灰色聚類分析法在錦江河水質(zhì)富營養(yǎng)化評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

李干蓉，張 友，方小寧，龍松勇，金寧通

(銅仁職業(yè)技術(shù)學(xué)院工學(xué)院，貴州 銅仁 554300)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城市人口愈來愈多，大量的污染物被排入到城市河流，導(dǎo)致水體的污染負(fù)荷愈演愈烈，城市河流原有的生態(tài)系統(tǒng)平衡被打破，導(dǎo)致城市河流水環(huán)境的質(zhì)量下降。因此，恢復(fù)和維持一個(gè)健康的河流生態(tài)系統(tǒng)已成為近年來環(huán)境管理的重要目標(biāo)。河流健康狀況評(píng)價(jià)是河流管理和河流生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)控的基礎(chǔ)。如何表征和評(píng)價(jià)河流健康狀況正成為河流生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。水質(zhì)評(píng)價(jià)方法采用定性和定量相結(jié)合的方法，用定性法判定水質(zhì)類別，用定量法計(jì)算綜合指數(shù)進(jìn)行比較。目前環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法很多，主要有綜合指數(shù)法[1-2]、概率統(tǒng)計(jì)法[3]、熱力學(xué)分析法[4]、模糊數(shù)學(xué)法[5]、內(nèi)羅梅指數(shù)法[6]和灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)法[7-8]等。錦江河是銅仁市的主要河流，也是銅仁市的母親河，楊雄英等[9-11]對(duì)錦江河水質(zhì)調(diào)查及污染防治措施進(jìn)行了研究，李干蓉等[12-13]對(duì)錦江河支流進(jìn)行了水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀研究，但該河流的水質(zhì)富營養(yǎng)化程度研究較少。因此，采用灰色聚類法對(duì)銅仁市區(qū)內(nèi)錦江河的水質(zhì)富營養(yǎng)化程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，并與綜合指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行比較分析，以期為錦江河的后續(xù)管理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣

于2018年6月，利用GPS 全球定位系統(tǒng)在錦江河選取7個(gè)采樣點(diǎn)，分別是1#，清水河上游；2#，中南門；3#，三中；4#，大明邊城；5#，清水橋；6#，興市橋；7#，鷺鷥巖。采用專用的5 L有機(jī)玻璃采水器采集表層水(0～0.5 m)，水樣采集后裝入冰盒中帶回實(shí)驗(yàn)室低溫保存，測定各項(xiàng)指標(biāo)，樣品采集按照地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(HJ/T91-2002)要求進(jìn)行。

1.2 檢測指標(biāo)

1.3 灰色聚類分析評(píng)價(jià)法

灰色聚類法評(píng)價(jià)的主要步驟為確定各類白化權(quán)函數(shù)；確定聚類權(quán)重；求聚類系數(shù)；確定各聚類對(duì)象所屬質(zhì)量級(jí)別。另外，根據(jù)金相燦等[15]在《中國湖泊富營養(yǎng)化》一書中提出的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，取每個(gè)類型的均值為其代表值，得出相應(yīng)結(jié)果(表1)。

1.4 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無綱化處理

在環(huán)境評(píng)價(jià)過程中，數(shù)據(jù)的聚類分析劃分的等級(jí)差別較大，且各數(shù)據(jù)的量綱存在較多的差異，因此無法直接進(jìn)行計(jì)算，現(xiàn)將數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，采用公式(1)對(duì)表1和錦江河理化參數(shù)進(jìn)行處理。

(1)

式中,Skj指第j個(gè)檢測項(xiàng)目的k個(gè)指標(biāo)值。

1.5 權(quán)重的計(jì)算

權(quán)重是衡量各個(gè)指標(biāo)同一灰類的權(quán)值。聚類權(quán)重計(jì)算公式：

(2)

式中，Wkj為第j個(gè)污染指標(biāo)第k個(gè)灰類的權(quán)值。

1.6 聚類系數(shù)

聚類系數(shù)的計(jì)算公式：

(3)

式中，δkj為第i個(gè)樣本關(guān)于第k個(gè)灰類的聚類系數(shù)，反映了聚類樣本對(duì)灰類的關(guān)聯(lián)程度。同時(shí)，按照最大隸屬原則確定聚類樣本的類別，即根據(jù)公式：

(4)

則δkj所對(duì)應(yīng)的灰類k即是這個(gè)聚類樣本所屬的類別。按照式(3)和(4)求得的聚類系數(shù)及聚類結(jié)果。

表1 不同污染指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的灰類值Table 1 Grey values of evaluation criteria for different pollution indicators

2 結(jié)果與分析

2.1 錦江河基本的理化參數(shù)

2.2 數(shù)據(jù)的無量綱化處理

對(duì)表1和表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行均值化處理，得出對(duì)應(yīng)的無綱化灰類值表3和無綱化水質(zhì)指標(biāo)表4。

表2 銅仁市錦江河的水質(zhì)指標(biāo)Table 2 Water quality indexes of Jinjiang river in Tongren city

表3 不同污染指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)無量綱化后的灰類值Table 3 The dimensionless grey value of evaluation standard with different pollution indicators

表4 銅仁市錦江河無量綱化的水質(zhì)指標(biāo)Table 4 Dimensionless water quality indexes of Jinjiang river in Tongren city

2.3 確定函數(shù)

基于分段線性函數(shù)的污染指標(biāo)的隸屬度函數(shù)分別表達(dá)如下：

?i=[?i1,?i2,?i3,?i4],i=1,…,7

其中，i表示采樣點(diǎn)數(shù)，一共為7個(gè)采樣點(diǎn)。下面列出表達(dá)式中的每個(gè)子函數(shù)。

屬于第1 級(jí)水質(zhì)富營養(yǎng)化的隸屬函數(shù)為

屬于第2 級(jí)水質(zhì)富營養(yǎng)化的隸屬函數(shù)為

屬于第3 級(jí)水質(zhì)富營養(yǎng)化的隸屬函數(shù)為

屬于第4 級(jí)水質(zhì)富營養(yǎng)化的隸屬函數(shù)為

由于DO、SD 與其他污染物作用不同，DO或SD值越大說明水質(zhì)越好。其隸屬函數(shù)計(jì)算式應(yīng)作相應(yīng)變動(dòng)[16]，如第1 級(jí)可變?yōu)?/p>

其他依次類推。并將表4中數(shù)據(jù)經(jīng)無量綱化處理后得出各污染指標(biāo)的監(jiān)測結(jié)果代入上述隸屬函數(shù)表達(dá)式，可求得各污染指標(biāo)的隸屬函數(shù)的矩陣形式：

2.4 權(quán)重的計(jì)算

將表3中的數(shù)據(jù)代入式(2)可求得聚類權(quán)重值(表5)，其中貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)、富營養(yǎng)和極富營養(yǎng)的最大權(quán)重值分別為Chla、Chla、SD和DO。

2.5 聚類系數(shù)與聚類結(jié)果

由表6表明，錦江河的1#位點(diǎn)為富營養(yǎng)型，其余各監(jiān)測位點(diǎn)水質(zhì)均處于中營養(yǎng)型，主要與其采樣過程中采集庫區(qū)有關(guān)。

表5 各灰類中各因子的權(quán)重值Table 5 Weight values of each factor in each grey class

表6 聚類系數(shù)δkj及聚類結(jié)果Table 6 Clustering coefficient δkj and clustering results

3 結(jié)論

1)聚類系數(shù)與聚類分析的結(jié)果，錦江河的1#位點(diǎn)為富營養(yǎng)型，其余各監(jiān)測位點(diǎn)的水質(zhì)均處于中營養(yǎng)型，主要與其采樣過程中采集庫區(qū)有關(guān)，已有研究[17]表明水壩的攔截水體的各要素具有攔截作用，且會(huì)導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化。

2)灰色聚類分析法廣泛應(yīng)用于環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，各數(shù)據(jù)的權(quán)重值是相對(duì)的，且不同的營養(yǎng)指標(biāo)的權(quán)重值不同，對(duì)各指標(biāo)的信息利用率較高，其對(duì)環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)準(zhǔn)確度較高。