基于分類指標灰色聚類分析的張集水源地水質綜合評價

【摘要】以張集地下水水質監測資料為基礎，依據《地下水環境質量標準》（GB/T 14848—2007），對張集水源地各采樣點指標細化分類，確定白化函數并計算出灰色聚類權，得到聚類系數。運用基于分類指標的灰色聚類法采用由部分到整體的思路對水質進行評價。結果顯示各檢測點中，水質都達到Ⅱ類水標準及以上。研究結果比較客觀地反映了水源地地下水質量的類別，可為地下水的科學合理的開發利用與保護提供依據。

【關鍵詞】灰色聚類法；分類指標；張集；水質評價

地下水作為人類自然資源的一部分，為全球的絕大部分人口提供著寶貴的水源，支持著農業種植和工業生產活動，是社會、經濟與環境可持續發展的基礎條件。水質評價是水資源保護和治理的一項基礎性工作，可以為水資源開發利用提供決策依據。

我國地下水水質評價常用的方法有水質單因子評價指數法，模糊數學綜合評價法，神經網絡綜合評價法，灰色系統理論法等。其中灰色聚類法充分考慮各項指標對水質的影響信息利用率較高，評價結果更客觀，更趨于合理，近年來在水質評價中有著較多的應用。但是同時也存在著一定的缺陷，首先是難以得出影響區域地下水質量的指標類別和主要組分，再者是對超標指標重視不夠，聚類權重的確定不夠合理，使評價結果級別容易偏低，在對張集水源地的實際水質評價工作中，針對選取的七個采樣點的評價結果均為Ⅰ類水，顯然不符合客觀實際。主要是由于評價指標中大部分為痕量指標，用傳統方法計算聚類權值，造成了聚類系數在Ⅰ類水處聚集，導致評價結果失真。鑒此，作者將所采集樣品的檢測指標按化學性質進行分類，各指標在所處類別中計算聚類權重，對分類指標分別進行灰色聚類評價，最終將評價結果進行綜合分析得出水質類別。改進后的方法能夠更合理地確定聚類權，掌握區域地下水質量的基礎信息。

1、基于分類指標灰色聚類分析原理

灰色聚類評價法的基本思路就是以灰數的白化函數生成為基礎，將收集的聚類對象觀測值的分散信息，按照灰類進行歸納，計算水體水質中各因子的實測濃度與各級水質標準的灰度（關聯度），然后根據灰度大小確定水體水質的級別。常規的灰色聚類方法在數據歸一化和計算聚類權重時沒有針對各類指標的特點進行區別處理，缺乏廣泛的適應性。據此，作者將樣本的檢測指標進行分類，對各分類分別進行灰色聚類評價，確定分類的地下水質量級別，綜合五個分類地下水質量級別得出樣本的地下水質量等級。具體步驟如下：

1.1確定指標分類

依據《地下水環境質量標準》（GB/T 14848—2007）將所采集樣品的檢測指標按其化學性質劃分為一般化學指標、無機毒理指標、毒性重金屬指標、揮發性有機指標和放射性指標等5項，記為g=1，2，，5，具體分類結果見表1。

1.2 灰色聚類分析

1.2.1 確定聚類白化數

在評價過程中，記聚類白化數為，即各樣品的檢測結果（污染物濃度值），將各采樣點上不同檢測指標的實測值建立白化數矩陣。

1.2.3 聚類權重及聚類系數

為了衡量各指標在所處指標類別中對同一灰類的權重，依據《地下水環境質量標準》（GB/T 14848—2007），以Ⅱ類水質作為參考標準，對5個灰度標準值進行無量綱化處理，用各指標的灰度標準值分別除以其對應的Ⅱ類水標準值，記處理后的結果為 ，即=，其中，為指標類灰度的標準值，為指標的Ⅱ類水標準值。則各指標的聚類權重計算方法為：

1.3 評價結果的確定

根據樣本中不同分類關于各灰度的聚類系數，按照聚類系數最大歸類原則，得出各樣本不同分類的地下水質量級別，分類評價結果的最高類別作為采樣點的地下水質量級別，最終確定各個采樣點的地下水質量級別。

2、張集巖溶地下水源地水質綜合評價

2.1 研究區概況

張集巖溶地下水源地位于徐州市東南約25km，面積約為356.41km2，多年平均降水量830mm，降雨入滲系數為0.24～0.38。其含水層主要由震旦系和寒武系的碳酸鹽巖組成，溶洞和裂隙發育，為巖溶水的賦存提供了空間。廢黃河沿線存在一個大的斷裂帶，帶內巖石破碎，透水性好，是區域內地下水的主要開采區，張集巖溶地下水源地的開采水井也分布在此區域內。隨著近年來工農業的發展，使得水源地地下含水層遭受到了一定的污染。采用基于分類指標灰色聚類分析法進行評價，旨在了解張集巖溶地下水源地的水質狀況，識別 主要污染物類別，為水源地的水質管理提供指導。

2.2 評價數據

本文選取張集水源地小劉莊21號，鄧樓果園2號，梁塘10號，郭莊1號，丁樓1號，道北13號，小山子5號等7個采樣點的最新檢測數據作為評價因子，包括pH、總硬度 （以CaCO3計）、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、鐵、錳等36項檢測指標，運用基于分類指標灰色聚類分析法對各個采樣點的地下水水質進行綜合評價，評價標準依據《地下水環境質量標準》（GB/T 14848—2007）。

2.3 水質評價結果及分析

由表2中各采樣點綜合評價結果可知，張集水源地大部分區域地下水水質良好，部分區域地下水質量優良。其中，梁塘10號采樣點的水質達到Ⅰ類水標準，其余取樣點水質均為Ⅱ類水。在分類評價中，7個采樣點的一般化學指標、無機毒理指標和毒性重金屬指標三項分類評價結果均為Ⅰ級；6個采樣點的放射性指標分類評價結果達到Ⅱ級；3個采樣點的揮發性有機指標分類評價結果達到Ⅱ級；綜上得出影響區域地下水質量的指標類別主要為放射性指標與揮發性有機指標。

由于研究區放射性指標未超過指導值，符合飲用標準，所以不需要進行核素分析與評價。揮發性有機指標的Ⅲ類聚類系數雖未超過Ⅰ類或Ⅱ類的聚類系數，但其比重較大，存在一定的風險，其主要原因是研究區內農業生產使用的大量農藥下滲，進入地下水，使得滴滴涕、六六六的污染物濃度較高，對地下水水質產生了一定的影響。

3、結語

（1）基于分類指標灰色聚類分析法是在灰色理論的基礎上，將不同類別檢測指標細化評價，依據最不利評價原則確定取樣點的水質標準，從而更客觀的反應綜合的水質狀況。

（2）將改進的方法應用于張集巖溶地下水源地，結果表明各個采樣點水質均高于《生活飲用水衛生標準》限值，作為飲用水源是安全可靠的。

（3）張集地區的農業污染是水源地主要的污染源，農藥的大量使用影響著水源地的水質，在今后的工作中應進行重點的治理和保護。

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