基于灰色關(guān)聯(lián)法的松塔水庫(kù)水質(zhì)評(píng)價(jià)

（晉中市瀟河流域管理局 山西晉中 030600）

1 概況

瀟河是晉中市最大的河流，松塔水庫(kù)位于瀟河主流松塔河上，控制流域面積1 174 km2。2011年8月底松塔水庫(kù)下閘蓄水以來(lái)，每年為晉中城區(qū)和壽陽(yáng)縣提供城市及工業(yè)用水2 200萬(wàn)m3，改善瀟河灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉面積1.171萬(wàn)hm2，極大地緩解了受水區(qū)地面水利用不足，地下水嚴(yán)重超采的矛盾。對(duì)松塔水庫(kù)地表水水質(zhì)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，反映水庫(kù)水質(zhì)現(xiàn)狀和變化規(guī)律，進(jìn)一步提出針對(duì)性的保護(hù)措施，對(duì)晉中市的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

灰色關(guān)聯(lián)法提出了對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析的概念，通過(guò)一定的方法，找到系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間的數(shù)值關(guān)聯(lián)程度的關(guān)系，對(duì)系統(tǒng)發(fā)展變化態(tài)勢(shì)提出量化的度量。由于灰色關(guān)聯(lián)法具有對(duì)樣本規(guī)律性要求不高，定性與定量成果一致，非常適合動(dòng)態(tài)分析等優(yōu)勢(shì)，所以，本文采用灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)松塔水庫(kù)水質(zhì)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

2 灰色關(guān)聯(lián)法模型建立

2.1 灰色關(guān)聯(lián)法原理

灰色關(guān)聯(lián)法是對(duì)于兩個(gè)系統(tǒng)之間的因素隨時(shí)間或不同對(duì)象而變化的關(guān)聯(lián)性大小的量度，稱(chēng)為關(guān)聯(lián)度。在系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中，若兩個(gè)因素變化的趨勢(shì)具有一致性，即同步變化程度較高，二者關(guān)聯(lián)程度較高；反之，則較低。在對(duì)松塔水庫(kù)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)，選取實(shí)測(cè)水質(zhì)資料與地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行比較，求取汛期與非汛期水質(zhì)與5類(lèi)水域功能和標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)級(jí)別的關(guān)聯(lián)度，最大值為松塔水庫(kù)水質(zhì)對(duì)應(yīng)的級(jí)別。

2.2 具體計(jì)算步驟

2.2.1 確定實(shí)測(cè)數(shù)列和比較數(shù)列

以松塔水庫(kù)汛期與非汛期水質(zhì)實(shí)測(cè)平均值為實(shí)測(cè)數(shù)列，地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)5類(lèi)水域功能和標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)為比較數(shù)列。實(shí)測(cè)數(shù)列松塔水庫(kù)汛期或非汛期水質(zhì)實(shí)測(cè)平均值為實(shí)測(cè)指標(biāo)個(gè)數(shù)，比較數(shù)列地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)5類(lèi)水域功能和標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)為5類(lèi)水域功能和標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)級(jí)別。

2.2.2 無(wú)量綱化處理[1]

由于系統(tǒng)中各因素之間量級(jí)不同，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的量綱也不一定相同，不便于比較，或在比較時(shí)難以得到正確的結(jié)論。因此在進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析時(shí)，先進(jìn)行無(wú)量綱化的數(shù)據(jù)處理。

2.2.3 求灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

對(duì)于實(shí)測(cè)數(shù)列 X0有若干個(gè)比較數(shù)列 X1，X2，X3，…，Xm各比較數(shù)列與實(shí)測(cè)數(shù)列的關(guān)聯(lián)系數(shù)ζ可由公式（1）算出。

2.2.4 求關(guān)聯(lián)度

因?yàn)殛P(guān)聯(lián)系數(shù)是比較數(shù)列與實(shí)測(cè)數(shù)列的關(guān)聯(lián)程度值，所以它的數(shù)不止一個(gè)，信息過(guò)于分散，不便于整體比較，求關(guān)聯(lián)系數(shù)平均值，即關(guān)聯(lián)度，計(jì)算如公式（2）。

式中:Ri——比較數(shù)列對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)列的灰關(guān)聯(lián)度。

2.2.5 關(guān)聯(lián)度排序

通過(guò)比較各關(guān)聯(lián)度的大小，找出最大的關(guān)聯(lián)度值，所對(duì)應(yīng)的地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)5類(lèi)水域功能和標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)級(jí)別就是松塔水庫(kù)水體的環(huán)境質(zhì)量等級(jí)。

3 松塔水庫(kù)水體水質(zhì)評(píng)價(jià)

3.1 松塔水庫(kù)水質(zhì)現(xiàn)狀

為了解松塔水庫(kù)水質(zhì)現(xiàn)狀，開(kāi)展了一年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，調(diào)查的主要污染物有:NH3-N、TN、TP、COD，結(jié)果如表1。

表1 松塔水庫(kù)主要污染物月度水質(zhì)監(jiān)測(cè)值表 單位：mg/L

3.2 評(píng)價(jià)因子和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

以 NH3-N、TN、TP、COD 為評(píng)價(jià)因子，按汛期、非汛期計(jì)算其平均值見(jiàn)表2，以此數(shù)據(jù)為實(shí)測(cè)數(shù)列，以地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)5類(lèi)水域功能和標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)級(jí)別為比較數(shù)列，見(jiàn)表3。

表2 松塔水庫(kù)主要污染物汛期、非汛期水質(zhì)監(jiān)測(cè)平均值表單位：mg/L

表3 各評(píng)價(jià)因子影響水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量比較 單位：mg/L

將松塔水庫(kù)汛期、非汛期的實(shí)測(cè)數(shù)列無(wú)量綱化處理。

首先計(jì)算NH3-N汛期、非汛期的平均值:（0.11+0.15）÷2=0.13

再計(jì)算NH3-N汛期的無(wú)量綱化結(jié)果:0.13÷0.11=1.182

NH3-N非汛期的無(wú)量綱化結(jié)果:0.13÷0.15=0.867。

同理，計(jì)算出TN、TP、和COD實(shí)測(cè)數(shù)列的無(wú)量綱化結(jié)果見(jiàn)表4。

同樣將比較數(shù)列進(jìn)行無(wú)量綱化處理。

首先計(jì)算NH3-N的5類(lèi)水質(zhì)級(jí)別的平均值:

（0.15+0.50+1.00+1.50+2.00）÷5=1.03

再計(jì)算NH3-N的Ⅰ類(lèi)水無(wú)量綱化結(jié)果:1.03÷0.15=6.867

NH3-N的Ⅱ類(lèi)水無(wú)量綱化結(jié)果:1.03÷0.50=2.060

NH3-N的Ⅲ類(lèi)水無(wú)量綱化結(jié)果:1.03÷1.00=1.030

NH3-N的Ⅳ類(lèi)水無(wú)量綱化結(jié)果:1.03÷1.50=0.687

NH3-N的Ⅴ類(lèi)水無(wú)量綱化結(jié)果:1.03÷2.00=0.515

同理，計(jì)算出TN、TP、和COD比較數(shù)列的無(wú)量綱化結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 松塔水庫(kù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)量綱化結(jié)果

表5 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)級(jí)別數(shù)值無(wú)量綱化結(jié)果

3.3 關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算

3.3.1 汛期關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算

計(jì)算絕對(duì)值差，以汛期4個(gè)評(píng)價(jià)因子對(duì)應(yīng)的值為實(shí)測(cè)數(shù)列，與地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的5個(gè)水質(zhì)級(jí)別比較數(shù)列分別組合計(jì)算，以Ⅰ類(lèi)水為例計(jì)算如下:

NH3-N:|1.182-6.867|=5.685

TN:|1.125-5.200|=4.075

TP:|0.702-7.700|=6.998

COD:|1.289-1.600|=0.311

同理，計(jì)算Ⅱ類(lèi)水、Ⅲ類(lèi)水、Ⅳ類(lèi)水和Ⅴ類(lèi)水，結(jié)果如下:

將數(shù)據(jù)代入公式（1）計(jì)算，其中，分辨系數(shù)ζ取0.5，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 松塔水庫(kù)汛期水質(zhì)與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)

3.3.2 非汛期關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算

同理，計(jì)算松塔水庫(kù)非汛期水質(zhì)與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 松塔水庫(kù)非汛期水質(zhì)與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)

3.4 關(guān)聯(lián)度計(jì)算

將表6中的數(shù)據(jù)代入公式2，得出松塔水庫(kù)汛期水質(zhì)對(duì)應(yīng)各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度。

用同樣的方法，計(jì)算松塔水庫(kù)非汛期水質(zhì)對(duì)應(yīng)各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度，結(jié)果見(jiàn)表8。

從表8中選取出松塔水庫(kù)汛期、非汛期對(duì)應(yīng)的最大關(guān)聯(lián)度，即得出松塔水庫(kù)汛期、非汛期水質(zhì)對(duì)應(yīng)的地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)5類(lèi)水域功能和標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)級(jí)別的等級(jí)。

表8 松塔水庫(kù)汛期、非汛期關(guān)聯(lián)度結(jié)果

松塔水庫(kù)汛期、非汛期對(duì)應(yīng)的最大關(guān)聯(lián)度均為R3，即松塔水庫(kù)水質(zhì)汛期、非汛期均為地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類(lèi)水級(jí)別。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)松塔水庫(kù)汛期、非汛期水質(zhì)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，結(jié)果表明:松塔水庫(kù)水質(zhì)為Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。為改善水環(huán)境，確保松塔水庫(kù)作為地表水資源可持續(xù)利用，提出以下保護(hù)措施:

1）保護(hù)區(qū)內(nèi)村鎮(zhèn)生活區(qū)建設(shè)完善的污水收集與處理系統(tǒng)，進(jìn)行旱廁防滲處理和垃圾回收與處理；2）保護(hù)區(qū)耕地實(shí)施退耕還林還草及涵養(yǎng)水源工程或采取有效的措施，減少田間化肥和農(nóng)藥使用量；3）合理規(guī)劃養(yǎng)殖區(qū)域，畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)通過(guò)設(shè)置沉淀池等方法防止畜禽糞便污水對(duì)周?chē)h(huán)境造成污染；4）做好飲用水水源地環(huán)境監(jiān)測(cè)與監(jiān)管能力建設(shè)，積極進(jìn)行水源地環(huán)境保護(hù)宣傳教育。這樣，使晉中市的母親河——瀟河為區(qū)域的城市生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持久提供符合要求的水資源。