聚类分析在水环境质量评价中的应用进展

ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＩＣＨＵＡＮ　ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ　ＯＦ　

２００３年９月　　　　　　　　　　ＬＩＧＨＴ　ＩＮＤＵＳＴＲＹ　ＡＮＤ　ＣＨＥＭＩＣＡＬ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　　　　　　　　　　　　Ｓｅｐ．２００３　 文章编号：１００８－４３８Ｘ（２００３）０３－００５０－０６　

聚类分析在水环境质量评价中的应用进展

袁 东，付大友

（四川轻化工学院材料与化学工程系，四川　自贡　　６４３０３３）　

摘 要：聚类分析法作为水环境质量评价的新方法已引起人们越来越多的关注。文章对这一方法在国内水质评价中的应用进行了综述和展望。

关键词：聚类分析；水；环境质量评价

中图分类号：X824 文献标识码：A

　　　　水环境包括地球表面上的各种水体，如河流、湖泊、水库等地表水以及埋在土壤、岩石空隙中的地下水。在各种水体中，除水之外，还包括水生生物和底质等。因此，水环境评价包括地表水、地下水、水生生物、底质等的评价。随着水环境污染及水资源短缺现象越来越严重，水环境质量的合理、正确评价也成为了非常重要的课题。而地表水和地下水是我国城市和工农业用水的重要供水水源，近年来，随着城市建设、工农业发展，地表水和地下水的污染日益严重，这不仅影响城市供水质量，影响工农业生产，而且直接影响了地下水资源的持续利用和保护。因此，对环境质量评价来说，地表水和地下水评价就显得分外重要了。水质评价作为水环境评价的核心内容，用数学模型方法进行这方面的定量化研究，国内目前常见的方法主要有单污染指数法、综合污染指数法、分级加权评分法、概率统计法、模糊数学法等，因影响水环境质量的因素纷繁复杂，以及所研究对象影响因素的不确定性，使得上述采用精确关联的方法对水环境质量的评价大都存在一定的片面性，随着聚类分析这一模式识别方法应用的深入，其在环境质量评价中的应用越来越受到重视，文献也越来越多，但目前还未见有关聚类分析用于环境质量评价方面的综述性文献。为了使更多的环境工作者了解聚类分析这一方法在水环境质量评价中的应用进展，本文对聚类分析的原理进行了简要介绍，对各种聚类方法在水环境质量评价中的应用进行了综述。　

［１～４］

１　　原　　理　

　　　　聚类分析是将研究的对象按其共性进行分类，以便系统地加以科学研究的一种有效方法，其目的在于辨认在某些特征上相似的事物，并把事物就这些特征划分成若干类，使在同一类的事物具有高度共质性，而不同类的事物具有高度相异性。在水环境质量评价中常用的聚类分析方法有模糊聚类法、系统聚类法、灰色聚类法等。　

　　　　模糊聚类分析是先计算各样本间的相似系数、相关系数、距离或其它表征相似程度的量来建立样本间的模糊关系，再将模糊关系改造为模糊等价关系，然后，根据模糊等价关系，选取不同的Λ截集，将样本分成若干类，最终完成模糊聚类分析。　

　　　　系统聚类分析是首先将研究对象的各个个体各自作一类，然后根据个体间的关联程度，逐次地将最接近的两类进行合并，每合并一次就减少一类。同时，计算新类与其余各类间的关联程度，　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　收稿日期：２００３－０６－０９　　　　　作者简介：袁　　东（１９６８－），四川南充人，讲师，硕士，主要从事环境监测、仪器分析方面的研究。　

第１６卷　第３期　　　　　　　　　　　　　　　　袁　　东等：聚类分析在水环境质量评价中的应用进展　　　　　　　　　　　　51 再依照同样的方法进行合并，直到所有个体成为一类为止。　

　　　　灰色聚类分析是充分利用已知信息，将灰色系统淡化、白化，其中灰色聚类分析法是以灰色关联分析结果Ｒ值为基础的聚类方法，它是将聚类对象在不同聚类指标下，按灰类进行归纳，最终达到评价结果。　

　　　　水质评价是水环境评价的核心内容，它包含两方面的工作：一是就水质污染程度的评价、分级；二是就水质污染相似性的分类研究。水质系统是由多种因子构成的复杂系统，水质质量受到诸多指标的影响，每项指标从不同角度反映水质状况，但依据它们作综合评价却有一定难度，聚类分析作为现代多元分析的一个重要分支，正是将多维因子纳入同一体系加以综合研究的定量化方法，随着计算机的普及和软件开发，已在环境质量评价领域得以越来越多的应用。　

２　　模糊聚类分析在水环境质量评价中的应用　

　　　　在聚类分析中，类与类之间的边界要十分清楚，元素与类之间的隶属关系要十分明确。但在实际应用过程中，往往会出现一些界线不清或隶属关系不明的问题，即模糊问题，如“水污染程度”的界线就是模糊的，要解决这些模糊分类问题，可以采用模糊聚类分析法。　

［５］

　　　　沈迅伟等采用传递闭包法进行模糊聚类分析，得出的模糊动态聚类图能够成功地对水域进行划分。在对水质进行模糊综合评判的基础上，提出了从水域划分到水质评价完整的水污染评价方法，并给出了计算实例，为今后的水环境评价提供了一条可行的新途径。吴启勋以湖泊水质评价参数为依据，研究了湖泊水质的模糊聚类分析，对我国５个主要湖泊（青海湖、杭州西湖、武汉东湖、安徽巢湖、昆明滇池）的水质进行了评价与分类，获得了满意的结果。该研究提出了不同于一般原始数据标准化的预处理方法和计算样本之间相似程度的方法，使得建立样本之间的模糊关系变得简单，特别适合样本或数据较多的实际问题。雷国良运用最大树法的模糊聚类对贵州省的国家级风景名胜区之一的安顺龙宫风景区域水系水质环境进行了评价，指出造成某些监测断面水质污染严重的因素是酚、铵氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮等有机物，为治理污染工作提供了依据。王晓鹏以青海惶水流域为例，针对流域内具有代表性的断面，运用模糊聚类分析方法和因子分析法就各断面水质污染程度和污染相似性进行定量化的综合评价，为河流治污工作的开展提供一定的科学依据，具有一定的推广价值。何玉冰以武汉市黄孝河为研究对象，应用模糊聚类法的最大矩阵元原理，确定出主要污染因素，然后采用相似优先比进行对比评价。结果证明该法适用于整条河流各河段之间相对污染程度的评价。孙蕾采用模糊聚类的两种方法从不同的角度对河流水质进行剖析，对水体单元和污染因子进行聚类分析，通过这两个模型，建立了用模糊聚类分析对水体单元和污染物进行聚类评价的通用方法，这种尝试具有实际意义。而仉静等采用模糊贴近度、聚类分析模式对江苏南通市十一条河流年监测均值进行了评价，指出了传统立矩方式的缺陷，提出了用环境单元和水质标准单元相应参数的贴近度建立矩阵聚类分析的方法。另外，陈昌齐等参照现行湖泊营养类型划分标准，应用模糊聚类分析方法对我国４２个主要湖泊聚类并划分其营养类型，同时对各类型的指标特征进行了分析，结果表明，聚类结果与湖泊传统分类基本吻合，并指出模糊聚类更具客观性。　

　　　　近年来，国内在地下水资源评价中也开始应用模糊聚类法对地下水动态类型、地下水化学成分等进行划分。杨维等在对沈阳地区浑河近岸的地下水质量评价中，运用模糊数学的迭代自动数据分析系统，选择评价城区内具有代表性的水井的水质监测资料进行聚类分析，应用模糊综合评判方法对城区内地下水质进行等级划分，从而为控制城区内地下水污染提供科学的依据。而汤玉福运用模糊集论，以辽宁盘锦地区２６眼地下水观测井１９９６年水质监测资料为分析对象，建立一种新的模糊聚类分析方法，尝试为解决水质污染分级问题提供一种分析途径，取得了较好的效果。　

［１６］

［１３～１４］

［１５］

［１２］

［１１］

［１０］

［９］

［８］

［７］

［５］

52　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　四　川　轻　化　工　学　院　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　２００３年９月　

　　　　对于水体的污染进行科学的评价，是环境工作者的一项重要任务。张鸿志等对收集到的呼和浩特市６０个主要污染源的废水水质分析数据，选用１３个主要污染因子，同时按ＧＢ８９７８－８８的第一类污染物最高允许排放标准和第二类污染物最高允许排放标准中二级标准进行等标化，最后一起对它们进行模糊聚类分析，以便给污染源的管理和防治提供依据。　

［１７］

３　　灰色聚类法在水环境质量评价中的应用　

　　　　用于地面水环境质量评价中的模糊数学法和灰色聚类法均考虑到环境的灰色性，但当污染物浓度分布过于离散时，由于白化函数｛隶属函数｝包含的污染范围窄，就有可能导致评价错误。因

［１８］

而陆洲等提出运用等斜率灰色聚类法评价水质的新方法，该方法以等斜率方式构造白化函数，具有分辨率高、信息利用率大的优点，并用该方法对蒲河新城子段的水质进行了评价，最后与模

［１９］

糊数学方法比较。结果证明，用等斜率灰色聚类法评价水质比较符合实际状况。慕金波等用灰色聚类法对某水库水质所作的评价结果同样证明了该方法评价水质的优点。王晓光以层次分析法赋权的加权灰色关联度为基础，对环境因子进行模糊聚类分析，并将此法应用于环境水质评价，经过实例分析表明，该方法可较好地反映出环境系统的灰色性和模糊性，使评价结果更为合理。

［２１］

杨德财通过实例分析表明，应用灰色聚类方法对于象水质污染状况这样一个缺乏物理模型和信息参数不完全确知的抽象系统进行评价，其评价结果可靠，可比性强，弥补了以往其它方法的不足。罗定贵等也运用灰色聚类对抚州市地表水质进行了评价，结果令人满意。贺北方等以某市水质评价为实例，探讨了灰色聚类法在水质评价中的应用，并用ＶＢ语言编制了水质评价程序，该方法及其软件可对不同水体进行水质评价，评价结果比较客观地反映水体水质状况与类别，克

［２４］

服了单因素评价易受个别因素影响的缺陷。李光伟等运用灰色聚类法对某水电站库区水质进行了综合评价，方法简单实用，有利于分析电站的水环境质量。　

［２５］

　　　　张松滨等　以灰色系统理论为基础，提出了共原点灰色聚类分析方法，并将其应用于湖泊富营养化程度的判别过程中，通过对青海湖、太湖、云南天池、洱海等全国１６个湖泊富营养化程度评价，并与其它方法进行比较，其结果表示该方法用于湖泊富营养化程度的判别过程是可行的。

［２６］

谢骏也将灰色聚类方法应用于湖泊富营养化的评价中，结果表明，该方法对湖泊富营养程度的评价结果较模糊聚类的精度和准确度都高。关则良等用计算机对２３个湖泊和水库营养类型主要参数作灰色聚类分析，尝试建立一种划分我国湖泊和水库营养类型的有效方法，作为渔业生产的依据。刘冬启等应用灰色聚类分析法对新疆石河水库的水质营养状态进行了评价，并由此对

［２９］

石河水库的可持续发展提出了一些相应对策。肖新平将灰色聚类分析法应用于某地区４个监测点位的水环境质量和大连湾海域各站海水水质质量的评价，经实例分析和与灰色关联法对比

［３２］

表明，灰色聚类分析进行环境质量评价是有效、合理的。沈珍瑶将灰色聚类法用于地面水环境质量评价中，并与水质评价的综合污染指数法和模糊数学方法所得之结果进行了对比，结果表明灰色聚类方法既继承了模糊数学方法的优点，又补充了其不完善之处，是一种可行的评价方法。　

［３３］

　　　　高绪艳等在对大庆市地下水环境功能区划分中采用灰色聚类分析法，充分考虑了水质分级界限的模糊性，把各项指标按隶属于不同水质级别的不同程度进行综合聚类，同时正确使用了权重，真实反映了地下水水质的实际情况，因而得以对地下水的水质作出符合实际的综合评价。王艳芳尝试用灰色系统理论对地下水灌溉水质进行聚类分析，从其实例可看出，该方法计算简便，

［３５］

能取得比较合理的结果。王建成也将灰色聚类法用于地下水水质的综合评价，并与综合指数法、模糊评判法进行了实例比较，结果表明灰色聚类法不仅能真实反映水质情况，而且分辨率强，可比性好，精度又高。张鸿志等应用灰色聚类法对呼和浩特市地面水和浅层地下水水质进行水

［３８］

污染分级，取得了比较满意的结果。吾斯曼等采用灰色聚类对哈密市１９９７￣２０００年４年间的地下水水质进行了综合评价，结果证明该方法信息利用率和精密度高，特别适用于大规模、多指标

［３６～３７］

［３４］［３０］

［３１］

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［２２］

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［２０］

第１６卷　第３期　　　　　　　　　　　　　　　　袁　　东等：聚类分析在水环境质量评价中的应用进展　　　　　　　　　　　　53 的环境质量评价。肖红等应用灰色聚类法对许昌市４７眼中浅井水质进行分级评价，并与模糊

［４０］

数学的评价结果相比较，取得了较好的效果。李全等应用灰色聚类法对某煤矿三种不同层位的水质状况进行评价比较，并与综合指数法和模糊综合评判法作了比较，实践表明灰色聚类法较其

［４１］

它两种方法更具有客观性。　张平松等采用灰色聚类分析方法对水质这类非完全确知的抽象信息进行处理，初步评价了淮南涡北井田地下水的水质量现状，为矿井综合开发地下水资源提供了

［４２］［４３］

依据。冯玉国应用灰色聚类法综合评价了地下水水质状况，评价结果真实可靠。陈武等人依据地下水中污染物浓度的分级标准，应用灰色聚类法综合评价了某地区４口井的水质，具有一定的科学性和合理性。　

［４４］

　　　　谢先全等认为灰色聚类法虽适合水质的聚类计算，但灰色聚类仅显化了各个聚类对象所属灰类的信息，为此，他们在灰色聚类的基础上，进一步利用模糊聚类方法对聚类对象之间的相互关系信息进行挖掘，对福建沿岸９个港湾的海水水质进行了定量分类评价，结果更为客观合理。　

［３９］

４　　其它聚类法在水环境质量评价中的应用　

　　　　应用系统聚类的数学手段来对水质进行分类评价，是近年来出现的一种新的环境综合评价方

［４５］

法。胡小冬等将系统聚类法用于珠江三角洲水系水质的分类评价，分析结果反映出水质随季节

［４６］

变化较大等规律，是珠江三角洲水质综合评价工作的一种新的尝试。修先约等认为在水质分析中，有许多因子相关性很强，它们共同反映同一水质环境特征，同时也有一些因子，它们与其它因子相关性很弱，它们单独反映一个水环境特征，若按传统的直交距离系数进行聚类，势必夸大前一因子的作用，而相对缩小了后一因子的作用。为了克服这一缺点，作者应用改进的系统聚类方法，即Ｑ型系统聚类方法，以烟台市近海的７个养殖区为例，进行了水环境系统的划分与评价，所得结果准确反映了各养殖区海水水质的优劣程度，为海水功能区划分提供了一个较好的方法。　

［４７］

　　　　另外，张松滨等认为综合指数模型对环境评价结果的分级较为简单，粗糙，没能体现出环境系统所具有的模糊性、灰色性等特点。因而作者将环境综合指数模型与模糊聚类分析方法相结合，提出了一种新的以幂指数模型为基础的聚类分析方法，从而使环境质量分级更具模糊性，分

［４８］

级结果更准确。将其应用于杭州西湖的水质质量评价之中，所得结果令人满意。而徐恒振等建立了污染因子隐含于隶属函数结构中的宽域式倍斜率聚类的海水水质评价模式，经过海水评价实例说明，该方法较灰色聚类法更为实用。　

５　　　展　　望　

　　　　在当代社会生活中，水质状况是人们所密切关注的问题。由于水质环境的复杂性，以及衡量水质环境的因素（或指标）的多样性，选用一种较好的水质环境质量评价的方法，使水环境质量能够得到合理、正确的评价就显得相当重要。聚类分析作为模式识别技术的一种方法，特别适用于处理环境因素之间的相互影响，随着其在水质评价中的应用越来越多，聚类分析在水环境质量评价以及其它环境质量评价中的发展空间应该相当广阔。由于计算机技术的飞速发展，一些新的模式识别技术，如人工神经网络等也开始应用到水环境质量评价中，相信在不久的将来，新的、甚至于一些更具智能化的环境质量评价方法将会出现。　

参 考 文 献：

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［５０～５２］［４９］

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Application of Cluster Analysis to Water Environment Quality

Assessment

YUAN Dong , FU Da-you

（Material and Chemical Engineering Dept.,Sichuan Institute of Light Ind.& Chem.Tech.,Zigong 643033,China）

Abstract: A new assessment method for water environmental quality in Cluster analysis method,, a lot of attention are attracted. An application of this method in water quality assessment of China is reviewed in the paper.

Key words: cluster analysis; water; environment quality assessment