河流水质状况关系公众健康和社会的和谐稳定,极易受到流域工业废水以及城市生活污水的影响和破坏.因此,进行河流相关河段水环境质量评价研究有极其重要的理论与实践意义.国内外学者主要采用综合水质标识指数法、污染指数评价法、模糊综合评价法、层次分析法、多元统计法、灰色理论评价法及神经网络评价法等方法[1-6]进行河流水环境质量评价.倍斜率聚类分析以灰色系统[7,8]和模糊数学[9,10]等为理论依据,丁进宝[11](1995)最早用于对大气环境质量评价,而后徐恒振[12](1996)用于对海水水质评价,宋焱[13](2014)用于湿地水环境质量评价.本文尝试采用这一方法对湘江湘潭段11年(2001～2011)的水环境状况进行评价,以拓展该方法在内陆江河领域的应用,并揭示湘江湘潭段的水质变化规律.

1 研究区概况

湘江是长江主要支流之一,也是湖南省最大河流.湘江湘潭段由衡阳进入湘潭县流经19 km后,由东北到西南又由西南折向东北,呈牛角弯状贯穿整个湘潭市区后,从易家湾进入长沙市,全长42 km[6].途中分布有湘潭市第一、第二、第三水厂,湘潭钢铁厂水厂,湘潭县水厂,湘潭电机厂,湘潭电缆厂,湘潭电化厂,湘潭电厂,湘潭纺织厂,湘潭有机化工厂,湘潭氮肥厂,南天公司等企业及生产用水大型企业[14].湘江湘潭段是湘潭市排涝河道和工农业用水水源,也是区内各类污水的重要通道.

  

2 材料与方法

2.1 数据来源

  

图1 湘江湘潭段地理位置及监测断面

根据《2001-2011年湖南湘潭市环境质量报告书》[6,15,16],选取马家河、五星和易家湾等3个监测断面,如图1,选定高锰酸钾指数(CODMON),五日生化需氧量(BOD5),氨氮(NH3-N),挥发酚,氰化物(CN),镉(Cd),砷(As),汞(Hg),六价铬(Cr),铅(Pb),锌(Zn),铜(Cu)等12项主要污染因子,以全面反映湘江湘潭段2001～2011年的水环境质量条件.

不知过了多久，渐入梦境的王树林被一阵波动惊醒，有人掀起被角从他的脚畔钻了进来。像一条湿滑的鱼。是辛娜，浴后的辛娜光着身子钻到了王树林的胸前，不由分说滚烫地咬住了王树林的嘴唇。王树林的鼻息间，酒气弥漫。

2.2 评价方法

2.2.1 倍斜率聚类分析方法的基本原理

3.2.2 2001～2011年各断面水质优劣排序分析

3.2.1 2001～2011年各断面聚类系数的确定

记聚类指标m个、污染级别h个、样本n个,j =1,2,…,m;k =1,2,…,h; i =1,2,…,n,图2中第i个样本污染物j关于级别k的隶属函数为fjk(xij),其中xij为第i个样本污染物j的监测浓度.Sjh为污染物j在级别k的最高标准值,Sjk,Sjk-1分别为污染物j在级别k的上限值和下限值.(a)下限为0,上限为确定值,如级别1;(b)下限为确定值,上限同为确定值,如级别h-1;(c)下限为确定值,上限为无穷大,如级别h.倍斜率聚类分析方法的隶属函数表达式、聚类权重值、聚类系数及水质污染等级的确定,详见文献[13].

  

图2 倍斜率隶属函数的3种基本图形

根据全国水资源调查评价的统一规定和地表水环境质量国家分级标准(GB3838-2002),本文将CODMON,BOD5,NH3-N,挥发酚,CN,Cd,As,Hg,Cr(六价),Pb,Zn,Cu等12项污染物划分为6级质量标准,见表1.

2.2.2 评价标准

因水质污染国家分级标准和湘江湘潭段马家河、五星和易家湾等3个断面的水环境因子实测结果均经过无纲量化处理,故倍斜率聚类系数相同的情况不会出现,各时段多个断面可以进行水质优劣评判分析.表3显示2001～2011年湘江湘潭段马家河、五星和易家湾等3个断面水质污染状况总体来说呈现好转趋势,与黄文义[17]等人的研究成果相一致.2006年以前3大断面水质聚类系数大部分处于0.08及其以上水平,污染较为严重,年际排名也较为靠后,第11名、第10名和第9名均处在这一时段.2007年及其以后年份水质好转,特别是2007年和2008年水质污染处于近10多年的最好水平,年际排名情况为第1名、第2名和第3名.2009～2011年水质污染程度较2007年和2008年有所加剧,但总体较2001年前后有所好转.从3个断面的比较来看,马家河、五星和易家湾断面的污染程度依次降低,马家河断面11个年份中有7年污染较其他2个断面污染严重或处于同等污染程度,五星断面11个年份中有5年污染较其他两个断面污染严重或处于同等污染程度,易家湾断面11个年份中有4年污染较其他两个断面污染严重或处于同等污染程度,故总体说来11年期间处于湘江湘潭段上游的马家河断面污染较其他2个断面严重.

 

表1 水环境质量标准 mg/L

  

级别CODMONBOD5NH3-N挥发酚氰化物CdAsHgCr(六价)PbZnCuⅠ≤2≤3≤0.15≤0.002≤0.005≤0.001≤0.050≤0.00005≤0.01≤0.01000≤0.05≤0.00Ⅱ2～4≤30.15～0.5≤0.0020.005～0.0500.001～0.005≤0.050≤0.000050.01～0.05≤0.010000.05～1.000.01～1.00Ⅲ4～63～40.5～10.002～0.0050.050～0.2000.001～0.005≤0.0500.00005～0.000100.01～0.050.01000～0.050000.05～1.000.01～1.00Ⅳ6～104～61～1.50.005～0.0100.050～0.2000.001～0.0050.050～0.1000.00010～0.001000.01～0.050.01000～0.050001.00～2.000.01～1.00Ⅴ10～156～101.5～2.00.010～0.1000.050～0.2000.005～0.0100.050～0.1000.00010～0.001000.05～0.100.05000～0.100001.00～2.000.01～1.00VI15～∞10～∞2.0～∞0.100～∞0.200～∞0.010～∞0.100～∞0.00100～∞0.10～∞0.10000～∞2.00～∞1.00～∞

注:据《地表水环境质量国家标准(GB3838-2002)》整理

3 结果与分析

3.1 水环境指标监测结果分析

针对湘江湘潭段马家河、五星和易家湾等3个断面,主要监测CODMON,BOD5,NH3-N,挥发酚,CN,Cd,As,Hg,Cr(六价),Pb,Zn,Cu等12项水环境指标,2001～2011年监测结果如图3.由图3可知,总体特征为2001～2011年各断面挥发酚,CN,Cr,Hg和Pb等指标的年际变化趋势不明显,CODMON,NH3-N,BOD5,Cu等指标含量的年际变化趋势为上升,Cd,As,Zn等指标含量的年际变化趋势为下降.马家河、五星和易家湾等3个断面CODMON和BOD5等指标含量均在2005年左右急剧上升,2010年左右有所回落.3个断面NH3-N指标含量均在2007年左右达到最高值.3个断面Zn等指标含量2002年左右急剧上升,2004年左右急剧下降,2008年左右Zn等指标含量降至11年期间的最低值后缓慢回升.3个断面Cd、As等指标含量均在2004年左右出现最高值,而Pb等指标含量在2004年左右出现最低值,Cu等指标含量2004年左右开始缓慢上扬.

3.2 基于倍斜率聚类法的水环境质量评价结果分析

以灰色系统和模糊数学为基本理论依据的倍斜率聚类分析方法,不刻意计算权重,而是隐含污染物权重于宽域式倍斜率隶属函数之中,将灰色聚类法的隶属函数向上平移1个单位,修正灰色聚类法的“降半梯形”式函数为“平顶不等腰梯形”式函数,其评价区间宽度为函数平顶宽度[13].污染物浓度处于评价标准值范围之内时,倍斜率隶属函数值最大,均为1;而当污染物浓度处于评价标准值范围之外时,倍斜率隶属函数值则以下限或上限1为评价标准值分别向左下侧和右下侧模糊展开,此时倍斜率隶属函数左侧与x轴相交,右侧斜率为1/sjn,右侧斜率为左侧的2倍,即污染物左斜率体现的高级别的贡献率大于右斜率体现的低级别的贡献率,这样加重了高级别评价等级的影响结果,间接体现了主要污染物的重要性程度,减少了各采样点的信息损失量,具体如图2所示.

水质污染国家分级标准和湘江湘潭段马家河、五星和易家湾等3个断面的水环境因子实测结果均采用平均标准方法进行无纲量化处理,处理后的结果代入倍斜率聚类分析隶属函数表达式,详见文献[13],则可列出各断面各类水环境指标6级环卫标准的倍斜率隶属函数矩阵、聚类权重值和聚类系数,其中2001～2011年马家河、五星和易家湾等3个断面的水环境因子聚类系数见表2.

  

图3 2001～2011年湘江湘潭段水环境因子的含量变化

 

表2 2001～2011年马家河、五星和易家湾水环境因子的聚类系数

  

采样点采样时间ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ马家河20010.0580.0090.0100.0090.0090.08320020.0550.0150.0230.0230.0060.07820030.0580.0180.0190.0090.0070.08220040.0640.0230.0270.0160.0130.07920050.0460.0260.0320.0190.0110.08020060.0660.0210.0240.0200.0110.08020070.0640.0140.0170.0170.0160.07720080.0620.0180.0200.0180.0130.07120090.0630.0180.0230.0210.0150.07820100.0570.0220.0310.0230.0060.08020110.0620.0210.0260.0190.0150.079五星20010.0580.0170.0200.0120.0110.08120020.0480.0240.0270.0150.0010.08220030.0580.0240.0240.0110.0080.08220040.0600.0320.0300.0130.0050.08020050.0560.0220.0310.0230.0050.08020060.0630.0160.0210.0180.0150.07920070.0640.0130.0160.0170.0170.07620080.0640.0180.0220.0200.0180.07620090.0560.0150.0250.0250.0120.07820100.0630.0180.0230.0210.0190.07720110.0630.0190.0220.0190.0170.072易家湾20010.0580.0090.0090.0090.0090.07920020.0590.0180.0190.0190.0130.07920030.0580.0150.0170.0140.0070.08020040.0640.0240.0270.0160.0120.08020050.0630.0180.0230.0180.0140.08020060.0660.0170.0190.0190.0160.07720070.0640.0130.0160.0170.0160.07720080.0520.0200.0230.0210.0190.07620090.0620.0180.0220.0200.0190.07920100.0620.0160.0190.0190.0140.07720110.0620.0190.0230.0180.0170.077

静接动与动接静主要指在后期制作过程中，技术人员可以将固定镜头和运动镜头进行衔接；还可以在固定镜头的运动趋势中寻求合适的剪切点，并且将此剪切点和运动镜头进行衔接。两个镜头之间存在的呼应关系也可以展现运动镜头和固定镜头之间存在的关联。

（二）情景教学增加学生的理解能力。课本上的语言总是抽象的，而教师只是一味的传授抽象的知识，只会造成学生的厌学情绪，每一个学生都是一个能动的个体，作为教师不能够只是一味的灌输知识。适当的抽象知识可以增加学生的逻辑能力，但是，情景教学在于增加学生的理解能力，通过情景教学，教师可以将抽象的内容直观的展现在学生的面前，让学生对于枯燥，无聊的知识有更加深入的了解。

 

表3 2001～2011年马家河、五星和易家湾最大聚类系数及水质污染物年际排名结果汇总表

  

采样点马家河污染物年际排名最大聚类系数五星污染物年际排名最大聚类系数易家湾污染物年际排名最大聚类系数2001110.08390.08160.079200230.078100.08270.0792003100.082110.08290.080200450.07970.080100.080200570.08080.080110.080200680.08060.07920.077200720.07720.07630.077200810.07130.07610.076200940.07850.07880.079201090.08040.07740.077201160.07910.07250.077

4 讨论

4.1 倍斜率聚类分析方法的应用

学院深入开展校企合作、加强学院内涵建设的重要途径就是实践教育基地的建设。通过建立实践教育基地，可以深化教育教学改革，促进教学与科研的紧密结合，使得学校和企业紧密合作，并且还能促进大学生科研中学习，社会实践中学习，提高大学生实践能力、创新创业能力，解决实际问题能力，并且校外实习基地是充分利用公司生产经营的软硬件资源。同时，学院可以与企业联合开展项目开发和项目研究，集中教师，将理论研究成果应用到企业的实际发展过程中。

根据文献[13]、表2和表3可知,改进后的倍斜率聚类分析方法用于评价河流水环境质量状况能得到很好的解释,与湘江河道污染整治的实效也较为接近.且因对水质污染国家分级标准和湘江湘潭段马家河、五星和易家湾等3个断面的水环境因子实测结果等都进行了无纲量化处理,故聚类系数相同的情况不会出现,研究区域3大断面的11期数据均可进行水质优劣评价.研究表明较之模糊综合评价法、单因子污染指数法和综合污染指数法等,灰色聚类法更具客观性,对水质数据的利用能力也更高,而作为灰色聚类法的延伸-倍斜率聚类分析方法,将隶属函数由“降半梯形”式修正为“平顶不等腰梯形”式,这样既减少了各断面采样点的信息损失量,又能强化污染物左斜率体现的高级别的贡献率,整个评价过程兼顾了主要污染物的重要影响,又不受主要污染物的控制,增强了评价结果的准确性,等等.这些都说明倍斜率聚类分析法能为河流水环境质量评价提供新思路.用倍斜率聚类法进行河流水环境质量评价应注意各参数的无纲量化处理问题,避免因聚类系数相同而出现部分断面数据无法进行水质优劣判别的情况.

在进行驾驶行为评价的过程中，各个状态之间没有明确界限，具有模糊性. 选择函数性质稳定、控制平缓、分辨度高的梯形隶属度函数. 根据采集到的驾驶行为影响因素分布情况，分析其平均值、中位数、四分位数等关键数据，结合专家修正意见，建立急加速次数、急减速次数、长时怠速次数、长时加速次数的隶属度函数，如图2所示.

4.2 2001～2011年期间湘江湘潭段水质总体好转的原因分析

从3大断面水质倍斜率聚类系数可以看出:2006年以前3大断面水质聚类系数大部分处于0.08及其以上水平,污染较为严重;2007年及其以后年份3大断面水质聚类系数处于0.08以下水平,水质好转.原因之一为各类企业加大治污力度.如2000年前后湘潭钢铁公司针对酚污染进行治理;2006年1月开始着力整治镉污染;排铁大户湘钢和机电加工企业经回收利用,含铁废水的入江排放量已大大减少;湘潭电化集团的含锰废水经治理后,排放量只有以前的1/10;湘潭碱业公司含氨氮废水排放量已由过去的4 t/d下降到现在的1 t/d.原因之二为上游河段株洲的综合整治工程.主要包括有步骤、有计划,逐步关闭工业排污口;集中取缔非法淘金船舶,规范河道作业;适当补助,收回许可,搬迁水源保护区内的砂石码头;清理河道内乱种乱建乱搭及倾倒垃圾行为;巩固成果,严格监管,确保水上餐饮整治工作有效进行;采取有效措施保护渔业资源等6项工程.原因之三为重污染企业或淘汰关闭或整治停产.如30家造纸整治企业已按要求进行关闭;金兔纺织有限公司年产毛巾30万条生产线、南天实业有限公司甲胺生产线和湖南科源科技化工有限公司硫酸生产线的淘汰退出;湖南康普制药有限公司、湘潭碱业有限公司淡氮液回收等9家企业限期治理;湘乡冶金化工有限公司等7家停产治理企业停产[18].基于以上3方面的原因,2007年及其以后年份湘江湘潭段马家河、五星和易家湾等3个断面的水环境质量总体好转.

5 结论

1)采用倍斜率聚类方法对湘江湘潭段11年(2001～2011)的水环境状况进行评价,效果良好,为河流湿地水环境质量评价提供新方法.

2)湘江湘潭段3大断面11年(2001～2011)来水环境污染程度由高到低依次为马家河断面、五星断面和易家湾断面,其中马家河断面11个年份中有7年污染较其他2个断面污染严重或处于同等污染程度.

3)2001～2011年期间湘江湘潭段水质总体好转.具体情况为2006年以前3大断面水质聚类系数大部分处于0.08及其以上水平,污染较为严重;2007年及其以后年份3大断面水质聚类系数处于0.08以下水平,水质好转.其中2007年和2008年水质污染处于近10多年的最好水平.

参考文献:

[1] 张军,耿雅妮.宝鸡主要河流水环境质量综合评价[J].水资源与水工程学报,2010,21(5):142-144.

[2] 樊明玉.国内外城市水环境评价指标体系比较与技术模型研究[D].重庆:重庆大学,2011.

[3] 蔡文静.德州引黄灌区主要水系水环境现状及水质评价研究[D].石家庄:河北师范大学,2013.

[4] 涂俊.基于GIS技术的长江下游水功能区水质评价研究[D].上海:华东师范大学,2014.

[5] Lumb A, Sharma T C,Bibeault J. A review of genesis and evolution of water quality index (WQI) and some future directions[J]. Water Quality, Exposure and Health,2011, 3(1): 11-24.

[6] 李菊红.湘江湘潭段水源地水质安全性研究[D].长沙:湖南大学,2013.

[7] 邓聚龙.灰色系统基本方法[M].武汉:华中理工大学出版社,1987.

[8] Karmakar S, Mujumdar P P. An inexact optimization approach for river water-quality management[J].Jornal of Environmental Management,2006,83(3):233-248.

[9] Yin Y Y, Huang G H, Hipel K W. Fuzzy relation analysis for multicriteria water resources management[J].Journal of Water Resources Planning and Management,1999,125(1):41-47.

[10] Karmakara S, Mujumdar P P. Grey fuzzy optimization model for water quality management of a river system[J].Advances in Water Resources,2006,29(7):1088-1105.

[11] 丁进宝.倍斜率聚类法在环境质量综合评价中的应用[J].环境科学,1995,16(1):48-51.

[12] 徐恒振,尚龙生,周传光.海水水质评价的倍斜率隶属函数聚类法[J].海洋环境科学,1996,15(2):23-27.

[13] 宋焱,张勇,邱鹏华,等.基于倍斜率聚类法的湿地旅游景区水环境质量评价——以广州南沙湿地公园为例[J].安全与环境学报,2014,14(1):238-241.

[14] 徐欣.湘江流域湘潭段水体中氨氮变化趋势的研究[J].中国环境管理,2013,5(5):49-53.

[15] 胡晞.基于WASP模型的湘江湘潭段水质目标管理研究[D].湘潭:湘潭大学,2013.

[16] 唐敬如.湘江湘潭段水环境容量的研究[D].长沙:湖南农业大学,2013.

[17] 黄文义.湘江株洲-湘潭段水质现状及保护措施[J].国土资源导刊,2009(8):73-75.

[18] 信息中心.湘潭市湘江流域水污染综合整治工作情况汇报[OB/EL]. www.hbt.hunan.gov.cn, 2008-07-28.