1、 本科毕业设计 （ 20 届） 模糊综合评价在海洋环境影响评价中的应用 所在学院 专业班级 数学与应用数学 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 【 摘要 】 海洋环境影响评价中，涉及到大量的复杂现象和多种因素的相互作用，而且评价中存在大量的模糊现象和模糊概念。而模 糊综合评价是以模糊数学为基础，应用模糊关系合成的原理，将一些边界不清，不易定量的因素定量化，进行综合评价的一种方法。本文以温州附近某海域为例，运用模糊综合评价的方法，依据海水水质标准 GB 3097-1997将水质分为四类，对溶解氧、化学需氧量、磷酸盐等 12 个评价指标，选取适当的隶属函数，分别应用污染最
2、大权重最大和熵权赋值法求得权重，再以加权平均模糊合成算子求得结果，小潮期的数值分别为 3.6606及 1.1096，综合评价出该海域水质属于水质分类中的第四类，但偏向于第三类，即适用于作为海洋开发作业区、一般工 业区及滨海风景旅游区。 【 关键词 】 模糊综合评价；海洋环境；熵权赋值法；加权平均 。 Abstract 【 ABSTRACT】 Marine environmental impact assessment involves a large number of complex phenomena and the interaction of many factors, and the
3、re are a lot of fuzzy phenomenon and fuzzy concepts in evaluation. The fuzzy comprehensive evaluation is a method of comprehensive evaluation, based on fuzzy mathematics, using fuzzy relationship between the principle of synthesis, quantifying factors ill-defined and not easily quantifiable. In this
4、 paper, I take a certain area near Wenzhou for example. I also use fuzzy comprehensive evaluation method. We will divide water quality into four categories based on “Water Quality Standard of GB 3097-1997 “ . Then I contain evaluation of 12 indicators like dissolved oxygen, COD, phosphate and select
5、 the appropriate membership functions and respect the maximum weight by Pollution largest and entropy obtained by assigning weights. At last I work out that the values of neap tide period are 3.6606 and 1.1096, and comprehensive evaluation of the quality of the marine water quality is classified in
6、the fourth category, but the bias in the third category, namely for the development work area as a marine, general industrial areas and the coastal tourist area. 【 KEYWORDS】 Fuzzy comprehensive evaluation; The marine environment; The entropy assignment method; The weighted average。 II 目 录 摘 要 . I Ab
7、stract . I 目 录 . II 1 引言 .1 2 模糊综合评价 .2 2.1 模糊综合评价方法简介 .2 2.2 模糊综合评价一般步骤 .2 3 确定影响海洋环境的因素 .5 4 某海域环境影响评价案例 .7 4.1 确定指标集 .7 4.2 确定评价集 .8 4.3 进行单因素评价，建立模糊关系矩阵 R .9 4.4 确定评价因素的模糊权向量 . 10 4.4.1 污染最大权重最大原则确定权重 . 10 4.4.2 熵权赋值法求权重 . 11 4.5 利用加权平均模糊合成算子求得模糊综合评价结果向量 B . 11 4.5.1 由“污染最大权重最大原则确定权重”组数据得到的结果 B
8、. 12 4.5.2 由“熵权赋值法求权重”组数据得到的结果 B . 12 5 分析与总结 . 13 5.1 分析评价结果 . 13 5.2 总结 . 14 参考文献 . 15 致谢 . 错误 !未定义书签。 1 1 引言 海洋是生命的摇篮，也是人类社会可持续发展的宝贵财富。随着经济的发展、技术的进步，人们对海洋的研究和利用也越来越深入。尤其是 20 世纪 70 年代以来，人们开发海洋食物资源以寻找新的经济利用对象，发展人工养殖事业；从海底开采石油、天然气、煤、铁、锰等多种金属及砂矿来满足人们日益增长的能源需求；利用海水淡化从中提取氯、钠、镁等化学元素和放射性元素。这些开发利用海洋的过程中同时
9、产生了海洋污染问题。在倡导科学发展的今天，如何合理利用海洋资源，保护海洋环境已经是刻不 容缓的重要课题。在开发海洋、治理污染的过程中，我们需要有量化的指标来衡量海洋环境以帮助人们更好的开展工作，即需要海洋环境影响评价。 目前，对海洋环境影响评价主要采取定性和定量结合的方法，例如图形叠置法、生态机理分析法、类比法、列表清单法、质量指标法、景观生态学法、系统分析法等。这些方法中，对涉及海洋环境大量复杂现象和多种因素复合作用，及存在的模糊现象和模糊概念都无法进行定量化处理。无法定量处理，会使评价结果出现偏差，可靠性降低。 自 20 世纪 80 年代起，运用模糊集理论进行海水水质评价逐渐受到重视。在海
10、水质量模 糊评价中，研究的重点主要是集中在实测数据标准化方法、权重的确定及所用模糊运算法则 3 个方面。实测数据标准化方法主要为降半梯形隶属函数，近年来为简化隶属函数计算方法 1,2，或直接采用线性内插求得评价对象与各评价指标之间的相对隶属度 3。权重的确定方式主要有超标倍数法 2,4、层次分析法 5和熵权赋值法 6,7。模糊运算法则最常用的为 ，M 模糊算子；其他比较常用的用广义加权距离 8模糊评价，最近出现的还用海明距离 9模糊综合评价方法。 本文主要 采用隶属函数法求出隶属度；分别采用污染最大权重最大 10、熵权赋值法 11求得各个指标权重；利用加权平均模糊合成算子 ，M 求出评价结果；
11、最后运用加权平均原则求隶属等级方法 12对评价结果进行分析。 2 2 模糊综合评价 2.1 模糊综合评价方法简介 模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评标方法。改种方法是根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价。 模糊综合评价法的最显著特点是：一、相互比较。 以最优的评价因素值为基准，其余欠优的评价因素依据欠优的程度得到响应的评价值。二、可以依据各类评价因素的特征，确定评价值与评价因素值之间的函数关系，即：隶属度函数。影响海洋环境的各个因素可以有重点地选择，科学地确定评价值与评价因素值之间的函数关系以及合理地确定评价因素的
12、权重。 2.2 模糊综合评价一般步骤 模糊综合评价是通过构造不同等级模糊子集把反映被评事物的模糊指标进行量化（即确定隶属度），然后利用模糊变换原理对各指标进行综合 , 一般需要如下步骤 10,13,14： (1) 确定评价对象的因素论域 即 p 个评价指标， puuuu , 21 。 (2) 确定评语等级论域 mvvvv , 21 ，即等级集合 ,每一个等级可对应一个模糊子集。 (3) 进行单因素评价，建立模糊关系矩阵 R 在构造了等级模糊子集后，要逐个对被评事物从每个因素 ),2,1(u pii 上进行量化，即确定从单因素 来看被评事物对各等级模糊子集的隶属度 iuR 进而得到模糊关系矩阵：
13、 mppmppmmprrrrrrrrruRuRuRR21222211121121（式 2.1） 矩阵 R 中第 i 行第 j 列元素 ijr 表示某个被评事物从因素 iu 来看对 jv 等级模糊子集的隶属度。一个被评事物在某个因素 iu 方面的表现是通过模糊向量 iuR = imii rrr , 21 来刻画的，而在其他评价方法中多是由一个指标实际值来刻画的。因此，从这个角度讲模糊综合评价要求更多的信息。 (4) 确定评价因素的模糊权向量 A = paaa , 21 在模糊综合评价 中，权向量 A 中的元素 ia 本质上是因素 iu 对模糊子集 对被3 评事物重要的因素 的隶属度，因而一般用模
14、糊方法来确定，并且在合成之前要归一化。即： 11 pi ia 0ia ni ,2,1 。 （式 2.2） (5) 利用合适的算子将 A 与各被评事物的 R 进行合成得到各被评事物的模糊模糊综合评价结果向量 B ，即： A R = paa ,a 21 pmppmmrrrrrrrrr212222111211= mbbb , 21 =B （式 2.3） 其中 jb 是由 A 与 R 的第 j 列运算得到的，它表示被评事物从整体上看对 jv 等级模糊子集的隶属程度。 (6) 对模糊综合评价结果向量进行分析 实际中最常用的方法是最大隶属度原则，但在 某些情况下使用会有些很勉强，损失信息很多，甚至得出不合
15、理的评价结果。本文决定使用加权平均隶属等级的模糊合成运算法则来减小最大隶属度原则的信息失真。 4 5 3 确定影响海洋环境的因素 影响海洋环境的因素有很多，笔者根据中华人民共和国国家标准中的海水水质标准 GB 3097-1997和某海域取得的各因素测量数据及其可处理性，选取了以下 12 个指标来作为本文所述的影响海洋环境的因素： (1)溶解氧：溶解于水中的分子态氧称为溶解氧，通常记作 DO，用每升水里氧气的毫克数表示。海水中溶解氧的存在，为海 洋生物提供了生存的环境。不只如此 ,在富氧的海水中 ,形成一个氧化环境，使水体中一些变价元素处于氧化态。 (2) 化学需氧量（ COD）：是在一定的条件
16、下，采用一定的强氧化剂处理水样时，所消耗的氧化剂量。它是表示水中还原性物质多少的一个指标。化学需氧量越大，说明水体受有机物的污染越严重。 (3) 磷酸盐：水质中部分磷酸盐来源于动植物体内所含磷质 ,经过分解与氧化作用 ,最后生成磷酸盐。有时少量磷酸盐也来源于岩石及砂上中 ,大量磷酸盐来源于生活污水及工业废水以及土壤中。浮游藻类等水生生物生长繁盛的地面水 ,都含有多量的磷酸 盐。磷酸盐有时也微量地存在于地下水中。 (4) 无机氮：是指植物、土壤和肥料中未与碳结合的含氮物质的总称。主要有铵态氮、硝态氮和亚硝态氮等。水中的无机氮大部分是随着河流带入的。海水中无机氮浓度不是越高越好。 (5) 非离子氨
17、：非离子氨这个重要参数， 目的是用来保护水生物。计算过程中须将总氨含量换算成相同条件下非离子氨的含量，以判别是否超标。 (6) 石油类：水中的矿物油来自工业废水和生活污水的污染。工业废水中的石油类污染物主要来自原油的开采、加工和运输以及各种炼制油的使用部门。矿物性碳氢化合物，漂浮于水体表 面，将影响空气与水体界面氧的交换。 (7) 铜：铜是一种分布很广的微量元素，地壳中平均丰度为 5 kgmg/ 。天然水中铜的含量很低，高浓度的铜通常由铜管道腐蚀、工业废水及农药的混入、水库用硫酸铜灭藻造成。较高浓度铜对生物体有毒，水中铜超过 1 L/mg 时，可使鱼类全部死亡。海草及软体动物对铜特别敏感，它们
18、的饮水安全浓度低于 10 Lg/ 。 (8) 铅：铅主要来源于汽油燃烧产生的废气，含铅涂料，采矿、冶炼、铸 造等工业生产活动等。铅及其化合物是一种不可降解的环境污染物，性质稳定，可通过废水、废气、废渣大量流入环境，产生污染，危害人体健康。铅对机体的损伤呈多系统性、多器官性，包括对骨髓造血系统、神经系统、消化系统及其他系统的毒害作用。作为中枢神经系统毒物，铅对儿童健康和智能的危害更为严重。 6 (9) 镉：水体中镉的污染主要来自地表径流和工业废水。硫铁矿石制取硫酸和由磷矿石制取磷肥时排出的废水中含镉较高，大气中的铅锌矿以及有色金属冶炼、燃烧、塑料制品的焚烧形成的镉颗粒都可能进入水中。镉是炼锌业的
19、副产品，主要用在电池、染 料或塑胶稳定剂，它比其他重金属更容易被农作物所吸附。相当数量的镉通过废气、废水、废渣排入环境，会造成污染。污染源主要是铅锌矿以及有色金属冶炼、电镀和用镉化合物作原料或触媒的工厂。 (10) 锌：锌是微生物、动、植物等所有生物的必需的微量元素，被人们誉为“生命之花”。锌也是人体内许多金属酶的组成成分或酶的激活剂。水中含锌超过 5.0 L/mg 时有涩味，并产生乳白色浑浊，煮沸则形成薄膜。我国海水水质标准中将锌的标准值定为 0.5 L/mg 。 (11) 汞：汞俗称“水银”，在室温下，它是唯一的一种液态金属。这种银白色的液体很容易蒸 发，变成无色、无味的蒸汽。在环境中，汞
20、不能降解成毒性较小的物质，它以元素汞 、有机物、无机盐的形态存在着。在有机汞中，甲基汞是对人类和动物的影响最为重大的一类。在有机体内， 90%的甲基汞都会被储存下来。于是在食物链中，每高一个等级的动物就 会吸收更高浓度的甲基汞。随着人类食用鱼、虾、蟹、贝，甲基汞在人体内也逐渐富 集，最终可能导致中毒。 (12) 砷：在自然界中分布很广，在矿物、食物、水、泥土以及人体中都含有一定量的砷， 它有灰、黄、黑三种同素异性体。大多数砷酸盐易溶于水。砷在自然界中不单独存在，一般以雄黄、雌黄、砷黄铁矿等硫化物形式存在。环境中砷化物的主要污染源有含砷矿石的开采和冶炼过程排出的三废；含砷农药的使用；含砷染料的生
21、产和使用；皮毛、木材、玻璃、造纸等生产中排出的废水。进入人体和动物体内砷化合物其中毒作用主要是砷与细胞酶蛋白的琉基结合。砷有致癌作用，接触砷的人常有肺癌和皮肤癌发生。对鱼类生物来说，砷化物不仅有毒性作用，而且在其器官中有累积作用。当质量浓度为 1-2 L/mg ，鱼类 即可产生中毒，质量浓度在 0.43 L/mg 时，能使生物化学需氧量减少 l0。 7 4 某海域环境影响评价案例 本文以某海域水质来反映海洋环境，所以海洋环境的影响因素就自然过渡到海水水质的影响因素上。根据取得的某海域小潮期和大潮期各因素检测值，利用模糊综合评价的方法来对这两个时期的海水水质进行比较，完成后再进行分析，试找出原因
22、。 4.1 确定指标集 评价指标是指评价对象的因素，由上文提到的根据中华人民共和国国家标准中的海水水质标准 GB 3097-1997及主要影响某海 域的水质设置了 12 个指标。 (1)溶解氧 1x ； (2)化学需氧量（ COD） 2x ； (3)磷酸盐 3x ； (4)无机氮 4x ； (5)非离子氨 5x ； (6)石油类 6x ； (7)铜 7x ； (8)铅 8x ； (9)镉 9x ； (10)锌 10x ； (11)汞 11x ； (12)砷 12x 。 各评价指标的量化值所在区间完全不同，有的指标是以数值小为优（ 2x 12x ），有的则恰恰相反（ 1x ）。设评价对象集为：
23、Y NiYi ,3,2,1 ； ix 表示第 i 个时期；设评判指标集为：u = 1221 , xxx ； jX 表示第 j 种水质评价指标，详见表 1。 表 1 水质调查结果统计表 Lmg/ 项目 小潮期 大潮期 溶解氧 1x 7.47 8.19 化学需氧量（ COD） 2x 1.03 0.79 磷酸盐 3x 0.042 0.037 无机氮 4x 0.909 0.864 非离子氨 5x 0.0012 0.0013 石油类 6x 0.06 0.16 铜 7x 0.0021 0.0013 铅 8x 0.001 0.0007 镉 9x 0.000083 0.000037 锌 10x 0.02 0.017
