基于物元分析的廬山風(fēng)景名勝區(qū)水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)模型

基于物元分析的廬山風(fēng)景名勝區(qū)水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)模型

水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)是對(duì)水質(zhì)量進(jìn)行定量或定量評(píng)估和分類的基礎(chǔ)。目標(biāo)是了解水體的質(zhì)量狀況，為水資源的使用和水環(huán)境的環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)合理的方法。常用的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法有綜合指數(shù)法、因子分析法、層次分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、污染損失率法、集對(duì)分析法、模糊綜合評(píng)判法、灰色聚類法以及物元分析法等。水環(huán)境質(zhì)量的好壞是一個(gè)模糊概念,各水質(zhì)等級(jí)是模糊集合,評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)界限的明顯量化將會(huì)遺漏一些有用信息,甚至?xí)?dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論,若以單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià),其評(píng)價(jià)結(jié)果常常具有矛盾性、不確定性和不相容性。物元分析理論是由我國蔡文教授創(chuàng)立,是一種主要研究和處理不相容問題的方法,它可以將復(fù)雜的問題抽象為形象化的模型,并應(yīng)用這些模型研究基本理論,提出相應(yīng)的應(yīng)用方法。筆者以廬山風(fēng)景名勝區(qū)水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)為例,說明物元模型理論在水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用過程。1物源模型理論1.1基于物元組的程處理模型利用物元分析法可以建立事物多指標(biāo)性能參數(shù)的質(zhì)量評(píng)定模型,并能以定量的數(shù)值表示評(píng)定結(jié)果,從而能夠較完整地反映事物質(zhì)量的綜合水平,并易于用計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程處理,廣泛應(yīng)用于新產(chǎn)品構(gòu)思與設(shè)計(jì)、優(yōu)化決策、控制、識(shí)別與評(píng)價(jià)等領(lǐng)域,在理論和實(shí)踐方面發(fā)揮了重要作用。以有序三元組R=(Q,c,v)作為描述事物的基本單元,稱為物元。其中,Q表示事物;c表示Q的特征;v表示Q關(guān)于c所取得的量值。如果事物Q由n個(gè)特征c1,c2,…,cn以及相應(yīng)的量值v1,v2,…,vn來描述,則稱為n維物元,表示為:R=[Qc1v1c2v2??cnvn](1)R=??????Qc1c2?cnv1v2?vn??????(1)1.2水質(zhì)開元模型的構(gòu)建1.2.1經(jīng)典域點(diǎn)Rj=(Νj,ci,Xji)=[Νjc1Xj1c2Xj2??cnXjn]=[Νjc1(aj1,bj1)c2(aj2,bj2)??cn(ajn,bjn)](2)(i=1,2,?,n;j=1,2,?,m)Rj=(Nj,ci,Xji)=??????Njc1c2?cnXj1Xj2?Xjn??????=??????Njc1c2?cn(aj1,bj1)(aj2,bj2)?(ajn,bjn)??????(2)(i=1,2,?,n;j=1,2,?,m)式中,Nj表示所劃分的j類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn);ci表示所選定的第i個(gè)評(píng)價(jià)因子;Xji表示Nj關(guān)于ci所規(guī)定的量值范圍,稱為經(jīng)典域;bji和ɑji分別表示為第j類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中第i個(gè)評(píng)價(jià)因子各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的上限值和下限值。1.2.2c1c2apn,bpnRp=(Ρ0,ci,Xp)=[Ρ0c1Xp1c2Xp2??cnXpn]=[Ρ0c1(ap1,bp1)c2(ap2,bp2)??cn(apn,bpn)](3)(i=1,2,?,n;p=1,2,?,m)Rp=(P0,ci,Xp)=??????P0c1c2?cnXp1Xp2?Xpn??????=??????P0c1c2?cn(ap1,bp1)(ap2,bp2)?(apn,bpn)??????(3)(i=1,2,?,n;p=1,2,?,m)式中,P0表示為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的全體;Xpi表示為P0關(guān)于ci所取的量值范圍,稱為節(jié)域。1.2.3各級(jí)別設(shè)定2個(gè)月的數(shù)為2,2,nΚj(xi)={-ρ(xi,Xji)|Xji|=-ρ(xi,Xji)bji-aji(xi∈Xji)ρ(xi,Xji)ρ(xi,Xpi)-ρ(xi,Xji)(xiXji)(4)(i=1,2,?,n;j=1,2,?,m)Kj(xi)=??????ρ(xi,Xji)|Xji|=?ρ(xi,Xji)bji?aji(xi∈Xji)ρ(xi,Xji)ρ(xi,Xpi)?ρ(xi,Xji)(xiXji)(4)(i=1,2,?,n;j=1,2,?,m)式中,Kj(xi)表示各評(píng)價(jià)因子關(guān)于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)函數(shù);ρ(xi,Xji)表示點(diǎn)xi與有限區(qū)間Xji=(aji,bji)的距離;ρ(xi,Xpi)表示點(diǎn)xi與有限區(qū)間Xpi=(api,bpi)的距離;xi表示為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的實(shí)際監(jiān)測(cè)值。1.2.4i-12api+bpi—距的確定。ρ(xi,Xji)=|xi-12(aji+bji)|-12(bji-aji)ρ(xi,Xpi)=|xi-12(api+bpi)|-12(bpi-api)(5)(i=1,2,?,n;j=1,2,?,m)ρ(xi,Xji)=|xi?12(aji+bji)|?12(bji?aji)ρ(xi,Xpi)=|xi?12(api+bpi)|?12(bpi?api)(5)(i=1,2,?,n;j=1,2,?,m)1.2.5j=資源規(guī)范由于各評(píng)價(jià)因子在水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的作用不同,因而應(yīng)賦予不同的權(quán)重,其計(jì)算公式:λji=xi/sjin∑i=1(xi/sji)(6)(i=1,2,?,n;j=1,2,?,m)λji=xi/sji∑i=1n(xi/sji)(6)(i=1,2,?,n;j=1,2,?,m)式中,sji為第j評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中第i種評(píng)價(jià)因子各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的平均值。1.2.6待評(píng)對(duì)象的關(guān)聯(lián)度關(guān)聯(lián)度的數(shù)值表示評(píng)價(jià)對(duì)象符合某類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬程度,其計(jì)算公式:Κj(Ρ0)=n∑i=1λjiΚj(xi)(7)式中,Kj(P0)表示待評(píng)對(duì)象P0關(guān)于第j類評(píng)價(jià)等標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)度。1.2.7第1kjp0當(dāng)Kj(P0)≥1.0時(shí),表示被評(píng)價(jià)對(duì)象的水質(zhì)要優(yōu)于第j類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn);當(dāng)0≤Kj(P0)≤1.0時(shí),表示被評(píng)價(jià)對(duì)象的水質(zhì)符合第j類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),且數(shù)值越大,越接近標(biāo)準(zhǔn)上限值;當(dāng)-1≤Kj(P0)<0時(shí),表示被評(píng)價(jià)對(duì)象的水質(zhì)不符合第j類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),但具備轉(zhuǎn)化為第j類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的條件,且數(shù)值越大越容易轉(zhuǎn)化;當(dāng)Kj(P0)<-1時(shí),表示被評(píng)價(jià)對(duì)象的水質(zhì)不符合第j類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),且又不具備轉(zhuǎn)化為第j類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的條件。2兩湖四溝水系統(tǒng)廬山風(fēng)景名勝區(qū)是世界文化景觀遺產(chǎn),是以人文、自然景觀有機(jī)融合為主要特征、以資源保護(hù)、觀光度假、科研教育為主要功能、以山岳型為主體的國家級(jí)重點(diǎn)風(fēng)景名勝區(qū)。其水系主要包括“兩湖四溝”,“兩湖”是指蘆林湖、如琴湖,均為人工蓄水成湖;“四溝”指東谷小溪區(qū)、西谷小溪區(qū)、剪刀峽和相思河。隨著廬山旅游業(yè)不斷發(fā)展,生活污水排放量逐年增長,部分水體水質(zhì)已明顯下降,給景區(qū)水環(huán)境帶來了前所未有的壓力。為了解近年來風(fēng)景區(qū)地表水環(huán)境質(zhì)量的狀況,以2002～2006年風(fēng)景區(qū)主要水體蘆林湖、如琴湖、電站大壩、廬山會(huì)址、剪刀峽和相思河的平均監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(表1)為依據(jù),以《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)為各級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表2),應(yīng)用物元模型對(duì)水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。2.1正確處理水質(zhì)監(jiān)測(cè)值和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)由于各評(píng)價(jià)指標(biāo)量化值所在的區(qū)間不完全相同,有的評(píng)價(jià)指標(biāo)是以數(shù)值越小級(jí)別越高,如高錳酸鹽指數(shù)、BOD和TP,而DO則剛好相反。故按公式(8)先對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)值和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行歸一化處理,處理結(jié)果見表3和表4。處理后的水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)都是以數(shù)值越小級(jí)別越高。di={xix5(高錳酸鹽指數(shù)、BΟD、ΤΡ)1.0-xi-x5x1(DΟ)(8)式中,xi和di分別表示為歸一化前和后的水質(zhì)監(jiān)測(cè)值或標(biāo)準(zhǔn)值;x1和x5分別表示為Ⅰ類和Ⅴ類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。2.2高錳酸鹽指數(shù)3g根據(jù)各類地表水的水質(zhì)功能,以水質(zhì)I、II、III、IV和Ⅴ類的取值范圍作為經(jīng)典域;以各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)可能的取值范圍,即將各指標(biāo)從Ⅰ類到Ⅴ類的取值范圍確定為節(jié)域,通過公式(2)和(3),確定了廬山風(fēng)景名勝區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)的經(jīng)典域Rj及節(jié)域Rp。R1=[Ⅰ類DΟ(0.0000,0.2667)高錳酸鹽指數(shù)(0.0000,0.1333)BΟD(0.0000,0.3000)ΤΡ(0.0000,0.0500)(0.0000,0.0500)]R2=[Ⅱ類DΟ(0.2667,0.4667)高錳酸鹽指數(shù)(0.1333,0.2667)BΟD(0.3000,0.3000)ΤΡ(0.0500,0.2500)(0.0500,0.1250)]R3=[Ⅲ類DΟ(0.4667,0.6000)高錳酸鹽指數(shù)(0.2667,0.4000)BΟD(0.3000,0.4000)ΤΡ(0.2500,0.5000)(0.1250,0.2500)]R4=[Ⅳ類DΟ(0.6000,0.8667)高錳酸鹽指數(shù)(0.4000,0.6667)BΟD(0.4000,0.6000)ΤΡ(0.5000,0.7500)(0.2500,0.5000)]R5=[Ⅴ類DΟ(0.8667,1.0000)高錳酸鹽指數(shù)(0.6667,1.0000)BΟD(0.6000,1.0000)ΤΡ(0.7500,1.0000)(0.5000,1.0000)]Rp=[Ⅰ~Ⅴ類DΟ(0.0000,1.0000)高錳酸鹽指數(shù)(0.0000,1.0000)BΟD(0.0000,1.0000)ΤΡ(0.0000,1.0000)(0.0000,1.0000)]2.3各評(píng)價(jià)因子權(quán)重的確定根據(jù)公式(4)和(5)計(jì)算出評(píng)價(jià)因子在各級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下的關(guān)聯(lián)函數(shù),計(jì)算結(jié)果見表5。根據(jù)公式(6)計(jì)算出各個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重,計(jì)算結(jié)果見表6。最后根據(jù)公式(7)計(jì)算出廬山風(fēng)景名勝區(qū)各類評(píng)價(jià)水體的關(guān)聯(lián)度,計(jì)算結(jié)果見表7。2.4類水質(zhì)和云中水環(huán)境質(zhì)量的比較根據(jù)關(guān)聯(lián)度的涵義,蘆林湖的最大關(guān)聯(lián)度值為-0.0167,雖然不能完全符合Ⅲ類水質(zhì)的特征,但與Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下限較為接近,因此還是認(rèn)定其基本符合Ⅲ類水質(zhì),而且關(guān)聯(lián)度中僅次于最大值的是Ⅰ類(-0.2164),說明蘆林湖水體轉(zhuǎn)化為Ⅰ類水質(zhì)的可能性較大。同理,電站大壩和相思河的水質(zhì)基本符合Ⅳ類水質(zhì),而如琴湖和剪刀峽的水質(zhì)基本符合Ⅴ類水質(zhì)。廬山會(huì)址的最大關(guān)聯(lián)度值為0.0406,符合Ⅲ類水質(zhì),但由于數(shù)值較小,說明水環(huán)境質(zhì)量更接近于Ⅲ類水質(zhì)的下限值。由表7還可得出,如琴湖有向Ⅳ類水質(zhì)轉(zhuǎn)化的可能,電站大壩、廬山會(huì)址、剪刀峽有向Ⅲ類水質(zhì)轉(zhuǎn)化的可能,相思河有向Ⅰ類水質(zhì)轉(zhuǎn)化的可能。雖然廬山會(huì)址和相思河同被評(píng)為Ⅳ類水質(zhì),但兩者最大關(guān)聯(lián)度值電站大壩(-0.0544)>相思河(-0.1020),這就說明同為Ⅳ類水質(zhì),但電站大壩的水質(zhì)情況要優(yōu)于相思河的水質(zhì);同理,同為Ⅴ類水質(zhì),但如琴湖的水質(zhì)要優(yōu)于剪刀峽的水質(zhì)。根據(jù)物元分析方法可知,廬山風(fēng)景名勝區(qū)主要水體的水質(zhì)優(yōu)劣順序?yàn)樘J林湖>廬山會(huì)址>電站大壩>相思河>剪刀峽>如琴湖。3物元分析方法的應(yīng)用在運(yùn)用物元分析方法進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)過程中,物元理論通俗易懂,計(jì)算方法簡便,并且容易進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程。物元模型中,關(guān)聯(lián)函數(shù)可取負(fù)值,分辨能力強(qiáng),能全面分析判別待評(píng)價(jià)對(duì)象屬于某一級(jí)別的程度,從而提供更為豐富的信息,使判斷更加準(zhǔn)確,為環(huán)境決策提供較為可靠的科學(xué)依據(jù),并為該領(lǐng)域的評(píng)價(jià)方法提供了新的思路。但應(yīng)用該方法時(shí),經(jīng)典域、節(jié)域量值范圍的確定、關(guān)聯(lián)函數(shù)的選取等問題都有待