基于灰色聚類分析的上海市長(zhǎng)江口水質(zhì)狀況評(píng)價(jià)

陳慧文 陳錦輝

摘 要：長(zhǎng)江口是長(zhǎng)江入?？诤蜕虾Ｊ兄匾乃垂?yīng)地。該研究根據(jù)長(zhǎng)江口2021年4月份的水文水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用灰色聚類分析法對(duì)調(diào)查的長(zhǎng)江口南、北支和東灘濕地12個(gè)站位漲落潮時(shí)的水環(huán)境狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期了解上海市長(zhǎng)江口水域的水環(huán)境質(zhì)量。結(jié)果表明：（1）漲潮期間，Z1、Z3、Z5、Z6、Z7、Z9、Z13、Z14、Z16、Z18、Z19等11個(gè)站位點(diǎn)的海水水質(zhì)質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ類，東灘的Z17站點(diǎn)為Ⅱ類海水;（2）落潮期間，Z1、Z3、Z6、Z7、Z9、Z13、Z14、Z16、Z17、Z18、Z19等11個(gè)站點(diǎn)海水水質(zhì)質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ類，北支Z5站點(diǎn)為Ⅱ類海水。通過利用灰色白化權(quán)函數(shù)對(duì)長(zhǎng)江口各站點(diǎn)水質(zhì)進(jìn)行分析，長(zhǎng)江口屬于第Ⅲ類海水，污染情況仍處于比較嚴(yán)重水平。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)江口;灰色聚類法;水質(zhì)評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào) X824 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2022）10-0130-06

Evaluation of Seawater Quality in the Yangtze River Estuary Based on Grey Clustering Method

CHEN Huiwen1? ?CHEN Jinhui1，2

（1Shanghai Aquatic Wildlife Conservation Research Center， Shanghai 202150， China; 2Joint Laboratory for Monitoring and Conservation of Aquatic Living Resources in the Yangtze Estuary， Shanghai 202150， China）

Abstract： The Yangtze Estuary is an important water source for Shanghai. Based on the hydrological and water quality monitoring data of the Yangtze Estuary in April 2021， this study evaluated the water environment status of 12 stations selected from the investigation on the north， south branches and Dongtan of the Yangtze Estuary by using grey cluster analysis method， so as to analyze the water environment quality of the Waters of the Yangtze Estuary in Shanghai. The results show that the sea water quality at Z1， Z3， Z5， Z6， Z7， Z9， Z13， Z14， Z16， Z18 and Z19 stations is class ⅲ， and that at Z17 station is class ⅱ. The sea water quality of Z1， Z3， Z6， Z7， Z9， Z13， Z14， Z16， Z17， Z18 and Z19 stations is class ⅲ， and that of Z5 station is class ⅱ. It can be seen from the water quality analysis results of the above stations that the water quality of the Yangtze River estuary mostly belongs to class ⅲ seawater， and the water quality is still at a poor level.

Key words： Yangtze estuary; Grey clustering method; Water quality assessment

長(zhǎng)江口是我國(guó)最大的河口生態(tài)系統(tǒng)[1]，是河流入海過渡的區(qū)域帶。長(zhǎng)江口受到沿岸流、潮流和徑流等的影響，生態(tài)環(huán)境復(fù)雜，溫、鹽度變化劇烈[2]。作為一個(gè)復(fù)雜而又特殊的自然綜合體，長(zhǎng)江口對(duì)流域自然變化和人為作用的響應(yīng)最為敏感。長(zhǎng)江口周邊地區(qū)是工業(yè)發(fā)達(dá)、人口眾多的都市[3]，頻繁的人類活動(dòng)，如污水的排放、灘涂的圍墾與水利工程的建設(shè)等，使河口遭受了巨大的環(huán)境壓力[4-5]。陳吉余等[6]指出河口攔門沙附近水質(zhì)呈顯著的惡化趨勢(shì)，硝酸鹽氮含量近20年增加近4倍，無機(jī)氮和活性磷酸鹽年增長(zhǎng)率約為5%。翁立達(dá)等[7]研究表明，從20世紀(jì)60年度至今，長(zhǎng)江口及鄰近海域的營(yíng)養(yǎng)鹽水平已經(jīng)增加了7～8倍，近年來海域出現(xiàn)赤潮的時(shí)間提前，次數(shù)增多，且面積呈擴(kuò)大趨勢(shì)。長(zhǎng)江口作為長(zhǎng)江的入?？冢从持L(zhǎng)江的生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)整體效果，且長(zhǎng)江口也是上海重要的水源供應(yīng)地，要保障青草沙水庫(kù)、陳行水庫(kù)和東風(fēng)西沙水庫(kù)的供水。水質(zhì)狀況的優(yōu)劣不僅會(huì)影響水域內(nèi)漁業(yè)資源的恢復(fù)，也會(huì)對(duì)上海市民的生產(chǎn)生活帶來不利影響。因此，有必要開展監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)長(zhǎng)江口水域的水質(zhì)狀況，為水域生態(tài)修復(fù)提供第一手資料。

目前，用于水質(zhì)評(píng)價(jià)的主要方法有指數(shù)評(píng)價(jià)法[8]，模糊綜合評(píng)價(jià)法[9]以及灰色聚類法等[10]。灰色聚類分析是一種以灰色系統(tǒng)理論[18]為基礎(chǔ)的加權(quán)灰色聚類分析方法[11]，分為灰色星座聚類、灰色關(guān)聯(lián)聚類以及灰色白化權(quán)函數(shù)聚類3類。其中，灰色白化權(quán)函數(shù)聚類是聚類分析法中引進(jìn)白化函數(shù)形成的新聚類分析方法，通過數(shù)學(xué)方法將環(huán)境質(zhì)量因子綜合歸納，通過等級(jí)量化評(píng)價(jià)質(zhì)量[12-15]。相比傳統(tǒng)的其他水質(zhì)評(píng)價(jià)法，利用灰色聚類分析可以使得分析結(jié)果更加全面客觀[19]，當(dāng)前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于海水和淡水的水質(zhì)評(píng)價(jià)中[12，16]。為此，本研究基于灰色聚類法客觀分析和評(píng)價(jià)長(zhǎng)江口南、北支和東灘附近水域漲落潮時(shí)期水質(zhì)現(xiàn)狀，為長(zhǎng)江大保護(hù)背景下水域生態(tài)環(huán)境修復(fù)及生態(tài)災(zāi)害預(yù)警等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源 數(shù)據(jù)來源于2021年4月在長(zhǎng)江口水域開展的漁業(yè)資源常規(guī)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)調(diào)查船為“滬交測(cè)002號(hào)”，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括水文物理環(huán)境（水溫、鹽度、懸浮物等）和水化學(xué)環(huán)境（營(yíng)養(yǎng)鹽、DO、pH、COD、揮發(fā)酚、總磷、總氮、石油類、水體中重金屬含量等）。在長(zhǎng)江口水域共設(shè)置12個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)（圖1），按照地理位置劃分為3個(gè)區(qū)域：北支（Z5、Z7、Z13）、南支北港（Z1、Z3、Z6、Z9、Z14、Z16、Z19）和東灘（Z17、Z18）。

所有水環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)在漲、落潮期各采集2次水樣，用于平行樣。水樣取樣方法參照《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》第3部分（GB17378.3-2007）。取樣層次按《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》第4部分（GB17378.4-2007）的要求確定，當(dāng)水深小于10m，只取表層水樣;當(dāng)水深大于10m，分表、底層取樣，其中油類采集表層下0.5m的水樣500mL，加入0.1N鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH至4.0以下，避光4℃保存至分析。氣溫、鹽度、水深、透明度、pH、溶解氧等，使用儀器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量;懸浮物、硝酸鹽、重金屬等，采集水樣后于實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析檢測(cè)。

1.2 灰色聚類法評(píng)價(jià)指標(biāo)體系 本研究選用灰色白化權(quán)函數(shù)聚類，對(duì)長(zhǎng)江口水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。灰色白化函數(shù)聚類分析的步驟包括確定評(píng)價(jià)指標(biāo)、水質(zhì)數(shù)據(jù)的無量綱化處理、建立灰色白化權(quán)函數(shù)、確定聚類權(quán)以及確定聚類系數(shù)。

1.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)確定 選取化學(xué)需氧量（COD）、揮發(fā)酚、溶解氧（DO）、石油類、Zn、Hg、Pb、Cu、Cd、Cr、As等11項(xiàng)污染因子作為評(píng)價(jià)長(zhǎng)江口水域水質(zhì)狀況的聚類指標(biāo)。參照GB 3097-1997《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)長(zhǎng)江口水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

1.2.2 水質(zhì)數(shù)據(jù)無量綱化處理 在區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中，各聚類指標(biāo)的量綱不同、意義不同，各聚類等級(jí)劃分的區(qū)間也存在差異[12]，要先對(duì)各聚類指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即數(shù)據(jù)的無量綱化處理。通過簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)變換來消除各指標(biāo)量綱的影響，無量綱化處理后才能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效合理地綜合運(yùn)算分析，使得聚類結(jié)果具有可比性[5]。

對(duì)第[i]個(gè)采樣點(diǎn)，第[j]個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)，其檢測(cè)值[cij]的無量綱化處理公式如下：

[xij=cij/1ni=1ncij] （1）

對(duì)第[k]個(gè)灰類，第[j]個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)，其評(píng)價(jià)參數(shù)的無量綱化計(jì)算公式為：

[ykj=gkj/1ni=1kgkj] （2）

對(duì)11項(xiàng)水質(zhì)因子的海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行無量綱化處理，其結(jié)果見表2。

1.2.3 建立灰色白化權(quán)函數(shù) 污染因子的隸屬度可以用線性公式來計(jì)算[17]。

當(dāng)k=1，隸屬度函數(shù)如下：

[fi1=1，0≤xij≤yijy2j-xijy2j-y1j，y1j<xij<y2j0，xij≥y2j] （3）

當(dāng)k=2/3時(shí)，隸屬度函數(shù)如下：

[fik=0，xij≤yk-1j或xij≥yk+1jxij-yk-1jykj-yk-1j，yk-1j<xij<ykjyk+1j-xijyk+1j-ykj，ykj<xij<yk+1j] （4）

當(dāng)k=4，其隸屬度函數(shù)如下公式五：

[fi4=0，xij≤y3jxij-y3jy4j-y3j，y3j≤xij≤y4j1，xij≥y4j] （5）

溶解氧（DO）與其他污染物COD、揮發(fā)酚、石油類、Zn、Hg、Pb、Cu、Cd、Cr、As的作用不同，DO值越大表明水域的水質(zhì)越好，所以其隸屬公式與以上污染物的隸屬公式不同，其隸屬公式如下[20]：

[fi1=1，xij≥yijyi2-xijyi2-yi1，yi1>xij>yi20，xij≤yi2] （6）

當(dāng)k=2/3/4時(shí)的灰類級(jí)別公式按照以上公式類推。

以上公式中，[xij]為長(zhǎng)江口各站點(diǎn)檢測(cè)值的無量綱化處理，[yij]為各灰類值的無量綱化處理值。

1.2.4 確定聚類權(quán)和聚類系數(shù) 聚類權(quán)重是衡量各個(gè)參數(shù)同一灰類的權(quán)值。水質(zhì)指標(biāo)閾值越大，對(duì)水質(zhì)的影響越小，其相對(duì)權(quán)重就越小，因此采用倒數(shù)法，計(jì)算公式如下：

[ηkj=1ykj/j=1n1ykj] （7）

聚類系數(shù)的計(jì)算公式如下：

[σkj=j=1nf（xij）*ηkj] （8）

式中：[δkj]為第i個(gè)樣本關(guān)于第k個(gè)灰類的聚類系數(shù)，反映聚類樣本對(duì)灰類的關(guān)聯(lián)程度。

各水質(zhì)因子的聚類權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表3。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)江口水質(zhì)因子含量 表4和表5為長(zhǎng)江口漲落潮時(shí)11種水質(zhì)因子濃度，從單因子質(zhì)量來看，長(zhǎng)江口水域漲落潮時(shí)的COD濃度在海水水質(zhì)III～I(xiàn)V類標(biāo)準(zhǔn)，個(gè)別站點(diǎn)超過海水水質(zhì)IV標(biāo)準(zhǔn);各調(diào)查站點(diǎn)揮發(fā)酚和DO濃度均超過海水水質(zhì)I類標(biāo)準(zhǔn);各站點(diǎn)石油類的濃度達(dá)到海水IV標(biāo)準(zhǔn)及以上;各站點(diǎn)水質(zhì)重金屬指標(biāo)Zn、Hg濃度在海水水質(zhì)II類標(biāo)準(zhǔn)，Pb位于III類海水標(biāo)準(zhǔn)，Cu、Cr和As濃度較小，符合I類海水標(biāo)準(zhǔn)，而Cd濃度較高，超過海水IV標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 水質(zhì)數(shù)據(jù)的無量綱化處理 根據(jù)公式1和公式2對(duì)長(zhǎng)江口漲潮和落潮水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，處理結(jié)果如表6和7所示。

2.3 長(zhǎng)江口水質(zhì)灰色聚類評(píng)價(jià)等級(jí) 按照聚類系數(shù)最大歸類原則，水環(huán)境質(zhì)量等級(jí)按照站點(diǎn)對(duì)應(yīng)各灰類值計(jì)算出的最大值來確定此站點(diǎn)所隸屬的灰類。通過利用灰色白化權(quán)函數(shù)法對(duì)長(zhǎng)江口12個(gè)站點(diǎn)的水質(zhì)進(jìn)行分析并劃分等級(jí)，水質(zhì)質(zhì)量等級(jí)如表8和表9所示。由表8、表9可知，在漲潮階段Z17的水質(zhì)最好，Z17站位點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的4個(gè)聚類系數(shù)中，對(duì)Ⅱ類灰類的聚類系數(shù)最大，因此Z17站點(diǎn)的水質(zhì)質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ類，Z1、Z3、Z5、Z6、Z7、Z9、Z13、Z14、Z16、Z18、Z19等11個(gè)站位點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的4個(gè)聚類系數(shù)中，分別對(duì)第Ⅲ類灰類的聚類系數(shù)最大，即以上11個(gè)站點(diǎn)的海水水質(zhì)質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ類。當(dāng)落潮時(shí)Z1、Z3、Z6、Z7、Z9、Z13、Z14、Z16、Z17、Z18、Z19等11個(gè)站位點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的4個(gè)聚類系數(shù)中，分別對(duì)第Ⅲ類灰類的聚類系數(shù)最大，即以上11個(gè)站點(diǎn)的海水水質(zhì)質(zhì)量等級(jí)Ⅲ類，Z5站位點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的4個(gè)聚類系數(shù)中，對(duì)Ⅱ類灰類的聚類系數(shù)最大，因此Z5站點(diǎn)的水質(zhì)質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ類。漲潮階段Z17站點(diǎn)和落潮階段Z5站點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的Ⅱ類海水能夠適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)、海水浴場(chǎng)、人體直接接觸海水的海上運(yùn)動(dòng)或娛樂區(qū)，以及與人類食用直接有關(guān)的工業(yè)用水區(qū);其他站點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的Ⅲ類海水能夠適用于一般工業(yè)用水區(qū)以及濱海風(fēng)景旅游區(qū)。綜合長(zhǎng)江口漲潮、落潮的12個(gè)采樣點(diǎn)站點(diǎn)的水質(zhì)等級(jí)，長(zhǎng)江口海水水質(zhì)屬于第III類海水。

3 結(jié)論與討論

灰色聚類分析在長(zhǎng)江口水質(zhì)質(zhì)量評(píng)價(jià)中的結(jié)果能夠很好地反應(yīng)當(dāng)前長(zhǎng)江口的水質(zhì)現(xiàn)狀。此方法利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)引進(jìn)白化函數(shù)，不僅計(jì)算監(jiān)測(cè)水質(zhì)的不同污染物的隸屬程度，而且通過計(jì)算水域的聚類系數(shù)，按照灰色系數(shù)最大歸類原則將水質(zhì)進(jìn)行劃分，綜合評(píng)價(jià)水域水質(zhì)的狀況，以此來客觀劃分海水水質(zhì)的質(zhì)量類別，利用污染因子的權(quán)重來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，保證了評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀準(zhǔn)確性。

本研究中發(fā)現(xiàn)，Z17站點(diǎn)、Z5站點(diǎn)在漲潮和落潮階段海水水質(zhì)等級(jí)發(fā)生了一些變化，這2個(gè)站點(diǎn)分別位于東灘淡水水域和北支咸水水域，這種變化產(chǎn)生的原因可能是：（1）在落潮時(shí)海水將沿岸的營(yíng)養(yǎng)鹽帶入海中，使得水中的一些污染因子含量升高;（2）在漲潮時(shí)大量海水涌入，長(zhǎng)江口水量上升，使得水中一些富營(yíng)養(yǎng)鹽含量相對(duì)降低。研究中長(zhǎng)江口灰色綜合水質(zhì)結(jié)果可以看出，長(zhǎng)江口水質(zhì)狀況大多屬于第Ⅲ類海水等級(jí)，與平仙隱等[16]研究得出的長(zhǎng)江口水質(zhì)為第Ⅲ類海水的結(jié)果相一致。當(dāng)前長(zhǎng)江口水域污染仍處于嚴(yán)重水平，近些年未得到有效改善，究其原因是長(zhǎng)江口周圍工業(yè)和居民生活廢水的排放以及航道工程等對(duì)水質(zhì)會(huì)產(chǎn)生了一定的影響。另外，河口水域營(yíng)養(yǎng)鹽豐富，浮游藻類等易出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化，從而對(duì)水質(zhì)質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生影響。因此，在共抓大保護(hù)、不搞大開發(fā)的長(zhǎng)江大保護(hù)的背景下，還應(yīng)繼續(xù)貫徹落實(shí)長(zhǎng)江大保護(hù)相關(guān)的保護(hù)措施，保護(hù)長(zhǎng)江口水域生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]李伯昌，施慧燕.長(zhǎng)江口河段水環(huán)境現(xiàn)狀分析[J].水資源保護(hù)，2005，21（1）：39-44.

[2]趙蓬蓬，高春霞，陳錦輝，等.長(zhǎng)江口北支水域甲殼類群落結(jié)構(gòu)特征[J].水產(chǎn)科學(xué)，2020，39（4）：491-499.

[3]吳玲玲，陸健健，童春富，等.長(zhǎng)江口濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值的評(píng)估[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2003，12（5）：411-416.

[4]吳瓊.長(zhǎng)江入海徑流對(duì)長(zhǎng)江口浮游植物影響的模擬研究[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2021.

[5]全為民，沈新強(qiáng).長(zhǎng)江口及鄰近水域漁業(yè)環(huán)境質(zhì)量的現(xiàn)狀及變化趨勢(shì)研究[J].海洋漁業(yè)，2004，26（2）：93-99

[6]陳吉余，陳沈良.中國(guó)河口海岸面臨的挑戰(zhàn)[J].海洋地質(zhì)前沿，2002，18（1）：1-5.

[7]翁立達(dá)，蔣海濤.長(zhǎng)江河口生態(tài)環(huán)境保護(hù)[C]//中國(guó)生態(tài)健康論壇論文集.2009.

[8]朱雷，陳威.模糊綜合指數(shù)法在水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，23（8）：61-65.

[9]曹冷然，李品良，李深奇，等.模糊綜合評(píng)判與灰色聚類分析在河流健康評(píng)價(jià)的應(yīng)用[J].環(huán)境工程，2018，36（8）：189-192.

[10]鄧聚龍.灰色系統(tǒng)基本方法[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1992.

[11]郭麗麗，于大濤.大連紅土堆子灣水質(zhì)的灰色聚類分析[J].環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)，2009，29（8）：46-48.

[12]朱慶峰，廖秀麗，陳新庚，等.用灰色聚類法對(duì)荔灣湖水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化程度的評(píng)價(jià)[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2004，20（2）：47-50.

[13]趙光影，華德尊.灰色聚類法在地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].北方環(huán)境，2005，30（2）：84-86.

[14]王海玲，劉廷璽，王敏，等.達(dá)拉特旗地表水水質(zhì)灰色聚類分析評(píng)價(jià)[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，27（1）：90-93.

[15]楊娜，陳國(guó)鷹.基于灰色聚類分析的白洋淀水質(zhì)評(píng)價(jià)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（34）：43-45.

[16]平仙隱，沈新強(qiáng).灰色聚類法在海水水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].海洋漁業(yè)，2006，28（4）：326-330.

[17]藍(lán)華秀，陳盛，張江山.灰色聚類法在水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].福建師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，28（1）：55-65.

[18]Deng J L. Introduction to Gray System Theory[J].Journal of Grey System，1989，1：1-24.

[19]周全超，劉紅艷.灰色聚類法在同里古鎮(zhèn)水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].河南科技學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2016，44（3）：67-71.

[20]趙志堅(jiān).灰色聚類法在水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].干旱環(huán)境監(jiān)測(cè)，1995，9（3）：147-151.

（責(zé)編：張宏民）