基于灰色聚類法的彭州市西河水庫水環境質量評價

(1.山西省水利水電科學研究院，山西 太原 030002；2.四川大學水利水電學院，四川 成都 610065；3.山西省生物研究所，山西 太原 030006)

四川省境內地表水豐富，水源地尤以地表水為主。地表水源又可分為水庫水源、湖泊水源和河流水源。截至2013年，四川省內共有51座大型水庫，219座中型水庫，10萬m3以上水庫共計8148座[1]。水庫類水源為四川省的供水安全提供了重要的支撐作用。水庫雖然具有一定的天然納污能力和水體自凈功能，但是近年來隨著國民經濟的發展，水庫周邊污染源大量增加，對水域造成了不同程度的污染，其環境質量和自凈能力正在不斷地下降和減弱。為降低人類活動對水庫水環境造成的不良影響，科學有效地建立水庫水源地水環境管理制度，完善區域內水資源系統的空間布局，有必要對水庫水環境進行客觀、全面的科學評價。

水環境評價是利用一定的評價方法和標準，根據水環境各要素指標實測資料對水環境進行定量綜合評價，以便有效掌握水環境狀況，為水環境保護提供科學合理的決策依據和參考。目前水質綜合評價常見方法有灰色關聯法、模糊綜合評價法、神經網絡綜合評價法等[2]。由于水環境質量中所獲得的數據都是在有限的時間和空間范圍內監測得到的，所提供的信息不完全或不確切，所以可以將水環境系統視為一個灰色系統[3]。

灰色聚類法是在以灰數的白化函數生成為基礎建立的一種多維灰色評估方法。它將聚類對象對于不同聚類指標所擁有的白化數，按若干灰類進行歸納，從而判斷出聚類對象屬于哪一個灰類。灰色聚類分析法相對于其他數學評價方法的優勢體現在以下方面：

a.可以避免一些量化方法(如主成分分析等)要求大樣本和樣本有較好的分布規律、計算工作量大、出現的結果與定性分析結果不符等問題。

b.可以克服關于評價指標信息的不明確性和不完備性，從而提高評價分析的可信度和科學性。 灰色聚類法近年來在水質評價中被廣泛應用，可以直接應用于各種水質分析與評價。

本文基于西河水庫各項污染物實際監測數據選用灰色聚類法綜合評價分析水庫水環境質量，以期為水庫水環境保護和水質時空演化規律的研究提供理論支持和參考。

1 灰色聚類分析法

1.1 水質分級標準

評價指標和水質分級標準以《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)為依據，水質共分為5個評價等級。評價指標的標準值設為λkj，以《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中的分類值為依據，有些指標可根據地方水域背景值特征及用途作適當調整。

1.2 數據的標準化處理

1.2.1 樣本指標白化值的標準化處理

采用污染指數進行樣本指標白化值的標準化處理，既可達到無量綱化的目的，又可反映污染物的相對污染狀況，其計算公式為

(1)

式中：xki為第k個樣本(測點)第i個指標(污染因子)的標準化值；Cki為第k個樣本(測點)第i個指標(污染因子)的實測值；C0i為第i個指標(污染因子)的參考標準，本文采用地表水環境標準中Ⅲ類水水質。

1.2.2 灰類的標準化處理

灰類的標準化處理是建立白化函數的必要條件。為便于原始白化數與灰類之間的比較分析，仍用C0i進行灰類的無量綱化：

(2)

式中：rki為第i個指標第j個灰類值λkj的標準化處理值；λij為灰類值。

1.3 水質樣本標準化值聚類矩陣的生成

由k個樣本(測點)的i個指標(污染因子)的標準化值構成的矩陣為

(3)

式中：xki為k個聚類樣本第i個聚類指標的標準化值，k=1,2,…,m，i=1,2,…,n。

1.4 灰類標準化值聚類矩陣的生成

由n個指標(污染因子)的m個灰類(環境質量等級)的標準化值構成的矩陣為

(4)

1.5 建立各污染物的白化函數

白化函數是灰色聚類的基礎，是計算聚類系數的基本依據，它可反映聚類指標對灰類的親疏關系。

設第i個指標的灰類1，則灰類j(j=2，…，h-1)和灰類h的白化函數分別為

(5)

(6)

(7)

1.6 水質因子灰類聚類權重值

灰類權重值是各指標對某一灰類的權重，第i個指標j個灰類的權重值ωij按下式計算：

(8)

1.7 水質因子灰類聚類權值

(9)

1.8 聚類系數

(10)

1.9 構造聚類向量及評判

設ζi為聚類向量，則有

(11)

按照最大隸屬原則確定聚類樣本屬于哪一類，若

(12)

則稱對象i屬于灰類k。

2 案 例

西河水庫地處彭州市，水庫設計總庫容271萬m3，為小(1)型水庫。西河水庫是湔江西河灌區的補充水源水庫，主要補充灌溉彭州市麗春鎮和隆豐鎮約3萬畝農田，該水庫又是彭州市第二水廠的主要供水水源，可供彭州市10萬人的飲用水。西河水庫壩址控制集雨面積1.12km2，水庫天然來水較小，主要以引蓄湔江補水為主，引水地點為湔江堰西三河閘下和尚埝，水量占水庫來水總量的99%以上[4]。水庫周邊居民、農家樂等生活污水及農業生產中殘留的化肥、農藥等非點源污染物嚴重影響了西河水庫的水質，對彭州市飲用水源構成安全隱患。因此，正確評價西河水庫水質質量及水庫水環境質量對保障彭州市居民飲水安全、維護彭州市社會穩定具有重要意義。西河水庫區位圖見圖1。其放水口共有4處：

a.第一處位于主壩右壩段(1-1斷面)，為塔式放水口，過壩建筑物為穿壩涵管，該放水口已報廢封堵。

b.第二處位于大壩中間段(2-2斷面)，是目前灌溉放水的主要放水口，放水孔位于斜臥管底部，為深式放水孔，最大放水流量為1.16m3/s，臥管底設圓盤式鋼閘門，由手動斜拉式鋼繩啟閉，其過壩建筑物仍為涵管。

c.第三處位于大壩左端的副壩上(3-3斷面)，該放水口主要保障附近村民灌溉用水，其引水流量小，主要引取庫區表層水。

d.第四處是位于副壩中間的塔式放水口(4-4斷面)，最大放水流量為4.60m3/s，該放水口兼發電、城市供水、灌溉和溢洪多用。

圖1 西河水庫區位圖

2.1 參評指標的選取

2.1.1 環境質量等級

環境質量等級采用地表水環境質量標準[5]，指標數據見表1。

2.1.2 水質監測數據

四川大學分析測試中心對西河水庫2014—2017年8個水質斷面逐月進行水樣采集及檢測，得到的監測數據見圖2～圖4。

表1 地表水環境質量標準值 單位：mg/L

圖2 2014—2017年西河水庫總氮濃度實測值

圖3 2014—2017年西河水庫總磷濃度實測值

圖4 2014—2017年西河水庫BOD5濃度實測值

2.2 數據的無量綱化處理

根據式(1)、式(3)構建水質樣本標準化值聚類矩陣，見表2。

表2 水質樣本標準化值聚類矩陣(多年平均值)

根據式(2)、式(4)構建灰類標準化值聚類矩陣，見表3。

表3 灰類標準化值聚類矩陣

2.3 構建各污染物的白化函數

根據式(5)、式(6)、式(7)構建各污染物的白化函數(見表4)，經計算得到各斷面各污染物的白化函數值(見表5)。

表4 白化函數

續表

表5 白化函數值

續表

2.4 確定各評價指標對各灰類的聚類權重值

根據式(8)確定聚類權重值，見表6。

表6 水質因子聚類權重值

2.5 確定各評價指標對各灰類的聚類權值

根據式(9)確定聚類權值，見表7。

表7 水質因子聚類權值

2.6 確定各評價對象對各灰類的聚類系數

根據式(10)確定水質因子聚類系數，見表8。

表8 聚類系數

2.7 結果分析與評價

根據式(11)、式(12)進行水質評價， 測點5個聚類系數中最大的聚類系數所對應的灰類值即為水質的質量等級，各測點的水質質量見表9、表10及圖5。

表9 測點水質質量(多年平均)

表10 西河水庫逐月水質等級月出現月數量

3 結論與討論

3.1 結論

a.采用了灰色聚類法評價西河水庫的水環境質量。從空間尺度來看，西河水庫水質由庫尾到壩前呈現明顯的遞增趨勢，說明西河水庫具有顯著的自凈能力。而水庫入口處(8-8斷面)通過湔江引水匯入的污染物是西河水庫水質惡化的主要因素。為控制西河水庫水環境，應嚴格控制引水水質，改善湔江水環境質量。

圖5 西河水庫2014—2017年各監測斷面逐月水質等級云梯圖

b.從時間尺度來看，西河水庫2014—2017年除入口處的8-8斷面水質沒有得到明顯改善外，其他斷面的水質等級均有一定的提高，其中1-1斷面(主壩右壩肩)的水質提高幅度最大，截至2017年該斷面的水質有7個月可維持在Ⅲ類水，因此1-1號取水口是西河水庫的理想取水口位置。

c.西河水庫在水文年內呈現枯水期水質好、豐水期水質差的規律，其中4—9月的水質普遍較差，這也說明水庫上游來水攜帶的污染物是西河水庫水環境惡化的主因。

3.2 討論

環境是一個多因素多層次的復雜系統，由于環境系統質量評價存在著一些不甚明確的灰色信息，僅根據評價因素的監測數據難以建立確定的數學模型。事實上，環境系統是一個具有模糊性的灰色系統。灰色聚類法考慮了系統的灰色性和白化程度以及各個污染因子的綜合影響而進行聚類加權，其權重的確定方法也比其他方法更合理、客觀，克服了單因素評價中受個別因素影響較大的缺陷以及綜合指數法和模糊綜合評判法因人為因素而引起的“失真”“失效”現象，比較全面地反映了各評價因素的影響，評價結果比較符合實際情況[6]。

4 防治措施

a.建立和完善西河水庫水源地保護規劃。全面規劃，合理布局，進行區域性綜合治理。對可能出現的水體污染，要采取預防措施。按照有關規定，做好西河水庫水源地建設項目的報批、驗收工作。基于西河水庫基礎情況調研，提出初步治理方案，明確水源地保護目標、任務、責任和措施。

b.控制湔江流域農業非點源污染源。調整湔江流域土地利用結構調整、自然修復、綜合治理、農村面源污染控制、水土保持等措施，有效控制農業面源污染。采取科學的農業灌溉方式，控制農業非典源污染物隨徑流的損失。實施畜禽養殖廢物資源化和秸稈綜合利用項目，加強農膜回收利用，控制農業殘留物污染。

c.全面調查湔江流域內的點源污染源，根據各點源污染源的排放狀況，明確水源污染防治重點，依法查處水源地排放污染物的個人及企業。杜絕城鎮生活污水和工業廢水任意排放。同行業廢水應集中處理，以減少污染源的數目，便于管理。

d.制定西河水庫污染事故處理應急預案，及時處置威脅水源安全的突發性事件。處置可能的污染事件，把突發事件環境影響控制在最小范圍內。在湔江重要河段建設預警監控體系。建設西河水庫水源地水環境管理信息系統，為政府提供信息支持，提高水庫管理的科學化、信息化、效率化。?