大凌河水環(huán)境質(zhì)量評價

大凌河水環(huán)境質(zhì)量評價

水是地球萬物的生命之源。它是生物圈的血液，是維持生態(tài)系統(tǒng)平衡的基礎(chǔ)。然而,隨著人類活動對天然水環(huán)境的破壞,水質(zhì)惡化問題已經(jīng)成為嚴峻的世界性問題,由此引起的不良環(huán)境效應(yīng)已經(jīng)危及到生態(tài)平衡、社會經(jīng)濟發(fā)展和人類健康。水質(zhì)評價對于水資源開發(fā)和管理都是極其重要的前期工作。我國河流水質(zhì)評價始于20世紀80年代,水質(zhì)評價方法有單因子評價法、污染指數(shù)法、模糊數(shù)學評價法、灰色系統(tǒng)評價法、層次分析法、物元分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法、水質(zhì)標識指數(shù)法等。由于水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)都是在有限的時間和空間范圍內(nèi)得到的,具有不完全性和不確定性,符合灰色系統(tǒng)的特征,因此適合采用灰色聚類法進行綜合評價。筆者以水資源短缺和污染并重的遼寧省大凌河流域為研究對象,應(yīng)用灰色原理探討了水質(zhì)評價理論、方法和技術(shù)。1確定聚類及聚類系數(shù)設(shè)有n個聚類對象、m個聚類指標、s個不同灰類,根據(jù)第i個對象關(guān)于j指標的樣本值xij將第i個對象歸入第k(k∈{1,2,…,s})個灰類中,稱為灰色聚類。灰色聚類是根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)矩陣或白化權(quán)函數(shù)將一些觀測指標或觀測對象劃分成若干個可定義類別的方法,一個聚類可以看做是屬于同一類的觀測對象的集合?；疑谆瘷?quán)函數(shù)聚類主要用于檢查觀測對象是否屬于事先設(shè)定的不同類別,以便區(qū)別對待。灰色白化權(quán)函數(shù)聚類法在具體應(yīng)用過程中較灰色關(guān)聯(lián)分析法復雜。(1)確定樣本白化值矩陣X。設(shè)xij為元素的樣本矩陣,即:X=[x11?x1m??xn1?xnm〗(1)(2)確定灰類白化權(quán)函數(shù)。記函數(shù)fkj為第j個指標屬于第k個灰類的白化權(quán)函數(shù),fkj∈,λkj為白化權(quán)函數(shù)的閾值。第j個指標對第1個評價等級的白化權(quán)函數(shù)見式(2),第j個指標對第k個評價等級的白化權(quán)函數(shù)見式(3),第j個指標對最后一個評價等級的白化權(quán)函數(shù)見式(4)。f1j={1x∈[0,λ1j]λ2j-xλ2j-λ1jx∈(λ1j,λ2j]0x∈(λ2j,∞)(2)fkj={x-λk-1jλkj-λk-1jx∈(λk-1j,λkj]λk+1j-xλk+1j-λkjx∈(λkj,λk+1j)0x∈[0,λk-1j]∪[λk+1j,∞)(3)fsj={0x∈[0,λs-1j]x-λs-1jλsj-λs-1jx∈(λs-1j,λsj]1x∈(λs-1j,+∞](4)(3)確定聚類權(quán)ηkj。ηkj表示第j個指標屬于第k類的權(quán)重。當聚類指標量綱不同,且樣本值在數(shù)量上相差很大時,需進行量綱一化處理,當聚類指標的量綱相同時,計算聚類權(quán)。因為污染指標閾值λkj越大,污染越輕,其對應(yīng)權(quán)重就越小,所以采用倒數(shù)法計算聚類權(quán),即:ηkj=λkjm∑j=1λkj(5)(4)確定聚類系數(shù)σki。σki反映第i個聚類對象隸屬于第k灰類的程度,其計算式為σki=m∑j=1fkj(xij)ηkj(6)(5)構(gòu)造聚類向量σi。聚類向量為σi=(σ1i,σ2i,?,σki)(7)(6)確定各聚類對象所屬灰類。假設(shè)對象i屬于灰類k*,則滿足:σk*i=max1≤k≤s[σki](8)2林草覆蓋率分析大凌河是遼西最大河流,全長398km,流域面積為23263km2。大凌河流域位于東經(jīng)19°04′～121°47′、北緯40°28′～42°21′之間,屬于半干旱半濕潤大陸性季風氣候區(qū),春季干旱少雨,夏季炎熱、降水集中,冬季寒冷干燥。大凌河流域林草覆蓋率較低,平均為25.4%。大凌河為遼西地區(qū)供給水資源,水質(zhì)好壞直接影響遼西地區(qū)的生態(tài)與經(jīng)濟發(fā)展。2.1地表水質(zhì)等級大凌河水質(zhì)評價通過上窩堡站、朝陽站、義縣站、凌海站將河道分為4個區(qū)域,分別對其進行評價。采用2007年監(jiān)測結(jié)果作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),監(jiān)測項目有COD、BOD5、氨氮、銅、鋅、硒、鉛、汞、揮發(fā)酚、六價鉻、砷等20多項,根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標準,將水質(zhì)分為5個等級,見表1。大凌河污染物排放調(diào)查顯示,其主要污染指標為COD、BOD5、氨氮、汞、揮發(fā)酚、六價鉻、砷,因此將上述指標作為參評因子。2.2標準值和測量值的比例量綱一化的方法采用平均標準值法,將各項目的監(jiān)測結(jié)果和分級標準分別除以對應(yīng)的平均標準值,計算結(jié)果見表2、表3。2.3灰色聚類權(quán)根據(jù)式(5)與污染指標閾值越大其污染越輕的原理,采用倒數(shù)法計算各灰類聚類權(quán)。各評價指標的聚類權(quán)計算結(jié)果見表4。2.4聚類矩陣計算各灰類白化權(quán)函數(shù),利用式(6)計算聚類系數(shù),再根據(jù)式(8)得出評價結(jié)果,見表5。2.5水質(zhì)等級及污染程度上窩堡的水質(zhì)等級為Ⅲ級,水質(zhì)污染程度為中度,主要適用于集中式生活用水、漁業(yè)及游泳。朝陽與義縣的水質(zhì)等級為Ⅳ級,水質(zhì)污染程度為重度,主要適用于一般工業(yè)及人體非直接接觸的娛樂用水。凌海的水質(zhì)等級為Ⅴ級,水質(zhì)污染程度為嚴重,主要適用于農(nóng)業(yè)及一般景觀用水。分析大凌河水質(zhì)實際數(shù)據(jù)的超標情況,與上述評價結(jié)果相吻合,表明灰色聚類法評價結(jié)果合理、可信度高。3色聚類在水質(zhì)評價中的作用水質(zhì)評價是水資源合理利用的重要前期工作,而一套性能優(yōu)越的評價體系應(yīng)該具有準確性、可比性、實用性的特點?；疑垲愒诖罅韬铀|(zhì)評價中,考慮了級別、標準等具有灰色的性質(zhì),承認當濃度介于兩類標準之間的灰色性