基于灰色關(guān)聯(lián)法的太子河流域鞍山段水質(zhì)評價(jià)

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

水是人類與生物賴以生存的根本，因而對水環(huán)境質(zhì)量的分析與評價(jià)就尤為重要。水質(zhì)評價(jià)是依照水的不同途徑，選定相應(yīng)的評價(jià)參數(shù)，依據(jù)一定的質(zhì)量規(guī)范和評價(jià)方法，對水體質(zhì)量進(jìn)行定性或者定量的評價(jià)。這個(gè)過程可以準(zhǔn)確反映出水體質(zhì)量情況、水質(zhì)變化及發(fā)展趨勢，為水資源的規(guī)劃管理、開發(fā)利用以及污染物的防治工作提供重要依據(jù)[1]。

目前，國內(nèi)外使用的水質(zhì)評價(jià)典型方法有單因子評價(jià)法、層次分析法、模糊綜合評價(jià)法[2]、 污染指數(shù)評價(jià)法、灰色系統(tǒng)評價(jià)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[3]。單因子評價(jià)法雖然操作簡單但過于嚴(yán)格，層次分析法對權(quán)重的確定主觀性強(qiáng)，模糊評價(jià)法計(jì)算比較復(fù)雜[5]。而灰色關(guān)聯(lián)法對樣本數(shù)量及其規(guī)律性要求不高、計(jì)算簡單快捷、定性定量結(jié)果一致，獲得廣泛應(yīng)用[6]。因而本文采用灰色關(guān)聯(lián)法對太子河水系各主要斷面水環(huán)境進(jìn)行評價(jià)。

1 灰色關(guān)聯(lián)評價(jià)模型

1.1 基本原理

灰色關(guān)聯(lián)法是通過比較參考數(shù)列和比較數(shù)列之間的相似度來判斷兩者間的關(guān)聯(lián)程度。關(guān)聯(lián)度越大，則兩者的聯(lián)系越緊密。在水質(zhì)分析中，將實(shí)測水質(zhì)數(shù)據(jù)與地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，求取各個(gè)分級的關(guān)聯(lián)度，取最大值為該河流水系水質(zhì)的類別。

1.2 計(jì)算步驟

1.2.1 確定參考數(shù)列和比較數(shù)列

以水系斷面的實(shí)測數(shù)據(jù)做參考數(shù)列，以地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等級做比較數(shù)列。參考數(shù)列X0={x0(k)/k=1,2,3,…,n}，比較數(shù)列Xi={xi(k)/k=1,2,3,…,n}，其中i為地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的級別，xi(k)為第k項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的無量綱化值。

1.2.2 計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)

比較數(shù)列對應(yīng)參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)系數(shù)ξ如下：

(1)

1.2.3 求關(guān)聯(lián)度

關(guān)聯(lián)系數(shù)很多，容易造成信息分散，不利于評價(jià)整體關(guān)聯(lián)程度，需要把每個(gè)關(guān)聯(lián)系數(shù)最終化為一個(gè)值，即關(guān)聯(lián)度，一般用算數(shù)平均值表示：

(2)

求出最大關(guān)聯(lián)度值，所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)級別就是待評價(jià)水體的環(huán)境質(zhì)量級別。

2 太子河流域鞍山段水質(zhì)評價(jià)

2.1 太子河流域鞍山段概況

太子河從遼陽縣唐馬寨鎮(zhèn)流入鞍山市，在西四鎮(zhèn)八家子村與渾河匯合形成大遼河。多年平均入境水量24.21億m3，平均出境水量30.24億m3。境內(nèi)干流長46km，流域面積2853km2，多年平均地表水資源量4.39億m3。在鞍山市河段主要有南沙河、楊柳河、海城河、五道河等6條支流。

2.2 評價(jià)因子和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

選取鞍山市流域內(nèi)主要控制斷面千山、太平溝、紅土嶺、五道河源頭2017年各季度監(jiān)測數(shù)據(jù)為參考數(shù)列，以總磷、總氮、氨氮、揮發(fā)酚、溶解氧作為評價(jià)因子，以第一季度數(shù)據(jù)為例，見表1。評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)選用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)，并以此作為比較數(shù)列，見表2。

表1 2017年第一季度各斷面監(jiān)測數(shù)據(jù) 單位：mg/L

表2 各評價(jià)因子影響地表水環(huán)境質(zhì)量比較 單位：mg/L

由于各個(gè)評價(jià)因子之間量級不同，無法比較，所以先進(jìn)行均值化變換，統(tǒng)一成無量綱量，結(jié)果見表3和表4。

表3 實(shí)測數(shù)據(jù)無量綱化結(jié)果

表4 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)無量綱化結(jié)果

2.3 關(guān)聯(lián)系數(shù)

首先計(jì)算絕對值差，以千山斷面為例，表3中5個(gè)評價(jià)因子對應(yīng)的值為參考數(shù)列，與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的5個(gè)等級比較數(shù)列分別組合計(jì)算，結(jié)果如下：

|x0(k)-x1(k)|=(8.033,3.701,3.685,10.733,0.373)

|x0(k)-x2(k)|=(0.127,0.581,1.122,10.733,0.217)

|x0(k)-x3(k)|=(1.147,0.459,2.152,3.593,0.060)

|x0(k)-x4(k)|=(1.487,0.806,2.495,1.213,0.567)

|x0(k)-x5(k)|=(1.657,0.979,2.667,0.929,1.350)

將數(shù)據(jù)代入式(1)進(jìn)行計(jì)算，其中分辨系數(shù)ζ取0.5，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 千山斷面實(shí)測水質(zhì)與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)

按照同樣方法，逐一計(jì)算出各斷面的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

2.4 關(guān)聯(lián)度

將表5的數(shù)據(jù)代入式(2)計(jì)算關(guān)聯(lián)度，可得出千山斷面第一季度水質(zhì)對應(yīng)各個(gè)評價(jià)等級的關(guān)聯(lián)度為：R1=0.577，R2=0.809，R3=0.818，R4=0.820，R5=0.795。取關(guān)聯(lián)度最大值R4，2017年第一季度千山斷面的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等級為Ⅳ級。根據(jù)以上方法同理計(jì)算出2017年各季度各斷面的關(guān)聯(lián)度值，結(jié)果見表6。

表6 2017年各季度各斷面關(guān)聯(lián)度結(jié)果Ri

從表6數(shù)據(jù)中分別選取出各斷面各季度對應(yīng)的最大關(guān)聯(lián)度，即可評價(jià)出水環(huán)境質(zhì)量等級，評價(jià)結(jié)果見表7。

表7 2017年各季度各斷面水質(zhì)等級評價(jià)結(jié)果

3 結(jié) 論

通過灰色關(guān)聯(lián)法對太子河流域鞍山段的水質(zhì)進(jìn)行分析評價(jià)，結(jié)果表明：該河段各斷面水環(huán)境質(zhì)量情況相近且較差，全年基本都處于Ⅳ級標(biāo)準(zhǔn)，受季節(jié)因素影響較小。

造成鞍山境內(nèi)流域污染嚴(yán)重的主要原因是鞍山鋼鐵集團(tuán)的工業(yè)廢水排放以及生活污水排放。為改善和治理流域污染情況，提出以下建議：建立水資源核算體系，按水資源價(jià)值實(shí)行有償使用，建設(shè)污水處理產(chǎn)業(yè)；建立清潔生產(chǎn)制度，減少污染物產(chǎn)生，節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)水資源循環(huán)再利用；完善水資源管理體制，建立水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，優(yōu)化配置水資源，實(shí)現(xiàn)其可持續(xù)利用。