蘆云峰,譚德寶,王學(xué)雷(1.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室,武漢40079;.長江科學(xué)院空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所,武漢40010;.中國科學(xué)院測量與地球物理研究所,武漢40077)

基于灰色模式識別模型的洪湖水質(zhì)評價初探

蘆云峰1,2,譚德寶2,王學(xué)雷3
(1.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室,武漢430079;2.長江科學(xué)院空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所,武漢430010;3.中國科學(xué)院測量與地球物理研究所,武漢430077)

根據(jù)洪湖近期水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)資料,采用灰色模式識別模型方法對洪湖水質(zhì)進(jìn)行了分析評價,并利用軟件surfer8.0生成洪湖不同季節(jié)的水質(zhì)綜合指數(shù)等值線圖進(jìn)行空間分異特征分析,結(jié)果表明:洪湖水質(zhì)介于3～4級水之間,秋季水質(zhì)較好,春季水質(zhì)最差,水質(zhì)隨季節(jié)變化較大,湖內(nèi)圍網(wǎng)區(qū)域和進(jìn)出水口區(qū)域之間水質(zhì)差別較大。

洪湖;灰色模式識別模型;水質(zhì)綜合指數(shù);水質(zhì)評價

洪湖是沿湖15萬多人的分散式飲用水源和近12 000 hm2農(nóng)田的農(nóng)業(yè)灌溉水源,也是洪湖市的重要水產(chǎn)養(yǎng)殖基地。洪湖水質(zhì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到周邊地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的提高,因此,對洪湖水體進(jìn)行監(jiān)測和評價就顯得尤為重要。

水環(huán)境系統(tǒng)是一個多因素耦合的復(fù)雜系統(tǒng),由于各因素間的關(guān)系錯綜復(fù)雜,決定了系統(tǒng)的不確定性。從信息論角度看,將處理系統(tǒng)不確定性問題的灰色系統(tǒng)理論應(yīng)用于水質(zhì)評價是一個新的發(fā)展方向。文獻(xiàn)[1～2]提出了水環(huán)境質(zhì)量灰色關(guān)聯(lián)度評價方法,但用灰色關(guān)聯(lián)度確定水質(zhì)級別存在以下不足:一是由于受關(guān)聯(lián)系數(shù)兩級級差的影響,灰色關(guān)聯(lián)度評價值趨于均化,分辨率較低,不易區(qū)分兩級別間的差異;二是劃歸同一水質(zhì)級別的不同水體樣本污染程度的高低難以精確地區(qū)分。因此,本文采用一種新的水質(zhì)綜合評價模型:灰色模式識別模型[3～6],該模型在灰色關(guān)聯(lián)度的基礎(chǔ)上引入加權(quán)關(guān)聯(lián)差異度的概念,采用模糊識別的思想解出最優(yōu)權(quán)系數(shù)——灰色從屬度,最后利用綜合指數(shù)法求出水質(zhì)綜合指數(shù)。該模型克服了灰色關(guān)聯(lián)度方法評價結(jié)果趨于均化而分辨率低的缺點,且能夠更精確地反映污染程度的高低。運用該模型,結(jié)合洪湖近期水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),計算出洪湖各監(jiān)測點不同季節(jié)的水質(zhì)綜合指數(shù),并生成洪湖不同季節(jié)的水質(zhì)綜合指數(shù)等值線圖,最后進(jìn)行了分析和評價。

圖1 洪湖水質(zhì)監(jiān)測點位置示意圖Fig.1 The sketch map of Honghu Lake water quality monitoring points

1 洪湖水質(zhì)監(jiān)測

中國科學(xué)院測量與地球物理研究所在洪湖地區(qū)設(shè)立了10個取樣位(見圖1),其中監(jiān)測點10,3位于進(jìn)水口附近,監(jiān)測點1,4位于出水口附近,監(jiān)測點5,6,7,8位于湖內(nèi)圍網(wǎng)密集區(qū)域,對以上10個監(jiān)測點進(jìn)行了特定的季節(jié)性定點取樣分析。由于洪湖水體污染源主要來自湖區(qū)圍墾養(yǎng)殖投放的大量魚餌和周邊工農(nóng)業(yè)廢水,所以洪湖水質(zhì)的污染主要是氮、磷及有機物的累積導(dǎo)致的富營養(yǎng)化,因此主要選取p H值、溶解氧、化學(xué)耗氧量、NH4N、NO2N、NO3N、TN和TP 8個反映水體富營養(yǎng)化程度的典型因子來評價其水質(zhì)。評價標(biāo)準(zhǔn)采用中國環(huán)保局《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3838——2002》。

2 水質(zhì)評價灰色模式識別模型

(1)設(shè)有待分級評價的n個水質(zhì)監(jiān)測樣本,每個樣本有m項污染指標(biāo)監(jiān)測值X,根據(jù)國家規(guī)定的m項指標(biāo)評價等級數(shù)c和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度值S,得到水質(zhì)監(jiān)測濃度矩陣(1)和國家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度矩陣(2)。

式中:xij為污染指標(biāo)監(jiān)測值;sit為相應(yīng)的國家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度值;t為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)級別;i=1,2,…,m;t= 1,2,…,5;j=1,2,…,n。

(2)對數(shù)據(jù)做歸一化處理。對于越大越優(yōu)的指標(biāo)如DO,用

(3)將第j個水體監(jiān)測樣本向量aj(,…,),j=1,2,…,n取為參考序列,對于固定的j,將c級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)向量bj=,…),t= 1,2,…,5分別組成被比較序列,進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析計算,則aj與bt第i個指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)表示為

式中ρ為分辨系數(shù),0＜ρ＜1,通常取ρ=0.5。

(4)aj與bj的關(guān)聯(lián)程度則定義為ξi(aj,bt)的面積測度,即關(guān)聯(lián)度,記

(5)為了進(jìn)一步提高評價決策的分辨率,引入關(guān)聯(lián)差異度的概念,待評價水體樣本aj與第t級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的加權(quán)關(guān)聯(lián)差異度為

其中,權(quán)系數(shù)ujt與模糊數(shù)學(xué)中模糊隸屬度的概念類似,這里定義為第j個水體樣本從屬于第t級水的灰色從屬度。滿足以下條件1,j=1,2,…,n,且0,t=1,2,…,5,采用模糊識別的思想,解出最優(yōu)灰色從屬度ujt。

(6)為了更真實地評價水體水質(zhì),進(jìn)一步引入水質(zhì)評價灰色識別模式的綜合指數(shù)

式中:GC為水質(zhì)評價灰色識別模式的綜合指數(shù),t為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)級別,t=1,2,…,5。

根據(jù)t的取值范圍可知,GC的取值在1～5之間,最小值為1,最大值為5。只有當(dāng)各指標(biāo)都達(dá)到一級水要求時,GC=1;當(dāng)所有指標(biāo)都超過或等于5級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時,GC=5,其余情況,1＜GC＜5。

3 計算結(jié)果及分析評價

3.1 計算結(jié)果及制圖

根據(jù)洪湖近期春夏秋冬四季水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),利用灰色模式識別模型可以計算出相應(yīng)的洪湖水質(zhì)灰色識別模式的綜合指數(shù),見表1。

表1 洪湖四季各監(jiān)測點水質(zhì)綜合指數(shù)(20世紀(jì)90年代中后期)Table 1 The water quality comprehensive indexes of Honghu Lake's all monitoring points in different seasons

利用軟件surfer8.0生成春、夏、秋、冬四季洪湖水質(zhì)綜合指數(shù)等值線圖,見圖2至圖5。

圖2 洪湖春季水質(zhì)綜合指數(shù)等值線圖Fig.2 The water quality comprehensive index isolines of Honghu Lake in spring

圖3 洪湖夏季水質(zhì)綜合指數(shù)等值線圖Fig.3 The water quality comprehensive index isolines of Honghu Lake in summer

圖4 洪湖秋季水質(zhì)綜合指數(shù)等值線圖Fig.4 The water quality comprehensive index isolines of Honghu Lake in autumn

圖5 洪湖冬季水質(zhì)綜合指數(shù)等值線圖Fig.5 The water quality comprehensive index isolines of Honghu Lake in winter

圖6 洪湖各監(jiān)測點四季水質(zhì)綜合指數(shù)變化過程Fig.6 The change process of the Honghu Lake’s water quality Comprehensive indexes in different seasons

3.2 洪湖水質(zhì)綜合分析與評價

由表1可知:洪湖各監(jiān)測點水質(zhì)綜合指數(shù)位于2.944 5～4.640 2之間,說明洪湖水質(zhì)屬于3～4級水。秋季除監(jiān)測點10,4因受農(nóng)業(yè)排水污染水質(zhì)較差外,其他各點水質(zhì)較好。原因:一是在春夏季洪湖水生植物大量繁殖生長,洪湖水生植物在生長過程中能夠不斷地吸附、吸收、分解水中的營養(yǎng)鹽和污染物,使水質(zhì)得到凈化,到秋季時水中總磷和總氮含量大幅下降;二是汛期大量的降雨和頻繁的水交換也對湖水起到稀釋凈化作用。春季水質(zhì)最差,是由于一方面秋冬季水生植物的大量死亡腐爛,而在春季水生植物才剛開始繁殖生長,還未大量吸收、分解水中營養(yǎng)物質(zhì),導(dǎo)致總氮和總磷含量較高;另一方面菹草的大量生長也使pH值增加到一年中的最大值。

從圖6可以看出,在同一季節(jié)洪湖水質(zhì)各監(jiān)測點水質(zhì)綜合指數(shù)差異較大,說明洪湖水交換過程緩慢,導(dǎo)致不同區(qū)域間水質(zhì)差別較大,主要原因是洪湖是一個半封閉型淺水湖泊,水生植物生長又很旺盛,大量的水生植物對水交換過程產(chǎn)生阻礙作用,導(dǎo)致洪湖難以形成一定程度的湖流。在不同季節(jié),監(jiān)測點10,1,3,4,9由于位于進(jìn)出水口區(qū)域附近,受客水影響水交換頻繁,水質(zhì)綜合指數(shù)變化較大。而監(jiān)測點2,5,6,7,8由于位于湖中心主要受氣溫、降水和水生植物生長狀況影響,水質(zhì)綜合指數(shù)變化相對小一些。

3.3 洪湖水質(zhì)的空間分異特征分析

圖2至圖5繪出了洪湖春夏秋冬四季水質(zhì)綜合指數(shù)等值線圖,反映了洪湖水質(zhì)空間分異狀況。監(jiān)測點5,6,7,8,9附近區(qū)域在春夏冬季水質(zhì)較差,水質(zhì)綜合指數(shù)等值線形成封閉區(qū)。主要原因是該區(qū)圍網(wǎng)密集,圍網(wǎng)養(yǎng)殖投放的大量餌料除部分直接為魚類攝取外,部分未利用餌料及魚類排泄物加速了湖水富營養(yǎng)化。另外,漁民日常生活垃圾、漁業(yè)機械漏油及廢燃料傾倒入湖加劇了該區(qū)湖水的污染[7,8]。監(jiān)測點10和3位于進(jìn)水口附近,除夏季汛期接納流域大量來水,湖水得到稀釋水質(zhì)偏好外,其他季節(jié)應(yīng)接納的客水多為農(nóng)業(yè)排水和居民日常生活廢水水質(zhì)均較差。監(jiān)測點1,4位于出水口附近,水交換頻繁,全年大部分時間水質(zhì)較好。由于洪湖水交換緩慢,從圖2至圖5可以看出在處于進(jìn)出水口附近的監(jiān)測點10,1,3,4和湖內(nèi)監(jiān)測點5,2,6, 7,8,9之間等值線往往比較密集,說明水質(zhì)變化較大。

4 結(jié)論

通過運用灰色模式識別模型計算出洪湖不同監(jiān)測點的水質(zhì)綜合指數(shù),生成水質(zhì)綜合指數(shù)等值線圖,使對洪湖水質(zhì)的評價分析由一維空間擴展到二維空間。在對洪湖水質(zhì)進(jìn)行評價時,可以使評價結(jié)果具有連續(xù)性和可比性,能夠更精確地反映各監(jiān)測點水質(zhì)污染程度的高低狀況,同時可以形象直觀地反映出洪湖水質(zhì)的空間分異規(guī)律,便于綜合比較分析各監(jiān)測點水質(zhì)差異情況。通過分析比較,得到洪湖水質(zhì)評價結(jié)果如下:洪湖水質(zhì)介于3～4級水之間,秋季水質(zhì)較好,春季水質(zhì)最差;受水生植物生長狀況和氣溫等影響,水質(zhì)季節(jié)變化較大;受水交換過程緩慢、圍網(wǎng)養(yǎng)殖和進(jìn)出口水交換等影響,湖內(nèi)圍網(wǎng)區(qū)域和進(jìn)出水口區(qū)域之間水質(zhì)差別較大。

[1]楊繼東,侯曉軍.灰色關(guān)聯(lián)分析在環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用[J].環(huán)境工程,1993,11(3):27-31.

[2]夏軍.區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量灰關(guān)聯(lián)評價方法研究[J].水文,1995,15(2):4-11.

[3]史曉新,夏軍.水環(huán)境質(zhì)量評價灰色模式識別模型及應(yīng)用[J].中國環(huán)境科學(xué),1997,17(2):127-130.

[4]鄒曉雯.水質(zhì)評價的灰色關(guān)聯(lián)度方法[J].水資源保護(hù),1994,(3):11-16.

[5]鄧聚龍.灰色控制系統(tǒng)[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1985.

[6]陳守煜.系統(tǒng)模糊決策理論與應(yīng)用[M].大連:理工大學(xué)出版社,1994.

[7]陳宜瑜,蔡述明,楊漢東,等.洪湖水生生物及其資源開發(fā)[M].北京:科學(xué)出版社,1995.

[8]楊漢東,蔡述明.洪湖生態(tài)環(huán)境的化學(xué)結(jié)構(gòu)[J].生態(tài)學(xué)報,1995,15(4):392-397.

(編輯:周曉雁)

Assessment of Water Quality by Grey-mode Identification Model in Honghu Lake

LU Yun-feng1,2,TAN De-bao2,WANG Xue-lei3
(1.State Key Laboratory of Information Engineering in Survey,Mapping and Remote Sensing,Wuhan University,Wuhan 430079,China;2.Spatial Information Technology Application Research Institute, Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China;3.Institute of Geodesy and Geophysics,Chinese Academy of Science,Wuhan 430077,China)

On the basis of the monitoring data of water quality during the period of 1990s,this paper presents the assessment of water quality in Honghu Lake by the grey-mode identification model.And the water quality comprehensive index isolines of Honghu Lake’s different seasons are drawn by applying the surfer8.0 software. From the isolines,it can analyze the spatial distribution features of water quality in Honghu Lake.The research results indicate that the water quality of Honghu Lake remains between the grade 3-4 in criterion of surface water and in mesotrophic state.In autumn,the water quality of Honghu Lake is better,but in spring it is the worst.And in different seasons,it changes greatly.The difference of water quality between fish-screen regions and intake-outlet water areas is very obvious.

Honghu Lake;grey-mode identification model;comprehensive index of water quality;assessment of water quality

S157.2

A

1001-5485(2009)05-0058-04

2008-06-24;

2009-01-13

國家自然科學(xué)基金資助項目(49871071)

蘆云峰(1974-),男,湖北棗陽人,工程師,在職博士研究生,主要從事資源環(huán)境、濕地生態(tài)與GIS的結(jié)合應(yīng)用研究,(電話)027-62383329(電子信箱)06fengyun@163.com。