基于灰色聚类法金沙江丽江段水环境质量综合评价

和继华

(云南省水文水资源局丽江分局，云南 丽江 674100)

基于灰色聚类法金沙江丽江段水环境质量综合评价

和继华

(云南省水文水资源局丽江分局，云南 丽江 674100)

利用灰色聚类法理论和原理，对金沙江丽江段600多km木高、松园桥、大具、老火房、红光、腊乌渡6个站点(断面)2016年水质监测结果主要污染物指标进行了水环境质量评价。结果表明，金沙江丽江段时空分布污染较少，都达到了I类水质标准。用灰色聚类法评价水质，不仅方法简便，结论也符合实际。

灰色聚类法；金沙江；丽江段；水环境质量；评价

水环境质量是由众多影响因素组成的系统，隐含着非常多的参数，难以确定时空分布的影响，属于不确切的灰色系统。灰色聚类法充分考虑了环境变化的模糊性和环境系统的灰色性[1]。

1 灰色聚类法[2]

灰类白化权函数聚类法是建立在灰数的白化函数生成基础上的一种方法，它是将聚类对象(评价对象)对不同聚类指标(评价指标)所拥有的白化值(实测值或分析数据)按n个灰类(评价等级)进行归纳整理，从而判断聚类对象属于哪一类的灰色统计法。

1.1 建立水质监测断面(点)矩阵

记i=1,2,3…,n，为聚类样本序号，即各个断面或测点；记j=1,2,3…,m，为聚类指标(各项污染参数)；k=1,2,3…,p，为灰类别(按某一水质标准的分级)。

1.2 构造白化函数[3]

通过实测水质样本系列得到聚类白化数dij：

(1)

式中：dij—第i个样本监测断面(点)第j个污染因子的标准化值；Aij—第i个样本监测断面(点)第j个污染因子的实测值；A0j—第j个污染因子的参考标准，根据水环境目标来确定。

1.3 灰色聚类权重确定[3]

1.3.1 灰类的标准化处理

灰类的标准化处理是建立白化函数的前提条件。为了方便灰类与原始白化数之间的分析比较，仍用A0进行灰类无量纲化。

(2)

式中：Sjk—灰类值；γjk—第j个监测指标第k个灰类值Sij的标准化值。

1.3.2 监测指标聚类权重πkj计算

(3)

式中：γkj—水环境监测指标类别阈值；πkj—第j个监测指标第k个灰类权重值。

1.4 聚类系数计算和类别确定[3]

1.4.1 聚类系数δki计算

(4)

式中：fkj(dij)—白化函数值。

1.4.2 水质类别的判定

在水环境质量评估中，灰色聚类关联法是一种加权的宽域聚类法，信息利用率高，能区分多测点环境质量的优劣。级别不同者，则级别越低，环境质量越好；级别相同者，则再比较其次高级别，次高级别越低，质量越好，依次类推，如果最后一个级别仍相同，则再比较与第2，3级的关联度，关联度越大，则质量越好[4]。在具体计算出聚类系数之后，按最大值所属确定水体质量，各级聚类系数中最大值所在的类为该样本(监测断面或点)的归属类，即确定水质类别[5]。

2 金沙江丽江段水质评价

2.1 评价标准

长江流域水环境监测中心丽江实验室从2000年开始对金沙江600多km丽江段进行水环境质量监测，至2016年共设置木高、松园桥、大具、老火房、红光、腊乌渡6个监测断面，开展25项指标常规水质监测。经对监测值分析，有污染的主要是TP、NH3-N、BOD5、COMMn4个指标。采用以上参数为灰色聚类法评价指标，标准采用《GB3838-2002地表水环境质量标准》,标准限值见表1。

表1 地表水环境质量标准标准限值 (mg/L)

2.2 金沙江丽江段水质

评价参数监测资料采用2016年1月、5月、9月水质监测数据，详见表2。

表2 金沙江丽江段水质监测成果 (mg/L)

根据灰色聚类法原理，以表1中水环境质量标准对应聚类样本总数n=4，聚类指标数m=4，灰类别数p=5，表2中监测站点(断面)监测数据为白化数dij。

2.3 建立白化函数

据灰色聚类法和表1水环境质量标准限值，白化函数的极大值为1，建立总磷等4项水质评价指标的白化函数关系如下：

(1)TP

(2)BOD5

(3)CODMn

(4)NH3-N

根据表2金沙江丽江段6个监测断面4个水质监测参数，各次实测值代入公式(1)计算得白化函数值，见表3。

表3 白化函数值计算结果表

表3(续)

2.4 聚类权数计算[6]

聚类权数是衡量各个参数指标对同一灰类的权重，由于各参数指标的单位和量级不一致，在计算聚类权重之前必须对各参数指标标准用公式(2)进行无量纲化处理，结果见表4。无量纲化处理后，按公式(3)聚类权数计算，结果见表5。

表4 水环境标准灰类无量纲化结果表

表5 聚类权数计算结果表

2.5 聚类系数计算

白化函数值和聚类权重代入式(2)计算聚类系数，结果见表6。

表6 聚类系数计算结果表断面

2.6 水环境质量类别确定

按最大值所属原则在计算所得的聚类系数中找出最大值所在的类别，即为房站点(断面)的水质类别。金沙江丽江段站点(断面)2016年1、5、9月水质灰色聚类评价结果见表7。

表7 金沙江丽江段站点(断面)2016年1、5、9月

3 结语

金沙江丽江段从水质评价结果来看，时空分布污染较少，都达到了I类水质标准。原因主要是金沙江丽江段及以上属于欠发达地区，污染来源少，加上水资源相对丰富，水体自净能力较强。

通过灰色聚类法对金沙江丽江段水质进行评价，考虑了系统的灰色性、白化程度、以及各污染因子的综合影响而进行了聚类加权，其权重的确定方法比较合理、客观。经过白化监测数据的灰化处理，不仅提高了水环境变量信息利用，也充分照顾了目前水质标准分级界线的模糊性，能够得到明确的评价结果，是水环境质量评价的一种较好方法。

[1]邓聚龙.灰色系统基本方法[M].武汉:华中理工大学出版社,1992.

[2]邓聚龙.灰色系统基本方法[M]. 武汉:华中科技大学出版社, 2005.

[3]赵光影.灰色聚类法在地表水环境质量评价中的应用[J].北方环境, 2005(4).

[4]姚建玉, 钟正燕, 陈金发. 灰色聚类关联评估在水环境质量评价中的应用[J]. 环境科学与管理, 2009, 34(2).

[5]陈晓宏.水环境评价与规划[M].广州:中山大学出版社,2001.

[6]梅永进.灰色聚类法在畔溪河水质综合评价中的应用[J].鹭江职业大学学报,2003(4).

Comprehensive Evaluation of the Water Environmental Quality of Jinsha River in Lijiang by Grey Clustering Method

HE Ji-hua

(Lijiang Branch, Yunnan Bureau of Hydrology and Water Resources; Lijiang Yunnan 674100 ，China)

The theory and principle of grey clustering method were applied to assess the main water quality indices if six river sections (Mugao, Songyuan Bridge, Daju, Laohuofang, Hongguang, and Lawudu) of Jinsha River. The results showed that the spatial and temporal pollution along the Jinsha River in Lijiang was little. All sections have reached the first class national water standard. The method is simple. The results are accordance with the reality.

grey clustering method; Jinsha River; water environmental quality; assessment

2016-10-28

X824

A

1673-9655(2017)02-0105-05