灰色聚類法在葠窩水庫水環(huán)境評價中的應用

于 淼

(江蘇省如皋市碾砣港閘管理所，江蘇如皋226500)

1 葠窩水庫基本情況

1.1 葠窩水庫概況

葠窩水庫建成于1973年，是遼寧省大型水庫之一，位于遼陽縣、燈塔縣和弓長嶺區(qū)交界處的太子河干流上，距市內(nèi)40 km，庫區(qū)面積5 334 hm2。水庫下游是遼闊的渾太沖積平原，有大片肥沃的農(nóng)田和星羅棋布的村莊，是遼寧省主要產(chǎn)糧基地之一。水庫控制流域面積6 175 km2，占整個流域面積的44.5%，是流域內(nèi)主要的控制性工程。

本次對葠窩水庫評價的目的主要是準確的反映目前的水體質量和污染狀況，弄清水體質量變化發(fā)展的規(guī)律，找出流域的主要污染問題，為水污染治理、水功能區(qū)劃以及水環(huán)境管理提供依據(jù)。

1.2 分析方法

采用灰色聚類法對葠窩水庫進行綜合評價[1]。

灰色聚類法:把各個監(jiān)測點作為聚類樣本，用n表示;把各個污染指標作為聚類指標，用m表示;把水質類別作為聚類灰數(shù)，用k表示。

按照灰色聚類計算的一般步驟，即:給出對象的樣本值、確定各灰色白化函數(shù)、計算聚類權、確定聚類系數(shù)、構造聚類向量、最后判斷聚類，依次進行選取、計算。

葠窩水庫的監(jiān)測斷面選取的是1999年堤前監(jiān)測斷面、攔河監(jiān)測斷面、細河監(jiān)測斷面、庫中心監(jiān)測斷面、藍家崴子監(jiān)測斷面、胡巴什監(jiān)測斷面。水質監(jiān)測成果表見表1。

表1 葠窩水庫1999年水質監(jiān)測成果表

1.3 主要污染物變化趨勢分析

由表1葠窩水庫各監(jiān)測斷面不同水期污染物變化可看出:

1.3.1 枯水期變化趨勢分析

1)枯水期總氮量變化趨勢除2000年偏高外，其他年份平穩(wěn)，勿過大增加或減少，其中庫中心斷面1996年比同期2000年還要高，胡巴什斷面1995年最高。

2)氨氮變化趨勢為穩(wěn)定。

3)亞硝酸氮變化同氨氮。

4)硝酸氮變化1997年高于其他各年，但增幅不大。

5)COD的變化趨勢很明顯，1999年明顯高于其他年，其余年份變化不大。

6)BOD5的變化除1995年胡巴什斷面略高外，其余增幅不大。

1.3.2 豐水期變化趨勢分析

1)豐水期總氮變化趨勢平穩(wěn)，無過大增加或減少。

2)氨氮，亞硝酸單核硝酸氮均變化平穩(wěn)。

3)COD同枯水期一樣，仍然是1999年顯著高于其他年份，分析原音可能使出于監(jiān)測誤差，或是該年COD污染確實嚴重。

4)BOD5濃度變化不大，當然1995年是個列外，其值明顯高于其他年份，分析原因可能是出于監(jiān)測誤差，或是該年COD污染確實嚴重;這也許是出于監(jiān)測誤差。

1.3.3 平水期變化趨勢

1)平水期總氮各年變化不大，都在3.0 mg/L左右浮動。

2)氨氮變化同亞硝酸氨一樣，無明顯漲落。

3)亞硝酸按變化趨勢也是比較平穩(wěn)，除個別年份個別斷面略高外，其余呈平穩(wěn)變化趨勢，COD變化總體上是1998年高，但也有列外，如壩前斷面1996年最高，1998年反而最低。

4)庫中心斷面也是同樣情況。

5)BOD5總體上呈下降趨勢，這在眾多污染物紛紛逐年增高的趨勢中顯得難能可貴。

2 葠窩水庫水質評價

灰色聚類的目的是根據(jù)聚類系數(shù)的大小來判斷樣本所屬類別。聚類方法是將每個樣本對各個灰類的聚類系數(shù)組成聚類行向量，在行向量中聚類系數(shù)最大者所對應的灰類即為該樣本所屬類別。然后將各個樣本同屬的灰類進行歸納，便得灰色聚類的結果[2]。

視水質標準級別類(GB3838—2002《地面水環(huán)境質量標準》)為h個灰類，將某水域或水質測點各觀測水質因子當做樣本進行灰色聚類分析，則某測點各水質因子的綜合聚類系數(shù)最大者對應的灰類即為該測點的水質質量級別。

按照國家地表水環(huán)境監(jiān)測布點的有關規(guī)定，葠窩水庫按照監(jiān)測要求設置斷面，庫區(qū)目前共設6個監(jiān)測斷面，包括壩前、蘭河、細河、庫中心、藍家崴子、胡巴什等斷面。根據(jù)實測資料及評價標準，選用評價參數(shù)為:總氮、總磷、溶解氧、COD.、BOD5、氨氮等、氰化物、揮發(fā)氛、六價鉻、鎘、鉛、銅等12項。

2.1 數(shù)據(jù)的標準化處理及處理結果

在灰色聚類中的數(shù)據(jù)標準化處理就是對水質聚類樣本各個指標的白化值Cki和灰類進行無量綱化處理，以便對各樣本指標進行綜合分析使聚類結果具有可比性。

樣本指標白化值的標準化的處理，這樣既可以達到無量綱化的目的，又可以反映污染物的相對污染狀況，計算公式為:

式中:dki為第k個樣本第i個指標的實測值;C0i為第i個指標的參考標準。其值一般視聚類對象所在水域的環(huán)境目標而定。

利用該式將1999年葠窩水庫各水期的各個污染指標以II級水質作為參考標準進行數(shù)據(jù)的無量綱化處理，結果見表2。

表2 各污染指標無量綱化結果

2.2 灰類的標準化處理

灰類的標準化處理是建立白化函數(shù)的必要條件。為便于原始白化數(shù)與灰類之間的比較分析，仍用C0i進行灰類的無量綱化，公式為:

式中:rij為第i個指標第j個灰類值Sij的標準化處理值;Sij為灰類值。以II級水質為參考標準，利用該式對5個灰類進行無量綱化處理，結果見表3。

表3 各灰類無量綱化結果

2.3 聚類分析及水質分析

2.3.1 白化函數(shù)

白化函數(shù)是灰色聚類的基礎，是計算聚類系數(shù)的基本依據(jù)，它可反映聚類指標對灰色聚類的親疏關系。通過計算，以算出壩前、壩中心斷面的白化值為例，計算結果見表4。

表4 壩前斷面枯季白化值

表5 壩前斷面豐季白化值

表6 庫中心斷面枯季白化值

表7 庫中心斷面豐季白化值

2.3.2 聚類權

聚類權是各指標對某一灰類的權重，第i個指標j個灰類的權重值 wij，wij=rij/Σriji∈(1，2………，n)，計算各污染物分別對5個水質級別灰類的權重，見表8。

表8 聚類權及計算結果

2.3.3 聚類系數(shù)

聚類系數(shù)用于反映聚類樣本對灰類的親疏程度，可用灰數(shù)白化函數(shù)的生成而得到。第k個樣本關于第j個灰類的聚類系數(shù)，計算公式為:

從表9可以看出枯水期斷面壩前，胡巴什的五個聚類系數(shù)中，分別對灰類Ⅴ的聚類系數(shù)最大，即壩前，胡巴什的水質質量為Ⅴ級。

蘭河，庫中心的聚類系數(shù)對灰類Ⅲ的聚類系數(shù)大，蘭河，胡巴什的水量質量為Ⅲ級。細河，藍家崴字的聚類系數(shù)對灰類Ⅱ的聚類系數(shù)大，細河，藍家崴子的水量質量為Ⅱ級。同理，豐水期壩前，蘭河，細河，庫中心，藍家崴子的水質質量為Ⅲ級，胡巴什的水質質量為Ⅴ級。

3 結語

綜上，壩前，蘭河，細河，庫中心，藍家崴子，胡巴什6個斷面的水質質量級別見表10。各斷面水質一般，以細河，藍家崴子的水質質量為各斷面中的最好，但其水質質量仍然沒有達到一級標準，胡巴什斷面水質質量最差。

用灰色聚類法進行水庫水質評價，能客觀實際地反映該水體的污染狀況，能將各年整個水域的污染狀況進行較為詳細的綜合評價，對正確把握水質現(xiàn)狀以及實施水污染綜合整治提供比較具體的科學依據(jù)?；疑垲惙ㄓ嬎惚容^簡單，評價結果正確，是一種比較好的評價方法。

表9 各斷面各水期聚類系數(shù)

表10 斷面水質質量分級表

[1]慕金波，侯克.聚類法在水環(huán)境質量評價中的應用[J].環(huán)境科學，1990(32):21－87.

[2]鄭成德.環(huán)境質量評價的灰色聚類法[J].水文，2000(29):6－56.