基于GIS的城市景观水水质可变模糊评价_马建琴

第29卷第8期2011年8月水电能源科学WaterResourcesandPowerVol.29No.8Aug.2011文章编号:1000-7709(2011)08-0018-03基于GIS的城市景观水水质可变模糊评价马建琴1,郭晶晶2,刘晓洁3(1.华北水利水电学院水利学院,河南郑州450011;2.天津龙网科技发展有限公司,天津300181;3.中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101)摘要:针对水质评价复杂性、不确定性及现有评价方法的不足,以GIS为平台,提出了基于可变模糊集理论的景观水水质综合评价模型,并以郑州市如意湖人工湿地系统景观水为例,对水质及其空间分布状况进行了评价。结果表明,该方法可行、实用,能为非常规水利用的推广和安全评价提供理论依据和决策参考。关键词:地理信息系统(GIS);可变模糊集;水质评价;综合评价;景观水中图分类号:X824;X703.1文献标志码:A收稿日期:2011-01-14,修回日期:2011-03-23基金项目:“948”基金资助项目(201047);国家自然科学基金资助项目(41071025);河南省2006年骨干教师基金资助项目;华北水利水电学院高层次人才启动基金资助项目(200514);2009年度河南省教育厅自然科学研究基金资助项目(2009A170004)作者简介:马建琴(1973-),女,教授,研究方向为农业水资源可持续利用、区域水资源优化配置、水环境等,E-mail:majianqin@ncwu.edu.cn水质评价涉及影响因子较多,由于水质影响因子的不确定性和模糊性,因而模糊数学方法被广泛应用于水质评价中。徐晓云等[1]将模糊综合评价法应用于京杭运河杭州段的水质评价;周维博等[2]采用模糊模式识别方法对塔里木河水质做出评价,将相对隶属度应用于河流水质模糊评价;张欣等[3]将模糊综合评判方法应用于双台子河口湿地水质评价中;这些研究均取得了较满意的结果,但在一定时空条件组合下模糊概念常具有相对性或动态可变性[4],以往的模糊集合理论已不能满足水质综合评价的要求,而可变模糊理论[4]可较好地解决这一问题。鉴此,本文构建了基于可变模糊理论的城市水质可变模糊评价模型,并以郑州市景观水水质为例进行综合评价。为形成直观、易于操作的水质评价系统,基于GIS平台[5],对城市水质可变模糊评价模型的评价结果进行了可视化处理。城市水质可变模糊评价模型步骤1设已知水质样本x的特性可由m个特征向量(评价指标)表示,即X=(x1,x2,…,xm)。每个评价指标的水质识别标准划分为n个级别,其标准值用区间表示,构成m个指标n个级别的标准值区间矩阵:Iab=aih,bih(1)其中i=1,2,…,m;h=1,2,…,n式中,[aih,bih]为第i个指标的第h个级别的标准值区间。步骤2根据区间矩阵Iab构造变动区间的范围值矩阵:Icd=cih,dih(2)步骤3根据水质指标各级别的实际情况确定评价吸引域[aih,bih]中DA-(xi)h=1的点值Mih的矩阵M。xi为区间Icd内任意点,点xi、Mih和区间Iab、Icd的位置见图1。图1点xi、Mih和区间Iab、Icd的位置关系Fig.1Positionrelationshipofpointxi,MihandintervalIabandIcd(1)当xi落入Mih点右侧时,点xi对等级h的相对差异度函数[6]为:DA-(xi)h=(xi-bih)/(Mih-bih)βxi∈Mih,bih-(xi-bih)/(dih-bih)βxi∈bih,dih(3)(2)当xi落入Mih点左侧时,点xi对等级h的相对差异度函数为:DA-(xi)h=(xi-aih)/(Mih-aih)βxi∈aih,Mih-(xi-aih)/(cih-aih)βxi∈cih,aih(4)第29卷第8期马建琴等:基于GIS的城市景观水水质可变模糊评价式中,β为非负指数,一般取β=1。步骤4样本x的指标i对级别h的相对隶属度为:μA-xih=1+DA-xih/2xi∈cih,dih0xicih,dih(5)步骤5设各指标权重ω=ω1,ω2,…,ωm,则样本x对级别h的非归一化综合相对隶属度为:μ′h=11+∑mi=1ωi1-μA-xihp∑mi=1(ωiμA-xih)pαp(6)式中,p为距离参数,p=1时为海明距离,p=2时为欧氏距离;α为优化准则参数,α=1时为最小一乘方准则,α=2时为最小二乘方准则。步骤6样本x的评价等级为:H=∑nh=1μhh(7)其中μh=μ′h∑nh=1μ′h实例以郑州市如意湖湿地公园为例,该中水处理系统位于郑州市郑东新区,日处理水量约10000m3,最大日处理量可达到20000m3,是目前全国城市生态湿地水体处理系统中水处理能力最大的人工湿地工