杨娜　陈国鹰

摘  要：水质评价对了解水体生态功能、区域环境质量、科学制定治理规划有着重要的作用。文章以雄安新区白洋淀水质为研究对象，通过2009-2017年现场实际监测数据与试验，对7个代表性监测站点的溶解氧等6个指标进行监测，运用灰色聚类分析法并结合变异系数法赋权，对其水质进行分级与评价，为白洋淀的综合治理提供更加客观科学依据。研究结果表明：光淀张庄、枣林庄的水质等级为Ⅲ类，水质状况达标;烧车淀、王家寨、采蒲台、圈头的水质等级Ⅳ类，端村的水质等级为Ⅴ类，水质均不达标;评价结果比较客观的反映了水体水质状况与类别，克服了单因素评价易受个别因素影响的缺陷。

关键词：白洋淀;水质指标;变异系数法;灰色聚类;评价

中图分类号：X824         文献标志码：A         文章编号：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，其水质状况对新区发展至关重要。然而，由于其部分水体污染严重，生态平衡遭到破坏，极大影响和制约了其生态功能的发挥。因此，对白洋淀水环境质量进行监测、评价与分级，更加准确地掌握水质状况，为治理和改善白洋淀水质提供科学依据。

目前，对于白洋淀水质状况方面的研究大多集中在其水质的时空变化规律及关键因子[1]，对各种污染物[2-4]的性质、来源及迁徙等的分析与评估，以及对其富营养化状况的研究[5]等。以上分析与研究，对当前其水质状况的评估有借鉴之处，但仍需要后续跟进研究以了解其水质状况。从边界条件和系统属性来看，白洋淀水域是一个典型的灰色系统，具有“部分信息已知，部分信息未知”的特点，因而更适合应用灰色系统分析方法来研究[6]。本文以2009-2017年白洋淀7个监测站点实测数据为基础，基于灰色聚类分析方法，通过引入变异系数法得到各指标的权重，可计算得到聚类系数，实现对白洋淀水域水质的综合评价。

1 灰色聚类分析方法

1.1 灰色聚类分析

灰色聚类分析方法通过白化权函数计算聚类系数，来考察观测对象属于事先设定类别。灰色聚类分析包括以下几个步骤：（1）观测值矩阵，即确定水域指标因素及质量等级，形成关于水域质量的观测值矩阵x;（2）白化权函数确定，即确定水域指标因素对应质量等级区间的白化权函数值，求出隶属度;（3）聚类权重的确定，即确定水域指标因素的权重大小;（4）聚类系数的确定，即通过计算观测值灰色变权聚类系数选择最大的聚类系数对应的k值为对象属于灰类，以实现聚类。

1.2 变异系数赋权法

变异系数法[7]是直接利用各项指标所包含的信息，通过计算得到指标的权重，是一种客观赋权的方法。为了消除各项评价指标的量纲不同的影响，需要用各项指标的变异系数来衡量各项指标取值的差异程度，该方法可以避免出现主观赋权法所带来的主观偏好性误差。其计算过程主要包括：（1）利用各个指标的标准差和平均数计算某一评价指标的变异系数;（2）将不同指标的变异系数进行归一化处理，求得各个指标的权重值。

2 评价断面与指标选取

2.1 断面选取

根据白洋淀上游河流来水及水流在淀内的流动情况，共设置8个有代表性的监测站点：南刘庄、烧车淀、王家寨、光淀张庄、枣林庄、圈头、端村、采蒲台，由于南刘庄评价标准与其他站点不同，因此将其暂时剔除。

2.2 评级指标选取

每月对淀区内水质进行取样监测，对2009-2017年7个监测站点的溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧、氨氮、总磷、总氮等指标值进行取平均。各站点指标监测结果如表1所示。

3 计算与分析

3.1 灰色聚类观测矩阵

根据白洋淀水质监测结果，可得到各监测站点评价水质指标灰色聚类观测矩阵，如下式（1）所示。

（1）

3.2 水质等级与灰类划分

根据地表水环境质量标准（GB3838-2002）[8]，对白洋淀水质等级进行分类，并根据灰色聚类分析的需要对灰类区间进行延拓，见表2所示。

3.3 白化权函数的确定

以溶解氧为例，根据其等级分类和延拓值，可得其中心点三角白化权函数，如图1所示。

根据监测站点溶解氧监测值，代入白化权函数，计算可得到其在不同灰类区间的隶属度，如表3所示。

以此类推可以求出其他聚类指标的白化权函数及其隶属度值，由于篇幅有限，不再一一列出。

3.4 指标权重的计算

利用變异系数法对白洋淀水域指标进行权重计算，结果见表4所示。

3.5 水质综合聚类系数及水质等级

通过计算可得到白洋淀7个监测站点水质的综合聚类系数，如下式（2）所示。

通过灰色聚类评价发现：光淀张庄、枣林庄的水质等级为Ⅲ类，烧车淀、王家寨、采蒲台、圈头的水质等级为Ⅳ类，端村的水质等级为Ⅴ类。

4 结论

（1）运用变异系数法计算可得溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量、氨氮、总磷、总氮的权重分别为0.056、0.055、0.086、0.194、0.434、0.173，克服了单因素评价中受个别因素影响大的风险，比较全面客观的反映了各评价因素的影响。

（2）运用灰色聚类分析方法计算可得：光淀张庄、枣林庄的水质状况达标，烧车淀、王家寨、采蒲台、圈头的水质等级Ⅳ类，端村的水质等级为Ⅴ类的水质均不达标。

（3）灰色聚类分析不仅按灰色聚类系数最大原则划分水体水质类别，而且在灰色聚类矩阵？滓■■中显示了各监测站点对于不同水质级别的隶属程度，这对于全面了解白洋淀各监测站点的水质状况提供了丰富的信息。

参考文献：

[1]张婷，刘静玲，王雪梅.白洋淀水质时空变化及影响因子评价与分析[J].环境科学学报，2010，30（2）：261-267.

[2]高秋生，焦立新，杨柳，等.白洋淀典型持久性有机污染物污染特征与风险评估[J].环境科学，2018，39（4）：1616-1627.

[3]梁慧雅，翟德勤，孔晓乐，等.府河-白洋淀硝酸盐来源判定及迁移转化规律[J].中国生态农业学报，2017，25（8）：1236-1244.

[4]王乙震，张俊，周绪申，等.白洋淀多环芳烃与有机氯农药季节性污染特征及来源分析[J].环境科学，2017，38（3）：964-978.

[5]杨丽伟，陈诗越.白洋淀水环境质量评价[J].南水北调与水利科技，2015，13（3）：457-462.

[6]刘思峰，谢乃明.灰色系统理论及其应用[M].北京：科学出版社，2007.

[7]门宝辉，梁川.基于变异系数权重的水质评价属性识别模型[J].哈尔滨工业大学学报，2005，37（10）：1373-1377.

[8]GB3838-2002.地表水环境质量标准[S].