一种基于灰色聚类分析法的城市内湖水环境功能指标评价方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于环境监测技术领域，特别涉及一种基于灰色聚类分析法的城市内湖水 环境功能指标评价方法。
【背景技术】
[0002] 随着城市化进程中生态城市的建设，城市内湖成为了城市水环境的重要组成部 分，具有重要的生态功能、美学价值和经济价值。多为近于封闭的静止或缓流水体，尤其是 城市景观水体普遍污染负荷高、水体自净能力差，外源污染物的输入导致水体富营养化和 黑臭现象严重。尤以城市中小型景观水体更甚，水质标准不明确，缺乏针对性的管理标准。 而目前常用的水质评价方法主要有单因子评价法、模糊数学法、灰色建模法、污染指数法、 综合水质指数法等。依据《地面水环境质量标准》(GB3838-88)来进行，有水质指数法评价、 单项水质参数评价方法两大类，一类是以水质的物理化学参数的实测值为依据的评价方 法；另一类是以水生物种群与水质的关系为依据的生物学评价方法。
[0003] 但在局限时空范围内对水体水质定点监测获取的信息是不完全和非确知的， 故城市内湖可以作为一个复杂的灰色系统。本发明创新性的将地表水环境质量标准 (GB3838-2002)与城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002)结合形成水体水质的 分级评价新标准，将两个标准中有共性要求的TN、TP两项指标作为评价水质现状的基本因 子。同时，采用灰色聚类分析法对水体水质的连续监测数据和评价标准中的指标限定值进 行数学解析，一方面对现场监测数据的不确定性和不完整性进行了修正，另一方面将监测 数据与评价指标进行拟合比较，建立城市内湖水环境功能指标评价的新方法。
【发明内容】
[0004] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于灰色聚类分析法 的城市内湖水环境功能指标评价方法，通过将地表水环境质量标准（GB3838-2002)与城镇 污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002)结合形成水体水质的分级评价新标准，将两 个标准中有共性要求的TN、TP两项指标作为评价水质现状的基本因子；同时，采用灰色聚 类分析法对水体水质的连续监测数据和评价标准中的指标限定值进行数学解析，一方面对 现场监测数据的不确定性和不完整性进行了修正，另一方面将监测数据与评价指标进行拟 合比较，建立城市内湖水环境功能指标评价的新方法。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0006] -种基于灰色聚类分析法的城市内湖水环境功能指标评价方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤1，确定评价指标及其灰类值；
[0008] 步骤2,灰类值无量纲化处理及确定各指标聚类权数；
[0009] 步骤3,确定白化权函数；
[0010] 步骤4,确定聚类系数及监测点属于的灰类；
[0011] 依据城市景观水体实际调查结果，将地表水环境质量标准（GB3838-2002)以及城 镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002)作为城市内湖水环境功能指标评价的分级 标准，遴选总磷（TP)、总氮（TN) 2个水质指标作为评价城市景观水体的聚类指标。本发明在 我国金相灿教授针对富营养化程度提出的6级评价标准基础上建立了八个水环境功能评 价等级（见表1)。
[0012] 表1城市内湖水环境功能指标评价的分级标准
【主权项】
1. 一种基于灰色聚类分析法的城市内湖水环境功能指标评价方法，其特征在于，包括 如下步骤： 步骤1，确定评价指标及其灰类值； 步骤2,灰类值无量纲化处理及确定各指标聚类权数； 步骤3,确定白化权函数； 步骤4,确定聚类系数及监测点属于的灰类。
2. 根据权利要求1所述基于灰色聚类分析法的城市内湖水环境功能指标评价方法，其 特征在于，以地表水环境质量标准以及城镇污水处理厂污染物排放标准作为城市内湖水环 境功能指标评价的分级标准，遴选总磷（TP)、总氮（TN)2个水质指标作为评价城市内湖水 体的聚类指标。
3. 根据权利要求2所述基于灰色聚类分析法的城市内湖水环境功能指标评价方法，其 特征在于，所述评价指标的分级标准及其延伸为：
〇
4. 根据权利要求1所述基于灰色聚类分析法的城市内湖水环境功能指标评价方法，其 特征在于，遴选总磷（TP)、总氮（TN) 2个水质指标作为评价城市景观水体的聚类指标。
5. 根据权利要求1所述基于灰色聚类分析法的城市内湖水环境功能指标评价方法，其 特征在于，利用均值化方法对灰类值进行无量纲标准化处理，聚类权是衡量各个指标对同 一灰类的权重，水质指标的分级阈值越大，则该指标对水环境功能质量评价的推动作用力 就越小，其相对权重就越小，采用倒数法确定各指标的聚类权η Λ计算结果如下：
其中n jk为第j个污染指标第k个灰类的权重；k为灰类别。
6. 根据权利要求1所述基于灰色聚类分析法的城市内湖水环境功能指标评价方法，其 特征在于，所述的步骤3中，基于选取的分级标准，针对不同的指标建立出不同灰类别下的 聚类指标白化权函数： (1)第1级（贫营养）水体，其白化权函数为：
(2) 第2?m-1级水，其白化权函数为：
(3) 第m级水，其白化权函数为：
式（1)?（3)中：^(Xy)表示第i个取样点的第j个污染指标对第k级水质量环境 功能的隶属度；Xu为第i个取样点第j个污染指标实测浓度值；S Λ是第j个指标的第k类 标准值m是水质量环境功能评价最尚等级。
7.根据权利要求1所述基于灰色聚类分析法的城市内湖水环境功能指标评价方法，其 特征在于，所述的步骤4中灰色聚类系数的计算公式如下：
式中，σ,Η表示第i个样本关于第k个灰类的聚类系数； 计算得到相应的聚类系数结果，其第i行第j列表示第i个监测点在第j类水质的聚 类系数，每行数值最大的聚类系数对应的灰类就是该点水质量环境功能评价的级别。
【专利摘要】本发明涉及一种基于灰色聚类分析法的城市内湖水环境功能指标评价方法，以城市内湖为研究对象，将地表水环境质量标准(GB3838-2002)与城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)结合形成水体水质的分级评价新标准，遴选在两个标准中有共性要求的TN、TP两项指标作为评价水质现状的基本因子；同时，采用灰色聚类分析法对水体水质的连续监测数据和评价标准中的指标限定值进行数学解析，一方面对现场监测数据的不确定性和不完整性进行了修正，另一方面将监测数据与评价指标进行拟合比较，建立城市内湖水环境功能指标评价的新方法；本发明的方法可对城市内湖营养物污染情况进行判断，得到水体污染物富集趋势，为水环境治理提供依据。
【IPC分类】G01N33-18
【公开号】CN104535733
【申请号】CN201410797064
【发明人】陈荣, 郭红兵, 王晓昌, 尹雷
【申请人】西安建筑科技大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月18日