基于灰色聚类法的彭州市西河水库水环境质量评价

2020-04-13

水资源开发与管理 2020年1期

(1.山西省水利水电科学研究院，山西太原 030002；2.四川大学水利水电学院，四川成都 610065；3.山西省生物研究所，山西太原 030006)

四川省境内地表水丰富，水源地尤以地表水为主。地表水源又可分为水库水源、湖泊水源和河流水源。截至2013年，四川省内共有51座大型水库，219座中型水库，10万m3以上水库共计8148座[1]。水库类水源为四川省的供水安全提供了重要的支撑作用。水库虽然具有一定的天然纳污能力和水体自净功能，但是近年来随着国民经济的发展，水库周边污染源大量增加，对水域造成了不同程度的污染，其环境质量和自净能力正在不断地下降和减弱。为降低人类活动对水库水环境造成的不良影响，科学有效地建立水库水源地水环境管理制度，完善区域内水资源系统的空间布局，有必要对水库水环境进行客观、全面的科学评价。

水环境评价是利用一定的评价方法和标准，根据水环境各要素指标实测资料对水环境进行定量综合评价，以便有效掌握水环境状况，为水环境保护提供科学合理的决策依据和参考。目前水质综合评价常见方法有灰色关联法、模糊综合评价法、神经网络综合评价法等[2]。由于水环境质量中所获得的数据都是在有限的时间和空间范围内监测得到的，所提供的信息不完全或不确切，所以可以将水环境系统视为一个灰色系统[3]。

灰色聚类法是在以灰数的白化函数生成为基础建立的一种多维灰色评估方法。它将聚类对象对于不同聚类指标所拥有的白化数，按若干灰类进行归纳，从而判断出聚类对象属于哪一个灰类。灰色聚类分析法相对于其他数学评价方法的优势体现在以下方面：

a.可以避免一些量化方法(如主成分分析等)要求大样本和样本有较好的分布规律、计算工作量大、出现的结果与定性分析结果不符等问题。

b.可以克服关于评价指标信息的不明确性和不完备性，从而提高评价分析的可信度和科学性。灰色聚类法近年来在水质评价中被广泛应用，可以直接应用于各种水质分析与评价。

本文基于西河水库各项污染物实际监测数据选用灰色聚类法综合评价分析水库水环境质量，以期为水库水环境保护和水质时空演化规律的研究提供理论支持和参考。

1 灰色聚类分析法

1.1 水质分级标准

评价指标和水质分级标准以《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)为依据，水质共分为5个评价等级。评价指标的标准值设为λkj，以《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的分类值为依据，有些指标可根据地方水域背景值特征及用途作适当调整。

1.2 数据的标准化处理

1.2.1 样本指标白化值的标准化处理

采用污染指数进行样本指标白化值的标准化处理，既可达到无量纲化的目的，又可反映污染物的相对污染状况，其计算公式为

(1)

式中：xki为第k个样本(测点)第i个指标(污染因子)的标准化值；Cki为第k个样本(测点)第i个指标(污染因子)的实测值；C0i为第i个指标(污染因子)的参考标准，本文采用地表水环境标准中Ⅲ类水水质。

1.2.2 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：

(2)

式中：rki为第i个指标第j个灰类值λkj的标准化处理值；λij为灰类值。

1.3 水质样本标准化值聚类矩阵的生成

由k个样本(测点)的i个指标(污染因子)的标准化值构成的矩阵为

(3)

式中：xki为k个聚类样本第i个聚类指标的标准化值，k=1,2,…,m，i=1,2,…,n。

1.4 灰类标准化值聚类矩阵的生成

由n个指标(污染因子)的m个灰类(环境质量等级)的标准化值构成的矩阵为

(4)

1.5 建立各污染物的白化函数

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类的亲疏关系。

设第i个指标的灰类1，则灰类j(j=2，…，h-1)和灰类h的白化函数分别为

(5)

(6)

(7)

1.6 水质因子灰类聚类权重值

灰类权重值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ωij按下式计算：

(8)

1.7 水质因子灰类聚类权值

(9)

1.8 聚类系数

(10)

1.9 构造聚类向量及评判

设ζi为聚类向量，则有

(11)

按照最大隶属原则确定聚类样本属于哪一类，若

(12)

则称对象i属于灰类k。

2 案例

西河水库地处彭州市，水库设计总库容271万m3，为小(1)型水库。西河水库是湔江西河灌区的补充水源水库，主要补充灌溉彭州市丽春镇和隆丰镇约3万亩农田，该水库又是彭州市第二水厂的主要供水水源，可供彭州市10万人的饮用水。西河水库坝址控制集雨面积1.12km2，水库天然来水较小，主要以引蓄湔江补水为主，引水地点为湔江堰西三河闸下和尚埝，水量占水库来水总量的99%以上[4]。水库周边居民、农家乐等生活污水及农业生产中残留的化肥、农药等非点源污染物严重影响了西河水库的水质，对彭州市饮用水源构成安全隐患。因此，正确评价西河水库水质质量及水库水环境质量对保障彭州市居民饮水安全、维护彭州市社会稳定具有重要意义。西河水库区位图见图1。其放水口共有4处：

a.第一处位于主坝右坝段(1-1断面)，为塔式放水口，过坝建筑物为穿坝涵管，该放水口已报废封堵。

b.第二处位于大坝中间段(2-2断面)，是目前灌溉放水的主要放水口，放水孔位于斜卧管底部，为深式放水孔，最大放水流量为1.16m3/s，卧管底设圆盘式钢闸门，由手动斜拉式钢绳启闭，其过坝建筑物仍为涵管。

c.第三处位于大坝左端的副坝上(3-3断面)，该放水口主要保障附近村民灌溉用水，其引水流量小，主要引取库区表层水。

d.第四处是位于副坝中间的塔式放水口(4-4断面)，最大放水流量为4.60m3/s，该放水口兼发电、城市供水、灌溉和溢洪多用。

图1 西河水库区位图

2.1 参评指标的选取

2.1.1 环境质量等级

环境质量等级采用地表水环境质量标准[5]，指标数据见表1。

2.1.2 水质监测数据

四川大学分析测试中心对西河水库2014—2017年8个水质断面逐月进行水样采集及检测，得到的监测数据见图2～图4。

表1 地表水环境质量标准值单位：mg/L

图2 2014—2017年西河水库总氮浓度实测值

图3 2014—2017年西河水库总磷浓度实测值

图4 2014—2017年西河水库BOD5浓度实测值

2.2 数据的无量纲化处理

根据式(1)、式(3)构建水质样本标准化值聚类矩阵，见表2。

表2 水质样本标准化值聚类矩阵(多年平均值)

根据式(2)、式(4)构建灰类标准化值聚类矩阵，见表3。

表3 灰类标准化值聚类矩阵

2.3 构建各污染物的白化函数

根据式(5)、式(6)、式(7)构建各污染物的白化函数(见表4)，经计算得到各断面各污染物的白化函数值(见表5)。

表4 白化函数

续表

表5 白化函数值

续表

2.4 确定各评价指标对各灰类的聚类权重值

根据式(8)确定聚类权重值，见表6。

表6 水质因子聚类权重值

2.5 确定各评价指标对各灰类的聚类权值

根据式(9)确定聚类权值，见表7。

表7 水质因子聚类权值

2.6 确定各评价对象对各灰类的聚类系数

根据式(10)确定水质因子聚类系数，见表8。

表8 聚类系数

2.7 结果分析与评价

根据式(11)、式(12)进行水质评价，测点5个聚类系数中最大的聚类系数所对应的灰类值即为水质的质量等级，各测点的水质质量见表9、表10及图5。

表9 测点水质质量(多年平均)

表10 西河水库逐月水质等级月出现月数量

3 结论与讨论

3.1 结论

a.采用了灰色聚类法评价西河水库的水环境质量。从空间尺度来看，西河水库水质由库尾到坝前呈现明显的递增趋势，说明西河水库具有显著的自净能力。而水库入口处(8-8断面)通过湔江引水汇入的污染物是西河水库水质恶化的主要因素。为控制西河水库水环境，应严格控制引水水质，改善湔江水环境质量。

图5 西河水库2014—2017年各监测断面逐月水质等级云梯图

b.从时间尺度来看，西河水库2014—2017年除入口处的8-8断面水质没有得到明显改善外，其他断面的水质等级均有一定的提高，其中1-1断面(主坝右坝肩)的水质提高幅度最大，截至2017年该断面的水质有7个月可维持在Ⅲ类水，因此1-1号取水口是西河水库的理想取水口位置。

c.西河水库在水文年内呈现枯水期水质好、丰水期水质差的规律，其中4—9月的水质普遍较差，这也说明水库上游来水携带的污染物是西河水库水环境恶化的主因。

3.2 讨论

环境是一个多因素多层次的复杂系统，由于环境系统质量评价存在着一些不甚明确的灰色信息，仅根据评价因素的监测数据难以建立确定的数学模型。事实上，环境系统是一个具有模糊性的灰色系统。灰色聚类法考虑了系统的灰色性和白化程度以及各个污染因子的综合影响而进行聚类加权，其权重的确定方法也比其他方法更合理、客观，克服了单因素评价中受个别因素影响较大的缺陷以及综合指数法和模糊综合评判法因人为因素而引起的“失真”“失效”现象，比较全面地反映了各评价因素的影响，评价结果比较符合实际情况[6]。