基于灰色聚类分析的上海市长江口水质状况评价

陈慧文 陈锦辉

摘 要：长江口是长江入海口和上海市重要的水源供应地。该研究根据长江口2021年4月份的水文水质监测数据，利用灰色聚类分析法对调查的长江口南、北支和东滩湿地12个站位涨落潮时的水环境状况进行评价，以期了解上海市长江口水域的水环境质量。结果表明：（1）涨潮期间，Z1、Z3、Z5、Z6、Z7、Z9、Z13、Z14、Z16、Z18、Z19等11个站位点的海水水质质量等级为Ⅲ类，东滩的Z17站点为Ⅱ类海水;（2）落潮期间，Z1、Z3、Z6、Z7、Z9、Z13、Z14、Z16、Z17、Z18、Z19等11个站点海水水质质量等级为Ⅲ类，北支Z5站点为Ⅱ类海水。通过利用灰色白化权函数对长江口各站点水质进行分析，长江口属于第Ⅲ类海水，污染情况仍处于比较严重水平。

关键词：长江口;灰色聚类法;水质评价

中图分类号 X824 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2022）10-0130-06

Evaluation of Seawater Quality in the Yangtze River Estuary Based on Grey Clustering Method

CHEN Huiwen1   CHEN Jinhui1，2

（1Shanghai Aquatic Wildlife Conservation Research Center， Shanghai 202150， China; 2Joint Laboratory for Monitoring and Conservation of Aquatic Living Resources in the Yangtze Estuary， Shanghai 202150， China）

Abstract： The Yangtze Estuary is an important water source for Shanghai. Based on the hydrological and water quality monitoring data of the Yangtze Estuary in April 2021， this study evaluated the water environment status of 12 stations selected from the investigation on the north， south branches and Dongtan of the Yangtze Estuary by using grey cluster analysis method， so as to analyze the water environment quality of the Waters of the Yangtze Estuary in Shanghai. The results show that the sea water quality at Z1， Z3， Z5， Z6， Z7， Z9， Z13， Z14， Z16， Z18 and Z19 stations is class ⅲ， and that at Z17 station is class ⅱ. The sea water quality of Z1， Z3， Z6， Z7， Z9， Z13， Z14， Z16， Z17， Z18 and Z19 stations is class ⅲ， and that of Z5 station is class ⅱ. It can be seen from the water quality analysis results of the above stations that the water quality of the Yangtze River estuary mostly belongs to class ⅲ seawater， and the water quality is still at a poor level.

Key words： Yangtze estuary; Grey clustering method; Water quality assessment

長江口是我国最大的河口生态系统[1]，是河流入海过渡的区域带。长江口受到沿岸流、潮流和径流等的影响，生态环境复杂，温、盐度变化剧烈[2]。作为一个复杂而又特殊的自然综合体，长江口对流域自然变化和人为作用的响应最为敏感。长江口周边地区是工业发达、人口众多的都市[3]，频繁的人类活动，如污水的排放、滩涂的围垦与水利工程的建设等，使河口遭受了巨大的环境压力[4-5]。陈吉余等[6]指出河口拦门沙附近水质呈显著的恶化趋势，硝酸盐氮含量近20年增加近4倍，无机氮和活性磷酸盐年增长率约为5%。翁立达等[7]研究表明，从20世纪60年度至今，长江口及邻近海域的营养盐水平已经增加了7～8倍，近年来海域出现赤潮的时间提前，次数增多，且面积呈扩大趋势。长江口作为长江的入海口，反映着长江的生态环境保护修复整体效果，且长江口也是上海重要的水源供应地，要保障青草沙水库、陈行水库和东风西沙水库的供水。水质状况的优劣不仅会影响水域内渔业资源的恢复，也会对上海市民的生产生活带来不利影响。因此，有必要开展监测和评价长江口水域的水质状况，为水域生态修复提供第一手资料。

目前，用于水质评价的主要方法有指数评价法[8]，模糊综合评价法[9]以及灰色聚类法等[10]。灰色聚类分析是一种以灰色系统理论[18]为基础的加权灰色聚类分析方法[11]，分为灰色星座聚类、灰色关联聚类以及灰色白化权函数聚类3类。其中，灰色白化权函数聚类是聚类分析法中引进白化函数形成的新聚类分析方法，通过数学方法将环境质量因子综合归纳，通过等级量化评价质量[12-15]。相比传统的其他水质评价法，利用灰色聚类分析可以使得分析结果更加全面客观[19]，当前已经被广泛应用于海水和淡水的水质评价中[12，16]。为此，本研究基于灰色聚类法客观分析和评价长江口南、北支和东滩附近水域涨落潮时期水质现状，为长江大保护背景下水域生态环境修复及生态灾害预警等提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源 数据来源于2021年4月在长江口水域开展的渔业资源常规监测，监测调查船为“沪交测002号”，监测内容包括水文物理环境（水温、盐度、悬浮物等）和水化学环境（营养盐、DO、pH、COD、挥发酚、总磷、总氮、石油类、水体中重金属含量等）。在长江口水域共设置12个监测站点（图1），按照地理位置划分为3个区域：北支（Z5、Z7、Z13）、南支北港（Z1、Z3、Z6、Z9、Z14、Z16、Z19）和东滩（Z17、Z18）。

所有水环境监测站点在涨、落潮期各采集2次水样，用于平行样。水样取样方法参照《海洋监测规范》第3部分（GB17378.3-2007）。取样层次按《海洋监测规范》第4部分（GB17378.4-2007）的要求确定，当水深小于10m，只取表层水样;当水深大于10m，分表、底层取样，其中油类采集表层下0.5m的水样500mL，加入0.1N盐酸溶液调节pH至4.0以下，避光4℃保存至分析。气温、盐度、水深、透明度、pH、溶解氧等，使用仪器现场测量;悬浮物、硝酸盐、重金属等，采集水样后于实验室进行分析检测。

1.2 灰色聚类法评价指标体系 本研究选用灰色白化权函数聚类，对长江口水环境质量进行评价。灰色白化函数聚类分析的步骤包括确定评价指标、水质数据的无量纲化处理、建立灰色白化权函数、确定聚类权以及确定聚类系数。

1.2.1 评价指标确定 选取化学需氧量（COD）、挥发酚、溶解氧（DO）、石油类、Zn、Hg、Pb、Cu、Cd、Cr、As等11项污染因子作为评价长江口水域水质状况的聚类指标。参照GB 3097-1997《海水水质标准》对长江口水质进行评价，海水水质标准见表1。

1.2.2 水质数据无量纲化处理 在区域水环境质量评价中，各聚类指标的量纲不同、意义不同，各聚类等级划分的区间也存在差异[12]，要先对各聚类指标进行标准化处理，即数据的无量纲化处理。通过简单的数学变换来消除各指标量纲的影响，无量纲化处理后才能对数据进行有效合理地综合运算分析，使得聚类结果具有可比性[5]。

对第[i]个采样点，第[j]个评价参数，其检测值[cij]的无量纲化处理公式如下：

[xij=cij/1ni=1ncij] （1）

对第[k]个灰类，第[j]个评价参数，其评价参数的无量纲化计算公式为：

[ykj=gkj/1ni=1kgkj] （2）

对11项水质因子的海水水质标准进行无量纲化处理，其结果见表2。

1.2.3 建立灰色白化权函数 污染因子的隶属度可以用线性公式来计算[17]。

当k=1，隶属度函数如下：

[fi1=1，0≤xij≤yijy2j-xijy2j-y1j，y1j<xij<y2j0，xij≥y2j] （3）

当k=2/3时，隶属度函数如下：

[fik=0，xij≤yk-1j或xij≥yk+1jxij-yk-1jykj-yk-1j，yk-1j<xij<ykjyk+1j-xijyk+1j-ykj，ykj<xij<yk+1j] （4）

当k=4，其隶属度函数如下公式五：

[fi4=0，xij≤y3jxij-y3jy4j-y3j，y3j≤xij≤y4j1，xij≥y4j] （5）

溶解氧（DO）与其他污染物COD、挥发酚、石油类、Zn、Hg、Pb、Cu、Cd、Cr、As的作用不同，DO值越大表明水域的水质越好，所以其隶属公式与以上污染物的隶属公式不同，其隶属公式如下[20]：

[fi1=1，xij≥yijyi2-xijyi2-yi1，yi1>xij>yi20，xij≤yi2] （6）

当k=2/3/4时的灰类级别公式按照以上公式类推。

以上公式中，[xij]为长江口各站点检测值的无量纲化处理，[yij]为各灰类值的无量纲化处理值。

1.2.4 确定聚类权和聚类系数 聚类权重是衡量各个参数同一灰类的权值。水质指标阈值越大，对水质的影响越小，其相对权重就越小，因此采用倒数法，计算公式如下：

[ηkj=1ykj/j=1n1ykj] （7）

聚类系数的计算公式如下：

[σkj=j=1nf（xij）*ηkj] （8）

式中：[δkj]为第i个样本关于第k个灰类的聚类系数，反映聚类样本对灰类的关联程度。

各水质因子的聚类权重计算结果见表3。

2 结果与分析

2.1 长江口水质因子含量 表4和表5为长江口涨落潮时11种水质因子浓度，从单因子质量来看，长江口水域涨落潮时的COD浓度在海水水质III～IV类标准，个别站点超过海水水质IV标准;各调查站点挥发酚和DO浓度均超过海水水质I类标准;各站点石油类的浓度达到海水IV标准及以上;各站点水质重金属指标Zn、Hg浓度在海水水质II类标准，Pb位于III类海水标准，Cu、Cr和As浓度较小，符合I类海水标准，而Cd浓度较高，超过海水IV标准。

2.2 水质数据的无量纲化处理 根据公式1和公式2对长江口涨潮和落潮水质监测数据进行无量纲化处理，处理结果如表6和7所示。

2.3 长江口水质灰色聚类评价等级 按照聚类系数最大归类原则，水环境质量等级按照站点对应各灰类值计算出的最大值来确定此站点所隶属的灰类。通过利用灰色白化權函数法对长江口12个站点的水质进行分析并划分等级，水质质量等级如表8和表9所示。由表8、表9可知，在涨潮阶段Z17的水质最好，Z17站位点所对应的4个聚类系数中，对Ⅱ类灰类的聚类系数最大，因此Z17站点的水质质量等级为Ⅱ类，Z1、Z3、Z5、Z6、Z7、Z9、Z13、Z14、Z16、Z18、Z19等11个站位点所对应的4个聚类系数中，分别对第Ⅲ类灰类的聚类系数最大，即以上11个站点的海水水质质量等级为Ⅲ类。当落潮时Z1、Z3、Z6、Z7、Z9、Z13、Z14、Z16、Z17、Z18、Z19等11个站位点所对应的4个聚类系数中，分别对第Ⅲ类灰类的聚类系数最大，即以上11个站点的海水水质质量等级Ⅲ类，Z5站位点所对应的4个聚类系数中，对Ⅱ类灰类的聚类系数最大，因此Z5站点的水质质量等级为Ⅱ类。涨潮阶段Z17站点和落潮阶段Z5站点所对应的Ⅱ类海水能够适用于水产养殖区、海水浴场、人体直接接触海水的海上运动或娱乐区，以及与人类食用直接有关的工业用水区;其他站点所对应的Ⅲ类海水能够适用于一般工业用水区以及滨海风景旅游区。综合长江口涨潮、落潮的12个采样点站点的水质等级，长江口海水水质属于第III类海水。

3 结论与讨论

灰色聚类分析在长江口水质质量评价中的结果能够很好地反应当前长江口的水质现状。此方法利用数学统计引进白化函数，不仅计算监测水质的不同污染物的隶属程度，而且通过计算水域的聚类系数，按照灰色系数最大归类原则将水质进行划分，综合评价水域水质的状况，以此来客观划分海水水质的质量类别，利用污染因子的权重来对数据进行计算，保证了评价结果的客观准确性。

本研究中发现，Z17站点、Z5站点在涨潮和落潮阶段海水水质等级发生了一些变化，这2个站点分别位于东滩淡水水域和北支咸水水域，这种变化产生的原因可能是：（1）在落潮时海水将沿岸的营养盐带入海中，使得水中的一些污染因子含量升高;（2）在涨潮时大量海水涌入，长江口水量上升，使得水中一些富营养盐含量相对降低。研究中长江口灰色综合水质结果可以看出，长江口水质状况大多属于第Ⅲ类海水等级，与平仙隐等[16]研究得出的长江口水质为第Ⅲ类海水的结果相一致。当前长江口水域污染仍处于严重水平，近些年未得到有效改善，究其原因是长江口周围工业和居民生活废水的排放以及航道工程等对水质会产生了一定的影响。另外，河口水域营养盐丰富，浮游藻类等易出现富营养化，从而对水质质量都会产生影响。因此，在共抓大保护、不搞大开发的长江大保护的背景下，还应继续贯彻落实长江大保护相关的保护措施，保护长江口水域生态的可持续发展。

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（责编：张宏民）