灰色聚类法在葠窝水库水环境评价中的应用

于 淼

(江苏省如皋市碾砣港闸管理所，江苏如皋226500)

1 葠窝水库基本情况

1.1 葠窝水库概况

葠窝水库建成于1973年，是辽宁省大型水库之一，位于辽阳县、灯塔县和弓长岭区交界处的太子河干流上，距市内40 km，库区面积5 334 hm2。水库下游是辽阔的浑太冲积平原，有大片肥沃的农田和星罗棋布的村庄，是辽宁省主要产粮基地之一。水库控制流域面积6 175 km2，占整个流域面积的44.5%，是流域内主要的控制性工程。

本次对葠窝水库评价的目的主要是准确的反映目前的水体质量和污染状况，弄清水体质量变化发展的规律，找出流域的主要污染问题，为水污染治理、水功能区划以及水环境管理提供依据。

1.2 分析方法

采用灰色聚类法对葠窝水库进行综合评价[1]。

灰色聚类法:把各个监测点作为聚类样本，用n表示;把各个污染指标作为聚类指标，用m表示;把水质类别作为聚类灰数，用k表示。

按照灰色聚类计算的一般步骤，即:给出对象的样本值、确定各灰色白化函数、计算聚类权、确定聚类系数、构造聚类向量、最后判断聚类，依次进行选取、计算。

葠窝水库的监测断面选取的是1999年堤前监测断面、拦河监测断面、细河监测断面、库中心监测断面、蓝家崴子监测断面、胡巴什监测断面。水质监测成果表见表1。

表1 葠窝水库1999年水质监测成果表

1.3 主要污染物变化趋势分析

由表1葠窝水库各监测断面不同水期污染物变化可看出:

1.3.1 枯水期变化趋势分析

1)枯水期总氮量变化趋势除2000年偏高外，其他年份平稳，勿过大增加或减少，其中库中心断面1996年比同期2000年还要高，胡巴什断面1995年最高。

2)氨氮变化趋势为稳定。

3)亚硝酸氮变化同氨氮。

4)硝酸氮变化1997年高于其他各年，但增幅不大。

5)COD的变化趋势很明显，1999年明显高于其他年，其余年份变化不大。

6)BOD5的变化除1995年胡巴什断面略高外，其余增幅不大。

1.3.2 丰水期变化趋势分析

1)丰水期总氮变化趋势平稳，无过大增加或减少。

2)氨氮，亚硝酸单核硝酸氮均变化平稳。

3)COD同枯水期一样，仍然是1999年显著高于其他年份，分析原音可能使出于监测误差，或是该年COD污染确实严重。

4)BOD5浓度变化不大，当然1995年是个列外，其值明显高于其他年份，分析原因可能是出于监测误差，或是该年COD污染确实严重;这也许是出于监测误差。

1.3.3 平水期变化趋势

1)平水期总氮各年变化不大，都在3.0 mg/L左右浮动。

2)氨氮变化同亚硝酸氨一样，无明显涨落。

3)亚硝酸按变化趋势也是比较平稳，除个别年份个别断面略高外，其余呈平稳变化趋势，COD变化总体上是1998年高，但也有列外，如坝前断面1996年最高，1998年反而最低。

4)库中心断面也是同样情况。

5)BOD5总体上呈下降趋势，这在众多污染物纷纷逐年增高的趋势中显得难能可贵。

2 葠窝水库水质评价

灰色聚类的目的是根据聚类系数的大小来判断样本所属类别。聚类方法是将每个样本对各个灰类的聚类系数组成聚类行向量，在行向量中聚类系数最大者所对应的灰类即为该样本所属类别。然后将各个样本同属的灰类进行归纳，便得灰色聚类的结果[2]。

视水质标准级别类(GB3838—2002《地面水环境质量标准》)为h个灰类，将某水域或水质测点各观测水质因子当做样本进行灰色聚类分析，则某测点各水质因子的综合聚类系数最大者对应的灰类即为该测点的水质质量级别。

按照国家地表水环境监测布点的有关规定，葠窝水库按照监测要求设置断面，库区目前共设6个监测断面，包括坝前、兰河、细河、库中心、蓝家崴子、胡巴什等断面。根据实测资料及评价标准，选用评价参数为:总氮、总磷、溶解氧、COD.、BOD5、氨氮等、氰化物、挥发氛、六价铬、镉、铅、铜等12项。

2.1 数据的标准化处理及处理结果

在灰色聚类中的数据标准化处理就是对水质聚类样本各个指标的白化值Cki和灰类进行无量纲化处理，以便对各样本指标进行综合分析使聚类结果具有可比性。

样本指标白化值的标准化的处理，这样既可以达到无量纲化的目的，又可以反映污染物的相对污染状况，计算公式为:

式中:dki为第k个样本第i个指标的实测值;C0i为第i个指标的参考标准。其值一般视聚类对象所在水域的环境目标而定。

利用该式将1999年葠窝水库各水期的各个污染指标以II级水质作为参考标准进行数据的无量纲化处理，结果见表2。

表2 各污染指标无量纲化结果

2.2 灰类的标准化处理

灰类的标准化处理是建立白化函数的必要条件。为便于原始白化数与灰类之间的比较分析，仍用C0i进行灰类的无量纲化，公式为:

式中:rij为第i个指标第j个灰类值Sij的标准化处理值;Sij为灰类值。以II级水质为参考标准，利用该式对5个灰类进行无量纲化处理，结果见表3。

表3 各灰类无量纲化结果

2.3 聚类分析及水质分析

2.3.1 白化函数

白化函数是灰色聚类的基础，是计算聚类系数的基本依据，它可反映聚类指标对灰色聚类的亲疏关系。通过计算，以算出坝前、坝中心断面的白化值为例，计算结果见表4。

表4 坝前断面枯季白化值

表5 坝前断面丰季白化值

表6 库中心断面枯季白化值

表7 库中心断面丰季白化值

2.3.2 聚类权

聚类权是各指标对某一灰类的权重，第i个指标j个灰类的权重值 wij，wij=rij/Σriji∈(1，2………，n)，计算各污染物分别对5个水质级别灰类的权重，见表8。

表8 聚类权及计算结果

2.3.3 聚类系数

聚类系数用于反映聚类样本对灰类的亲疏程度，可用灰数白化函数的生成而得到。第k个样本关于第j个灰类的聚类系数，计算公式为:

从表9可以看出枯水期断面坝前，胡巴什的五个聚类系数中，分别对灰类Ⅴ的聚类系数最大，即坝前，胡巴什的水质质量为Ⅴ级。

兰河，库中心的聚类系数对灰类Ⅲ的聚类系数大，兰河，胡巴什的水量质量为Ⅲ级。细河，蓝家崴字的聚类系数对灰类Ⅱ的聚类系数大，细河，蓝家崴子的水量质量为Ⅱ级。同理，丰水期坝前，兰河，细河，库中心，蓝家崴子的水质质量为Ⅲ级，胡巴什的水质质量为Ⅴ级。

3 结语

综上，坝前，兰河，细河，库中心，蓝家崴子，胡巴什6个断面的水质质量级别见表10。各断面水质一般，以细河，蓝家崴子的水质质量为各断面中的最好，但其水质质量仍然没有达到一级标准，胡巴什断面水质质量最差。

用灰色聚类法进行水库水质评价，能客观实际地反映该水体的污染状况，能将各年整个水域的污染状况进行较为详细的综合评价，对正确把握水质现状以及实施水污染综合整治提供比较具体的科学依据。灰色聚类法计算比较简单，评价结果正确，是一种比较好的评价方法。

表9 各断面各水期聚类系数

表10 断面水质质量分级表

[1]慕金波，侯克.聚类法在水环境质量评价中的应用[J].环境科学，1990(32):21－87.

[2]郑成德.环境质量评价的灰色聚类法[J].水文，2000(29):6－56.