基于灰色聚類分析的上海市長江口水質狀況評價

陳慧文 陳錦輝

摘 要：長江口是長江入海口和上海市重要的水源供應地。該研究根據長江口2021年4月份的水文水質監測數據，利用灰色聚類分析法對調查的長江口南、北支和東灘濕地12個站位漲落潮時的水環境狀況進行評價，以期了解上海市長江口水域的水環境質量。結果表明：（1）漲潮期間，Z1、Z3、Z5、Z6、Z7、Z9、Z13、Z14、Z16、Z18、Z19等11個站位點的海水水質質量等級為Ⅲ類，東灘的Z17站點為Ⅱ類海水;（2）落潮期間，Z1、Z3、Z6、Z7、Z9、Z13、Z14、Z16、Z17、Z18、Z19等11個站點海水水質質量等級為Ⅲ類，北支Z5站點為Ⅱ類海水。通過利用灰色白化權函數對長江口各站點水質進行分析，長江口屬于第Ⅲ類海水，污染情況仍處于比較嚴重水平。

關鍵詞：長江口;灰色聚類法;水質評價

中圖分類號 X824 文獻標識碼 A 文章編號 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

長江口是我國最大的河口生態系統[1]，是河流入海過渡的區域帶。長江口受到沿岸流、潮流和徑流等的影響，生態環境復雜，溫、鹽度變化劇烈[2]。作為一個復雜而又特殊的自然綜合體，長江口對流域自然變化和人為作用的響應最為敏感。長江口周邊地區是工業發達、人口眾多的都市[3]，頻繁的人類活動，如污水的排放、灘涂的圍墾與水利工程的建設等，使河口遭受了巨大的環境壓力[4-5]。陳吉余等[6]指出河口攔門沙附近水質呈顯著的惡化趨勢，硝酸鹽氮含量近20年增加近4倍，無機氮和活性磷酸鹽年增長率約為5%。翁立達等[7]研究表明，從20世紀60年度至今，長江口及鄰近海域的營養鹽水平已經增加了7～8倍，近年來海域出現赤潮的時間提前，次數增多，且面積呈擴大趨勢。長江口作為長江的入?？冢从持L江的生態環境保護修復整體效果，且長江口也是上海重要的水源供應地，要保障青草沙水庫、陳行水庫和東風西沙水庫的供水。水質狀況的優劣不僅會影響水域內漁業資源的恢復，也會對上海市民的生產生活帶來不利影響。因此，有必要開展監測和評價長江口水域的水質狀況，為水域生態修復提供第一手資料。

目前，用于水質評價的主要方法有指數評價法[8]，模糊綜合評價法[9]以及灰色聚類法等[10]。灰色聚類分析是一種以灰色系統理論[18]為基礎的加權灰色聚類分析方法[11]，分為灰色星座聚類、灰色關聯聚類以及灰色白化權函數聚類3類。其中，灰色白化權函數聚類是聚類分析法中引進白化函數形成的新聚類分析方法，通過數學方法將環境質量因子綜合歸納，通過等級量化評價質量[12-15]。相比傳統的其他水質評價法，利用灰色聚類分析可以使得分析結果更加全面客觀[19]，當前已經被廣泛應用于海水和淡水的水質評價中[12，16]。為此，本研究基于灰色聚類法客觀分析和評價長江口南、北支和東灘附近水域漲落潮時期水質現狀，為長江大保護背景下水域生態環境修復及生態災害預警等提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源 數據來源于2021年4月在長江口水域開展的漁業資源常規監測，監測調查船為“滬交測002號”，監測內容包括水文物理環境（水溫、鹽度、懸浮物等）和水化學環境（營養鹽、DO、pH、COD、揮發酚、總磷、總氮、石油類、水體中重金屬含量等）。在長江口水域共設置12個監測站點（圖1），按照地理位置劃分為3個區域：北支（Z5、Z7、Z13）、南支北港（Z1、Z3、Z6、Z9、Z14、Z16、Z19）和東灘（Z17、Z18）。

所有水環境監測站點在漲、落潮期各采集2次水樣，用于平行樣。水樣取樣方法參照《海洋監測規范》第3部分（GB17378.3-2007）。取樣層次按《海洋監測規范》第4部分（GB17378.4-2007）的要求確定，當水深小于10m，只取表層水樣;當水深大于10m，分表、底層取樣，其中油類采集表層下0.5m的水樣500mL，加入0.1N鹽酸溶液調節pH至4.0以下，避光4℃保存至分析。氣溫、鹽度、水深、透明度、pH、溶解氧等，使用儀器現場測量;懸浮物、硝酸鹽、重金屬等，采集水樣后于實驗室進行分析檢測。

1.2 灰色聚類法評價指標體系 本研究選用灰色白化權函數聚類，對長江口水環境質量進行評價?；疑谆瘮稻垲惙治龅牟襟E包括確定評價指標、水質數據的無量綱化處理、建立灰色白化權函數、確定聚類權以及確定聚類系數。

1.2.1 評價指標確定 選取化學需氧量（COD）、揮發酚、溶解氧（DO）、石油類、Zn、Hg、Pb、Cu、Cd、Cr、As等11項污染因子作為評價長江口水域水質狀況的聚類指標。參照GB 3097-1997《海水水質標準》對長江口水質進行評價，海水水質標準見表1。

1.2.2 水質數據無量綱化處理 在區域水環境質量評價中，各聚類指標的量綱不同、意義不同，各聚類等級劃分的區間也存在差異[12]，要先對各聚類指標進行標準化處理，即數據的無量綱化處理。通過簡單的數學變換來消除各指標量綱的影響，無量綱化處理后才能對數據進行有效合理地綜合運算分析，使得聚類結果具有可比性[5]。

對第[i]個采樣點，第[j]個評價參數，其檢測值[cij]的無量綱化處理公式如下：

[xij=cij/1ni=1ncij] （1）

對第[k]個灰類，第[j]個評價參數，其評價參數的無量綱化計算公式為：

[ykj=gkj/1ni=1kgkj] （2）

對11項水質因子的海水水質標準進行無量綱化處理，其結果見表2。

1.2.3 建立灰色白化權函數 污染因子的隸屬度可以用線性公式來計算[17]。

當k=1，隸屬度函數如下：

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

當k=2/3時，隸屬度函數如下：

[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）

當k=4，其隸屬度函數如下公式五：

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

溶解氧（DO）與其他污染物COD、揮發酚、石油類、Zn、Hg、Pb、Cu、Cd、Cr、As的作用不同，DO值越大表明水域的水質越好，所以其隸屬公式與以上污染物的隸屬公式不同，其隸屬公式如下[20]：

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

當k=2/3/4時的灰類級別公式按照以上公式類推。

以上公式中，[xij]為長江口各站點檢測值的無量綱化處理，[yij]為各灰類值的無量綱化處理值。

1.2.4 確定聚類權和聚類系數 聚類權重是衡量各個參數同一灰類的權值。水質指標閾值越大，對水質的影響越小，其相對權重就越小，因此采用倒數法，計算公式如下：

[ηkj=1ykj/j=1n1ykj] （7）

聚類系數的計算公式如下：

[σkj=j=1nf（xij）*ηkj] （8）

式中：[δkj]為第i個樣本關于第k個灰類的聚類系數，反映聚類樣本對灰類的關聯程度。

各水質因子的聚類權重計算結果見表3。

2 結果與分析

2.1 長江口水質因子含量 表4和表5為長江口漲落潮時11種水質因子濃度，從單因子質量來看，長江口水域漲落潮時的COD濃度在海水水質III～IV類標準，個別站點超過海水水質IV標準;各調查站點揮發酚和DO濃度均超過海水水質I類標準;各站點石油類的濃度達到海水IV標準及以上;各站點水質重金屬指標Zn、Hg濃度在海水水質II類標準，Pb位于III類海水標準，Cu、Cr和As濃度較小，符合I類海水標準，而Cd濃度較高，超過海水IV標準。

2.2 水質數據的無量綱化處理 根據公式1和公式2對長江口漲潮和落潮水質監測數據進行無量綱化處理，處理結果如表6和7所示。

2.3 長江口水質灰色聚類評價等級 按照聚類系數最大歸類原則，水環境質量等級按照站點對應各灰類值計算出的最大值來確定此站點所隸屬的灰類。通過利用灰色白化權函數法對長江口12個站點的水質進行分析并劃分等級，水質質量等級如表8和表9所示。由表8、表9可知，在漲潮階段Z17的水質最好，Z17站位點所對應的4個聚類系數中，對Ⅱ類灰類的聚類系數最大，因此Z17站點的水質質量等級為Ⅱ類，Z1、Z3、Z5、Z6、Z7、Z9、Z13、Z14、Z16、Z18、Z19等11個站位點所對應的4個聚類系數中，分別對第Ⅲ類灰類的聚類系數最大，即以上11個站點的海水水質質量等級為Ⅲ類。當落潮時Z1、Z3、Z6、Z7、Z9、Z13、Z14、Z16、Z17、Z18、Z19等11個站位點所對應的4個聚類系數中，分別對第Ⅲ類灰類的聚類系數最大，即以上11個站點的海水水質質量等級Ⅲ類，Z5站位點所對應的4個聚類系數中，對Ⅱ類灰類的聚類系數最大，因此Z5站點的水質質量等級為Ⅱ類。漲潮階段Z17站點和落潮階段Z5站點所對應的Ⅱ類海水能夠適用于水產養殖區、海水浴場、人體直接接觸海水的海上運動或娛樂區，以及與人類食用直接有關的工業用水區;其他站點所對應的Ⅲ類海水能夠適用于一般工業用水區以及濱海風景旅游區。綜合長江口漲潮、落潮的12個采樣點站點的水質等級，長江口海水水質屬于第III類海水。

3 結論與討論

灰色聚類分析在長江口水質質量評價中的結果能夠很好地反應當前長江口的水質現狀。此方法利用數學統計引進白化函數，不僅計算監測水質的不同污染物的隸屬程度，而且通過計算水域的聚類系數，按照灰色系數最大歸類原則將水質進行劃分，綜合評價水域水質的狀況，以此來客觀劃分海水水質的質量類別，利用污染因子的權重來對數據進行計算，保證了評價結果的客觀準確性。

本研究中發現，Z17站點、Z5站點在漲潮和落潮階段海水水質等級發生了一些變化，這2個站點分別位于東灘淡水水域和北支咸水水域，這種變化產生的原因可能是：（1）在落潮時海水將沿岸的營養鹽帶入海中，使得水中的一些污染因子含量升高;（2）在漲潮時大量海水涌入，長江口水量上升，使得水中一些富營養鹽含量相對降低。研究中長江口灰色綜合水質結果可以看出，長江口水質狀況大多屬于第Ⅲ類海水等級，與平仙隱等[16]研究得出的長江口水質為第Ⅲ類海水的結果相一致。當前長江口水域污染仍處于嚴重水平，近些年未得到有效改善，究其原因是長江口周圍工業和居民生活廢水的排放以及航道工程等對水質會產生了一定的影響。另外，河口水域營養鹽豐富，浮游藻類等易出現富營養化，從而對水質質量都會產生影響。因此，在共抓大保護、不搞大開發的長江大保護的背景下，還應繼續貫徹落實長江大保護相關的保護措施，保護長江口水域生態的可持續發展。

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（責編：張宏民）