(深圳市羅湖區(qū)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，深圳 518000)

本研究利用近10年來(lái)深圳近岸海域水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用灰色聚類法對(duì)深圳海域水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，探討水質(zhì)時(shí)空變化特征，分析其發(fā)展變化趨勢(shì)，以期為深圳海域的環(huán)境保護(hù)及污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 水質(zhì)灰色聚類法綜合評(píng)價(jià)

當(dāng)前應(yīng)用于海域水環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法主要是指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)法，但綜合指數(shù)法權(quán)重的確定過(guò)于主觀化和經(jīng)驗(yàn)化，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果的不穩(wěn)定。模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判方法，信息遺失較多，評(píng)價(jià)結(jié)果無(wú)法獲取同一類別的水質(zhì)優(yōu)劣信息，并受到模糊算子的影響較大[1]。而灰色系統(tǒng)理論正是以“部分信息已知，部分信息未知”的“小樣本”、“貧信息”為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)“部分”已知信息的生成、開(kāi)發(fā)，提取有價(jià)值的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律的正確描述和有效控制[2]。灰色聚類法在水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用是根據(jù)灰數(shù)的白化權(quán)函數(shù)將海水水質(zhì)實(shí)測(cè)指標(biāo)聚集成可定義的海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的方法，信息利用率較高，結(jié)果分辨率較好，評(píng)價(jià)結(jié)果也更趨合理[3]?；疑垲惙ㄟM(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的主要步驟為首先確定聚類指標(biāo)和水質(zhì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)灰類，然后進(jìn)行無(wú)量綱化處理，計(jì)算白化函數(shù)和聚類權(quán)重，最后確定聚類對(duì)象所屬的質(zhì)量級(jí)別。

1.1 確定聚類指標(biāo)和灰類

本文依據(jù)《中華人民共和國(guó)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB3097-1997)，選擇了溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、活性磷酸鹽(P043—P)、非離子氨(NH3)、無(wú)機(jī)氮(DIN)、汞(Hg)、銅(Cu)、鉛(Pb)、鎘(Cd)、石油類和大腸菌群12個(gè)水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，數(shù)據(jù)來(lái)源于深圳市海洋與漁業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站2003年～2011年海水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布分為東部海域和西部海域。其中東部海域監(jiān)測(cè)點(diǎn)包括核電近海(1#)，東西沖近海(2#)、白沙灣—長(zhǎng)灣(3#)、望魚(yú)角—盆仔灣口(4#)、下沙近海(5#)、烏泥灣灣口(6#)、小梅沙灣口(7#)和沙頭角灣口(8#)8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，西部海域監(jiān)測(cè)點(diǎn)包括深圳灣出中(9#)、深圳灣出口(10#)和固戍近海(11#)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并將東部海域8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和西部海域3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的各指標(biāo)分別取平均值代表深圳東部和西部海域的水質(zhì)。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)《中華人民共和國(guó)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB3097-1997)，將海水水質(zhì)分成4類(表1)，則有k個(gè)樣本(監(jiān)測(cè)點(diǎn)，k∈[1，2，…，98，99])，i個(gè)指標(biāo)(水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，i∈[1，2，…，11，12])，每個(gè)指標(biāo)有j個(gè)灰類(海域環(huán)境質(zhì)量等級(jí)，j∈[1，2，3，4])。

1.2 數(shù)據(jù)的無(wú)量綱化處理

灰色聚類法適用于指標(biāo)的意義、量綱相同的情形，當(dāng)聚類指標(biāo)的意義、量綱不同并且不同指標(biāo)的樣本值在數(shù)量上相差較大時(shí)，不宜采用灰色聚類[2]。因此在進(jìn)行海水水質(zhì)評(píng)價(jià)中，當(dāng)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的量綱存在差異一般不可直接進(jìn)行計(jì)算，需對(duì)各聚類指標(biāo)dk，i和指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的灰類值bi，j進(jìn)行無(wú)量綱化處理(表2)。本文采用均值化法進(jìn)行無(wú)量綱化處理[4]，計(jì)算公式如下：

表1 海域環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)無(wú)量綱處理結(jié)果(yi，j)

1.3 確定白化函數(shù)

白化函數(shù)的確定對(duì)聚類結(jié)果有非常重要的影響。本文中聚類灰數(shù)的閾值是根據(jù)各聚類指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值確定的，避免了主觀化和經(jīng)驗(yàn)化。采用以下線性函數(shù)得到各聚類指標(biāo)對(duì)各個(gè)灰類的隸屬度，即白化函數(shù)[5]。

本文以2011年西部海域?yàn)槔?。將各因子?shí)測(cè)值和標(biāo)準(zhǔn)值分別代入上述公式，所得結(jié)果如表3所示。

表3 海域水環(huán)境質(zhì)量的聚類指標(biāo)權(quán)重(Wi，j)

1.4 確定聚類權(quán)重

Wi，j表示第i個(gè)指標(biāo)屬于第j權(quán)類的權(quán)重。海水水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱化處理后，采用倒數(shù)法賦權(quán)值[6]，該法每個(gè)指標(biāo)對(duì)于不同的級(jí)別都有不同的聚類權(quán)，避免用一個(gè)固定基準(zhǔn)劃分水質(zhì)級(jí)別，結(jié)果更為合理。

1.5 確定聚類系數(shù)和聚類對(duì)象等級(jí)

聚類系數(shù)體現(xiàn)了聚類樣本對(duì)灰類的關(guān)聯(lián)程度，按照最大隸屬度原則確定聚類樣本所屬的水質(zhì)類別，即每個(gè)樣本對(duì)所有等級(jí)的聚類系數(shù)中最大聚類系數(shù)所屬等級(jí)就是該監(jiān)測(cè)點(diǎn)所屬海域水環(huán)境的水質(zhì)等級(jí)[7]。

式中：δj，k——第k個(gè)樣本對(duì)第j灰類的聚類系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

從表4中可知東部海域的8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，除了2006年沙頭角灣口(8#)的水質(zhì)為Ⅳ類水以外，其他年份的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)均達(dá)到了Ⅰ類水質(zhì)要求，海域水環(huán)境質(zhì)量較好；西部海域的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)各年份水質(zhì)以Ⅳ類水體為主，其中深圳灣中(9#)除了2005年的水質(zhì)為Ⅲ類以外，其余各年份水質(zhì)均為Ⅳ類水，深圳灣出口(10#)水質(zhì)較深圳灣中(9#)稍好，固戍近海(11#)水質(zhì)多年以來(lái)以Ⅳ類水為主，但是由于位于珠江口東南部沿岸，水質(zhì)較深圳灣稍好。從總體上看，2003～2011年深圳近岸東西部海域水質(zhì)穩(wěn)定，東部海域水質(zhì)級(jí)別保持在Ⅰ類水質(zhì)，水質(zhì)較好，深圳近岸西部海域水質(zhì)均為Ⅳ水質(zhì)，水質(zhì)較差，近十年來(lái)都沒(méi)有發(fā)生顯著的改變。

對(duì)2003～2011年各水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，東部海域水質(zhì)各指標(biāo)均達(dá)到了Ⅰ類或Ⅱ水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)良好；西部海域的活性磷酸鹽和無(wú)機(jī)氮全部劣于海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅳ類水質(zhì)，營(yíng)養(yǎng)鹽超標(biāo)現(xiàn)象嚴(yán)重，部分年份的大腸菌群也存在超標(biāo)現(xiàn)象，海水水質(zhì)較差，屬于污染嚴(yán)重的海域，表明西部海域水質(zhì)主要受到了生活污水、城市公共污水和林牧漁畜等污染，水體富營(yíng)養(yǎng)化程度高。

表4 2011年水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

2.2 方法合理性分析

為了對(duì)深圳近岸海域灰色聚類法結(jié)果合理性進(jìn)行驗(yàn)證，將2011年近岸海域水質(zhì)利用平均綜合污染指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，將其評(píng)價(jià)結(jié)果與灰色聚類法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果如表4所示，從水質(zhì)類別來(lái)看，這兩種方法評(píng)價(jià)結(jié)果除了東西沖近海(2#)和望魚(yú)角—盆仔灣口(4#)稍有差異外，其他的水質(zhì)類別全部一致?；疑垲惙ㄊ菍?duì)聚類系數(shù)向量的分量按最大原則進(jìn)行集結(jié)的方法判定聚類對(duì)象的所屬灰類，因此聚類系數(shù)在某一類別值越大，表明其集結(jié)程度越大。對(duì)水質(zhì)來(lái)說(shuō)，若聚類系數(shù)在水質(zhì)清潔的類別中，聚類系數(shù)越大表明水質(zhì)越好，反之，若聚類系數(shù)在水質(zhì)較差的類別中，值越大表明其水質(zhì)越差。按照這個(gè)原則對(duì)2011年?yáng)|西部水質(zhì)進(jìn)行排序(表5)，并與平均綜合污染指數(shù)法進(jìn)行對(duì)比可知，二者的水質(zhì)排序基本一致，表明利用灰色聚類法可以很好地對(duì)海域環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2.3 水質(zhì)演變分析

本文通過(guò)對(duì)比分析2003～2011年間深圳東西部海域聚類系數(shù)的大小發(fā)現(xiàn)(圖1)：深圳東部海域水質(zhì)均達(dá)到了Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，2003～2007年間聚類系數(shù)逐漸增大，水質(zhì)具有逐漸變好的趨勢(shì)，2007～2011年聚類系數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，水質(zhì)基本保持穩(wěn)定，從總體上看，從2003年至2011年間，東部海域水質(zhì)良好，具有變好的趨勢(shì)。這個(gè)主要是由于東部海域作為深圳的黃金海岸線，沿岸土地開(kāi)發(fā)和工業(yè)發(fā)展等受到了嚴(yán)格控制，開(kāi)發(fā)強(qiáng)度小，陸源污染少，毗鄰海域大鵬灣和大亞灣環(huán)境質(zhì)量也保持較好，并且近年來(lái)鹽田污水處理廠的投入使用、河流整治工程的實(shí)施和污水收集管網(wǎng)的逐步完善等，進(jìn)一步減少了陸源污染，因此東部海域水質(zhì)普遍達(dá)到了Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，具有逐漸變好趨勢(shì)。

西部海域水質(zhì)均為Ⅳ類水質(zhì)，2003～2011年間整體處于變好的態(tài)勢(shì)，其中2003～2005年間聚類系數(shù)具有上升的趨勢(shì)，水質(zhì)處在惡化階段，2005年至2011年水質(zhì)總體上處在變好的趨勢(shì)，但是總體上水質(zhì)為Ⅳ類水。深圳西部海域水體較差的主要原因是深圳灣水流屬于半封閉趕潮海灣，水體交換能力弱，并且西部近岸海域是深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)和香港新界西部的主要受納水體，隨著近幾年來(lái)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，來(lái)自兩地集水區(qū)日益增多的污染物經(jīng)河流、管道等直接排入西部海域，并且受到毗鄰海域珠江口污染影響，導(dǎo)致海域污染遠(yuǎn)超環(huán)境容量，因此水質(zhì)以Ⅳ類水為主。但是近年來(lái)深圳在污水處理廠建設(shè)、河流整治和完善污水管網(wǎng)等方面進(jìn)行了一系列努力，因此水質(zhì)在一定程度上具有逐漸變好的趨勢(shì)。

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)2003～2011年間水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，深圳海域近9年來(lái)水質(zhì)較為穩(wěn)定，東部海域水質(zhì)保持在Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而西部海域水質(zhì)較差，為Ⅳ類水質(zhì)，東部海域的8個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)均達(dá)到了Ⅰ類或Ⅱ類水質(zhì)，而西部的3個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的活性磷酸鹽、無(wú)機(jī)氮和大腸菌群普遍劣于海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅳ類水質(zhì)。

(2)本文利用平均綜合污染指數(shù)法和灰色聚類法綜合評(píng)價(jià)了2011年?yáng)|西部海域水質(zhì)，發(fā)現(xiàn)二者的研究結(jié)果基本一致，此外由于水質(zhì)評(píng)價(jià)中污染物質(zhì)濃度介于兩類標(biāo)準(zhǔn)之間存在的灰色性，因此可認(rèn)為利用灰色聚類法是一種貼切可行的反映海域水環(huán)境質(zhì)量的方法。

(3)本文對(duì)比分析了2003～2011年間深圳東西部海域聚類系數(shù)的變化趨勢(shì)，結(jié)果表明東、西部海域水質(zhì)都具有總體變好的趨勢(shì)，這個(gè)主要得益于近年來(lái)深圳在污水處理廠建設(shè)、污水管網(wǎng)完善等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和河流整治方面所做的努力。

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