基于灰色關聯法的太子河流域鞍山段水質評價

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

水是人類與生物賴以生存的根本，因而對水環境質量的分析與評價就尤為重要。水質評價是依照水的不同途徑，選定相應的評價參數，依據一定的質量規范和評價方法，對水體質量進行定性或者定量的評價。這個過程可以準確反映出水體質量情況、水質變化及發展趨勢，為水資源的規劃管理、開發利用以及污染物的防治工作提供重要依據[1]。

目前，國內外使用的水質評價典型方法有單因子評價法、層次分析法、模糊綜合評價法[2]、 污染指數評價法、灰色系統評價法、人工神經網絡法等[3]。單因子評價法雖然操作簡單但過于嚴格，層次分析法對權重的確定主觀性強，模糊評價法計算比較復雜[5]。而灰色關聯法對樣本數量及其規律性要求不高、計算簡單快捷、定性定量結果一致，獲得廣泛應用[6]。因而本文采用灰色關聯法對太子河水系各主要斷面水環境進行評價。

1 灰色關聯評價模型

1.1 基本原理

灰色關聯法是通過比較參考數列和比較數列之間的相似度來判斷兩者間的關聯程度。關聯度越大，則兩者的聯系越緊密。在水質分析中，將實測水質數據與地表水環境質量標準進行比較，求取各個分級的關聯度，取最大值為該河流水系水質的類別。

1.2 計算步驟

1.2.1 確定參考數列和比較數列

以水系斷面的實測數據做參考數列，以地表水環境質量標準等級做比較數列。參考數列X0={x0(k)/k=1,2,3,…,n}，比較數列Xi={xi(k)/k=1,2,3,…,n}，其中i為地表水水質標準中的級別，xi(k)為第k項評價指標的無量綱化值。

1.2.2 計算關聯系數

比較數列對應參考數列的關聯系數ξ如下：

(1)

1.2.3 求關聯度

關聯系數很多，容易造成信息分散，不利于評價整體關聯程度，需要把每個關聯系數最終化為一個值，即關聯度，一般用算數平均值表示：

(2)

求出最大關聯度值，所對應的標準級別就是待評價水體的環境質量級別。

2 太子河流域鞍山段水質評價

2.1 太子河流域鞍山段概況

太子河從遼陽縣唐馬寨鎮流入鞍山市，在西四鎮八家子村與渾河匯合形成大遼河。多年平均入境水量24.21億m3，平均出境水量30.24億m3。境內干流長46km，流域面積2853km2，多年平均地表水資源量4.39億m3。在鞍山市河段主要有南沙河、楊柳河、海城河、五道河等6條支流。

2.2 評價因子和評價標準

選取鞍山市流域內主要控制斷面千山、太平溝、紅土嶺、五道河源頭2017年各季度監測數據為參考數列，以總磷、總氮、氨氮、揮發酚、溶解氧作為評價因子，以第一季度數據為例，見表1。評價標準選用《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)，并以此作為比較數列，見表2。

表1 2017年第一季度各斷面監測數據 單位：mg/L

表2 各評價因子影響地表水環境質量比較 單位：mg/L

由于各個評價因子之間量級不同，無法比較，所以先進行均值化變換，統一成無量綱量，結果見表3和表4。

表3 實測數據無量綱化結果

表4 地表水環境質量標準無量綱化結果

2.3 關聯系數

首先計算絕對值差，以千山斷面為例，表3中5個評價因子對應的值為參考數列，與水質標準中的5個等級比較數列分別組合計算，結果如下：

|x0(k)-x1(k)|=(8.033,3.701,3.685,10.733,0.373)

|x0(k)-x2(k)|=(0.127,0.581,1.122,10.733,0.217)

|x0(k)-x3(k)|=(1.147,0.459,2.152,3.593,0.060)

|x0(k)-x4(k)|=(1.487,0.806,2.495,1.213,0.567)

|x0(k)-x5(k)|=(1.657,0.979,2.667,0.929,1.350)

將數據代入式(1)進行計算，其中分辨系數ζ取0.5，計算結果見表5。

表5 千山斷面實測水質與水質標準的關聯系數

按照同樣方法，逐一計算出各斷面的關聯系數。

2.4 關聯度

將表5的數據代入式(2)計算關聯度，可得出千山斷面第一季度水質對應各個評價等級的關聯度為：R1=0.577，R2=0.809，R3=0.818，R4=0.820，R5=0.795。取關聯度最大值R4，2017年第一季度千山斷面的水質標準等級為Ⅳ級。根據以上方法同理計算出2017年各季度各斷面的關聯度值，結果見表6。

表6 2017年各季度各斷面關聯度結果Ri

從表6數據中分別選取出各斷面各季度對應的最大關聯度，即可評價出水環境質量等級，評價結果見表7。

表7 2017年各季度各斷面水質等級評價結果

3 結 論

通過灰色關聯法對太子河流域鞍山段的水質進行分析評價，結果表明：該河段各斷面水環境質量情況相近且較差，全年基本都處于Ⅳ級標準，受季節因素影響較小。

造成鞍山境內流域污染嚴重的主要原因是鞍山鋼鐵集團的工業廢水排放以及生活污水排放。為改善和治理流域污染情況，提出以下建議：建立水資源核算體系，按水資源價值實行有償使用，建設污水處理產業；建立清潔生產制度，減少污染物產生，節能減排，實現水資源循環再利用；完善水資源管理體制，建立水質實時監控系統，優化配置水資源，實現其可持續利用。