灰色系统关联法在渔洞水库水质评价中的运用探讨[1]
摘 要:运用灰色系统关联法对渔洞水库2012年入库、瓜寨、库中央、居乐、库前5个监测点的pH值、溶解氧、TN、IP、CODMn进行关联度评价,并与水利部2005年下发的《重点城市主要供水水源地水资源质量旬报编制规定》中讲述的综合水质指数法、2012年云南省水资源保护规划领导小组办公室下发的云南省水资源保护规划工作大纲中附录3《城市饮用水源地水质安全状况评价技术细则》所评价的结果进行比较,评价结果一致,渔洞水库水质均为1级,所以,灰色系统关联法运用于水质评价,结果是可信的。灰色系统关联法不仅可以弥补综合指数法未能给出不同断面不同水质级别之间的序关系或隶属度信息,而且在计算上要较模糊数学方法简单,值得推广。
关键词:灰色系统关联法;水质评价;渔洞水库
1 概述
渔洞水库是一座以农业灌溉为主的综合利用的国家大(2)型水利工程,位于昭通城西北23km,金沙江流域横江支河洒渔河正源的居乐河上,控制流域面积709km2,水库地势自西北向东南倾斜,山岭陡峻,河谷深切,形成山间峡谷地形,流域平均宽度8.8km,平均高程2241m。总库容3.64亿m3。正常蓄水时水库面积为12.9km2,回水长度16.9km,其中大坝顶长225.5m,宽12m,坝高88m,坝顶海拔高度1988m,最大水深85.0m,属深水型水库。
2007年11月云南省水环境监测中心昭通市分中心开展了对渔洞水库入库、瓜寨、库中央、居乐、库前5个监测点多达38个水质参数的监测,至今已收集了5年的水质监测数据。根据对渔洞水库5个监测点多年的监测资料分析,选用pH值、溶解氧、TN、TP、CODMn这5个较为敏感指标,运用灰色系统关联法对渔洞水库现状水质进行综合评价。
2 灰色系统关联法
2.1 灰色系统关联法优点
通过分析比较发现,灰色系统关联法不仅可以弥补综合指数法未能给出不同断面不同水质级别之间的序关系或隶属度信息,而且在计算上要较模糊数学方法简单,概念也比较直观。所以,采用灰色系统关联法对5个水质监测站点2012年年均值水质参数进行评价,再利用面积加权法计算流域总体水质情况,最终达到水环境质量现状综合评价的目的。
就水质问题而言,灰色系统理论可看作水质监测样本值与不同水质标准接近度的某种距离分析和聚类判别。在区域水质评价中,显然存在一定的不清晰概念(如污染程度的轻重)和信息不全(如实测污染浓度分布资料不全)等问题,这些正是灰色系统理论要研究的课题。
2.2 水质评价
渔洞水库现有5个待分级评价的断面,每个断面选5项被评价的单项水质指标,它们可以排列为以下一个样本矩阵,单位为mg/L,pH值(无量纲)。
将其对应的《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)水质标准浓度列为以下矩阵[单位同式(1)]:
对式(1)、式(2)进行归一化处理,归一化有两个目的:一是将元素化为无量纲;二是使元素值转变为[0,1]内的数。为了达到这一目的,不妨做个规定:Ⅰ类水水质标准在SP×n(Pn为水质标准的分类数,n为被评价单项水质指标的项数)中的对应元素为1,Ⅴ类水质标准在SP×n中对应元素为0,1-P类之间的水质标准在(0,1)之间。采取的归一化方法可以用分段线性变换。
(1)对于BOD5、重金属毒物等指标,它的数值愈大、污染就愈重的特点,可采用下列变换方法:
式中:bi(k)为中间类(Ⅱ～Ⅳ类)水质标准的归一化处理值;SP(k)为水质标准中P类(Ⅴ类)标准值;Si(k)为水质标准中中间类标准值;S1(k)为水质标准中1类(Ⅰ类)标准值。
式中:aj(k)为实测值归一化处理值;Xj(k)为水质监测数据实测值。
(2)对于溶解氧等水质指标数值愈大,污染程度愈轻的因素,可采用下列两式确定和矩阵列元素的变换:
(3)对pH值,则可按下列两个状态变换,即
运用Excel软件对式(1)、式(2)进行归一化处理,即
计算各监测站点归一化处理的绝对差(aj-bi)得式(11)～(15)。
1)入库归一化处理绝对差(aj-bi):
2)库前归一化处理绝对差(aj-bi):
计算各监测站点归一化处理的关联离散函数[1-(aj-bi)]/[1+(aj-bi)]得式(13)～式(15),即
3)入库关联离散函数[1-(aj-bi)]/[1+(aj-bi)]函数详解:
4)库前关联离散函数[1-(aj-bi)]/[1+(aj-bi)]函数详解:
5)用Excel软件计算出渔洞水库各水质监测点综合评判的关联矩阵R5×5:
从式(15)可以看出,5个监测点的关联度在Ⅰ类水质类别栏最接近于1,所以5个监测点的水质类别均为Ⅰ类。各监测点的关联度不等于1而只接近于1的原因是各监测点的TN为Ⅲ类并接近Ⅳ类标准值所致。
3 方法探讨
灰色系统关联法评价结果与目前工作中使用的水利部2005年下发的《重点城市主要供水水源地水资源质量旬报编制规定》中讲述的综合水质指数法、2012年云南省水资源保护规划领导小组办公室下发的云南省水资源保护规划工作大纲中附录3《城市饮用水源地水质安全状况评价技术细则》所评价的结果一致,渔洞水库水质均为1级,所以,灰色系统关联法运用于水质评价,结果是可信的。灰色系统关联法不仅可以弥补综合指数法未能给出不同断面不同水质级别之间的序关系或隶属度信息,而且在计算上要较模糊数学方法简单,值得推广。
参考文献
[1]陆铭锋,徐彬,杨旭昌.太湖水质评价计算方法及近年来水质变化分析[J].水资源保护,2008,24(5).
[2]陈晓宏,江涛,陈俊合.水环境评价与规划[M].北京:中国水利水电出版社.2007:47-54.
[3]国家环境保护总局,国家质量监督检验检疫总局.GB 3838—2002地表水环境质量标准[S].2002.
[4]彭启文,张祥伟.现代水环境质量评价理论与方法[M].北京:化学工业出版社,2005.
[5]水利部.重点城市主要供水水源地水资源质量旬报编制规定[Z].2005.
[6]云南省水资源保护规划领导小组办公室.云南省水资源保护规划工作大纲[Z].2012.
[1]本文发表于《云南水利水电》,2013年第2期。