基于灰色聚類法金沙江麗江段水環境質量綜合評價

和繼華

(云南省水文水資源局麗江分局，云南 麗江 674100)

基于灰色聚類法金沙江麗江段水環境質量綜合評價

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年水質監測結果主要污染物指標進行了水環境質量評價。結果表明，金沙江麗江段時空分布污染較少，都達到了I類水質標準。用灰色聚類法評價水質，不僅方法簡便，結論也符合實際。

灰色聚類法；金沙江；麗江段；水環境質量；評價

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

1 灰色聚類法[2]

灰類白化權函數聚類法是建立在灰數的白化函數生成基礎上的一種方法，它是將聚類對象(評價對象)對不同聚類指標(評價指標)所擁有的白化值(實測值或分析數據)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計法。

1.1 建立水質監測斷面(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(各項污染參數)；k=1,2,3…,p，為灰類別(按某一水質標準的分級)。

1.2 構造白化函數[3]

通過實測水質樣本系列得到聚類白化數dij：

(1)

式中：dij—第i個樣本監測斷面(點)第j個污染因子的標準化值；Aij—第i個樣本監測斷面(點)第j個污染因子的實測值；A0j—第j個污染因子的參考標準，根據水環境目標來確定。

1.3 灰色聚類權重確定[3]

1.3.1 灰類的標準化處理

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

(2)

式中：Sjk—灰類值；γjk—第j個監測指標第k個灰類值Sij的標準化值。

1.3.2 監測指標聚類權重πkj計算

(3)

式中：γkj—水環境監測指標類別閾值；πkj—第j個監測指標第k個灰類權重值。

1.4 聚類系數計算和類別確定[3]

1.4.1 聚類系數δki計算

(4)

式中：fkj(dij)—白化函數值。

1.4.2 水質類別的判定

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

2 金沙江麗江段水質評價

2.1 評價標準

長江流域水環境監測中心麗江實驗室從2000年開始對金沙江600多km麗江段進行水環境質量監測，至2016年共設置木高、松園橋、大具、老火房、紅光、臘烏渡6個監測斷面，開展25項指標常規水質監測。經對監測值分析，有污染的主要是TP、NH3-N、BOD5、COMMn4個指標。采用以上參數為灰色聚類法評價指標，標準采用《GB3838-2002地表水環境質量標準》,標準限值見表1。

表1 地表水環境質量標準標準限值 (mg/L)

2.2 金沙江麗江段水質

評價參數監測資料采用2016年1月、5月、9月水質監測數據，詳見表2。

表2 金沙江麗江段水質監測成果 (mg/L)

根據灰色聚類法原理，以表1中水環境質量標準對應聚類樣本總數n=4，聚類指標數m=4，灰類別數p=5，表2中監測站點(斷面)監測數據為白化數dij。

2.3 建立白化函數

據灰色聚類法和表1水環境質量標準限值，白化函數的極大值為1，建立總磷等4項水質評價指標的白化函數關系如下：

(1)TP

(2)BOD5

(3)CODMn

(4)NH3-N

根據表2金沙江麗江段6個監測斷面4個水質監測參數，各次實測值代入公式(1)計算得白化函數值，見表3。

表3 白化函數值計算結果表

表3(續)

2.4 聚類權數計算[6]

聚類權數是衡量各個參數指標對同一灰類的權重，由于各參數指標的單位和量級不一致，在計算聚類權重之前必須對各參數指標標準用公式(2)進行無量綱化處理，結果見表4。無量綱化處理后，按公式(3)聚類權數計算，結果見表5。

表4 水環境標準灰類無量綱化結果表

表5 聚類權數計算結果表

2.5 聚類系數計算

白化函數值和聚類權重代入式(2)計算聚類系數，結果見表6。

表6 聚類系數計算結果表斷面

2.6 水環境質量類別確定

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

表7 金沙江麗江段站點(斷面)2016年1、5、9月

3 結語

金沙江麗江段從水質評價結果來看，時空分布污染較少，都達到了I類水質標準。原因主要是金沙江麗江段及以上屬于欠發達地區，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進行評價，考慮了系統的灰色性、白化程度、以及各污染因子的綜合影響而進行了聚類加權，其權重的確定方法比較合理、客觀。經過白化監測數據的灰化處理，不僅提高了水環境變量信息利用，也充分照顧了目前水質標準分級界線的模糊性，能夠得到明確的評價結果，是水環境質量評價的一種較好方法。

[1]鄧聚龍.灰色系統基本方法[M].武漢:華中理工大學出版社,1992.

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

[3]趙光影.灰色聚類法在地表水環境質量評價中的應用[J].北方環境, 2005(4).

[4]姚建玉, 鐘正燕, 陳金發. 灰色聚類關聯評估在水環境質量評價中的應用[J]. 環境科學與管理, 2009, 34(2).

[5]陳曉宏.水環境評價與規劃[M].廣州:中山大學出版社,2001.

[6]梅永進.灰色聚類法在畔溪河水質綜合評價中的應用[J].鷺江職業大學學報,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