环境与可持续发展 ２０１４年第３期 ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴ ＡＮＤ ＳＵＳＴＡＩＮＡＢＬＥ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ Ｎｏ．３，２０１４ 深圳近岸海域水质综合评价及演变分析 苗 （深圳市罗湖区环境保护监测站，深圳５１８０００） 【摘要】根据２００３—２０１１年深圳近岸海域水质监测资料，利用灰色聚类法综合评价了深圳近岸海域水环境质量，探 讨了灰色聚类法方法的合理性，分析了水质的变化规律和发展趋势。 【关键词】深圳；近岸海域；水质综合评价；演变分析；灰色聚类法 中图分类号：Ｘ５２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—２８８Ｘ（２０１４）Ｏ３—０ｌ１９—０３ 本研究利用近１０年来深圳近岸海域水质监测数据， 采用灰色聚类法对深圳海域水质进行综合评价，探讨水 质时空变化特征，分析其发展变化趋势，以期为深圳海 域的环境保护及污染治理提供科学依据。 铅（Ｐｂ）、镉（ｃｄ）、石油类和大肠菌群１２个水质评价指 标，数据来源于深圳市海洋与渔业环境监测站２００３年 ～２０１１年海水水质监测数据，水质监测点分布分为东 部海域和西部海域。其中东部海域监测点包括核电近海 （１ ），东西冲近海（２ ）、白沙湾一长湾（３ ）、望鱼角 一１水质灰色聚类法综合评价 当前应用于海域水环境质量的评价方法主要是指数 法和模糊数学法，但综合指数法权重的确定过于主观化 和经验化，导致评价结果的不稳定。模糊数学综合评判 盆仔湾口（４ ）、下沙近海（５ ）、乌泥湾湾口（６ ）、 小梅沙湾口（７ ）和沙头角湾口（８ ）８个监测点，西部海 域监测点包括深圳湾出中（９ ）、深圳湾出口（１０ ）和固 戍近海（１１ ）３个监测点，并将东部海域８个监测点和 方法，信息遗失较多，评价结果无法获取同一类别的水 质优劣信息，并受到模糊算子的影响较大 。而灰色系 统理论正是以“部分信息已知，部分信息未知”的 “小样本”、“贫信息”为研究对象，通过对“部分”已 知信息的生成、开发，提取有价值的信息，实现对系统 运行规律的正确描述和有效控制 Ｊ。灰色聚类法在水质 综合评价中的应用是根据灰数的白化权函数将海水水质 实测指标聚集成可定义的海水水质标准的方法，信息利 用率较高，结果分辨率较好，评价结果也更趋合理 。 灰色聚类法进行综合评价的主要步骤为首先确定聚类指 西部海域３个监测点的各指标分别取平均值代表深圳东 部和西部海域的水质。评价标准根据《中华人民共和国 海水水质标准》（ＧＢ３０９７—１９９７），将海水水质分成４ 类（表１），则有ｋ个样本（监测点，ｋ ［１，２，…， ９８，９９］），ｉ个指标（水质评价指标，ｉ∈［１，２，…， １１，１２］），每个指标有 个灰类（海域环境质量等级，ｊ ∈［１，２，３，４］）。 １．２数据的无量纲化处理 灰色聚类法适用于指标的意义、量纲相同的情形， 当聚类指标的意义、量纲不同并且不同指标的样本值在 标和水质等级标准灰类，然后进行无量纲化处理，计算 白化函数和聚类权重，最后确定聚类对象所属的质量级 别。 数量上相差较大时，不宜采用灰色聚类 。因此在进行 海水水质评价中，当各评价指标的量纲存在差异一般不 可直接进行计算，需对各聚类指标ｄ 和指标评价标准 的灰类值ｂ ，进行无量纲化处理（表２）。本文采用均值 化法进行无量纲化处理 ，计算公式如下： Ｘｋ１．１确定聚类指标和灰类 本文依据《中华人民共和国海水水质标准》 （ＧＢ３０９７—１９９７），选择了溶解氧（ＤＯ）、化学需氧量 （ＣＯＤ）、生化需氧量（ＢＯＤ）、活性磷酸盐（Ｐ０４３一Ｐ）、 非离子氨（ＮＨ ）、无机氮（ＤＩＮ）、汞（Ｈｇ）、铜（Ｃｕ）、 ｊ：— ，一 ： ｙ ｄ ． ｂ ， 表１ 海域环境质量标准无量纲处理结果（ Ｊ） 序号 １ ２ ３ ４ Ｄ０ １．３３ １．１１ Ｏ．８９ Ｏ．６７ Ｃ０Ｄ ０．５７ Ｏ．８６ １．１４ １．４３ ＢＯＤ ０．３１ Ｏ．９２ １．２３ １．５４ Ｐ 一Ｐ Ｏ．５０ １ １ １．５Ｏ ＮＨ３ １ １ １ １ ＤＩＮ ０．５７ Ｏ．８６ １．１４ １．４３ Ｈｇ Ｏ．２１ ０．８４ ０．８４ ２．１１ Ｃｕ ０．１７ Ｏ．３５ １．７４ １．７４ Ｐｂ Ｏ．Ｏ６ ０．３Ｏ ０．６１ ３．Ｏ３ Ｃｄ ０．１５ ０．７７ １．５４ １．５４ 石油类 大肠菌群 Ｏ．２２ Ｏ．２２ １．３３ ２．２２ １ １ １ １ 作者简介：苗，本科，工程师，主要从事环境监测工作，并多年一直开展环境监测与分析方面的研究 引用文献格式：苗．深圳近岸海域水质综合评价及演变分析［Ｊ］．环境与可持续发展，２０１４，３９（３）：Ｉ１９—１２１ ・１２Ｏ－ 环境与可持续发展 ２０１４年第３期 １．３确定白化函数 聚类指标对各个灰类的隶属度，即白化函数 。 本文以２０１１年西部海域为例。将各因子实测值和 标准值分别代入上述公式，所得结果如表３所示。 白化函数的确定对聚类结果有非常重要的影响。本 文中聚类灰数的阈值是根据各聚类指标的标准值确定 的，避免了主观化和经验化。采用以下线性函数得到各 表２ ２０１１年西部海域评价指标的白化值（ Ｊ） 类别 Ｉ Ⅱ Ⅲ ＤＯ Ｏ Ｏ Ｏ．Ｏｌ Ｃ０Ｄ ０ ０ ０．１２ Ｂ０Ｄ Ｏ ０．Ｏ５ Ｏ．９５ Ｈ】ｉ～Ｐ ０ Ｏ Ｏ ＮＨ３ ０ ０ Ｏ ＤＩＮ ０ ０ Ｏ Ｈｇ ０ Ｏ ０．９９ Ｃｕ Ｏ Ｏ．１３ Ｏ．８７ Ｐｂ Ｏ ０ ０．９６ Ｃｄ ０ ０．９１ ０．０９ 石油类 大肠菌群 ０ Ｏ．０９ ０．９１ １ ０ ０ Ⅳ ０．９９ ０．８８ ０ ｌ ｌ ｌ ０．０１ ０ ０．０４ ０ Ｏ ０ 表３海域水环境质量的聚类指标权重（ 』） 类别 ｌ ２ ３ ４ ＤＯ Ｏ．１８ Ｏ．２１ ０．２６ Ｏ．３５ Ｃ０Ｄ ０．３９ ０．２６ ０．１９ ０．１６ ＢＯＤ Ｏ．５６ Ｏ．１９ Ｏ．１４ ０．１１ Ｐ０ｉ—Ｐ ０．４３ Ｏ．２ｌ Ｏ．２１ ０．１４ ＮＨ３ Ｏ．２５ Ｏ．２５ Ｏ．２５ Ｏ．２５ ＤＩＮ ０．３９ ０．２６ ０．１９ Ｏ．１６ Ｈｇ ０．６３ Ｏ．１６ ０．１６ Ｏ．０６ Ｃｕ Ｏ．５９ Ｏ．２９ Ｏ．０６ ０．Ｏ６ Ｐｂ Ｏ．７６ Ｏ．１５ Ｏ．Ｏ８ ０．Ｏ２ Ｃｄ ０．７１ ０．１４ ０．０７ Ｏ．０７ 石油类 大肠菌群 ０．４４ Ｏ．４４ ０．０７ ０．０４ ０．２５ ０．２５ ０．２５ Ｏ．２５ １．４确定聚类权重 ． 差，近十年来都没有发生显著的改变。 对２００３～２０１１年各水质指标进行分析发现，东部 海域水质各指标均达到了Ｉ类或Ⅱ水质标准，水质良 好；西部海域的活性磷酸盐和无机氮全部劣于海水水质 标准中的Ⅳ类水质，营养盐超标现象严重，部分年份的 大肠菌群也存在超标现象，海水水质较差，属于污染严 重的海域，表明西部海域水质主要受到了生活污水、城 市公共污水和林牧渔畜等污染，水体富营养化程度高。 表４ ２０１１年水质评价结果对比 综合污染指数法 监测 污染 水质 水质 点 １ 表示第ｉ个指标属于第ｊ权类的权重。海水水质 指标进行无量纲化处理后，采用倒数法赋权值 Ｊ，该法 每个指标对于不同的级别都有不同的聚类权，避免用一 个固定基准划分水质级别，结果更为合理。 １ ４ １ ＝ Ｊｔ １ ／∑ ｊ：１ Ｊ ｜ （６） １．５确定聚类系数和聚类对象等级 聚类系数体现了聚类样本对灰类的关联程度，按照 最大隶属度原则确定聚类样本所属的水质类别，即每个 样本对所有等级的聚类系数中最大聚类系数所属等级就 是该监测点所属海域水环境的水质等级 。 １２ ＝， 灰色聚类法 污染 水质 水质 指数 １．２ 指数 ０，２４ ０．２５ Ｏ．２７ Ｏ．２４ Ｏ．１９ Ｏ．２１ Ｏ．２３ ０．３１ 类别 Ｉ Ⅱ Ｉ Ⅱ Ｉ Ｉ Ｉ Ⅱ 排序 ４ ６ ７ ４ １ ２ ３ ８ 类别 Ｉ Ｉ 排序 ５ ６ ７ ３ １ ２ ４ ８ ∑ ， ， （７） ２ ３ ｄ＃ ５ ６ 式中：６ｍ——第 个样本对第ｊ灰类的聚类系数。 １．Ｏ８ １．３３ １．９ １．７ １．２９ １．０４ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ ２结果与分析 ２．１水质综合评价 ７ ８ 从表４中可知东部海域的８个监测点中，除了２００６ 年沙头角湾口（８ ）的水质为Ⅳ类水以外，其他年份的各 东部 Ｏ．２４ Ｉ １．２ Ｉ 监测点水质均达到了Ｉ类水质要求，海域水环境质量较 好；西部海域的３个监测点各年份水质以Ⅳ类水体为 主，其中深圳湾中（９ ）除了２００５年的水质为Ⅲ类以外， ９ １０ １１ １．１８ 劣四类 １．１４ 劣四类 ０．４４ Ⅲ ３ ２ １ ０．７４ ０．７２ ０．７８ Ⅳ Ⅳ Ⅲ ２ ２ １ 西部 ０．９２ 劣四类 Ｏ．７５ Ⅳ 其余各年份水质均为Ⅳ类水，深圳湾出口（１０ ）水质较 深圳湾中（９ ）稍好，固戍近海（１１ ）水质多年以来以Ⅳ 类水为主，但是由于位于珠江口东南部沿岸，水质较深 ２．２方法合理性分析 为了对深圳近岸海域灰色聚类法结果合理性进行验 证，将２０１１年近岸海域水质利用平均综合污染指数进 行评价，将其评价结果与灰色聚类法结果进行对比。结 果如表４所示，从水质类别来看，这两种方法评价结果 圳湾稍好。从总体上看，２００３—２０１ １年深圳近岸东西部 海域水质稳定，东部海域水质级别保持在Ｉ类水质，水 质较好，深圳近岸西部海域水质均为Ⅳ水质，水质较 苗：深圳近岸海域水质综合评价及演变分析 除了东西冲近海（２ ）和望鱼角一盆仔湾口（４ ）稍有差异 外，其他的水质类别全部一致。灰色聚类法是对聚类系 数向量的分量按最大原则进行集结的方法判定聚类对象 ・１２１・ 珠江口污染影响，导致海域污染远超环境容量，因此水 质以Ⅳ类水为主。但是近年来深圳在污水处理厂建设、 河流整治和完善污水管网等方面进行了一系列努力，因 此水质在一定程度上具有逐渐变好的趋势。 的所属灰类，因此聚类系数在某一类别值越大，表明其 集结程度越大。对水质来说，若聚类系数在水质清洁的 类别中，聚类系数越大表明水质越好，反之，若聚类系 ３结论 数在水质较差的类别中，值越大表明其水质越差。按照 这个原则对２０１１年东西部水质进行排序（表５），并与 （１）通过对２００３～２０１１年间水质进行综合评价发 现，深圳海域近９年来水质较为稳定，东部海域水质保 平均综合污染指数法进行对比可知，二者的水质排序基 持在Ｉ类水质标准，而西部海域水质较差，为Ⅳ类水 本一致，表明利用灰色聚类法可以很好地对海域环境质 质，东部海域的８个环境监测点水质均达到了Ｉ类或Ⅱ 量进行综合评价。 类水质，而西部的３个水质监测点的活性磷酸盐、无机 ２．３水质演变分析 氮和大肠菌群普遍劣于海水水质标准中的Ⅳ类水质。 本文通过对比分析２００３～２０１１年间深圳东西部海 （２）本文利用平均综合污染指数法和灰色聚类法综 域聚类系数的大小发现（图１）：深圳东部海域水质均达 合评价了２０１１年东西部海域水质，发现二者的研究结 到了Ｉ类水质标准，２００３—２００７年间聚类系数逐渐增 果基本一致，此外由于水质评价中污染物质浓度介于两 大，水质具有逐渐变好的趋势，２００７～２０１ １年聚类系数 类标准之间存在的灰色性，因此可认为利用灰色聚类法 呈现波动状态，水质基本保持稳定，从总体上看，从 是一种贴切可行的反映海域水环境质量的方法。 ２００３年至２０１１年间，东部海域水质良好，具有变好的 （３）本文对比分析了２００３～２０１１年间深圳东西部海 趋势。这个主要是由于东部海域作为深圳的黄金海岸 域聚类系数的变化趋势，结果表明东、西部海域水质都 线，沿岸土地开发和工业发展等受到了严格控制，开发 具有总体变好的趋势，这个主要得益于近年来深圳在污 强度小，陆源污染少，毗邻海域大鹏湾和大亚湾环境质 水处理厂建设、污水管网完善等基础设施建设和河流整 量也保持较好，并且近年来盐田污水处理厂的投入使 治方面所做的努力。 用、河流整治工程的实施和污水收集管网的逐步完善 参考文献： 等，进一步减少了陆源污染，因此东部海域水质普遍达 ［１］张静，孙省利海水环境质量模糊一灰色关联评价及应用［Ｊ］ 广东海洋大 到了Ｉ类水质标准，具有逐渐变好趋势。 学学报，２０１１（６）：６８—７２ 西部海域水质均为Ⅳ类水质，２００３—２０１１年间整体 ［２］刘思峰，郭天榜，党耀国灰色系统理论及其应用［Ｍ］北京：科学出版社， 处于变好的态势，其中２００３～２００５年间聚类系数具有 １９９９． ［３］刘盂兰，余汉生用灰色模型理论预测珠江口污染趋势的可行性［Ｊ］海洋 上升的趋势，水质处在恶化阶段，２００５年至２０１１年水 环境科学，２００５（２）：３６—３８ 质总体上处在变好的趋势，但是总体上水质为Ⅳ类水。 ［４］夏斌，陈碧鹃，辛福言，等灰色聚类法在胶州湾富营养化评价中的应用 ［Ｊ］渔业科学进展，２０１１（５）：１１４—１２０． 深圳西部海域水体较差的主要原因是深圳湾水流属于半 ［５］王辉，周林飞，康萍萍，等基于灰色聚类法的大凌河水环境质量综合评价 封闭赶潮海湾，水体交换能力弱，并且西部近岸海域是 ［Ｊ］人民黄河，２０１１（９）：７４—７６． 深圳经济特区和新界西部的主要受纳水体，随着近 ［６］庞博，李玉霞，童玲基于灰色聚类法和模糊综合法的水质评价［Ｊ］．环境 科学与技术，２０１２（１１）：１８５—１８６． 几年来经济的发展，来自两地集水区日益增多的污染物 ［７］邓聚龙灰色数理资源科学导论［Ｍ］ 武汉：华中科技大学出版社，２００７ 经河流、管道等直接排人西部海域，并且受到毗邻海域 Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｏａｓｔａｌ Ｉｎｓｈｏｒｅ Ｓｅａ Ｗａｔｅｒ ｏｆ Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ｃＨＥＮ Ｊｕｎｍｌａｏ （Ｌｕｏｈｕ Ｄｉｓｔｒｉｃｔ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｈｅｎｚｈｅｎ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ５１８０００） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ ｏｆ ｃｏａｓｔａｌ ｉｎｓｈｏｒｅ ｓｅａ ｗａｔｅｒ ｏｆ Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ｄｕｒｉｎｇ ２００３～２０１ １，ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ｅｖａｌｕａｔｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｃｏａｓｔａｌ ｉｎｓｈｏｒｅ ｓｅａ ｗａｔｅｒ ｏｆ Ｓｈｅｎｚｈｅｎ，ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｏｆ ｇｒｅｙ ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ，ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｒｕｌｅ ａｎｄ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｇｒｅｙ ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｈｅｎｚｈｅｎ；Ｃｏａｓｔｌａ Ｉｎｓｈｏｒｅ Ｓｅａ；Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｑｕａｌｉｔｙ
