水質(zhì) 為 Ⅲ類 水 。松 浦大 橋 斷 面年 均水質(zhì)在 Ⅲ～Ⅳ 類水之 間 ， 偏 Ⅳ類 。臨 江斷面年 均水 質(zhì)在Ⅲ～Ⅳ 類水之 間， 偏Ⅳ類 。南市

12、水 廠斷面年 均水 質(zhì)在Ⅳ～V類水之 間 ， 偏 Ⅳ類 。楊 浦大 橋斷 面年 均水 質(zhì)在Ⅳ～V類水之間 ， 偏 V類 。吳 淞 口斷 面 因受 長江 口水質(zhì) 的影 響 ， 水質(zhì) 比楊 浦大 橋斷 面好 一 級 ， 年 均水 質(zhì)在 Ⅲ～Ⅳ類水之 間 ， 偏 Ⅳ類 。從 模糊 評價(jià) 的數(shù) 據(jù)來 看 ， 淀峰 斷面水 質(zhì)最好 ， 楊浦大橋水質(zhì)最 差 。從黃 浦江 2 0 0 4年全年 來看 ， 水 質(zhì)基 本屬 于 Ⅲ～ Ⅳ類水 ， 偏 Ⅳ類

13、 ( 見 表 2 ) 。2 0 0 0 - 2 0 0 4年 黃 浦 江全 江水質(zhì) 呈現(xiàn) 兩頭高 、 中間低 的情 況 ， 說 明在水 環(huán)境 治 理過程 中 ， 污染 出現(xiàn) 反復(fù) 。在模糊 數(shù)學(xué) 綜合評 價(jià) 中 ，2 0 0 0年 黃 浦 江 全 江 水 質(zhì) 為 5年 來 最 差 ， 2 0 0 4年 次 之 ， 2 0 0 3年最好 。3 討 論 物指標(biāo)溶解氧 、 高錳酸鹽指數(shù)、 B O D、 氨氮、 揮發(fā)酚 、總磷 、 C O D

14、進(jìn)行相 關(guān)分 析 ， 結(jié) 果如表 3所示 。對 于 有 機(jī) 污 染 而 言 ， 反 映 其 污 染 程 度 的 指 標(biāo) 溶 解 氧 、 C O D、 B OD相 互之 間存 在極 顯 著性 相 關(guān)關(guān) 系 ， 顯 著 性水 平 都 在 P O ． 7 ， 其 中 C O D 與 B OD之 間 的 lr I 達(dá) 到 0 ． 8 1 6 ； 對 于反 映 水 體 富 營 養(yǎng) 化 的 氮 磷 污 染 ， 其 主 要 指 標(biāo) 氨氮 、 總磷 之

15、 間 的 Ir I 達(dá) 到 了 0 ． 9 3 3 ， 屬 于 高 度相 關(guān) ， 而且 氨氮 、 總 磷 與 溶解 氧 之 間 也存 在極 顯 著 性 相 關(guān) 關(guān) 系 ， 顯 著 性 水 平 均 達(dá) P< 0 ． 0 1水 平 ，lr 1 分 別 達(dá) 到 了 0 ． 8 1 9 、 0 ． 8 2 1 ， 屬 高 度 相 關(guān) 。相 比 之 下 ， 揮 發(fā) 酚 與 其 他 污 染 物 的 Ir l 稍 低 ， 屬 中度 相 關(guān) 或低

16、 度 相 關(guān) 。4 結(jié) 論 2 0 0 4 年 黃浦 江 的 6個(gè)監(jiān) 測 斷 面 中 ， 淀 峰斷 面水 為 了更 好地 了解 黃 浦 江水 質(zhì) 的污染 特 性 ， 需 要 質(zhì) 最好 ， 楊浦 大橋水 質(zhì)最 差 。2 0 0 4年全 年 黃浦 江水 深 入探討 與 了解 各污染 指標(biāo) 之 間的相互 關(guān)系 。通過 質(zhì)基本 屬 于 Ⅲ～ Ⅳ類 水 ， 偏 Ⅳ類 。2 0 0 0 -2 0 0 4年 黃 S P S S統(tǒng)計(jì) 軟件 進(jìn)行 多

17、 元統(tǒng) 計(jì) 分 析 可 以很好 地實(shí) 現(xiàn) 浦 江全 江水 質(zhì)呈 現(xiàn)兩頭 高 、 中間低 的情況 ， 說 明在 水 這 一 目標(biāo) 。環(huán)境治 理 過程 中 ， 污 染 出現(xiàn) 反 復(fù) 。通 過 S P S S統(tǒng) 計(jì) 通過 對本 次采集 的黃浦 江不 同斷 面不 同水 文期 軟件 的聚類 和相 關(guān)分 析 的結(jié)果 表 明 ， 本 研 究所 選 擇 水 體 的 7 2個(gè)不 同樣 點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn) 行處 理 ， 將 主要 的污染 的 7 項(xiàng) 污染 指標(biāo)

18、 是有代 表性 的 。表 3主要 污 染 物 之 間的 相 關(guān) 性 分 析 ”指標(biāo) 溶解氧 高錳酸鹽指數(shù) B OD s氨氮 揮發(fā)酚 總磷 C O D， 。 ． ．e皮a r爾s o遜nC相。關(guān)r r e系l a 數(shù) t i o )n1· 0 o 0一 o · 7 45一 o· 8 o6一 o· 81 9一 o · 4 z 5— 0 · 8 2一 0 ·。

19、5溶解氧 S i g ． ( 2 一 t a i l e d ) ( 雙側(cè) 檢 驗(yàn) )．OOOOOOBODsS i g ．( 2 - t a i l e d ) 00。 0000氨 氮 S i g ． ( 2 - t a i l e d ) 000‘ 000注 ： l ， **表示顯著性水平為 0 ． O 1 ， 即 P <O ． O 1 水平 ； ·表示 自己與自己檢驗(yàn) 。·9 4·( 下 轉(zhuǎn)