皮家駿,歐陽澍,張帶琴,劉成林

(南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院,江西南昌330031)

基于灰色理論的鄱陽湖水質(zhì)評價模型研究

皮家駿,歐陽澍,張帶琴,劉成林

(南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院,江西南昌330031)

運(yùn)用灰色理論,建立了鄱陽湖水質(zhì)評價模型。采用熵值法確定污染物權(quán)重,合理地反映了各污染物所占比例,保證了評價結(jié)果的可靠性；利用灰色理論建立的評價模型,考慮到各污染物之間的灰色關(guān)聯(lián)度,水質(zhì)評價結(jié)果可靠。研究表明,鄱陽湖及“五河”來水水質(zhì)情況總體呈中營養(yǎng)水平,修水和鄱陽湖湖體(蛤蟆石)水質(zhì)較差,為Ⅳ類水,應(yīng)對重點污染地區(qū)采取相應(yīng)保護(hù)措施,防止水質(zhì)進(jìn)一步污染。

水質(zhì)評價；灰色理論；權(quán)重；鄱陽湖

0 引 言

水質(zhì)評價是合理保護(hù)水資源和開發(fā)利用的一項基本工作,能夠為水資源治理提供依據(jù)[1]。隨著鄱陽湖地區(qū)經(jīng)濟(jì)的超前發(fā)展,湖區(qū)的需水量猛增,水污染惡化嚴(yán)重,周邊環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞,阻礙了該區(qū)可持續(xù)發(fā)展。水質(zhì)評價起先僅憑感官性的標(biāo)準(zhǔn)對水環(huán)境狀況進(jìn)行粗略的判斷；后來應(yīng)用生物和化學(xué)指標(biāo),不僅對水質(zhì)定性,也進(jìn)行某種程度的定量評價[2]。R.K.Horton[3]針對水質(zhì)評價提出了質(zhì)量指標(biāo)法(QI),標(biāo)志著水質(zhì)評價工作順利的開展。林宗振[4]對以往的計算環(huán)境綜合指數(shù)的數(shù)學(xué)模式總結(jié)發(fā)現(xiàn),這些數(shù)學(xué)模式不能夠很好地反映污染物的濃度,提出了混合加權(quán)模式,并運(yùn)用到環(huán)境綜合指數(shù)的計算中。鄒曉雯[5]提出了灰色關(guān)聯(lián)度水質(zhì)評價方法,應(yīng)用到長江支流的水質(zhì)評價中?；疑碚撛u價水質(zhì)的優(yōu)勢在于,能明確判斷出處于同一級別的水體的水質(zhì)類別。

本文從信息論角度出發(fā),考慮到水質(zhì)評價系統(tǒng)存在的灰色性,求取相應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重,建立了基于灰色理論的水質(zhì)評價模型,并應(yīng)用于鄱陽湖水系的水質(zhì)評價中。

1 研究方法

灰色理論是將隨機(jī)量看作有規(guī)律變化的灰色量,通過建立灰色微分預(yù)測模型,對事物發(fā)展規(guī)律做出模糊性描述[6]。把無規(guī)則的原始數(shù)據(jù)序列累加成為有規(guī)律的數(shù)據(jù)序列,然后進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,從而實現(xiàn)對系統(tǒng)演化規(guī)律的正確描述和有效監(jiān)控,具有充分利用“少數(shù)據(jù)”和“小樣本”進(jìn)行預(yù)測的優(yōu)點[7-9]。

1.1 計算灰色關(guān)聯(lián)度

(1)

則xj與xh的第i項指標(biāo)的差異用關(guān)聯(lián)度ξi(xj,xh)表示為

(2)

由于關(guān)聯(lián)系數(shù)較多,難以區(qū)別混亂的信息,因此將其集合即得關(guān)聯(lián)度γh(xj,xh)，即

(3)

式中,wi(i=1,2,…,p)為各評價指標(biāo)的權(quán)重。

為解決原始數(shù)據(jù)中不同的數(shù)量級和量綱的區(qū)別,通常需先進(jìn)行無量綱化處理。對水質(zhì)評價,常采用歸一化方法,即定義同一指標(biāo),設(shè)定一個常數(shù),使同一指標(biāo)下的數(shù)量級相同。

1.2 計算指標(biāo)權(quán)重

本文通過熵權(quán)法判定水質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重。熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)方法,通過計算水質(zhì)指標(biāo)的信息熵,根據(jù)指標(biāo)的混亂程度對整個系統(tǒng)的影響決定權(quán)重[10]。

將各指標(biāo)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。假設(shè)給定了z項指標(biāo)X1,X2,…,Xz。其中,Xi={x1,x2,…,xn}。假設(shè)對各指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的值為Y1,Y2,…,Yz,即

(4)

根據(jù)熵的定義,一組數(shù)據(jù)的熵Ej表示為

(5)

根據(jù)熵的計算式(5),計算出各組數(shù)據(jù)的熵值為E1,E2,…,Ez。通過熵值計算各指標(biāo)的權(quán)重Wi,即

(6)

1.3 建立灰色評價模型

為建立水質(zhì)灰色理論評價模型,用樣本與各標(biāo)準(zhǔn)的差異程度μhj為權(quán)的加權(quán)廣義距離表示樣本j與第h級標(biāo)準(zhǔn)間的接近程度d(xj,xh),即

(7)

構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)為

(8)

(9)

分別對式(9)的變量μhj和拉格朗日系數(shù)λ求偏導(dǎo),并令其為0,得

(10)

(11)

聯(lián)立式(10)、(11)得

(12)

(13)

式(13)即為水質(zhì)綜合評價的灰色理論模型。評價樣本應(yīng)劃歸使μhj為最小的級別。

2 工程實例

鄱陽湖區(qū)地處長江中下游南岸的平原,匯聚贛江、撫河、信江、饒河、修水等5大水系(又稱“五河”),以一口和長江相通,形成了獨特的天然凹地,是受長江和“五河”流量影響控制水量平衡而形成的季節(jié)性淺水湖泊[11]。湖區(qū)是江西省最富饒之地,包括鄱陽湖及周邊11個縣市,流域面積達(dá)16.2萬km2,占江西省國土面積的97%,也是國內(nèi)緊要商品糧基地之一和江西省緊要工業(yè)基地。鄱陽湖是我國最大的淡水湖泊,也是中國第二大湖,具有關(guān)鍵的生態(tài)價值,并維護(hù)著長江中下游防洪安全[12-15]。

2.1 評價標(biāo)準(zhǔn)

湖泊水質(zhì)劃分的準(zhǔn)則為GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,采用的水質(zhì)分類規(guī)范見表1。

表1 水質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)

2.2 灰色評價過程

鄱陽湖體及“五河”入湖口處2016年11月2日的監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。

光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)，主要由太陽電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。目前國家出臺政策支持光伏發(fā)電項目在廣大城市及農(nóng)村普及。

表2 監(jiān)測數(shù)據(jù)

2.2.1 計算灰色關(guān)聯(lián)度

以贛江南支為例，將監(jiān)測數(shù)據(jù)組成參考數(shù)列x1，水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)組成被比較數(shù)列xh(h=Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ)，并用Ⅱ級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，將各項指標(biāo)各數(shù)列的相應(yīng)項規(guī)一化處理得x1=(1，1.28，0.65，0.5)、xⅠ=(1，1.25，0.5，0.3)、xⅡ=(1，1，1，1)、xⅢ=(1，0.83，1.5，2)、xⅣ=(1，0.5，2.5，3)。

由式(1)得SⅠ=(0，0.03，0.15，0.2)、SⅡ=(0，0.28，0.35，0.5)、SⅢ=(0，0.45，0.85，1.5)、SⅣ=(0，0.78，1.85，2.5)。

2.2.2 計算指標(biāo)重要性權(quán)重

根據(jù)表2監(jiān)測數(shù)據(jù),對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后得到數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化(見表3)。根據(jù)式(6),可計算出各個指標(biāo)的權(quán)重W1=0.277、W2=0.308、W3=0.264、W4=0.151。

表3 監(jiān)測數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

求得各指標(biāo)的權(quán)重W=(0.277，0.308，0.264，0.151 )，代入式(3)得γⅠ(x1,xⅠ)=0.7362、γⅡ(x1,xⅡ)=0.6943、γⅢ(x1,xⅢ)=0.6773、γⅣ(x1,xⅣ)=0.7248。代入式(13)中得μⅠ1=0.270、μⅡ1=0.240、μⅢ1=0.228、μⅣ1=0.262。由于min{μh1}=0.228=μⅢ1，故贛江南支入湖口水質(zhì)為Ⅲ級。

同理,可評價其他斷面處水質(zhì)。水質(zhì)評價結(jié)果見表4。從表4可知,鄱陽湖湖區(qū)及“五河”流域水質(zhì)總體為Ⅲ類水；修水來水水質(zhì)不理想,為Ⅳ類水質(zhì)；鄱陽湖湖體(蛤蟆石)斷面處測點水質(zhì)為Ⅳ類水。

表4 水質(zhì)評價結(jié)果

3 鄱陽湖流域可持續(xù)發(fā)展

3.1 “五河”來水水質(zhì)分析

鄱陽湖流域水質(zhì)空間分布與“五河”來水和人類行為緊密關(guān)聯(lián)。鄱陽湖湖區(qū)及“五河”來水中,高錳酸鉀、氨氮的含量見圖1。從圖1可知,修水來水中氨氮含量最高,信江來水中高錳酸鉀含量最高,贛江和鄱陽湖的3個斷面測點高錳酸鉀稍高。

圖1 高錳酸鉀及氨氮含量

贛江是江西省“五河”之首,水系流域面積8.35萬km2,占鄱陽湖總流域面積的51%。贛江水系涉及耕地面積廣闊且農(nóng)業(yè)發(fā)展繁榮,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中氨、氮的流失嚴(yán)重,對水質(zhì)影響顯著。修河流經(jīng)修水縣,修水縣礦產(chǎn)資源豐富,礦業(yè)資源的無序開采造成水體污染。信江流域流經(jīng)幾個重大工業(yè)園區(qū),工業(yè)污染較為嚴(yán)重。撫河和饒河污染源相對集中,便于治理。

河流水質(zhì)狀況與社會經(jīng)濟(jì)繁榮以及人們生活生產(chǎn)排污等活動緊密相關(guān)。近20年來,鄱陽湖區(qū)及周邊經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人口基數(shù)增長給湖區(qū)水環(huán)境帶來了前所未有的壓力。鄱陽湖水資源綜合利用程度突出,湖區(qū)周邊工業(yè)污水和生活污水的排放量持續(xù)增多,使湖區(qū)和河流水質(zhì)惡化嚴(yán)重,鄱陽湖水環(huán)境質(zhì)量不斷降低。湖區(qū)周邊工業(yè)飛速擴(kuò)張,工業(yè)廢水經(jīng)過污水處理廠簡易處理后再排入河流,但污水處理成效一般。

3.2 保護(hù)措施

針對鄱陽湖流域水污染現(xiàn)狀制定相應(yīng)的水質(zhì)保護(hù)舉措,對鄱陽湖流域水環(huán)境可持續(xù)發(fā)展以及江西省經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展都將具有一定的戰(zhàn)略意義。

(1)灰色理論模型可準(zhǔn)確預(yù)測鄱陽湖區(qū)及“五河”來水水質(zhì)級別。預(yù)測值與各測點實測值基本相同,明顯無差距，為鄱陽湖流域水污染治理提供依據(jù)。

(2)提高污水處理廠的處理能力,能有效降低河流氨氮含量,緩解水質(zhì)污染程度。

(3)贛江南支等斷面溶解氧極低,可人工向河流曝氣增氧,增加水體的氧氣含量,促進(jìn)微生物對水體中污染物的分解,進(jìn)而降低水體污染程度。

(4)構(gòu)建信息化水質(zhì)安全監(jiān)測。GIS、 RS等技術(shù)迅速的發(fā)展,為突發(fā)性水質(zhì)污染事故預(yù)警預(yù)報提供了支撐。鄱陽湖區(qū)及“五河”應(yīng)盡快完善水質(zhì)信息控制系統(tǒng),實現(xiàn)突發(fā)性水質(zhì)污染事故發(fā)生地的快速準(zhǔn)確定位。

4 結(jié) 語

隨著數(shù)學(xué)理論深入的研究以及計算機(jī)技術(shù)飛速的發(fā)展,將灰色理論與計算機(jī)語言相結(jié)合,對灰色理論進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用具有重大的意義。本文基于灰色理論建立了鄱陽湖水質(zhì)評價模型有很好的適用性。鑒于社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與生態(tài)保護(hù)的尖銳矛盾,提出了鄱陽湖可持續(xù)發(fā)展的建議,以期為鄱陽湖流域水質(zhì)的改善與保護(hù)提供參考。

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(責(zé)任編輯楊 健)

StudyonWaterQualityEvaluationModelforPoyangLakeBasedonGreyTheory

PI Jiajun, OUYANG Shu, ZHANG Daiqin, LIU Chenglin
(School of Civil Engineering and Architecture, Nanchang University, Nanchang 330031, Jiangxi, China)

The water quality evaluation model for Poyang Lake is established based on gray theory. In this study, the weight of pollutants is determined by entropy method, which can reasonably reflect the proportion of pollutants and ensure the reliability of evaluation results. The evaluation model is established based on gray theory after taking into account the gray correlation between pollutants, which can achieve reliable water quality evaluation results. The study results show that the water quality of Poyang Lake and the five inflow rivers are generally in middle nutrient level, the water quality of Xiushui River and Poyang Lake (toadstone) is poor with a water quality of Grade IV. So the corresponding protection measures should be taken for key polluted areas to prevent further water pollution．

water quality evaluation; grey theory; weight; Poyang Lake

2017- 02- 14

國家自然科學(xué)基金重點項目(41261053)

皮家駿(1995—),男,江西樟樹人,碩士研究生,研究方向為水文水資源；劉成林(通訊作者)．

X824

：A

：0559- 9342(2017)06- 0005- 04