改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)分析方法在水質(zhì)評價(jià)中的應(yīng)用研究

劉 冰

(遼寧省環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)中心，遼寧 沈陽 110161)

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改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)分析方法在水質(zhì)評價(jià)中的應(yīng)用研究

劉 冰

(遼寧省環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)中心，遼寧 沈陽 110161)

摘要：為了比較清晰分級河段水質(zhì)，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對河段水質(zhì)進(jìn)行了評價(jià)，應(yīng)用分段線形法對樣本進(jìn)行了歸一化處理，并在原有公式基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，針對關(guān)聯(lián)分析法分辨率較低的問題，采用了級別內(nèi)插法來提高灰色關(guān)聯(lián)評價(jià)法的分辨率。以清河干流為例，分析得出了清河干流2010年水質(zhì)級別為1.8,0.4,0.5。

關(guān)鍵詞：灰色關(guān)聯(lián)分析；內(nèi)差法；水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)

1引言

河段水質(zhì)評價(jià)方法有很多，目前經(jīng)常采用的有指數(shù)評價(jià)法、灰色理論評價(jià)法以及模糊理論評價(jià)方法。其中灰色理論法能夠較好地考慮到河流水環(huán)境不確定性這個因素，但是存在分辨率低的問題[1]。本文采用灰色關(guān)聯(lián)評價(jià)模型對水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)，并針對關(guān)聯(lián)分析法分辨率較低的問題，采用了級別內(nèi)插法來提高分辨率。

2灰色關(guān)聯(lián)分析法

灰色關(guān)聯(lián)評價(jià)方法是將實(shí)際序列和標(biāo)準(zhǔn)序列進(jìn)行關(guān)聯(lián)，計(jì)算關(guān)聯(lián)度、實(shí)際序列和標(biāo)準(zhǔn)序列管理度最大的序列即為實(shí)際序列的標(biāo)準(zhǔn)。對于河流水質(zhì)而言，實(shí)際序列組成是由河流斷面水質(zhì)中各指標(biāo)的實(shí)測濃度，各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)濃度組成理想序列，由于標(biāo)準(zhǔn)不同，理想序列也不同，利用灰色關(guān)聯(lián)度分析法計(jì)算實(shí)際序列與各理想序列的關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度最大的就是斷面水質(zhì)的級別。

水質(zhì)關(guān)聯(lián)評價(jià)的主要步驟為：建立實(shí)際序列矩陣和理想序列矩陣；對實(shí)際序列矩陣和理想序列矩陣進(jìn)行數(shù)據(jù)無量綱化處理；計(jì)算各個指標(biāo)的權(quán)重；計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)；由灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)和權(quán)重計(jì)算關(guān)聯(lián)度。

本文對樣本矩陣采用分段線性方法進(jìn)行無量綱歸一化處理[2]。考慮到水質(zhì)監(jiān)測過程中有些指標(biāo)往往大于Ⅴ類水質(zhì)，所以將水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)分為六級，同時(shí)將水質(zhì)濃度超過水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)10倍的賦值為0。

對生化需氧量、氨氮等濃度值越大污染越嚴(yán)重的指標(biāo)按照下式計(jì)算：

aij=

(1)

對溶解氧等濃度越大，水質(zhì)越好的指標(biāo)，按下式計(jì)算：

aij=

(2)

為了使各項(xiàng)污染指標(biāo)歸一化后的值更好地符合其污染程度，并將式(1)的第二項(xiàng)和第三項(xiàng)修改；式(2)的第二項(xiàng)和第四項(xiàng)修改。對生化需氧量、氨氮等濃度值越大污染越嚴(yán)重的指標(biāo)按照下式計(jì)算：

aij=

(3)

對溶解氧等濃度越大，水質(zhì)越好的指標(biāo)，按下式計(jì)算：

aij=

(4)

其中i為第i個樣本，j為第j種水質(zhì)指標(biāo)，Stj表示第j個水體指標(biāo)第t類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值，Xij表示第i個水體樣本第j個水質(zhì)指標(biāo)的測量值。計(jì)算后得到的矩陣Aij。各指標(biāo)權(quán)重采用超標(biāo)倍數(shù)法[3]，其公式為：

(5)

針對關(guān)聯(lián)分析法分辨率較低的問題，本文采用了級別內(nèi)插法來提高分辨率。在每一級分成10個小級別，水質(zhì)級別共分為6級，內(nèi)插后包把水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)分為61級，每一級的分辨率為0.1。內(nèi)插后的歸一化標(biāo)準(zhǔn)矩陣為：

(6)

(7)

ρ為分辨系數(shù)，0<ρ<1，一般取0.5。最后計(jì)算關(guān)聯(lián)度，計(jì)算公式為：

(8)

3實(shí)例研究

清河是遼河水系的東岸主要干流，流經(jīng)鐵嶺所轄的清河區(qū)和開原市，上源有南北兩支，南支為主流，發(fā)源于清源縣，流經(jīng)開原縣與發(fā)源于西豐縣的碾盤河在耿王莊匯合，在老虎鎮(zhèn)接納寇河，在大高力屯西注入遼河，全長170.6 km，流域面積4813.95 km2。

本文以2010年該河流的監(jiān)測水質(zhì)指標(biāo)作為評價(jià)樣本，選擇三個斷面大三家子、八棵樹、清河水庫入口，選擇化學(xué)需氧量，生化需氧量、氨氮、氟化物四項(xiàng)作為評價(jià)因子，評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)。2010年三個斷面評價(jià)因子歸一化值如表1所示，各斷面水質(zhì)級別如表2所示。

表1　 2010年三個斷面評價(jià)因子歸一化值

表2　2010年三個斷面水質(zhì)級別

4結(jié)語

本文在灰色關(guān)聯(lián)分析法的基礎(chǔ)上，為了防止個別斷面水質(zhì)超標(biāo)倍數(shù)過大而造成歸一化過程信息的損失，對原始數(shù)據(jù)無量綱歸一化處理方法進(jìn)行了改進(jìn)，并針對灰色關(guān)聯(lián)評價(jià)方法分辨率較低的問題，采用改進(jìn)后的灰色標(biāo)準(zhǔn)矩陣分級矩陣與目標(biāo)矩陣進(jìn)行關(guān)聯(lián)，評價(jià)結(jié)果表明：改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)分析法在水質(zhì)評價(jià)上改善了原有分辨率較低的問題，使得評價(jià)結(jié)果更為精確。

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收稿日期：2016-05-28

作者簡介：劉冰(1982—)，女，工程師，從事環(huán)境監(jiān)測工作。

中圖分類號：X8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9944(2016)12-0115-02