日照市濤雒地區(qū)淺層地下水環(huán)境質(zhì)量綜合評價

劉久潭，王　敏，劉書江，徐紅兵，高宗軍

(1.山東科技大學/山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點實驗室，山東 青島 266510；2.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，青島地質(zhì)工程勘察院，山東 青島 266071)

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日照市濤雒地區(qū)淺層地下水環(huán)境質(zhì)量綜合評價

劉久潭1，王敏1，劉書江1，徐紅兵2，高宗軍1

(1.山東科技大學/山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點實驗室，山東 青島 266510；2.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，青島地質(zhì)工程勘察院，山東 青島 266071)

[摘要]根據(jù)日照市濤雒地區(qū)實測枯、豐水期兩期淺層地下水數(shù)據(jù)，選取總硬度、TDS、SO42-、Cl-、Fe、Mn、COD、NO3-、NO2-、NH4+、F、Se、Pb、Be等15項影響因子，運用模糊模式識別理論評價方法進行地下水環(huán)境質(zhì)量評價，同時將評價結(jié)果與傳統(tǒng)的加附注的評分方法的評價結(jié)果進行對比分析。評價結(jié)果表明，日照市濤雒地區(qū)的淺層地下水已經(jīng)普遍受到污染，水質(zhì)已經(jīng)劣化，基本不適合飲用。評價結(jié)果對比分析表明，模糊識別理論模型和加附注評分方法計算出的結(jié)果基本相同，且和實際調(diào)查結(jié)果較吻合，說明運用模糊模式識別理論評價日照市濤雒地區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量是有效可行并符合客觀事實的。

[關(guān)鍵詞]日照市濤雒地區(qū)；地下水；模糊模式識別理論；環(huán)境質(zhì)量評價

地下水資源是一種珍貴的淡水資源，在我國北方城市也是主要供水水源[1-2]。濤雒地區(qū)位于日照市的經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，是日照經(jīng)濟發(fā)展和城區(qū)擴張速度最快的地段之一。濤雒地區(qū)鋼鐵、造船、石化、漿紙、紡織等工礦企業(yè)發(fā)展較快，不僅加快了濤雒地區(qū)的工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和城市人口、經(jīng)濟的快速增長，而且也帶來大量的污染，若不采取有效的防治措施，將使地下水的污染有加重的趨勢。因此，對濤雒地區(qū)進行地下水環(huán)境質(zhì)量評價有重要的現(xiàn)實意義。

地下水環(huán)境是一個多層次、多目標的復雜系統(tǒng)[3]。當前，對于地下水環(huán)境質(zhì)量評價的方法有很多種，包括加附注的評分方法[3]、單因子指數(shù)評價法[4]、灰色聚類評價法[5]、模糊綜合評價法[4-5]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法[6]、模糊模式識別法[7]等。在地下水水環(huán)境質(zhì)量評價中，污染程度、水質(zhì)類別、分類界限都是一些客觀存在的模糊概念和模糊現(xiàn)象，因此應用模糊集理論進行地下水水質(zhì)評價，可以更具有具針對性，同傳統(tǒng)的評價方法相比較，模糊識別法的評價結(jié)果更趨于實際情況[7]。本文選取模糊識別理論方法對日照濤雒地區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量進行綜合評價。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)域主要位于日照市濤雒地區(qū)付疃河和巨峰河流域，北至日照水庫，東西邊界為第四系和基巖交界線，東南邊界是黃海和大陸交界處。區(qū)域內(nèi)河流主要是內(nèi)陸河入海段，河流的發(fā)育與分布嚴格受地形、地貌及構(gòu)造的控制，流向多為北西、南東向，其中較大的河流為付疃河和巨峰河。出露地層主要為新生界第四系(Q)地層，主要分布在付疃河和巨峰河及其支流兩岸及山前溝谷地帶，主要有：沂河組(QY)、臨沂組(QL)、山前組(QS)。研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造多為沂沭斷裂帶之派生斷裂，按其方向主要有北東向和近東西向兩組。地下水類型主要為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩種，主要補給來源為大氣降水和地表水入滲。

2地下水環(huán)境質(zhì)量評價方法

在日常生活和工程領(lǐng)域中有很多需要將已知樣本進行歸類的問題，這些問題的共同點就是根據(jù)給定的各類型和級別來識別給定的樣本屬于哪個類型，這就是指的模糊模式識別問題。為解決此類問題，建立模糊模式識別模型，模糊模式識別是參考系統(tǒng)兩級及中間線性變化的相對統(tǒng)一的系統(tǒng)[8-9]。

2.1評價樣本和評價標準的確定

選定識別對象的特征指標特征矩陣X，構(gòu)造指標標準特征值矩陣Y。假設(shè)需要對一模糊集進行識別的n個樣本組成的集合，有m個指標特征值表示樣本的整體特征，則有樣本集的指標特征值矩陣X。若樣本集依據(jù)m個指標按5個狀態(tài)或級別的已知指標標準特征值進行識別，則有指標標準特征值矩陣Y。

(1)

(2)

2.2計算隸屬度

若規(guī)定1級水質(zhì)為優(yōu)良水質(zhì)，其評價指標1級的標準濃度為yi1對于污染程度的相對隸屬度si1=0；5級水質(zhì)為重度污染，其指標i的標準濃度yi5對于污染程度的相對隸屬度si5=1，則處于1～5級之間的h級污染程度指標i的標準濃度yih的相對隸屬度sih可根據(jù)式(3)確定：

(3)

對具有遞增型特征值的指標i，若實測濃度xij小于等于標準濃度yi1，其相對隸屬度rij=0；若實測濃度xij大于等于yi5，rij=1。介于yi1與yi5之間，rij按下式確定：

具有遞增型特征值的指標i的相對隸屬度可根據(jù)式(4)確定：

(4)

根據(jù)(3)、(5)式可將m個指標按5個狀態(tài)或級別識別的指標標準特征值矩陣Y轉(zhuǎn)化為相對應相對隸屬度矩陣S；根據(jù)(4)、(6)式可將n個樣本集指標特征值矩陣X轉(zhuǎn)化為相對應相對隸屬度矩陣R。

(5)

(6)

式中：xij為樣本j指標i的特征值(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)。yi5為狀態(tài)或級別h指標i標準特征值(h=1，2，…，5)。

2.3確定綜合化權(quán)重

相對隸屬度矩陣R只能反應各項指標對應評價等級的相對隸屬程度，不能直接反應不同因子、因素對整體環(huán)境的影響，故需要引入權(quán)重來進行判斷。權(quán)重的計算方法很多，本文選取因子污染分擔率法對各環(huán)境指標的權(quán)重進行計算。

計算權(quán)重W(ωij)公式：

(7)

(8)

(9)

式中：ωij為j樣本的i指標的權(quán)重；eij為第i種污染物的污染指數(shù)；Ci為第i種污染物濃度；si為第i種污染物的平均標準值；si1，si2，…，si5為第i種污染物各級別的標準值[8-9]。

2.4確定模糊模式識別模型

將R、S、W中數(shù)據(jù)代入模型，可判斷出研究對象屬于哪一個模式或標準樣本。模糊模式識別模型如公式(10)所示：

(10)

(11)

dhj為樣本j與級別h之間的廣義權(quán)距離；p為距離參數(shù)，這里取歐拉距離2；ωij為權(quán)向量。根據(jù)模糊概念在分級條件下的最大隸屬度原則不適用性，采用級別特征值的方法對水質(zhì)類別進模糊概念在分級條件下的最大隸屬度原則不適用性，采用級別特征值的方法對水質(zhì)類別進行判斷—確定模糊模式識別模型評價等級[9-11]。

(12)

考慮到水質(zhì)評價中的區(qū)間值類別類型,對上述結(jié)果做如下處理，對水體質(zhì)量進行歸類:Hj四舍五入取整數(shù)，評價結(jié)果取Hj整數(shù)值。

3評價結(jié)果分析

本次評價以GB/T14848—93《地下水質(zhì)量標準》為評價標準，選取了16個淺層地下水采樣點，枯、豐水期兩期共32組水樣。運用模糊模式識別理論評價地下水環(huán)境時選取總硬度、TDS、SO42-、Cl-、Fe、Mn、COD、NO3-、NO2-、NH4+、F、Se、Pb、Be等15項污染影響因子進行地下水環(huán)境質(zhì)量評價，并且同加附注的評分方法的結(jié)果進行了對比。其評價結(jié)果及對比見表1、表2。

模糊模式識別方法計算地下水環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果可以看出，豐水期10號點、枯水期8號點的綜合水質(zhì)最好，符合《地下水環(huán)境質(zhì)量標準》(GBT14848-93)Ⅲ類水的標準。4、7、9、11、13、15號點在豐、枯水期是水質(zhì)監(jiān)測都評價為Ⅴ類水，說明水質(zhì)較惡劣。評價結(jié)果為Ⅴ類水的點主要分布在巨峰河、付疃河的下游，周邊有較多的工業(yè)污染源如鋼鐵冶煉、造紙廠、化工廠、紡織廠、食品加工廠等。枯、豐水期樣品中Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類水數(shù)量均為1、6、9個，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類水所占比例分別為6.25%、37.5%、56.25%，兩期水樣各類等級所占比例相同。對比豐、枯水期水質(zhì)評價等級可知，兩期水質(zhì)評價等級基本一致，由此可得出研究區(qū)內(nèi)淺層地下水已經(jīng)普遍受到一定程度的污染，且地下水環(huán)境質(zhì)量的好壞與是否為豐、枯水期的沒有明顯的聯(lián)系。

表1　豐水期地下水環(huán)境質(zhì)量結(jié)果對比

表2　枯水期地下水環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果對比

傳統(tǒng)的加附注的評分方法的評價結(jié)果中僅有10號豐水期水樣評分值為4.26，等級劃分為較好；18組水樣評分F值位于4.26～7.2之間，其等級劃分為較差；共有13個樣品評分F值大于7.2，等級劃分為極差。

根據(jù)評價結(jié)果可以看出，使用加附注的評分方法和模糊模式識別理論模型計算出的結(jié)果基本相同。

4結(jié)語

綜合分析，濤雒地區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量的好壞與是否為豐、枯水期沒有明顯的聯(lián)系。研究區(qū)內(nèi)淺層地下水環(huán)境已經(jīng)普遍受到嚴重的污染，水質(zhì)已經(jīng)劣化，基本不適合飲用，這一點和實際調(diào)查時當?shù)鼐用穹从车叵滤付唷⑾潭却?、水質(zhì)差的結(jié)果較為吻合。運用模糊模式識別理論方法對日照市濤雒地區(qū)淺層地下水環(huán)境質(zhì)量評價是有效可行并符合客觀事實的。

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[中圖分類號]P641.8

[文獻標識碼]B

[文章編號]1004-1184(2016)02-0097-03

[作者簡介]劉久潭(1991-)，男，山東安丘人，在讀碩士研究生，主攻方向：水文地質(zhì)。

[基金項目]山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)(日照部分)1:10萬地下水污染調(diào)查評價

[收稿日期]2016-03-01