浅谈灰关联分析法在大沽河青岛段水质评价中的应用

大沽河是胶东半岛最大的河流,发源于烟台市辖招远市的阜山,自北曲折南流,干流全长179.9km,流域总面积6131.3km2,河床宽400～500m,最宽处达800m。地层结构为第四系冲积及冲洪积层,厚达3～14m,含水沙层平均厚达10m。地表为粘质沙土,粉沙层平均厚达10m,以粉细沙和中细沙为主,沿河床及两岸带状分布;其次为转薄的白垩系王氏细坡残积层。地下水区埋藏浅,易接受大气降水补给,实为浅层孔隙潜流水。同时,地下含水层隔水边界条件好,有利于地下水贮存,故富水性相对较强。大沽河水源分泾流水和潜流水两大部分。

大沽河于莱西市马连庄镇西巨家村进入青岛境内,流经莱西、平度、即墨、胶州、城阳等区市,于胶州市营房镇码头村南入胶州湾。在青岛市内的流域面积为4850.7km2,占大沽河流域总面积的79.11%。大沽河为青岛境内最大的河流,也是青岛市唯一由外域流经入海的河流,是青岛市重要水源地,为青岛经济的发展发挥着巨大的作用。因此,大沽河水质安全直接影响地区经济发展和饮用水安全。开展大沽河水质监测与评价,对掌握水质变化规律,保护和治理大沽河生态环境,确保大沽河水质安全有十分重要意义。

1大沽河水质监测概况

1.1监测断面选取

选取大沽河干流青岛境内6个断面,从上游往下依次为产芝水库出口、江家庄、沙湾庄、移风店、南沙梁桥和麻湾。

1.2监测指标筛选

目前在采用单因子水质评价法进行地表水质评价时,对评价结果影响较大且在水体整体评价中的贡献存有分歧的污染因子有DO、高锰酸盐指数、BOD5、NH3-N、TP等。本研究选取这5个水质污染因子作为分析评价研究因子。

1.3监测数据采用

采用青岛市水文水环境监测中心对6个断面中5个水质污染因子2003～2007年历年监测的年平均值作为分析评价基本数据。

1.4评价方法及标准

评价方法为灰关联分析方法,评价标准采用《地表水环境质量标准》。

2灰关联分析法

随着灰色系统理论的发展,灰关联分析法已经成为水质评价中一种应用广泛的方法。灰关联分析法评价水质是通过断面水质的多个水质评价因子与水质标准的距离进行综合分析,依据关联度确定断面水质级别。

2.1选择参考数列和比较数列

水质标准分级为比较数列,选择水体实测值作为参考数列,分别用xi(k)和yj(k)表示。

xi(k)={xi(1),xi(2),,xi(n)}

i=1,2,,m

yj(k)={yj(1),yj(2),,yj(n)}

j=1,2,,t

式中:xi(k)表示第i级水质标准中第k项评价因子的取值;yj(k)表示第j个评价断面中第k项评价因子的实测值。

2.2归一化处理

由于各水质指标的量级可能不同,而且单位也不完全相同,所以要对其进行无量纲化处理。规定:Ⅰ级水水质标准浓度对应为1,m级水水质标准浓度对应为0。对于1～m级之间的水质标准在0～1,利用线性变换计算。处理后的数列用xi(k)yj(k)表示。

2.3求关联系数

经数据归一化转化的参考数列和比较数列,用以下公式求两者之间的灰关联系数i(k):

i(k)=min+maxi(K)+max(1)

式中:i(K)为第K项指标xi和yj的绝对差;min和max分别为各项指标的绝对差中的最小值和最大值;为分辨系数,其作用在于提高灰关联系数之间的差异显著性,越小,分辨力越大,一般在0～1,大多数情况下取0.5。

2.4求关联度

对关联系数进行加权求关联度,当权重取值为1/n时,可得关联度:

i=1nnk=1i(k)(2)

2.5关联度排序

按关联度大小排序,得灰关联序。关联度越大,说明越接近某一级别,即可判断某一断面水质为该级别。

3大沽河水质评价灰关联分析

3.1归一化处理

对地表水环境质量分级标准值(GB3838-2002)及6个监测断面历年年均监测值进行归一化处理。

3.2关联度计算与水质评价

利用公式(1)分别求出每个断面不同水质指标相对于每个水质级别的关联系数,再依据公式(2)求出历年各断面相对于每个水质级别的关联度,关联度最大的水质级别即判定为该断面的水质级别。

4分析与讨论

4.1灰关联分析法评价结果分析

(1)按照关联度最大原则,可以看出大沽河干流青岛段6个监测断面中水质级别大都属于Ⅰ、Ⅱ类,总体水质较好。

(2)大沽河干流莱西境内河段,受城区污水排放和洙河、小沽河的汇入,江家庄、沙湾庄断面水质相对较差,水质类别低于Ⅱ类,主要受NH3-N污染的影响。进入即墨市后,高锰酸盐指数、NH3-N浓度降低,水质变好。

(3)从水质归一化数列可以看出,大沽河溶解氧值基本为1,说明水体溶解氧含量高,水体的自净能力较强。

(4)从历年监测的数据来看,大沽河青岛段的水质有好转的趋势,说明青岛市政府近年来加强大沽河水环境治理的措施已见成效。

4.2灰关联分析法与目前普遍采用的单因子评价法对比分析

(1)目前对地表水环境质量进行评价,大都采用单因子水质评价法,该方法使用起来简单方便,但是评价结果不能直观地反映评价水体具体污染因子对整体评价的贡献。随着灰色系统理论的发展,灰关联分析法为水质评价提供了一种可靠的方法。灰关联分析是通过断面水质的多个水质评价因子与水质标准的距离综合分析,依据关联度确定断面水质类别。灰关联分析法克服了单因子评价法对水质总体评价的局限性,较好地解决了评价标准中分级不科学对评价结果影响的问题。

(2)从灰关联分析法评价结果与单因子评价法评价结果可以看出,灰关联分析法对水质总体评价结果优于单因子评价法评价结果。而且根据同类别水质关联度不同对总体结果产生差异。

(3)从表4可以看出,灰关联分析法较好地反映了水质类别(按单因子评价)不发生改变的情况下关联度的差异(如江家庄、沙湾庄断面水质从Ⅲ类向Ⅱ类和Ⅰ类转化的趋势),能更好反映水质变化趋势。

(4)单因子评价法有利于查找主要污染物和特征污染物及主要污染的河段并及采取相应有针对的治理措施;而灰关联分析法有利于判定水环境总体情况,但对超标单因子灰关联分析法弱化了对总体水质影响。因此,在采用灰关联分析法评价水质时,还需用单因子评价结果进行补充分析,这样既能正确分析水质总体变化趋势,又能准确判定影响水质的主要污染因子。

(5)灰关联分析法采用的参数及归一化处理受人为因素影响大,只有通过大数据样本和长时间的分析研究,才能科学合理地确定相关的参数,使评价结果更符合实际。