利用灰色聚類法評價大同縣地下水水質(zhì)

張 哲， 鄭秀清， 陳軍峰， 臧紅飛

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原 030024)

利用灰色聚類法評價大同縣地下水水質(zhì)

張 哲， 鄭秀清， 陳軍峰， 臧紅飛

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原 030024)

通過白化權(quán)函數(shù)以及灰色聚類權(quán)的計(jì)算，得到聚類系數(shù)，從而對觀測對象進(jìn)行分類，構(gòu)建了基于灰色聚類法的評價指標(biāo)體系。以山西省大同縣地下水水質(zhì)監(jiān)測資料為基礎(chǔ)，依據(jù)國家地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，評價了地下水水質(zhì)，并分析了主要污染物的成因。結(jié)果表明，在所有監(jiān)測點(diǎn)中，水質(zhì)達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類水及更高要求的占46%，水質(zhì)不達(dá)標(biāo)占54%。研究結(jié)果比較客觀地反映了當(dāng)?shù)氐叵滤|(zhì)量的類別，可為地下水的科學(xué)合理的開發(fā)利用提供依據(jù)。

地下水水質(zhì);灰色聚類法;白化權(quán)函數(shù);大同縣

張哲，鄭秀清，陳軍峰，等.2012.利用灰色聚類法評價大同縣地下水水質(zhì)［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，35(3)：270-275.

Zhang Zhe，Zheng Xiu-qing，Chen Jun-feng，et al.2012.Groundwater quality assessment in datong county based on grey clustering method［J］.Journal of East China Institute of Technology(Natural Science)，35(3)：270-275.

水是人類生活和社會生產(chǎn)必需的基本資源，是生態(tài)環(huán)境的控制性要素。地下水流動極其緩慢，因此，地下水污染具有過程緩慢、不易發(fā)現(xiàn)和難以治理的特點(diǎn)。水質(zhì)評價是水資源保護(hù)和治理的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，可以為水資源開發(fā)利用提供決策依據(jù)(劉政等，2007)。大同縣地下水資源量7 453.4萬m3，可開采量5245萬 m3，現(xiàn)狀開采量3629.08萬m3，開發(fā)利用率為69%。近幾年來隨著大同縣社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，污染物的大量排放，地下水水質(zhì)呈現(xiàn)出逐漸惡化的趨勢。因此，加強(qiáng)地下水資源保護(hù)，控制水環(huán)境污染，保證水資源的可持續(xù)開發(fā)利用已成為當(dāng)務(wù)之急。

目前，水質(zhì)評價的方法很多，主要有單指標(biāo)評價法、層次分析法、污染指數(shù)法、模糊評價法、灰色評價法等(羅定貴等，1995;劉金生等，2008)，各種方法在實(shí)際應(yīng)用中都有其優(yōu)缺點(diǎn)(賀北方等，2002;盛周軍等，2007;高謙，2007)?；疑到y(tǒng)理論是我國學(xué)者鄧聚龍教授于1982年提出的(鄧聚龍，2002)。聚類分析是采用數(shù)學(xué)定量手段確定聚類對象間的親屬關(guān)系并進(jìn)行分型化類的一種多元分析方法?；疑垲愂歉鶕?jù)灰色關(guān)聯(lián)矩陣或灰數(shù)的白化權(quán)函數(shù)將一些觀測指標(biāo)或觀測對象劃分成若干個可定義類別的方法(劉思峰等，2008)。該方法處理環(huán)境污染的區(qū)劃和評價問題，不必事先給定一個臨界判斷，而可以直接得到聚類評價結(jié)果(李祚泳等，2004)。其將水體質(zhì)量的幾個級別認(rèn)定為相應(yīng)類別，按此類別對水域中各個水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)所獲得的水質(zhì)特征進(jìn)行類屬分析歸納，最終得到這些水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)處的水體質(zhì)量級別類屬，達(dá)到評價目的?；疑垲惙沙浞煮w現(xiàn)水環(huán)境系統(tǒng)的不確定性，比較真實(shí)地反映水質(zhì)的綜合狀況。該方法比指數(shù)法更全面直觀、更具合理性，又比模糊綜合評價方法簡便、易于推廣。

1 研究區(qū)概況

大同縣位于山西省北部、大同盆地東北緣，東與陽高縣相鄰，南隔馬頭山與渾源縣毗鄰，西與大同市、懷仁縣接壤，總面積1 503 km2。

本區(qū)地處塞外高原，屬干旱大陸性氣候。多年平均氣溫6.5℃，最高氣溫37.7℃，最低氣溫－29.1℃。多年平均降雨量395.3 mm，最大降雨量657.4 mm，最小降雨量212.8 mm。降雨的季節(jié)分配不均，6～9月的降雨量占年降雨量的75%左右。境內(nèi)南北山區(qū)降雨量較大，中部平原盆地區(qū)降雨量較小。

地下水的補(bǔ)給、循環(huán)和富集主要取決于水文氣象、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性及含水層的空間分布等因素。研究區(qū)具有開采價值的地下水主要為位于平原盆地區(qū)的沖洪積、沖湖積相松散巖類孔隙水。

2 灰色聚類的基本原理及水質(zhì)評價

2.1 評價因子的確定

本次地下水水質(zhì)監(jiān)測共布設(shè)了取樣井點(diǎn)13處(圖1)，結(jié)合灰色聚類的基本原理(賀北方等，1999)，根據(jù)國家《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GBT14848-93)，選取pH值、氟化物、菌落總數(shù)及總大腸菌群4項(xiàng)超標(biāo)污染物作為評價因子。表1為大同縣2008年4月完成的枯水期采樣監(jiān)測結(jié)果。

依據(jù)《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB-T14848-93)，我國地下水質(zhì)量劃分為五類(表2)。表2中的Ⅲ類水主要適用于集中式生活飲用水水源及工、農(nóng)業(yè)用水。因此，評價中以Ⅲ類水的標(biāo)準(zhǔn)作為生活飲用水的下限值。

圖1 地下水監(jiān)測點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of Groundwater monitoring-station

表1 大同縣地下水水樣監(jiān)測結(jié)果Table 1 Water quality monitoring of groundwater in Datong county

表2 地下水質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Quality grading standard of groundwater

將實(shí)測資料與表1對比，進(jìn)行大同縣地下水質(zhì)量單項(xiàng)指標(biāo)分析評價。結(jié)果表明，超標(biāo)污染物因子為pH值、氟化物、菌落總數(shù)以及總大腸菌群四項(xiàng)。pH值除1號(解莊)監(jiān)測點(diǎn)外均超過質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的Ⅲ類水的限制(6.5～8.5)。氟化物在2號(上莊)、4 號(許堡)、6 號(南梁)、7 號(小鋪)、8 號(峰峪村)、9號(瓜園村)及13號(聚樂村)監(jiān)測點(diǎn)均超出標(biāo)準(zhǔn)中Ⅲ類水規(guī)定的限值(250 mg/L)。菌落總數(shù)在13個監(jiān)測點(diǎn)中有8處超出規(guī)定限值(1 000 N/L)，其中 1 號(解莊)、2 號(上莊)、4 號(許堡)、6號(南梁)以及12號(永勝村)為Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)?？偞竽c菌群有三處(4號許堡、5號西浮頭和11號周士莊村)超過Ⅲ類水限值(100 N/L)。

2.2 水樣監(jiān)測數(shù)據(jù)及水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的無量綱化處理

在對大同縣地下水質(zhì)量進(jìn)行單項(xiàng)指標(biāo)評價的基礎(chǔ)上，運(yùn)用灰色聚類法對采樣點(diǎn)地下水水質(zhì)進(jìn)行現(xiàn)狀評價，為該地下水環(huán)境保護(hù)措施的制定提供科學(xué)依據(jù)。

設(shè)有n個聚類對象(監(jiān)測點(diǎn))，且各有m個聚類指標(biāo)(污染物)，每個指標(biāo)有s個不同的灰度(地下水質(zhì)量等級)，根據(jù)第i(i=1，2，…，n)個對象關(guān)于j(j=1，2，…，m)指標(biāo)的觀測值 xij(i=1，2，…，n;j=1，2，…，m)將第i個對象歸入第k(k∈{1，2，…，K})個灰類，稱為灰色聚類。用Cij表示第i個聚類對象第j個聚類指標(biāo)的白化值(污染物濃度值)。數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理就是對水質(zhì)聚類對象各個指標(biāo)的白化值(污染物濃度)Cij和灰類進(jìn)行無量綱化處理，以便對各個對象的指標(biāo)進(jìn)行綜合分析并使聚類結(jié)果具有可比性。

樣本指標(biāo)白化值用指數(shù)法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計(jì)算公式為:

式中dij為第i個對象(監(jiān)測點(diǎn))第j個指標(biāo)(評價因子)的標(biāo)準(zhǔn)化值;Cij為第i個對象(監(jiān)測點(diǎn))第j個指標(biāo)的實(shí)測值;C0j為第j個指標(biāo)(污染因子)的參考標(biāo)準(zhǔn)，視所在水域的環(huán)境目標(biāo)而定。

灰類的標(biāo)準(zhǔn)化處理和原始數(shù)據(jù)一樣統(tǒng)一采用的無量綱化處理，即:

式中rjk為第j個指標(biāo)第k個灰類值Sjk的標(biāo)準(zhǔn)化處理值;Sjk為灰類值。

以Ⅱ類水質(zhì)作為參考標(biāo)準(zhǔn)，對水樣測定結(jié)果和5個灰類按照式(1)和(2)進(jìn)行無量綱化處理，結(jié)果見表3和表4。

表3 地下水水樣監(jiān)測結(jié)果的無量綱化結(jié)果Table 3 Dimensionless results of groundwater quality monitoring

3.3 確定白化權(quán)函數(shù)

將n個對象關(guān)于指標(biāo)j的取值相應(yīng)地分為s個灰類，稱之為j指標(biāo)子類。j指標(biāo)k子類的白化權(quán)函數(shù)記為fjk，fjk∈［0，1］。白化權(quán)函數(shù)有三種基本形式，如圖2所示。圖中rjk為灰類白化權(quán)函數(shù)fjk的閾值。

表4 灰類無量綱化結(jié)果Table 4 Dimensionless results of gray type

選用表2中不同指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)作為各灰類白化權(quán)函數(shù)的閾值rjk，并構(gòu)造第j指標(biāo)白化函數(shù)。

3.4 聚類權(quán)和聚類系數(shù)的計(jì)算

在水質(zhì)評價中，聚類權(quán)是各指標(biāo)對某一灰類的權(quán)重。第j個指標(biāo)k個灰類的權(quán)重ηjk計(jì)算式為:

聚類系數(shù)反映了聚類樣本對于灰類的親屬程度，通過灰類白化權(quán)函數(shù)而得到其計(jì)算公式為:

式中fjk(dij)為由樣本值dij求得的白化函數(shù)值;ηjk為灰色聚類權(quán)值。

灰色聚類決策矩陣為:

由表4的灰類無量綱化結(jié)果，根據(jù)式(6)計(jì)算出各個污染物分別對5個水質(zhì)級別灰類的權(quán)重，結(jié)果見表5。通過已建立的白化函數(shù)，根據(jù)式(7)計(jì)算各個監(jiān)測點(diǎn)的聚類系數(shù)。聚類系數(shù)反映了聚類樣本對灰類的親屬程度，即哪一個灰類的聚類系數(shù)大，該監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)就歸為哪一級。聚類系數(shù)σi的計(jì)算結(jié)果見表6。

表5 地下水水質(zhì)各級別灰類的權(quán)重(η)計(jì)算結(jié)果Table 5 The weight results of the Gray-clustering at different levels of groundwater quality

表6 各個監(jiān)測點(diǎn)聚類系數(shù)及其水質(zhì)評價結(jié)果Table 6 The clustering coefficient and water quality evaluation of Each monitoring point

圖2 白化權(quán)函數(shù)fjkFig.2 Albation fudnction fjk

3.5 地下水水質(zhì)評價結(jié)果分析

由表6中各監(jiān)測點(diǎn)的聚類系數(shù)可以看出，3號(吉家莊)、7號(小鋪)、8 號(峰峪村)、10 號(供水公司)和13號(聚樂村)4處水井的水質(zhì)達(dá)到《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB-T14848-93)的Ⅱ類水，但因8號(峰峪村)和13號(聚樂村)Ⅲ類聚類系數(shù)分別達(dá)到0.145和0.122，所以這兩處水井水質(zhì)屬于劣Ⅱ類水;9號(瓜園村)監(jiān)測點(diǎn)Ⅲ類聚類系數(shù)最大，為0.195，所以該監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)為Ⅲ類水;在1號(解莊)、2號(上莊)、5號(西浮頭)、11 號(永勝村)以及12號(永勝村)5處監(jiān)測點(diǎn)聚類系數(shù)分別為0.213、0.284、0.178、0.289 和 0.199，均為Ⅳ類水;4號(許堡)和6號(南梁)監(jiān)測點(diǎn)聚類系數(shù)均達(dá)到0.341，說明水質(zhì)屬于Ⅴ類。

綜合以上評價結(jié)果，在單項(xiàng)指標(biāo)分析評價結(jié)果的基礎(chǔ)上，運(yùn)用灰色聚類法得到的地下水質(zhì)量評價結(jié)果比較客觀的反映了大同縣地下水質(zhì)量狀況。

3.6 主要污染物成因分析

(1)pH值。大同縣淺層地下水的pH值同水中游離碳酸(包括溶解的氣體 CO2，未離解的H2CO3)、重碳酸根(HCO3－)、碳酸根(CO3

2－)關(guān)系極為密切。地下水在從山前傾斜平原向平原運(yùn)動過程中，地下徑流相對山前地帶變得較為緩慢，經(jīng)溶濾作用、離子交換等水文地球化學(xué)作用，地下水的陽離子Ca2+，Mg2+與粘土、亞粘土層的Na+進(jìn)行交換，形成了以鈉離子為主的水質(zhì)。當(dāng)?shù)叵滤芙饬说貙觾?nèi)的碳酸鹽類，使地下水中的重碳酸根離子增大。由于陸地水、河水和地下沿途溶濾攜帶的物質(zhì)和水中其它化學(xué)組份不斷匯集，水中陰離子以HCO3

－為主，陽離子由以 Ca2+，Mg2+為主轉(zhuǎn)向以Na+為主，含水介質(zhì)由山前地區(qū)單一的河流沉積相變成河流與湖泊的雙重沉積相類型。形成了區(qū)域內(nèi)大面積的堿性水及弱堿性水，造成這些區(qū)域的地下水 pH 值偏高為 8.0 ～9.0。

另外，大同第二發(fā)電廠位于山西省大同市，是華北電網(wǎng)的主力電廠。在大同縣境內(nèi)有黨留莊灰場。粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細(xì)灰，是燃煤電廠排出的主要固體廢棄物。大同第二發(fā)電廠粉煤灰年產(chǎn)量達(dá)73萬t，濕排粉煤灰需耗用大量的水，每濕排1t粉煤灰需20 m3，這些排灰水一部分蒸發(fā)，一部分滲入地下和進(jìn)入河道。根據(jù)大同第二發(fā)電廠新近排放至黨留莊灰場的粉煤灰樣本檢測結(jié)果顯示，灰水中主要超標(biāo)污染項(xiàng)目為pH值、懸浮物、氟化物，其中以pH值超標(biāo)量最為突出。由此可知，大同二電廠粉煤灰堆放也是影響當(dāng)?shù)丶爸苓吽h(huán)境的重要原因之一。

(2)氟化物。氟是人體必需微量元素，對維持人體鈣、磷代謝、神經(jīng)傳導(dǎo)及細(xì)胞酶活性等具有重要作用，但過量則會危害人體健康，導(dǎo)致氟斑牙和氟骨病等病癥。氟化物的富集受氣候、地理、地層巖石中含氟礦物、水文地質(zhì)條件等多種因素的影響。初步分析，其成因主要是由于地下水水位埋深淺、徑流條件差、水交替緩慢、蒸發(fā)強(qiáng)烈，導(dǎo)致地下水氟化物聚集和含量增高。氟的人為污染指人們在生產(chǎn)活動中排出含有氟的工業(yè)“三廢”物質(zhì)的污染，如大同第二發(fā)電廠粉煤灰，排出了大量含氟的廢水。

(3)細(xì)菌個數(shù)。本區(qū)地下水多為潛水，埋藏相對較淺，且很多水井緊鄰污染源，衛(wèi)生條件差。許多地方在水井周圍10 m以內(nèi)，有廁所或糞坑、牲畜圈、污水溝等。地表的污水通過滲透流入井中，另外農(nóng)村生活污水和生活垃圾的排放量也在逐年增加。因農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施比較落后，普遍缺乏基本的排水和垃圾清運(yùn)處理系統(tǒng)，污水大多不經(jīng)過任何處理，直接排放或沉淀在村邊溝渠和村莊地面，最終被降雨是沖刷進(jìn)入水體。這些水體中含有大量的微生物細(xì)菌，進(jìn)而污染地下水質(zhì)。

4 結(jié)論

(1)大同縣地下水污染比較嚴(yán)重，單項(xiàng)超標(biāo)污染物因子有pH值、氟化物、菌落總數(shù)及總大腸菌群4項(xiàng)。

(2)運(yùn)用灰色聚類法評價地下水水質(zhì)，在所有監(jiān)測點(diǎn)，水質(zhì)達(dá)到《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GBT14848-93)Ⅲ類水及更高要求的占46%，水質(zhì)不達(dá)標(biāo)占54%。

(3)灰色聚類法克服了單因子評價中受個別因素影響較大的缺陷，能比較全面的反映各個評價因子的影響，評價結(jié)果比較客觀的反映了水體的水質(zhì)狀況。

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Groundwater Quality Assessment in Datong County based on Grey Clustering Method

ZHANG Zhe， ZHENG Xiu-qing， CHEN Jun-feng， ZANG Hong-fei
(College of Water Conservancy Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，SX 030024，China)

The clustering coefficient is obtained by calculating the whitening weight function and gray-clustering weight，thus the observation object is classified and the evaluation index system is established based on the grey clustering method.As the groundwater quality monitoring data of Datong county，Shanxi province and based on the quality standard for groundwater，groundwater quality is evaluated and the main pollutants are analysed.The results show that:In all of monitoring stations，groundwater quality that reachⅢ grade or better just account for 46% ，while 54%do not.The results objectively reflect the categories of groundwater quality in Datong county，and could underlie the reasonable utilization and exploitation of groundwater.

groundwater quality;grey clustering method;whitenization weight function;Datong county

X824

A

1674-3504(2012)03-0270-06

10.3969/j.issn.1674-3504.2012.03.011

2011-10-18 責(zé)任編輯:吳志猛

張 哲(1985—)，女，碩士研究生，主要從事水文地質(zhì)的研究。E-mail:zhangzhe0404@sina.com *通訊作者:鄭秀清(1958—)，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水文地質(zhì)的研究。E-mail:zxq6818@sina.com