一種基于灰色聚類分析法的城市內(nèi)湖水環(huán)境功能指標(biāo)評(píng)價(jià)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于灰色聚類分析法的城市內(nèi)湖水 環(huán)境功能指標(biāo)評(píng)價(jià)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著城市化進(jìn)程中生態(tài)城市的建設(shè)，城市內(nèi)湖成為了城市水環(huán)境的重要組成部 分，具有重要的生態(tài)功能、美學(xué)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。多為近于封閉的靜止或緩流水體，尤其是 城市景觀水體普遍污染負(fù)荷高、水體自凈能力差，外源污染物的輸入導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化和 黑臭現(xiàn)象嚴(yán)重。尤以城市中小型景觀水體更甚，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)不明確，缺乏針對(duì)性的管理標(biāo)準(zhǔn)。 而目前常用的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法主要有單因子評(píng)價(jià)法、模糊數(shù)學(xué)法、灰色建模法、污染指數(shù)法、 綜合水質(zhì)指數(shù)法等。依據(jù)《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-88)來進(jìn)行，有水質(zhì)指數(shù)法評(píng)價(jià)、 單項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)評(píng)價(jià)方法兩大類，一類是以水質(zhì)的物理化學(xué)參數(shù)的實(shí)測(cè)值為依據(jù)的評(píng)價(jià)方 法；另一類是以水生物種群與水質(zhì)的關(guān)系為依據(jù)的生物學(xué)評(píng)價(jià)方法。
[0003] 但在局限時(shí)空范圍內(nèi)對(duì)水體水質(zhì)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)獲取的信息是不完全和非確知的， 故城市內(nèi)湖可以作為一個(gè)復(fù)雜的灰色系統(tǒng)。本發(fā)明創(chuàng)新性的將地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) (GB3838-2002)與城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB18918-2002)結(jié)合形成水體水質(zhì)的 分級(jí)評(píng)價(jià)新標(biāo)準(zhǔn)，將兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中有共性要求的TN、TP兩項(xiàng)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)水質(zhì)現(xiàn)狀的基本因 子。同時(shí)，采用灰色聚類分析法對(duì)水體水質(zhì)的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)限定值進(jìn) 行數(shù)學(xué)解析，一方面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的不確定性和不完整性進(jìn)行了修正，另一方面將監(jiān)測(cè) 數(shù)據(jù)與評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行擬合比較，建立城市內(nèi)湖水環(huán)境功能指標(biāo)評(píng)價(jià)的新方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于灰色聚類分析法 的城市內(nèi)湖水環(huán)境功能指標(biāo)評(píng)價(jià)方法，通過將地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002)與城鎮(zhèn) 污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB18918-2002)結(jié)合形成水體水質(zhì)的分級(jí)評(píng)價(jià)新標(biāo)準(zhǔn)，將兩 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中有共性要求的TN、TP兩項(xiàng)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)水質(zhì)現(xiàn)狀的基本因子；同時(shí)，采用灰色聚 類分析法對(duì)水體水質(zhì)的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)限定值進(jìn)行數(shù)學(xué)解析，一方面對(duì) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的不確定性和不完整性進(jìn)行了修正，另一方面將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行擬 合比較，建立城市內(nèi)湖水環(huán)境功能指標(biāo)評(píng)價(jià)的新方法。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0006] -種基于灰色聚類分析法的城市內(nèi)湖水環(huán)境功能指標(biāo)評(píng)價(jià)方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟1，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)及其灰類值；
[0008] 步驟2,灰類值無量綱化處理及確定各指標(biāo)聚類權(quán)數(shù)；
[0009] 步驟3,確定白化權(quán)函數(shù)；
[0010] 步驟4,確定聚類系數(shù)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)屬于的灰類；
[0011] 依據(jù)城市景觀水體實(shí)際調(diào)查結(jié)果，將地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002)以及城 鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB18918-2002)作為城市內(nèi)湖水環(huán)境功能指標(biāo)評(píng)價(jià)的分級(jí) 標(biāo)準(zhǔn)，遴選總磷（TP)、總氮（TN) 2個(gè)水質(zhì)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)城市景觀水體的聚類指標(biāo)。本發(fā)明在 我國金相燦教授針對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化程度提出的6級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上建立了八個(gè)水環(huán)境功能評(píng) 價(jià)等級(jí)（見表1)。
[0012] 表1城市內(nèi)湖水環(huán)境功能指標(biāo)評(píng)價(jià)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于灰色聚類分析法的城市內(nèi)湖水環(huán)境功能指標(biāo)評(píng)價(jià)方法，其特征在于，包括 如下步驟： 步驟1，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)及其灰類值； 步驟2,灰類值無量綱化處理及確定各指標(biāo)聚類權(quán)數(shù)； 步驟3,確定白化權(quán)函數(shù)； 步驟4,確定聚類系數(shù)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)屬于的灰類。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于灰色聚類分析法的城市內(nèi)湖水環(huán)境功能指標(biāo)評(píng)價(jià)方法，其 特征在于，以地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)作為城市內(nèi)湖水環(huán) 境功能指標(biāo)評(píng)價(jià)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，遴選總磷（TP)、總氮（TN)2個(gè)水質(zhì)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)城市內(nèi)湖水 體的聚類指標(biāo)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述基于灰色聚類分析法的城市內(nèi)湖水環(huán)境功能指標(biāo)評(píng)價(jià)方法，其 特征在于，所述評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及其延伸為：
〇
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于灰色聚類分析法的城市內(nèi)湖水環(huán)境功能指標(biāo)評(píng)價(jià)方法，其 特征在于，遴選總磷（TP)、總氮（TN) 2個(gè)水質(zhì)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)城市景觀水體的聚類指標(biāo)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于灰色聚類分析法的城市內(nèi)湖水環(huán)境功能指標(biāo)評(píng)價(jià)方法，其 特征在于，利用均值化方法對(duì)灰類值進(jìn)行無量綱標(biāo)準(zhǔn)化處理，聚類權(quán)是衡量各個(gè)指標(biāo)對(duì)同 一灰類的權(quán)重，水質(zhì)指標(biāo)的分級(jí)閾值越大，則該指標(biāo)對(duì)水環(huán)境功能質(zhì)量評(píng)價(jià)的推動(dòng)作用力 就越小，其相對(duì)權(quán)重就越小，采用倒數(shù)法確定各指標(biāo)的聚類權(quán)η Λ計(jì)算結(jié)果如下：
其中n jk為第j個(gè)污染指標(biāo)第k個(gè)灰類的權(quán)重；k為灰類別。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于灰色聚類分析法的城市內(nèi)湖水環(huán)境功能指標(biāo)評(píng)價(jià)方法，其 特征在于，所述的步驟3中，基于選取的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)不同的指標(biāo)建立出不同灰類別下的 聚類指標(biāo)白化權(quán)函數(shù)： (1)第1級(jí)（貧營(yíng)養(yǎng)）水體，其白化權(quán)函數(shù)為：
(2) 第2?m-1級(jí)水，其白化權(quán)函數(shù)為：
(3) 第m級(jí)水，其白化權(quán)函數(shù)為：
式（1)?（3)中：^(Xy)表示第i個(gè)取樣點(diǎn)的第j個(gè)污染指標(biāo)對(duì)第k級(jí)水質(zhì)量環(huán)境 功能的隸屬度；Xu為第i個(gè)取樣點(diǎn)第j個(gè)污染指標(biāo)實(shí)測(cè)濃度值；S Λ是第j個(gè)指標(biāo)的第k類 標(biāo)準(zhǔn)值m是水質(zhì)量環(huán)境功能評(píng)價(jià)最尚等級(jí)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于灰色聚類分析法的城市內(nèi)湖水環(huán)境功能指標(biāo)評(píng)價(jià)方法，其 特征在于，所述的步驟4中灰色聚類系數(shù)的計(jì)算公式如下：
式中，σ,Η表示第i個(gè)樣本關(guān)于第k個(gè)灰類的聚類系數(shù)； 計(jì)算得到相應(yīng)的聚類系數(shù)結(jié)果，其第i行第j列表示第i個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在第j類水質(zhì)的聚 類系數(shù)，每行數(shù)值最大的聚類系數(shù)對(duì)應(yīng)的灰類就是該點(diǎn)水質(zhì)量環(huán)境功能評(píng)價(jià)的級(jí)別。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于灰色聚類分析法的城市內(nèi)湖水環(huán)境功能指標(biāo)評(píng)價(jià)方法，以城市內(nèi)湖為研究對(duì)象，將地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)與城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)結(jié)合形成水體水質(zhì)的分級(jí)評(píng)價(jià)新標(biāo)準(zhǔn)，遴選在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中有共性要求的TN、TP兩項(xiàng)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)水質(zhì)現(xiàn)狀的基本因子；同時(shí)，采用灰色聚類分析法對(duì)水體水質(zhì)的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)限定值進(jìn)行數(shù)學(xué)解析，一方面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的不確定性和不完整性進(jìn)行了修正，另一方面將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行擬合比較，建立城市內(nèi)湖水環(huán)境功能指標(biāo)評(píng)價(jià)的新方法；本發(fā)明的方法可對(duì)城市內(nèi)湖營(yíng)養(yǎng)物污染情況進(jìn)行判斷，得到水體污染物富集趨勢(shì)，為水環(huán)境治理提供依據(jù)。
【IPC分類】G01N33-18
【公開號(hào)】CN104535733
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410797064
【發(fā)明人】陳榮, 郭紅兵, 王曉昌, 尹雷
【申請(qǐng)人】西安建筑科技大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請(qǐng)日】2014年12月18日