基于灰色关联法的松塔水库水质评价

（晋中市潇河流域管理局 山西晋中 030600）

1 概况

潇河是晋中市最大的河流，松塔水库位于潇河主流松塔河上，控制流域面积1 174 km2。2011年8月底松塔水库下闸蓄水以来，每年为晋中城区和寿阳县提供城市及工业用水2 200万m3，改善潇河灌区农业灌溉面积1.171万hm2，极大地缓解了受水区地面水利用不足，地下水严重超采的矛盾。对松塔水库地表水水质进行定量评价，反映水库水质现状和变化规律，进一步提出针对性的保护措施，对晋中市的可持续发展具有十分重要的现实意义。

灰色关联法提出了对各子系统进行灰色关联度分析的概念，通过一定的方法，找到系统中各子系统之间的数值关联程度的关系，对系统发展变化态势提出量化的度量。由于灰色关联法具有对样本规律性要求不高，定性与定量成果一致，非常适合动态分析等优势，所以，本文采用灰色关联法对松塔水库水质进行分析评价。

2 灰色关联法模型建立

2.1 灰色关联法原理

灰色关联法是对于两个系统之间的因素随时间或不同对象而变化的关联性大小的量度，称为关联度。在系统发展过程中，若两个因素变化的趋势具有一致性，即同步变化程度较高，二者关联程度较高；反之，则较低。在对松塔水库进行水质评价时，选取实测水质资料与地表水环境质量标准两个系统进行比较，求取汛期与非汛期水质与5类水域功能和标准分类级别的关联度，最大值为松塔水库水质对应的级别。

2.2 具体计算步骤

2.2.1 确定实测数列和比较数列

以松塔水库汛期与非汛期水质实测平均值为实测数列，地表水环境质量标准5类水域功能和标准分类为比较数列。实测数列松塔水库汛期或非汛期水质实测平均值为实测指标个数，比较数列地表水环境质量标准5类水域功能和标准分类为5类水域功能和标准分类级别。

2.2.2 无量纲化处理[1]

由于系统中各因素之间量级不同，导致数据的量纲也不一定相同，不便于比较，或在比较时难以得到正确的结论。因此在进行灰色关联分析时，先进行无量纲化的数据处理。

2.2.3 求灰色关联系数

对于实测数列 X0有若干个比较数列 X1，X2，X3，…，Xm各比较数列与实测数列的关联系数ζ可由公式（1）算出。

2.2.4 求关联度

因为关联系数是比较数列与实测数列的关联程度值，所以它的数不止一个，信息过于分散，不便于整体比较，求关联系数平均值，即关联度，计算如公式（2）。

式中:Ri——比较数列对实测数列的灰关联度。

2.2.5 关联度排序

通过比较各关联度的大小，找出最大的关联度值，所对应的地表水环境质量标准5类水域功能和标准分类级别就是松塔水库水体的环境质量等级。

3 松塔水库水体水质评价

3.1 松塔水库水质现状

为了解松塔水库水质现状，开展了一年的水质监测，调查的主要污染物有:NH3-N、TN、TP、COD，结果如表1。

表1 松塔水库主要污染物月度水质监测值表 单位：mg/L

3.2 评价因子和评价标准

以 NH3-N、TN、TP、COD 为评价因子，按汛期、非汛期计算其平均值见表2，以此数据为实测数列，以地表水环境质量标准5类水域功能和标准分类级别为比较数列，见表3。

表2 松塔水库主要污染物汛期、非汛期水质监测平均值表单位：mg/L

表3 各评价因子影响水库水环境质量比较 单位：mg/L

将松塔水库汛期、非汛期的实测数列无量纲化处理。

首先计算NH3-N汛期、非汛期的平均值:（0.11+0.15）÷2=0.13

再计算NH3-N汛期的无量纲化结果:0.13÷0.11=1.182

NH3-N非汛期的无量纲化结果:0.13÷0.15=0.867。

同理，计算出TN、TP、和COD实测数列的无量纲化结果见表4。

同样将比较数列进行无量纲化处理。

首先计算NH3-N的5类水质级别的平均值:

（0.15+0.50+1.00+1.50+2.00）÷5=1.03

再计算NH3-N的Ⅰ类水无量纲化结果:1.03÷0.15=6.867

NH3-N的Ⅱ类水无量纲化结果:1.03÷0.50=2.060

NH3-N的Ⅲ类水无量纲化结果:1.03÷1.00=1.030

NH3-N的Ⅳ类水无量纲化结果:1.03÷1.50=0.687

NH3-N的Ⅴ类水无量纲化结果:1.03÷2.00=0.515

同理，计算出TN、TP、和COD比较数列的无量纲化结果见表5。

表4 松塔水库实测数据无量纲化结果

表5 地表水环境质量标准分类级别数值无量纲化结果

3.3 关联系数计算

3.3.1 汛期关联系数计算

计算绝对值差，以汛期4个评价因子对应的值为实测数列，与地表水水质标准中的5个水质级别比较数列分别组合计算，以Ⅰ类水为例计算如下:

NH3-N:|1.182-6.867|=5.685

TN:|1.125-5.200|=4.075

TP:|0.702-7.700|=6.998

COD:|1.289-1.600|=0.311

同理，计算Ⅱ类水、Ⅲ类水、Ⅳ类水和Ⅴ类水，结果如下:

将数据代入公式（1）计算，其中，分辨系数ζ取0.5，结果见表6。

表6 松塔水库汛期水质与水质标准的关联系数

3.3.2 非汛期关联系数计算

同理，计算松塔水库非汛期水质与水质标准的关联系数，结果见表7。

表7 松塔水库非汛期水质与水质标准的关联系数

3.4 关联度计算

将表6中的数据代入公式2，得出松塔水库汛期水质对应各个评价等级的关联度。

用同样的方法，计算松塔水库非汛期水质对应各个评价等级的关联度，结果见表8。

从表8中选取出松塔水库汛期、非汛期对应的最大关联度，即得出松塔水库汛期、非汛期水质对应的地表水环境质量标准5类水域功能和标准分类级别的等级。

表8 松塔水库汛期、非汛期关联度结果

松塔水库汛期、非汛期对应的最大关联度均为R3，即松塔水库水质汛期、非汛期均为地表水环境质量标准Ⅲ类水级别。

4 结语

通过灰色关联法对松塔水库汛期、非汛期水质进行分析评价，结果表明:松塔水库水质为Ⅲ类水标准。为改善水环境，确保松塔水库作为地表水资源可持续利用，提出以下保护措施:

1）保护区内村镇生活区建设完善的污水收集与处理系统，进行旱厕防渗处理和垃圾回收与处理；2）保护区耕地实施退耕还林还草及涵养水源工程或采取有效的措施，减少田间化肥和农药使用量；3）合理规划养殖区域，畜禽养殖场通过设置沉淀池等方法防止畜禽粪便污水对周围环境造成污染；4）做好饮用水水源地环境监测与监管能力建设，积极进行水源地环境保护宣传教育。这样，使晋中市的母亲河——潇河为区域的城市生活和工农业生产持久提供符合要求的水资源。