灰色關(guān)聯(lián)法在徐州市地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

陳 穎，李 倩

(江蘇省水文水資源勘測(cè)局徐州分局，江蘇 徐州 221006)

灰色關(guān)聯(lián)法在徐州市地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

陳 穎，李 倩

(江蘇省水文水資源勘測(cè)局徐州分局，江蘇 徐州 221006)

地下水質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)具有廣泛不確定性，而灰色關(guān)聯(lián)法則體現(xiàn)了這種不確定性，廣泛應(yīng)用在水質(zhì)評(píng)價(jià)中。徐州市作為全國(guó)40個(gè)重點(diǎn)缺水城市之一，地下水是該市供水主要來(lái)源，根據(jù)徐州市地下水水源地2015年實(shí)測(cè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)徐州市10個(gè)地下水水源地水質(zhì)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，徐州市地下水水源地屬于Ⅱ～Ⅲ類水質(zhì)類別，其中賈汪地下水水源地、睢寧縣地下水水源地、沛縣地下水水源地和沛縣大屯煤電地下水水源地水質(zhì)類別為Ⅲ類，均適用于集中式生活飲水源。評(píng)價(jià)結(jié)果證明灰色關(guān)聯(lián)分析法在徐州市地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)中具有實(shí)用性。

灰色關(guān)聯(lián)法；地下水水源地 ；水質(zhì)評(píng)價(jià)；徐州市

徐州市是全國(guó)40個(gè)重點(diǎn)缺水城市之一，也是開采地下水較早的城市之一，地下水是徐州市供水的主要來(lái)源，地下水的開發(fā)利用與徐州市的城市發(fā)展、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)密切相關(guān)，地下水水源地安全關(guān)系到人民群眾的健康、生命安全和社會(huì)和諧穩(wěn)定。地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)是地下水資源科學(xué)管理的基礎(chǔ)，如何準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)出地下水的質(zhì)量等級(jí)，評(píng)價(jià)方法的選擇起著關(guān)鍵作用目前國(guó)內(nèi)還沒有統(tǒng)一、規(guī)范的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法。由于地下水質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)是一個(gè)多因素、多方面耦合作用的復(fù)雜系統(tǒng)，具有廣泛不確定性，其中的不確定性具有灰色性。因而基于灰色系統(tǒng)理論評(píng)價(jià)方法，體現(xiàn)了水環(huán)境系統(tǒng)的不確定性，具有方法簡(jiǎn)單、定量可比的優(yōu)點(diǎn)，在水質(zhì)評(píng)價(jià)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。本文嘗試在地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)中采用灰色關(guān)聯(lián)法，對(duì)徐州市地下水水源地水質(zhì)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

1 灰色關(guān)聯(lián)法模型的建立與計(jì)算方法

1.1 灰色關(guān)聯(lián)法建模理論

灰色關(guān)聯(lián)是對(duì)一個(gè)系統(tǒng)發(fā)展變化態(tài)勢(shì)的定量描述和比較的方法?；疑P(guān)聯(lián)分析采用關(guān)聯(lián)度來(lái)量化系統(tǒng)內(nèi)各評(píng)價(jià)因素的相互聯(lián)系、相互影響和相互作用關(guān)系，它根據(jù)兩個(gè)因子參數(shù)序列構(gòu)成的空間曲線的接近程度判斷聯(lián)系的緊密程度，曲線越接近．相應(yīng)序列之間的關(guān)聯(lián)度就越大，反之就越小[2]。

1.2 確定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列和水質(zhì)樣本數(shù)列

將水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)作為參考數(shù)列 {Yi(k)}，水質(zhì)監(jiān)測(cè)值作為比較數(shù)列{Xj(k)}。其中k表示評(píng)價(jià) 因子，i表示水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)類別 ，j表示采用水源地的個(gè)數(shù)。則{Yi(k)}可演化為水質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)矩陣Yin，則{Xj(k)}可演化為水質(zhì)樣本矩陣Xjn。

{Yi(k)}={Yi(1)，Yi(2)，… ，Yi(n)}

{Xj(k)}={Xj(1)，Xj(2)，… ，Xj(n)}

1.3 無(wú)量綱化

無(wú)量綱化即采用某一指標(biāo)的實(shí)測(cè)值與各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值的平均值相比的方法，此法既可以達(dá)到無(wú)量化的目的，而且又反映了污染物的相對(duì)污染狀況。水質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)矩陣Yin無(wú)量綱化后記為Uin，水質(zhì)樣本矩陣Xjn無(wú)量綱化后記為Vjn。

(1)

(2)

1.4 關(guān)聯(lián)系數(shù)的計(jì)算

首先要計(jì)算出樣本序列和標(biāo)準(zhǔn)序列的絕對(duì)差Δij(k)。

Δij(k) =︱Ui(k)-Vj(k)︱

(3)

再找出兩級(jí)最大差Δmax和兩級(jí)最小差Δmin，Δmax為Δij(k)的最大值，Δmin為Δij(k)的最小值。計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)公式如下：

(4)

式中：ρ為分辨系數(shù)，取值介于0～1之間，通常取0.5。

1.5 權(quán)重的計(jì)算

計(jì)算權(quán)重的方法很多，本文采用以實(shí)測(cè)值和標(biāo)準(zhǔn)值雙重角度賦權(quán)法中的污染貢獻(xiàn)率法 中的超標(biāo)倍數(shù)法計(jì)算權(quán)重，權(quán)重Wj(k)計(jì)算公式為：

(5)

式中：Ij(k)為j個(gè)水源地評(píng)價(jià)因子k的超標(biāo)倍數(shù)，是評(píng)價(jià)因子k的監(jiān)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)濃度的比值；Xj(k)為j個(gè)水源地評(píng)價(jià)因子k監(jiān)測(cè)濃度，mg/L；Y(k)為評(píng)價(jià)因子k標(biāo)準(zhǔn)濃度，mg/L。

1.6 關(guān)聯(lián)度的計(jì)算

綜合各點(diǎn) (k=1，2，…，n)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，得到比較數(shù)列{Vj(k)}與參考數(shù)列 {Ui(k)}的關(guān)聯(lián)度γij：

(6)

由上式求得最大γi=max︱γ1，γ2，…，γn︱值所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別i即為待評(píng)價(jià)水源地的水質(zhì)類別。

2 灰色關(guān)聯(lián)法在徐州市地下水水源地水質(zhì)

評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

2.1 評(píng)價(jià)資料、標(biāo)準(zhǔn)與因子選擇

本文采用2015年徐州市10個(gè)地下水源地(丁樓、張集、七里溝、賈汪、豐縣、沛縣、沛縣大屯煤電、新沂市、邳州市)水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料的年均值,來(lái)評(píng)價(jià)分析現(xiàn)狀水質(zhì)狀況。依據(jù)國(guó)家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)《GB/T14848-93》[4]，選擇的評(píng)價(jià)因子為：總硬度、溶解性總固體、氯化物、高錳酸鹽指數(shù)和硝酸鹽氮。

2.2 矩陣的建立與無(wú)量綱化計(jì)算

水質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)矩陣Y5×5以地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)《GB/T14848-93》中的I～V類五級(jí)水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)建立。水質(zhì)樣本矩陣X10×5以2015年徐州市地下水水源地總硬度、溶解性總固體、氯化物、高錳酸鹽指數(shù)和硝酸鹽氮的年平均值來(lái)建立。

Y5×5=150 300 50 1．0 2．03005001502．05．045010002503．0205502000350103055020003501030é?êêêêêù?úúúúúⅠⅡⅢⅣⅤ

X10×5=393 752 77．6 0．8 3．1833873350．70．92．273618101190．95．6445489768．11．07．6636288784．10．80．741598321050．80．274528991751．00．244989531610．80．4127169086．51．12．3038078960．90．90．76é?êêêêêêêêêêêù?úúúúúúúúúúú丁樓張集七里溝賈汪睢寧縣豐縣沛縣沛縣大屯煤電新沂市邳州市

根據(jù)公式 (1)和 (2)對(duì)水質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)矩陣Y5×5和水質(zhì)樣本矩陣X10×5分別進(jìn)行無(wú)量綱化計(jì)算，分別記為U5×5和 V10×5。

2.3 計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)

以丁樓地下水水源地為例，通過公式(3)計(jì)算出算出樣本序列和標(biāo)準(zhǔn)序列的絕對(duì)差Δij(5)，并找出兩級(jí)最大差Δmax和兩級(jí)最小差Δmin。

其中Δmax=0.038 和Δmin=1.769。

表1 徐州市地下水水源地水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果表

根據(jù)公式(4)計(jì)算出關(guān)聯(lián)系數(shù)ξij(5)。

2.4 計(jì)算關(guān)聯(lián)度并判定水質(zhì)類別

根據(jù)公式(5)和(6)計(jì)算出丁樓地下水水源地的數(shù)據(jù)樣本對(duì)各級(jí)別的關(guān)聯(lián)度為：γ1=0.758，γ2=0.829，γ3=0.787，γ4=0.541，γ5=0.541?？梢缘贸靓?最大，所以丁樓地下水水源地2015年的水質(zhì)類別評(píng)價(jià)為Ⅱ類。

根據(jù)以上步驟，可以計(jì)算出剩余的9個(gè)地下水水源地標(biāo)準(zhǔn)序列的關(guān)聯(lián)度，得到其水質(zhì)類別如表 1。

3 評(píng)價(jià)結(jié)果討論

運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)徐州市地下水水源地水質(zhì)進(jìn)行了定量準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，結(jié)果證明灰關(guān)聯(lián)分析法有其實(shí)用性。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，徐州市地下水水源地水質(zhì)屬于Ⅱ～Ⅲ類水質(zhì)，根據(jù)地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)《GB/T14848-93》中Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，適用于集中式生活飲用水水源。其中賈汪地下水水源地、睢寧縣地下水水源地、沛縣地下水水源地和沛縣大屯煤電地下水水源地水質(zhì)類別為Ⅲ類，主要是因?yàn)榭傆捕群腿芙庑钥偣腆w偏高。

[1]廖水文，鄢忠純，黃沈發(fā).應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)法評(píng)價(jià)上海市水源地水質(zhì)狀況[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù).2009.32(12D):108-111.

[2]劉洪，孫國(guó)曦.灰色關(guān)聯(lián)法在淮安市地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].江蘇環(huán)境科技.2007(20):51-53.

[3]韓煒，孟慶江，楊靖.徐州市市區(qū)地下水水質(zhì)狀況分析[J].環(huán)境科技.2009(12):108-109.

2017-03-22

陳穎(1980-)，女，江蘇新沂人，工程師，主要從事水文水資源和地下水管理工作。

P641.8

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1004-1184(2017)04-0049-02