基于灰色聚類分析的白洋淀水質評價

楊娜　陳國鷹

摘? 要：水質評價對了解水體生態功能、區域環境質量、科學制定治理規劃有著重要的作用。文章以雄安新區白洋淀水質為研究對象，通過2009-2017年現場實際監測數據與試驗，對7個代表性監測站點的溶解氧等6個指標進行監測，運用灰色聚類分析法并結合變異系數法賦權，對其水質進行分級與評價，為白洋淀的綜合治理提供更加客觀科學依據。研究結果表明：光淀張莊、棗林莊的水質等級為Ⅲ類，水質狀況達標;燒車淀、王家寨、采蒲臺、圈頭的水質等級Ⅳ類，端村的水質等級為Ⅴ類，水質均不達標;評價結果比較客觀的反映了水體水質狀況與類別，克服了單因素評價易受個別因素影響的缺陷。

關鍵詞：白洋淀;水質指標;變異系數法;灰色聚類;評價

中圖分類號：X824? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）34-0043-03

Abstract： Water quality assessment plays an important role in understanding the ecological function of water body， regional environmental quality and scientific treatment planning. Taking the water quality of Baiyangdian Lake in Xiongan New Area as the research object， this paper monitors the dissolved oxygen and other six indexes of 7 representative monitoring stations through the field monitoring data and experiments from 2009 to 2017. The gray cluster analysis method combined with the coefficient of variation method is used to classify and evaluate the water quality in order to provide a more objective and scientific basis for the comprehensive treatment of Baiyangdian Lake. The results show that the water quality grade of Guangdian Zhangzhuang and Zaolin Zhuang is Class Ⅲ， the water quality is up to the standard， the water quality of Chaochedian， Wangjiazhai， Caiputai and Huantou is Class IV， and the water quality of Duan Village is Class V. The water quality is not up to the standard. The evaluation results objectively reflect the status and types of water quality and overcome the shortcomings of single factor evaluation which is easily affected by individual factors.

Keywords： Baiyangdian Lake; water quality index; coefficient of variation method; gray clustering; evaluation

引言

白洋淀是雄安新區的核心水域，其水質狀況對新區發展至關重要。然而，由于其部分水體污染嚴重，生態平衡遭到破壞，極大影響和制約了其生態功能的發揮。因此，對白洋淀水環境質量進行監測、評價與分級，更加準確地掌握水質狀況，為治理和改善白洋淀水質提供科學依據。

目前，對于白洋淀水質狀況方面的研究大多集中在其水質的時空變化規律及關鍵因子[1]，對各種污染物[2-4]的性質、來源及遷徙等的分析與評估，以及對其富營養化狀況的研究[5]等。以上分析與研究，對當前其水質狀況的評估有借鑒之處，但仍需要后續跟進研究以了解其水質狀況。從邊界條件和系統屬性來看，白洋淀水域是一個典型的灰色系統，具有“部分信息已知，部分信息未知”的特點，因而更適合應用灰色系統分析方法來研究[6]。本文以2009-2017年白洋淀7個監測站點實測數據為基礎，基于灰色聚類分析方法，通過引入變異系數法得到各指標的權重，可計算得到聚類系數，實現對白洋淀水域水質的綜合評價。

1 灰色聚類分析方法

1.1 灰色聚類分析

灰色聚類分析方法通過白化權函數計算聚類系數，來考察觀測對象屬于事先設定類別。灰色聚類分析包括以下幾個步驟：（1）觀測值矩陣，即確定水域指標因素及質量等級，形成關于水域質量的觀測值矩陣x;（2）白化權函數確定，即確定水域指標因素對應質量等級區間的白化權函數值，求出隸屬度;（3）聚類權重的確定，即確定水域指標因素的權重大小;（4）聚類系數的確定，即通過計算觀測值灰色變權聚類系數選擇最大的聚類系數對應的k值為對象屬于灰類，以實現聚類。

1.2 變異系數賦權法

變異系數法[7]是直接利用各項指標所包含的信息，通過計算得到指標的權重，是一種客觀賦權的方法。為了消除各項評價指標的量綱不同的影響，需要用各項指標的變異系數來衡量各項指標取值的差異程度，該方法可以避免出現主觀賦權法所帶來的主觀偏好性誤差。其計算過程主要包括：（1）利用各個指標的標準差和平均數計算某一評價指標的變異系數;（2）將不同指標的變異系數進行歸一化處理，求得各個指標的權重值。

2 評價斷面與指標選取

2.1 斷面選取

根據白洋淀上游河流來水及水流在淀內的流動情況，共設置8個有代表性的監測站點：南劉莊、燒車淀、王家寨、光淀張莊、棗林莊、圈頭、端村、采蒲臺，由于南劉莊評價標準與其他站點不同，因此將其暫時剔除。

2.2 評級指標選取

每月對淀區內水質進行取樣監測，對2009-2017年7個監測站點的溶解氧、高錳酸鹽指數、化學需氧、氨氮、總磷、總氮等指標值進行取平均。各站點指標監測結果如表1所示。

3 計算與分析

3.1 灰色聚類觀測矩陣

根據白洋淀水質監測結果，可得到各監測站點評價水質指標灰色聚類觀測矩陣，如下式（1）所示。

（1）

3.2 水質等級與灰類劃分

根據地表水環境質量標準（GB3838-2002）[8]，對白洋淀水質等級進行分類，并根據灰色聚類分析的需要對灰類區間進行延拓，見表2所示。

3.3 白化權函數的確定

以溶解氧為例，根據其等級分類和延拓值，可得其中心點三角白化權函數，如圖1所示。

根據監測站點溶解氧監測值，代入白化權函數，計算可得到其在不同灰類區間的隸屬度，如表3所示。

以此類推可以求出其他聚類指標的白化權函數及其隸屬度值，由于篇幅有限，不再一一列出。

3.4 指標權重的計算

利用變異系數法對白洋淀水域指標進行權重計算，結果見表4所示。

3.5 水質綜合聚類系數及水質等級

通過計算可得到白洋淀7個監測站點水質的綜合聚類系數，如下式（2）所示。

通過灰色聚類評價發現：光淀張莊、棗林莊的水質等級為Ⅲ類，燒車淀、王家寨、采蒲臺、圈頭的水質等級為Ⅳ類，端村的水質等級為Ⅴ類。

4 結論

（1）運用變異系數法計算可得溶解氧、高錳酸鹽指數、化學需氧量、氨氮、總磷、總氮的權重分別為0.056、0.055、0.086、0.194、0.434、0.173，克服了單因素評價中受個別因素影響大的風險，比較全面客觀的反映了各評價因素的影響。

（2）運用灰色聚類分析方法計算可得：光淀張莊、棗林莊的水質狀況達標，燒車淀、王家寨、采蒲臺、圈頭的水質等級Ⅳ類，端村的水質等級為Ⅴ類的水質均不達標。

（3）灰色聚類分析不僅按灰色聚類系數最大原則劃分水體水質類別，而且在灰色聚類矩陣？滓■■中顯示了各監測站點對于不同水質級別的隸屬程度，這對于全面了解白洋淀各監測站點的水質狀況提供了豐富的信息。

參考文獻：

[1]張婷，劉靜玲，王雪梅.白洋淀水質時空變化及影響因子評價與分析[J].環境科學學報，2010，30（2）：261-267.

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[5]楊麗偉，陳詩越.白洋淀水環境質量評價[J].南水北調與水利科技，2015，13（3）：457-462.

[6]劉思峰，謝乃明.灰色系統理論及其應用[M].北京：科學出版社，2007.

[7]門寶輝，梁川.基于變異系數權重的水質評價屬性識別模型[J].哈爾濱工業大學學報，2005，37（10）：1373-1377.

[8]GB3838-2002.地表水環境質量標準[S].