改進的灰色關聯分析方法在水質評價中的應用研究

劉 冰

(遼寧省環境監測實驗中心，遼寧 沈陽 110161)

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改進的灰色關聯分析方法在水質評價中的應用研究

劉 冰

(遼寧省環境監測實驗中心，遼寧 沈陽 110161)

摘要：為了比較清晰分級河段水質，采用灰色關聯分析法對河段水質進行了評價，應用分段線形法對樣本進行了歸一化處理，并在原有公式基礎上進行了改進，針對關聯分析法分辨率較低的問題，采用了級別內插法來提高灰色關聯評價法的分辨率。以清河干流為例，分析得出了清河干流2010年水質級別為1.8,0.4,0.5。

關鍵詞：灰色關聯分析；內差法；水環境質量評價

1引言

河段水質評價方法有很多，目前經常采用的有指數評價法、灰色理論評價法以及模糊理論評價方法。其中灰色理論法能夠較好地考慮到河流水環境不確定性這個因素，但是存在分辨率低的問題[1]。本文采用灰色關聯評價模型對水質進行評價，并針對關聯分析法分辨率較低的問題，采用了級別內插法來提高分辨率。

2灰色關聯分析法

灰色關聯評價方法是將實際序列和標準序列進行關聯，計算關聯度、實際序列和標準序列管理度最大的序列即為實際序列的標準。對于河流水質而言，實際序列組成是由河流斷面水質中各指標的實測濃度，各指標的標準濃度組成理想序列，由于標準不同，理想序列也不同，利用灰色關聯度分析法計算實際序列與各理想序列的關聯度，關聯度最大的就是斷面水質的級別。

水質關聯評價的主要步驟為：建立實際序列矩陣和理想序列矩陣；對實際序列矩陣和理想序列矩陣進行數據無量綱化處理；計算各個指標的權重；計算灰色關聯系數；由灰色關聯系數和權重計算關聯度。

本文對樣本矩陣采用分段線性方法進行無量綱歸一化處理[2]?？紤]到水質監測過程中有些指標往往大于Ⅴ類水質，所以將水質標準分為六級，同時將水質濃度超過水質標準10倍的賦值為0。

對生化需氧量、氨氮等濃度值越大污染越嚴重的指標按照下式計算：

aij=

(1)

對溶解氧等濃度越大，水質越好的指標，按下式計算：

aij=

(2)

為了使各項污染指標歸一化后的值更好地符合其污染程度，并將式(1)的第二項和第三項修改；式(2)的第二項和第四項修改。對生化需氧量、氨氮等濃度值越大污染越嚴重的指標按照下式計算：

aij=

(3)

對溶解氧等濃度越大，水質越好的指標，按下式計算：

aij=

(4)

其中i為第i個樣本，j為第j種水質指標，Stj表示第j個水體指標第t類水質標準值，Xij表示第i個水體樣本第j個水質指標的測量值。計算后得到的矩陣Aij。各指標權重采用超標倍數法[3]，其公式為：

(5)

針對關聯分析法分辨率較低的問題，本文采用了級別內插法來提高分辨率。在每一級分成10個小級別，水質級別共分為6級，內插后包把水質標準分為61級，每一級的分辨率為0.1。內插后的歸一化標準矩陣為：

(6)

(7)

ρ為分辨系數，0<ρ<1，一般取0.5。最后計算關聯度，計算公式為：

(8)

3實例研究

清河是遼河水系的東岸主要干流，流經鐵嶺所轄的清河區和開原市，上源有南北兩支，南支為主流，發源于清源縣，流經開原縣與發源于西豐縣的碾盤河在耿王莊匯合，在老虎鎮接納寇河，在大高力屯西注入遼河，全長170.6 km，流域面積4813.95 km2。

本文以2010年該河流的監測水質指標作為評價樣本，選擇三個斷面大三家子、八棵樹、清河水庫入口，選擇化學需氧量，生化需氧量、氨氮、氟化物四項作為評價因子，評價標準采用《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)。2010年三個斷面評價因子歸一化值如表1所示，各斷面水質級別如表2所示。

表1　 2010年三個斷面評價因子歸一化值

表2　2010年三個斷面水質級別

4結語

本文在灰色關聯分析法的基礎上，為了防止個別斷面水質超標倍數過大而造成歸一化過程信息的損失，對原始數據無量綱歸一化處理方法進行了改進，并針對灰色關聯評價方法分辨率較低的問題，采用改進后的灰色標準矩陣分級矩陣與目標矩陣進行關聯，評價結果表明：改進的灰色關聯分析法在水質評價上改善了原有分辨率較低的問題，使得評價結果更為精確。

參考文獻：

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收稿日期：2016-05-28

作者簡介：劉冰(1982—)，女，工程師，從事環境監測工作。

中圖分類號：X8

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944(2016)12-0115-02