和繼華

(云南省水文水資源局麗江分局，云南 麗江 674100)

基于灰色聚類法金沙江麗江段水環(huán)境質(zhì)量綜合評價

和繼華

(云南省水文水資源局麗江分局，云南 麗江 674100)

利用灰色聚類法理論和原理，對金沙江麗江段600多km木高、松園橋、大具、老火房、紅光、臘烏渡6個站點(斷面)2016年水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果主要污染物指標(biāo)進行了水環(huán)境質(zhì)量評價。結(jié)果表明，金沙江麗江段時空分布污染較少，都達到了I類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。用灰色聚類法評價水質(zhì)，不僅方法簡便，結(jié)論也符合實際。

灰色聚類法；金沙江；麗江段；水環(huán)境質(zhì)量；評價

水環(huán)境質(zhì)量是由眾多影響因素組成的系統(tǒng)，隱含著非常多的參數(shù)，難以確定時空分布的影響，屬于不確切的灰色系統(tǒng)?；疑垲惙ǔ浞挚紤]了環(huán)境變化的模糊性和環(huán)境系統(tǒng)的灰色性[1]。

1 灰色聚類法[2]

灰類白化權(quán)函數(shù)聚類法是建立在灰數(shù)的白化函數(shù)生成基礎(chǔ)上的一種方法，它是將聚類對象(評價對象)對不同聚類指標(biāo)(評價指標(biāo))所擁有的白化值(實測值或分析數(shù)據(jù))按n個灰類(評價等級)進行歸納整理，從而判斷聚類對象屬于哪一類的灰色統(tǒng)計法。

1.1 建立水質(zhì)監(jiān)測斷面(點)矩陣

記i=1,2,3…,n，為聚類樣本序號，即各個斷面或測點；記j=1,2,3…,m，為聚類指標(biāo)(各項污染參數(shù))；k=1,2,3…,p，為灰類別(按某一水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的分級)。

1.2 構(gòu)造白化函數(shù)[3]

通過實測水質(zhì)樣本系列得到聚類白化數(shù)dij：

(1)

式中：dij—第i個樣本監(jiān)測斷面(點)第j個污染因子的標(biāo)準(zhǔn)化值；Aij—第i個樣本監(jiān)測斷面(點)第j個污染因子的實測值；A0j—第j個污染因子的參考標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)水環(huán)境目標(biāo)來確定。

1.3 灰色聚類權(quán)重確定[3]

1.3.1 灰類的標(biāo)準(zhǔn)化處理

灰類的標(biāo)準(zhǔn)化處理是建立白化函數(shù)的前提條件。為了方便灰類與原始白化數(shù)之間的分析比較，仍用A0進行灰類無量綱化。

(2)

式中：Sjk—灰類值；γjk—第j個監(jiān)測指標(biāo)第k個灰類值Sij的標(biāo)準(zhǔn)化值。

1.3.2 監(jiān)測指標(biāo)聚類權(quán)重πkj計算

(3)

式中：γkj—水環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)類別閾值；πkj—第j個監(jiān)測指標(biāo)第k個灰類權(quán)重值。

1.4 聚類系數(shù)計算和類別確定[3]

1.4.1 聚類系數(shù)δki計算

(4)

式中：fkj(dij)—白化函數(shù)值。

1.4.2 水質(zhì)類別的判定

在水環(huán)境質(zhì)量評估中，灰色聚類關(guān)聯(lián)法是一種加權(quán)的寬域聚類法，信息利用率高，能區(qū)分多測點環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣。級別不同者，則級別越低，環(huán)境質(zhì)量越好；級別相同者，則再比較其次高級別，次高級別越低，質(zhì)量越好，依次類推，如果最后一個級別仍相同，則再比較與第2，3級的關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度越大，則質(zhì)量越好[4]。在具體計算出聚類系數(shù)之后，按最大值所屬確定水體質(zhì)量，各級聚類系數(shù)中最大值所在的類為該樣本(監(jiān)測斷面或點)的歸屬類，即確定水質(zhì)類別[5]。

2 金沙江麗江段水質(zhì)評價

2.1 評價標(biāo)準(zhǔn)

長江流域水環(huán)境監(jiān)測中心麗江實驗室從2000年開始對金沙江600多km麗江段進行水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測，至2016年共設(shè)置木高、松園橋、大具、老火房、紅光、臘烏渡6個監(jiān)測斷面，開展25項指標(biāo)常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測。經(jīng)對監(jiān)測值分析，有污染的主要是TP、NH3-N、BOD5、COMMn4個指標(biāo)。采用以上參數(shù)為灰色聚類法評價指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)采用《GB3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,標(biāo)準(zhǔn)限值見表1。

表1 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)限值 (mg/L)

2.2 金沙江麗江段水質(zhì)

評價參數(shù)監(jiān)測資料采用2016年1月、5月、9月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，詳見表2。

表2 金沙江麗江段水質(zhì)監(jiān)測成果 (mg/L)

根據(jù)灰色聚類法原理，以表1中水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)聚類樣本總數(shù)n=4，聚類指標(biāo)數(shù)m=4，灰類別數(shù)p=5，表2中監(jiān)測站點(斷面)監(jiān)測數(shù)據(jù)為白化數(shù)dij。

2.3 建立白化函數(shù)

據(jù)灰色聚類法和表1水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值，白化函數(shù)的極大值為1，建立總磷等4項水質(zhì)評價指標(biāo)的白化函數(shù)關(guān)系如下：

(1)TP

(2)BOD5

(3)CODMn

(4)NH3-N

根據(jù)表2金沙江麗江段6個監(jiān)測斷面4個水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)，各次實測值代入公式(1)計算得白化函數(shù)值，見表3。

表3 白化函數(shù)值計算結(jié)果表

表3(續(xù))

2.4 聚類權(quán)數(shù)計算[6]

聚類權(quán)數(shù)是衡量各個參數(shù)指標(biāo)對同一灰類的權(quán)重，由于各參數(shù)指標(biāo)的單位和量級不一致，在計算聚類權(quán)重之前必須對各參數(shù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)用公式(2)進行無量綱化處理，結(jié)果見表4。無量綱化處理后，按公式(3)聚類權(quán)數(shù)計算，結(jié)果見表5。

表4 水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)灰類無量綱化結(jié)果表

表5 聚類權(quán)數(shù)計算結(jié)果表

2.5 聚類系數(shù)計算

白化函數(shù)值和聚類權(quán)重代入式(2)計算聚類系數(shù)，結(jié)果見表6。

表6 聚類系數(shù)計算結(jié)果表斷面

2.6 水環(huán)境質(zhì)量類別確定

按最大值所屬原則在計算所得的聚類系數(shù)中找出最大值所在的類別，即為房站點(斷面)的水質(zhì)類別。金沙江麗江段站點(斷面)2016年1、5、9月水質(zhì)灰色聚類評價結(jié)果見表7。

表7 金沙江麗江段站點(斷面)2016年1、5、9月

3 結(jié)語

金沙江麗江段從水質(zhì)評價結(jié)果來看，時空分布污染較少，都達到了I類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。原因主要是金沙江麗江段及以上屬于欠發(fā)達地區(qū)，污染來源少，加上水資源相對豐富，水體自凈能力較強。

通過灰色聚類法對金沙江麗江段水質(zhì)進行評價，考慮了系統(tǒng)的灰色性、白化程度、以及各污染因子的綜合影響而進行了聚類加權(quán)，其權(quán)重的確定方法比較合理、客觀。經(jīng)過白化監(jiān)測數(shù)據(jù)的灰化處理，不僅提高了水環(huán)境變量信息利用，也充分照顧了目前水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)分級界線的模糊性，能夠得到明確的評價結(jié)果，是水環(huán)境質(zhì)量評價的一種較好方法。

[1]鄧聚龍.灰色系統(tǒng)基本方法[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1992.

[2]鄧聚龍.灰色系統(tǒng)基本方法[M]. 武漢:華中科技大學(xué)出版社, 2005.

[3]趙光影.灰色聚類法在地表水環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用[J].北方環(huán)境, 2005(4).

[4]姚建玉, 鐘正燕, 陳金發(fā). 灰色聚類關(guān)聯(lián)評估在水環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理, 2009, 34(2).

[5]陳曉宏.水環(huán)境評價與規(guī)劃[M].廣州:中山大學(xué)出版社,2001.

[6]梅永進.灰色聚類法在畔溪河水質(zhì)綜合評價中的應(yīng)用[J].鷺江職業(yè)大學(xué)學(xué)報,2003(4).

Comprehensive Evaluation of the Water Environmental Quality of Jinsha River in Lijiang by Grey Clustering Method

HE Ji-hua

(Lijiang Branch, Yunnan Bureau of Hydrology and Water Resources; Lijiang Yunnan 674100 ，China)

The theory and principle of grey clustering method were applied to assess the main water quality indices if six river sections (Mugao, Songyuan Bridge, Daju, Laohuofang, Hongguang, and Lawudu) of Jinsha River. The results showed that the spatial and temporal pollution along the Jinsha River in Lijiang was little. All sections have reached the first class national water standard. The method is simple. The results are accordance with the reality.

grey clustering method; Jinsha River; water environmental quality; assessment

2016-10-28

X824

A

1673-9655(2017)02-0105-05