基于灰色聚类法在南明河水质分析中的应用

摘要：南明河是贵阳市的“母亲河”，在城市旅游发展和历史文化中具有重要价值。本文通过灰色聚类法对南明河水质进行评价，结果表明，南明河上、中、下游水质呈逐步恶化态势，说明南明河水质污染与城市化进程发展有一定联系，由此为南明河水环境保护政策与措施的制定提供参考。

关键词：灰色聚类法;南明河;水质分析

Abstract：Nanming river is the mother river of Guiyang.It has a great value in the tourism development and historical culture of the city.Through a evaluation of the water quality of Nanming river with grey system.The result shows：the water qualities from upstream，midstream and downstream deteriorate.It means Nanming river was contaminated by the urbanisation. This can provide a reference for the policy formulation of environmental protection of Nanming river.

Key word：Grey system;Nanming river;Water quality analyzing

南明河源自平坝县与贵阳市花溪区交界处，流经花溪区段称花溪河，入市区后称南明河，贵阳市境内约100km，城区段（花溪水库至新庄）长36.4km[1]，是贵阳市工业、生活用水和农田灌溉的重要水源。随着贵阳市工业化、城市化步伐的加快，南明河所面临的水环境问题日益突出[2]。为降低其水环境负面影响，提出科学有效的保护措施，有必要采取科学的环境评价。由于现有监测数据的局限性，采用灰色聚类法分析可为水环境质量演化规律提供理论依据并具有参考意义。

1 灰色聚类法原理[3-5]

灰色聚类法是以灰数的白化函数生成为基础， 将收集的聚类对象观测值的分散信息， 按照灰类进行归纳， 判断聚类对象所属灰类。首先确定评价指标体系，并根据各评价指标的特点和属性，将其划分为若干层次，建立递阶层次结构。然后运用灰色聚类分析方法形成灰色聚类矩阵，进行灰色综合评估。

设i=1，2，…，n为聚类对象（采样点）;j=1，2，…，m为聚类指标（监测指标）;k=1，2，…，K为聚类灰数，sij为第i个聚类对象对于第j个聚类指标的样本值。S是以sij为元素的样本矩阵， 即：

设?jk为第j个聚类指标属于k灰类的白化函数，?jk∈[0，1]，λjk为?jk的阈值。

设ηjk为灰色聚类权重值， 它表示第j种指标属于第k灰类的权重。当聚类指标的量纲相同时：

否则，须进行标准化处理：

xij为第i个样本第j个指标的标准化值，sij为第i个样本第j个指标实测值，sj为第j个指标参考标准值，本文参照《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）III类水质标准。

cjk为第j种指标的第k个灰类的灰数（标准值），或取白化函数的阈值λjk;sj为第j种指标的参照标准，由上，列出第j类指标各灰类的白化函数?jk：

2 灰色聚类法实际应用

2.1 水质监测数据

利用贵阳市环保局2015年南明河水质监测统计数据，在南明河贵阳市区河段设置5个监测断面，每个断面分枯水期、丰水期、平水期三期监测，监测布点见图1，监测指标及各项监测值见表1。

2.2 环境质量等级

环境质量等级确定采用《地表水环境质量标准》（GB3838-2002），各项指标见表2[6]。

3 结论分析建议

根据（11）、（12）可知，各监测点位各监测时期最大聚类系数对应的灰类数值即是该样本所属水质类别，见表7。

根据表6可知，花溪点位作为南明河的上游靠近源头，由于无污染企业和居民聚集区影响，水质较好。兴隆桥至定扒桥点位河段处于城区及其下游，企业和居民区的逐渐增多，水质亦呈现逐步恶化;可能与截污沟年久失修，部分河段污水直排有关。甲秀楼点位于城市中心区，除丰水期受上游支流阿哈水库泄洪及雨水影响水质略好，其于时期水质均较差，该河段主要为居民聚集区和城市商业区，环境承载压力较大。红岩桥点位河段地势较低，受降水影响该区域截污沟常出现溢流，导致丰水期水质反而较差。定扒桥点位于城市下游，污水收集管网及处理设施匮乏，受上游城市污染面源、周边乡镇农村污染面源、区域养殖和农副产品企业排放等影响，水质常年处于V类。说明随着城市化进程的发展，水体环境容量和自净能力降低，加之污水收集和处理设施的不完备，河流生态管理建设还有待提高，对南明河的環境保护措施还有待完善。建议相关部门把甲秀楼、红岩桥至定扒桥区域河段作为南明河污染治理重点区域，制定有效措施对该区域河段及周边进行综合治理，以改善南明河水环境质量，满足其水环境功能区划要求。

4 讨论

环境体系具有一定复杂性和不确定性，若仅以监测值来衡量往往忽略了环境质量评价中的灰色信息。灰色聚类法通过将这些灰色信息和白化程度与各项污染因子的聚类加权处理，能较为客观的反映实际情况。对于在实际工作中开展环保政策制定、环境保护措施制定等具有一定的指导意义和参考价值。

参考文献

[1]薛晓飞，李涛，邵雪峰，等.贵阳南明河水环境综合整治项目治理思路与第一阶段实施成效[A].湖泊湿地与绿色发展——第五届中国湖泊论坛[C].2015.

[2]闫维凤.贵阳市城市化进程中南明河的水质响应及健康管理研究[D].保定：华北水利水电大学，2017.

[3]贺北方，吴泽宁，杨建水.复杂系统的灰色综合评估研究[J].郑州工业大学学报，1999，20（1）：46-49

[4]贺北方，王效宇，贺晓菊，等.基于灰色聚类决策的水质评价方法[J].郑州大学学报（工学版），2002，023（001）：10-13.

[5]邢立文，魏新平，董娟.基于灰色聚类法的彭州市西河水库水环境质量评价[J].水资源开发与管理，2020（01）：23-30+53.

[6]GB3838—2002地表水环境[S].北京：中国环境科学出版社，2002.

收稿日期：2020-06-14

作者简介：方达（1984-），男，本科，工程师，研究方向为环境影响评价评估。