改进的灰色关联分析方法在水质评价中的应用研究

刘 冰

(辽宁省环境监测实验中心，辽宁 沈阳 110161)



改进的灰色关联分析方法在水质评价中的应用研究

刘 冰

(辽宁省环境监测实验中心，辽宁 沈阳 110161)

摘要：为了比较清晰分级河段水质，采用灰色关联分析法对河段水质进行了评价，应用分段线形法对样本进行了归一化处理，并在原有公式基础上进行了改进，针对关联分析法分辨率较低的问题，采用了级别内插法来提高灰色关联评价法的分辨率。以清河干流为例，分析得出了清河干流2010年水质级别为1.8,0.4,0.5。

关键词：灰色关联分析；内差法；水环境质量评价

1引言

河段水质评价方法有很多，目前经常采用的有指数评价法、灰色理论评价法以及模糊理论评价方法。其中灰色理论法能够较好地考虑到河流水环境不确定性这个因素，但是存在分辨率低的问题[1]。本文采用灰色关联评价模型对水质进行评价，并针对关联分析法分辨率较低的问题，采用了级别内插法来提高分辨率。

2灰色关联分析法

灰色关联评价方法是将实际序列和标准序列进行关联，计算关联度、实际序列和标准序列管理度最大的序列即为实际序列的标准。对于河流水质而言，实际序列组成是由河流断面水质中各指标的实测浓度，各指标的标准浓度组成理想序列，由于标准不同，理想序列也不同，利用灰色关联度分析法计算实际序列与各理想序列的关联度，关联度最大的就是断面水质的级别。

水质关联评价的主要步骤为：建立实际序列矩阵和理想序列矩阵；对实际序列矩阵和理想序列矩阵进行数据无量纲化处理；计算各个指标的权重；计算灰色关联系数；由灰色关联系数和权重计算关联度。

本文对样本矩阵采用分段线性方法进行无量纲归一化处理[2]。考虑到水质监测过程中有些指标往往大于Ⅴ类水质，所以将水质标准分为六级，同时将水质浓度超过水质标准10倍的赋值为0。

对生化需氧量、氨氮等浓度值越大污染越严重的指标按照下式计算：

aij=

(1)

对溶解氧等浓度越大，水质越好的指标，按下式计算：

aij=

(2)

为了使各项污染指标归一化后的值更好地符合其污染程度，并将式(1)的第二项和第三项修改；式(2)的第二项和第四项修改。对生化需氧量、氨氮等浓度值越大污染越严重的指标按照下式计算：

aij=

(3)

对溶解氧等浓度越大，水质越好的指标，按下式计算：

aij=

(4)

其中i为第i个样本，j为第j种水质指标，Stj表示第j个水体指标第t类水质标准值，Xij表示第i个水体样本第j个水质指标的测量值。计算后得到的矩阵Aij。各指标权重采用超标倍数法[3]，其公式为：

(5)

针对关联分析法分辨率较低的问题，本文采用了级别内插法来提高分辨率。在每一级分成10个小级别，水质级别共分为6级，内插后包把水质标准分为61级，每一级的分辨率为0.1。内插后的归一化标准矩阵为：

(6)

(7)

ρ为分辨系数，0<ρ<1，一般取0.5。最后计算关联度，计算公式为：

(8)

3实例研究

清河是辽河水系的东岸主要干流，流经铁岭所辖的清河区和开原市，上源有南北两支，南支为主流，发源于清源县，流经开原县与发源于西丰县的碾盘河在耿王庄汇合，在老虎镇接纳寇河，在大高力屯西注入辽河，全长170.6 km，流域面积4813.95 km2。

本文以2010年该河流的监测水质指标作为评价样本，选择三个断面大三家子、八棵树、清河水库入口，选择化学需氧量，生化需氧量、氨氮、氟化物四项作为评价因子，评价标准采用《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)。2010年三个断面评价因子归一化值如表1所示，各断面水质级别如表2所示。

表1　 2010年三个断面评价因子归一化值

表2　2010年三个断面水质级别

4结语

本文在灰色关联分析法的基础上，为了防止个别断面水质超标倍数过大而造成归一化过程信息的损失，对原始数据无量纲归一化处理方法进行了改进，并针对灰色关联评价方法分辨率较低的问题，采用改进后的灰色标准矩阵分级矩阵与目标矩阵进行关联，评价结果表明：改进的灰色关联分析法在水质评价上改善了原有分辨率较低的问题，使得评价结果更为精确。

参考文献：

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收稿日期：2016-05-28

作者简介：刘冰(1982—)，女，工程师，从事环境监测工作。

中图分类号：X8

文献标识码：A

文章编号：1674-9944(2016)12-0115-02