基于灰色聚類(lèi)法的彭州市西河水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

(1.山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；3.山西省生物研究所，山西 太原 030006)

四川省境內(nèi)地表水豐富，水源地尤以地表水為主。地表水源又可分為水庫(kù)水源、湖泊水源和河流水源。截至2013年，四川省內(nèi)共有51座大型水庫(kù)，219座中型水庫(kù)，10萬(wàn)m3以上水庫(kù)共計(jì)8148座[1]。水庫(kù)類(lèi)水源為四川省的供水安全提供了重要的支撐作用。水庫(kù)雖然具有一定的天然納污能力和水體自?xún)艄δ?，但是近年?lái)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水庫(kù)周邊污染源大量增加，對(duì)水域造成了不同程度的污染，其環(huán)境質(zhì)量和自?xún)裟芰φ诓粩嗟叵陆岛蜏p弱。為降低人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水庫(kù)水環(huán)境造成的不良影響，科學(xué)有效地建立水庫(kù)水源地水環(huán)境管理制度，完善區(qū)域內(nèi)水資源系統(tǒng)的空間布局，有必要對(duì)水庫(kù)水環(huán)境進(jìn)行客觀、全面的科學(xué)評(píng)價(jià)。

水環(huán)境評(píng)價(jià)是利用一定的評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)水環(huán)境各要素指標(biāo)實(shí)測(cè)資料對(duì)水環(huán)境進(jìn)行定量綜合評(píng)價(jià)，以便有效掌握水環(huán)境狀況，為水環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)合理的決策依據(jù)和參考。目前水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)常見(jiàn)方法有灰色關(guān)聯(lián)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合評(píng)價(jià)法等[2]。由于水環(huán)境質(zhì)量中所獲得的數(shù)據(jù)都是在有限的時(shí)間和空間范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)得到的，所提供的信息不完全或不確切，所以可以將水環(huán)境系統(tǒng)視為一個(gè)灰色系統(tǒng)[3]。

灰色聚類(lèi)法是在以灰數(shù)的白化函數(shù)生成為基礎(chǔ)建立的一種多維灰色評(píng)估方法。它將聚類(lèi)對(duì)象對(duì)于不同聚類(lèi)指標(biāo)所擁有的白化數(shù)，按若干灰類(lèi)進(jìn)行歸納，從而判斷出聚類(lèi)對(duì)象屬于哪一個(gè)灰類(lèi)?；疑垲?lèi)分析法相對(duì)于其他數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)方法的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下方面：

a.可以避免一些量化方法(如主成分分析等)要求大樣本和樣本有較好的分布規(guī)律、計(jì)算工作量大、出現(xiàn)的結(jié)果與定性分析結(jié)果不符等問(wèn)題。

b.可以克服關(guān)于評(píng)價(jià)指標(biāo)信息的不明確性和不完備性，從而提高評(píng)價(jià)分析的可信度和科學(xué)性。 灰色聚類(lèi)法近年來(lái)在水質(zhì)評(píng)價(jià)中被廣泛應(yīng)用，可以直接應(yīng)用于各種水質(zhì)分析與評(píng)價(jià)。

本文基于西河水庫(kù)各項(xiàng)污染物實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)選用灰色聚類(lèi)法綜合評(píng)價(jià)分析水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量，以期為水庫(kù)水環(huán)境保護(hù)和水質(zhì)時(shí)空演化規(guī)律的研究提供理論支持和參考。

1 灰色聚類(lèi)分析法

1.1 水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

評(píng)價(jià)指標(biāo)和水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)為依據(jù)，水質(zhì)共分為5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)。評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)為λkj，以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的分類(lèi)值為依據(jù)，有些指標(biāo)可根據(jù)地方水域背景值特征及用途作適當(dāng)調(diào)整。

1.2 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

1.2.1 樣本指標(biāo)白化值的標(biāo)準(zhǔn)化處理

采用污染指數(shù)進(jìn)行樣本指標(biāo)白化值的標(biāo)準(zhǔn)化處理，既可達(dá)到無(wú)量綱化的目的，又可反映污染物的相對(duì)污染狀況，其計(jì)算公式為

(1)

式中：xki為第k個(gè)樣本(測(cè)點(diǎn))第i個(gè)指標(biāo)(污染因子)的標(biāo)準(zhǔn)化值；Cki為第k個(gè)樣本(測(cè)點(diǎn))第i個(gè)指標(biāo)(污染因子)的實(shí)測(cè)值；C0i為第i個(gè)指標(biāo)(污染因子)的參考標(biāo)準(zhǔn)，本文采用地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中Ⅲ類(lèi)水水質(zhì)。

1.2.2 灰類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

灰類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)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(lèi)之間的比較分析，仍用C0i進(jìn)行灰類(lèi)的無(wú)量綱化：

(2)

式中：rki為第i個(gè)指標(biāo)第j個(gè)灰類(lèi)值λkj的標(biāo)準(zhǔn)化處理值；λij為灰類(lèi)值。

1.3 水質(zhì)樣本標(biāo)準(zhǔn)化值聚類(lèi)矩陣的生成

由k個(gè)樣本(測(cè)點(diǎn))的i個(gè)指標(biāo)(污染因子)的標(biāo)準(zhǔn)化值構(gòu)成的矩陣為

(3)

式中：xki為k個(gè)聚類(lèi)樣本第i個(gè)聚類(lèi)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值，k=1,2,…,m，i=1,2,…,n。

1.4 灰類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)化值聚類(lèi)矩陣的生成

由n個(gè)指標(biāo)(污染因子)的m個(gè)灰類(lèi)(環(huán)境質(zhì)量等級(jí))的標(biāo)準(zhǔn)化值構(gòu)成的矩陣為

(4)

1.5 建立各污染物的白化函數(shù)

白化函數(shù)是灰色聚類(lèi)的基礎(chǔ)，是計(jì)算聚類(lèi)系數(shù)的基本依據(jù)，它可反映聚類(lèi)指標(biāo)對(duì)灰類(lèi)的親疏關(guān)系。

設(shè)第i個(gè)指標(biāo)的灰類(lèi)1，則灰類(lèi)j(j=2，…，h-1)和灰類(lèi)h的白化函數(shù)分別為

(5)

(6)

(7)

1.6 水質(zhì)因子灰類(lèi)聚類(lèi)權(quán)重值

灰類(lèi)權(quán)重值是各指標(biāo)對(duì)某一灰類(lèi)的權(quán)重，第i個(gè)指標(biāo)j個(gè)灰類(lèi)的權(quán)重值ωij按下式計(jì)算：

(8)

1.7 水質(zhì)因子灰類(lèi)聚類(lèi)權(quán)值

(9)

1.8 聚類(lèi)系數(shù)

(10)

1.9 構(gòu)造聚類(lèi)向量及評(píng)判

設(shè)ζi為聚類(lèi)向量，則有

(11)

按照最大隸屬原則確定聚類(lèi)樣本屬于哪一類(lèi)，若

(12)

則稱(chēng)對(duì)象i屬于灰類(lèi)k。

2 案 例

西河水庫(kù)地處彭州市，水庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容271萬(wàn)m3，為小(1)型水庫(kù)。西河水庫(kù)是湔江西河灌區(qū)的補(bǔ)充水源水庫(kù)，主要補(bǔ)充灌溉彭州市麗春鎮(zhèn)和隆豐鎮(zhèn)約3萬(wàn)畝農(nóng)田，該水庫(kù)又是彭州市第二水廠的主要供水水源，可供彭州市10萬(wàn)人的飲用水。西河水庫(kù)壩址控制集雨面積1.12km2，水庫(kù)天然來(lái)水較小，主要以引蓄湔江補(bǔ)水為主，引水地點(diǎn)為湔江堰西三河閘下和尚埝，水量占水庫(kù)來(lái)水總量的99%以上[4]。水庫(kù)周邊居民、農(nóng)家樂(lè)等生活污水及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中殘留的化肥、農(nóng)藥等非點(diǎn)源污染物嚴(yán)重影響了西河水庫(kù)的水質(zhì)，對(duì)彭州市飲用水源構(gòu)成安全隱患。因此，正確評(píng)價(jià)西河水庫(kù)水質(zhì)質(zhì)量及水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量對(duì)保障彭州市居民飲水安全、維護(hù)彭州市社會(huì)穩(wěn)定具有重要意義。西河水庫(kù)區(qū)位圖見(jiàn)圖1。其放水口共有4處：

a.第一處位于主壩右壩段(1-1斷面)，為塔式放水口，過(guò)壩建筑物為穿壩涵管，該放水口已報(bào)廢封堵。

b.第二處位于大壩中間段(2-2斷面)，是目前灌溉放水的主要放水口，放水孔位于斜臥管底部，為深式放水孔，最大放水流量為1.16m3/s，臥管底設(shè)圓盤(pán)式鋼閘門(mén)，由手動(dòng)斜拉式鋼繩啟閉，其過(guò)壩建筑物仍為涵管。

c.第三處位于大壩左端的副壩上(3-3斷面)，該放水口主要保障附近村民灌溉用水，其引水流量小，主要引取庫(kù)區(qū)表層水。

d.第四處是位于副壩中間的塔式放水口(4-4斷面)，最大放水流量為4.60m3/s，該放水口兼發(fā)電、城市供水、灌溉和溢洪多用。

圖1 西河水庫(kù)區(qū)位圖

2.1 參評(píng)指標(biāo)的選取

2.1.1 環(huán)境質(zhì)量等級(jí)

環(huán)境質(zhì)量等級(jí)采用地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[5]，指標(biāo)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

2.1.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

四川大學(xué)分析測(cè)試中心對(duì)西河水庫(kù)2014—2017年8個(gè)水質(zhì)斷面逐月進(jìn)行水樣采集及檢測(cè)，得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2～圖4。

表1 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值 單位：mg/L

圖2 2014—2017年西河水庫(kù)總氮濃度實(shí)測(cè)值

圖3 2014—2017年西河水庫(kù)總磷濃度實(shí)測(cè)值

圖4 2014—2017年西河水庫(kù)BOD5濃度實(shí)測(cè)值

2.2 數(shù)據(jù)的無(wú)量綱化處理

根據(jù)式(1)、式(3)構(gòu)建水質(zhì)樣本標(biāo)準(zhǔn)化值聚類(lèi)矩陣，見(jiàn)表2。

表2 水質(zhì)樣本標(biāo)準(zhǔn)化值聚類(lèi)矩陣(多年平均值)

根據(jù)式(2)、式(4)構(gòu)建灰類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)化值聚類(lèi)矩陣，見(jiàn)表3。

表3 灰類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)化值聚類(lèi)矩陣

2.3 構(gòu)建各污染物的白化函數(shù)

根據(jù)式(5)、式(6)、式(7)構(gòu)建各污染物的白化函數(shù)(見(jiàn)表4)，經(jīng)計(jì)算得到各斷面各污染物的白化函數(shù)值(見(jiàn)表5)。

表4 白化函數(shù)

續(xù)表

表5 白化函數(shù)值

續(xù)表

2.4 確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各灰類(lèi)的聚類(lèi)權(quán)重值

根據(jù)式(8)確定聚類(lèi)權(quán)重值，見(jiàn)表6。

表6 水質(zhì)因子聚類(lèi)權(quán)重值

2.5 確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各灰類(lèi)的聚類(lèi)權(quán)值

根據(jù)式(9)確定聚類(lèi)權(quán)值，見(jiàn)表7。

表7 水質(zhì)因子聚類(lèi)權(quán)值

2.6 確定各評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)各灰類(lèi)的聚類(lèi)系數(shù)

根據(jù)式(10)確定水質(zhì)因子聚類(lèi)系數(shù)，見(jiàn)表8。

表8 聚類(lèi)系數(shù)

2.7 結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

根據(jù)式(11)、式(12)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)， 測(cè)點(diǎn)5個(gè)聚類(lèi)系數(shù)中最大的聚類(lèi)系數(shù)所對(duì)應(yīng)的灰類(lèi)值即為水質(zhì)的質(zhì)量等級(jí)，各測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)質(zhì)量見(jiàn)表9、表10及圖5。

表9 測(cè)點(diǎn)水質(zhì)質(zhì)量(多年平均)

表10 西河水庫(kù)逐月水質(zhì)等級(jí)月出現(xiàn)月數(shù)量

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

a.采用了灰色聚類(lèi)法評(píng)價(jià)西河水庫(kù)的水環(huán)境質(zhì)量。從空間尺度來(lái)看，西河水庫(kù)水質(zhì)由庫(kù)尾到壩前呈現(xiàn)明顯的遞增趨勢(shì)，說(shuō)明西河水庫(kù)具有顯著的自?xún)裟芰?。而水?kù)入口處(8-8斷面)通過(guò)湔江引水匯入的污染物是西河水庫(kù)水質(zhì)惡化的主要因素。為控制西河水庫(kù)水環(huán)境，應(yīng)嚴(yán)格控制引水水質(zhì)，改善湔江水環(huán)境質(zhì)量。

圖5 西河水庫(kù)2014—2017年各監(jiān)測(cè)斷面逐月水質(zhì)等級(jí)云梯圖

b.從時(shí)間尺度來(lái)看，西河水庫(kù)2014—2017年除入口處的8-8斷面水質(zhì)沒(méi)有得到明顯改善外，其他斷面的水質(zhì)等級(jí)均有一定的提高，其中1-1斷面(主壩右壩肩)的水質(zhì)提高幅度最大，截至2017年該斷面的水質(zhì)有7個(gè)月可維持在Ⅲ類(lèi)水，因此1-1號(hào)取水口是西河水庫(kù)的理想取水口位置。

c.西河水庫(kù)在水文年內(nèi)呈現(xiàn)枯水期水質(zhì)好、豐水期水質(zhì)差的規(guī)律，其中4—9月的水質(zhì)普遍較差，這也說(shuō)明水庫(kù)上游來(lái)水?dāng)y帶的污染物是西河水庫(kù)水環(huán)境惡化的主因。

3.2 討論

環(huán)境是一個(gè)多因素多層次的復(fù)雜系統(tǒng)，由于環(huán)境系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)價(jià)存在著一些不甚明確的灰色信息，僅根據(jù)評(píng)價(jià)因素的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)難以建立確定的數(shù)學(xué)模型。事實(shí)上，環(huán)境系統(tǒng)是一個(gè)具有模糊性的灰色系統(tǒng)?；疑垲?lèi)法考慮了系統(tǒng)的灰色性和白化程度以及各個(gè)污染因子的綜合影響而進(jìn)行聚類(lèi)加權(quán)，其權(quán)重的確定方法也比其他方法更合理、客觀，克服了單因素評(píng)價(jià)中受個(gè)別因素影響較大的缺陷以及綜合指數(shù)法和模糊綜合評(píng)判法因人為因素而引起的“失真”“失效”現(xiàn)象，比較全面地反映了各評(píng)價(jià)因素的影響，評(píng)價(jià)結(jié)果比較符合實(shí)際情況[6]。

4 防治措施

a.建立和完善西河水庫(kù)水源地保護(hù)規(guī)劃。全面規(guī)劃，合理布局，進(jìn)行區(qū)域性綜合治理。對(duì)可能出現(xiàn)的水體污染，要采取預(yù)防措施。按照有關(guān)規(guī)定，做好西河水庫(kù)水源地建設(shè)項(xiàng)目的報(bào)批、驗(yàn)收工作?；谖骱铀畮?kù)基礎(chǔ)情況調(diào)研，提出初步治理方案，明確水源地保護(hù)目標(biāo)、任務(wù)、責(zé)任和措施。

b.控制湔江流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染源。調(diào)整湔江流域土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整、自然修復(fù)、綜合治理、農(nóng)村面源污染控制、水土保持等措施，有效控制農(nóng)業(yè)面源污染。采取科學(xué)的農(nóng)業(yè)灌溉方式，控制農(nóng)業(yè)非典源污染物隨徑流的損失。實(shí)施畜禽養(yǎng)殖廢物資源化和秸稈綜合利用項(xiàng)目，加強(qiáng)農(nóng)膜回收利用，控制農(nóng)業(yè)殘留物污染。

c.全面調(diào)查湔江流域內(nèi)的點(diǎn)源污染源，根據(jù)各點(diǎn)源污染源的排放狀況，明確水源污染防治重點(diǎn)，依法查處水源地排放污染物的個(gè)人及企業(yè)。杜絕城鎮(zhèn)生活污水和工業(yè)廢水任意排放。同行業(yè)廢水應(yīng)集中處理，以減少污染源的數(shù)目，便于管理。

d.制定西河水庫(kù)污染事故處理應(yīng)急預(yù)案，及時(shí)處置威脅水源安全的突發(fā)性事件。處置可能的污染事件，把突發(fā)事件環(huán)境影響控制在最小范圍內(nèi)。在湔江重要河段建設(shè)預(yù)警監(jiān)控體系。建設(shè)西河水庫(kù)水源地水環(huán)境管理信息系統(tǒng)，為政府提供信息支持，提高水庫(kù)管理的科學(xué)化、信息化、效率化。?