基于綜合權(quán)重的灰色關(guān)聯(lián)分析法在南木窩河及其支流中的應(yīng)用

徐東 姚雄麗

【摘 要】以南木窩河及其支流為研究區(qū)域，采用綜合平均污染指數(shù)法計(jì)算南木窩河及其支流的水質(zhì)污染因子的綜合權(quán)重，最后基于灰色關(guān)聯(lián)分析法計(jì)算了每個(gè)監(jiān)測斷面的監(jiān)測指標(biāo)與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)間的關(guān)聯(lián)度，進(jìn)而分析評價(jià)了每個(gè)監(jiān)測斷面的水質(zhì)，以期為南木窩河的水污染防治工作提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】水質(zhì)評價(jià);灰色理論;綜合平均污染指數(shù)法;灰色關(guān)聯(lián)分析法;南木窩河及其支流

1、引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展及人口數(shù)目的不斷增長，我國地表水污染不斷加劇，對水資源安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。缺水和水環(huán)境污染已經(jīng)嚴(yán)重威脅到了國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民正常生活，引起政府和學(xué)者的關(guān)注，確保水質(zhì)的健康安全，做好水質(zhì)評價(jià)工作至關(guān)重要。

目前，國內(nèi)外采用的水質(zhì)評價(jià)方法主要包括單因子評價(jià)法、綜合污染指數(shù)法、主成分分析法、灰色評價(jià)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[1-8]。朱媛媛等[9]分析評價(jià)了上述各種評價(jià)方法的優(yōu)劣，認(rèn)為在進(jìn)行水質(zhì)評級的時(shí)候應(yīng)采用多種評價(jià)方法相結(jié)合的手段來開展水質(zhì)評價(jià)工作，并以丹江口水源地為例，選用單因子指數(shù)評價(jià)方法、綜合污染指數(shù)評價(jià)方法、模糊綜合評判法、主成分分析法、水污染指數(shù)法對丹江口水源地7個(gè)河流斷面進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)并對比了評價(jià)效果。李國華等[10]利用主成分分析和水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法分析了黃河托克托段的水質(zhì)類別，基于主成分因子分析和綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法的水質(zhì)評價(jià)方法不僅可以準(zhǔn)確客觀地反映水質(zhì)特征，同時(shí)可對不同斷面水質(zhì)進(jìn)行比較。

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，國內(nèi)開展水質(zhì)評價(jià)研究的區(qū)域主要集中為平原河流和沿海城市[11-14]，本文則以云貴高原的南木窩河及其支流為研究區(qū)域，采用2018年1～12月南木窩河干流及其支流上的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，選用相應(yīng)評價(jià)因子，基于綜合權(quán)重的灰色關(guān)聯(lián)分析法對南木窩河干流及其支流的水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)。

2、研究區(qū)域及評價(jià)數(shù)據(jù)介紹

2.1研究區(qū)域

南臘河發(fā)源于云南省西雙版納傣族自治州勐臘縣勐伴鎮(zhèn)東部，向南流經(jīng)勐臘縣城，轉(zhuǎn)西折北再向西匯入瀾滄江。河長186.8km，落差850m，中國境內(nèi)流域面積為3911km2。

南木窩河為南臘河左岸支流，位于西雙版納傣族自治州勐臘縣東南部，發(fā)源于磨憨鎮(zhèn)南部，向北折西，匯入南臘河。河長57km，落差630m，流域面積660.7km2，多年平均徑流量13.1m3/s，水力資源理論蘊(yùn)藏量2.69萬kw。

南木窩河流域地貌屬侵蝕低山峽谷，地勢呈東南向西北傾斜，東部與南部大多以分水嶺與老撾交界。東南最高峰董宗堡高程1518.1m，河口高程約698.0m。河源段水系為扇狀分布，縱向河谷以峽谷為主，間有寬谷。兩岸為橡膠林帶，尚勇壩子多植水稻與香蕉。出壩子向北折西，左岸支流上游地處西雙版納國家級自然保護(hù)區(qū)的尚勇片區(qū)。

2.2評價(jià)數(shù)據(jù)

2.2.1監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

為詳細(xì)分析南木窩河及其支流水質(zhì)的空間變化特征，在干流及其支流上選擇6個(gè)監(jiān)測斷面，根據(jù)每個(gè)監(jiān)測斷面2018年1～12月的監(jiān)測結(jié)果計(jì)算均值，用于南木窩河干流及其支流的水質(zhì)空間變化研究。每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的具體點(diǎn)位信息見表1，采用的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，如表2所示。

3、評價(jià)方法

3.1綜合權(quán)重計(jì)算

采用綜合平均污染指數(shù)法計(jì)算南木窩河及其支流的水質(zhì)污染因子的綜合權(quán)重，同時(shí)確定南木窩河及其支流的主要污染因子，計(jì)算公式為：

式中：為i評價(jià)因子的綜合指數(shù);為j斷面i項(xiàng)污染因子的污染指數(shù);為j斷面i項(xiàng)污染因子的實(shí)測值;為i項(xiàng)污染因子的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值;n為監(jiān)測斷面的個(gè)數(shù);為i項(xiàng)污染物的綜合權(quán)重。

越大，表示i項(xiàng)污染因子的綜合權(quán)重越大，即該污染因子對河流水質(zhì)污染的貢獻(xiàn)率越大。

3.2灰色關(guān)聯(lián)分析法

3.2.1采用灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)的原理

灰色關(guān)聯(lián)分析是通過確定參考數(shù)列和若干比較數(shù)列的集合形狀相似程度來判斷二者的聯(lián)系是否緊密[15-17]，它反映了曲線間的關(guān)聯(lián)程度。與參考數(shù)列關(guān)聯(lián)度越大的比較數(shù)列，其構(gòu)成的幾何曲線與參考數(shù)列構(gòu)成的曲線越接近，兩者的聯(lián)系就越緊密。如在對水庫水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)時(shí)，以監(jiān)測斷面各因子的實(shí)測值作為參考數(shù)列，以GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的各級標(biāo)準(zhǔn)值作為比較數(shù)列，求取實(shí)測值與各級標(biāo)準(zhǔn)值之間的關(guān)聯(lián)度，與實(shí)測值關(guān)聯(lián)度最大的標(biāo)準(zhǔn)值所對應(yīng)的級數(shù)即為該監(jiān)測斷面的水質(zhì)等級。

3.2.2灰色關(guān)聯(lián)分析步驟

a、確定參考數(shù)列和比較數(shù)列。參考數(shù)列：比較數(shù)列：。

b、數(shù)列的歸一化處理。由于各因素間的量綱不同，數(shù)量級相差較大，在對它們進(jìn)行比較分析時(shí)，為消除量綱的影響采用初始化方法將數(shù)據(jù)歸一到[0，1]區(qū)間上。在對數(shù)列、進(jìn)行歸一化處理時(shí)，會(huì)存在兩種相關(guān)關(guān)系，即正相關(guān)和負(fù)相關(guān)相關(guān)關(guān)系，對此應(yīng)采用不同的變換公式[4]。

當(dāng)、為正相關(guān)關(guān)系時(shí)，對數(shù)列中各因素采用如下公式進(jìn)行變換：

d、評價(jià)結(jié)果。的最大值表示參考數(shù)列i與比較數(shù)列的第j級數(shù)列關(guān)聯(lián)性最好。

4、結(jié)果與討論

4.1評價(jià)結(jié)果

在5個(gè)評價(jià)指標(biāo)中，溶解氧屬于“效益型”指標(biāo)，其余指標(biāo)屬“成本型”指標(biāo)。利用公式（1）～（8）分別計(jì)算南木窩河——匯口，曼邁、南木窩河——磨憨鎮(zhèn)下游等其它監(jiān)測斷面各污染因子的實(shí)測值與GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中相應(yīng)污染因子的各級標(biāo)準(zhǔn)間的關(guān)聯(lián)度，計(jì)算結(jié)果如表4-1所示。

分析表4-1可知，南木窩河及其支流的6個(gè)監(jiān)測段面中，曼崗村、磨憨鎮(zhèn)下游吊橋和景崗村的水質(zhì)類別為III類，而回繞村、曼納村和曼旦村下游的水質(zhì)為II類，結(jié)合圖1.1-1可知，南窩河支流水質(zhì)明顯好于干流的水質(zhì)。

4.2討論

（1）根據(jù)每個(gè)監(jiān)測斷面的水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)數(shù)值，采用綜合平均污染指數(shù)法計(jì)算不同斷面污染因子的權(quán)重，可以避免人為確定權(quán)重的主觀性，直觀反映出不同監(jiān)測斷面污染因子的貢獻(xiàn)率。

（2）利用灰色關(guān)聯(lián)分析法計(jì)算每個(gè)監(jiān)測斷面污染因子的實(shí)測值與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中相應(yīng)污染因子的各級標(biāo)準(zhǔn)間的關(guān)聯(lián)度，可以較全面的反映河流的水質(zhì)情況。

（3）南木窩河及其支流的水質(zhì)符合II～I(xiàn)II類標(biāo)準(zhǔn)，總體上來說，南窩河支流水質(zhì)明顯好于干流的水質(zhì)。

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作者簡介：

徐東（1992-），男，云南玉溪人，碩士生，研究方向?yàn)椋核Y源系統(tǒng)分析與可持續(xù)利用。

（作者單位：1.云南華禹水利水電勘察設(shè)計(jì)有限公司;2.昆明市水務(wù)局）