基于物元可拓法對(duì)唐山淺層地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)

王 雪

（河北省唐山水文水資源勘測(cè)局，河北 唐山063000）

常規(guī)的水質(zhì)評(píng)價(jià)主要是水質(zhì)的質(zhì)量評(píng)價(jià)，在評(píng)價(jià)方法上主要依據(jù)的是傳統(tǒng)線性關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，其方法包括綜合指數(shù)法［1］、支持向量機(jī)［2］、層次分析法［3］、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法等［4］，傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法缺乏解決評(píng)價(jià)因子與水質(zhì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)之間的非線性關(guān)系，存在人為的主觀干擾程度，影響評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本文通過(guò)對(duì)唐山市地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)，采用16處地下水水質(zhì)代表站的11項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)現(xiàn)狀年的情況進(jìn)行分析，為準(zhǔn)確、合理、科學(xué)的管理地下水的開(kāi)發(fā)與利用提供了科學(xué)依據(jù)。

1 研究概況

唐山市地處渤海灣中心地帶，位于河北省東部，是京津唐工業(yè)基地中心城市、京津冀城市群東北部副中心城市，地勢(shì)北高南低，自西、西北向東及東南趨向平緩，中部為燕山山前平原，南部和西部為濱海鹽堿地和洼地草泊。氣候?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)大陸性氣候，年平均氣溫11.5℃，年平均降水500~700mm。水資源較豐富，地表水達(dá)到保證率75%以上，地下水主要是平原區(qū)淺層淡水，多年平均河川基流量4.01億m3，平原淺層地下水開(kāi)采量逐年增大。

2 水質(zhì)評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)模型建立［5］

選擇物元法與可拓理論相結(jié)合方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，建立模型步驟：

（1）設(shè)A={（a，f）|a∈R，f=k（a）}，A為一個(gè)可拓集合，a為物元集中的元素；f=k（a）為a關(guān)于A的關(guān)聯(lián)度。式中 Z為物元集；N為事物代號(hào)集；C為事物特征集；R為屬于物元集、事物代號(hào)集、事物特征集范圍內(nèi)的論域；k為論域R到實(shí)數(shù)集的映射。

（2）經(jīng)典物元矩陣與節(jié)域物元矩陣。經(jīng)典物元矩陣是由集合元素特征與標(biāo)準(zhǔn)值單位組成，在經(jīng)典物元矩陣基礎(chǔ)上加以轉(zhuǎn)化為經(jīng)典物元事物的特征及此特征相應(yīng)拓廣了的量值范圍，建立了節(jié)域物元矩陣。

（3）構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)物元矩陣。評(píng)價(jià)指標(biāo)物元指標(biāo)由評(píng)價(jià)指標(biāo)樣本事物代號(hào)集N的特征與其數(shù)量值M組成的矩陣：

式中 P為物元分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；M為指標(biāo)數(shù)量值；N為事物集。

（4）構(gòu)建關(guān)聯(lián)度函數(shù)與計(jì)算關(guān)聯(lián)度。關(guān)聯(lián)度函數(shù)與權(quán)重計(jì)算公式如下：

式中 ρ為實(shí)軸上點(diǎn)與區(qū)間之間距離，即ui到X0i之間的距離；ui為實(shí)軸上的點(diǎn)數(shù)，X0i為節(jié)域物元特征值，X0i?Xbi；F（ui）各指標(biāo)不同級(jí)別的關(guān)聯(lián)函數(shù)；ξi為歸一化權(quán)重；λi為權(quán)重。

以構(gòu)建的關(guān)聯(lián)度函數(shù)來(lái)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)注值越大，所具有的權(quán)重值越大。為綜合關(guān)聯(lián)度，表示所包含的程度。則：

式中 fj（aj）為綜合關(guān)聯(lián)度；ξi為歸一化權(quán)重；F（ui）為各指標(biāo)不同級(jí)別的關(guān)聯(lián)函數(shù)。

（5）評(píng)價(jià)等級(jí)指數(shù)。各個(gè)關(guān)聯(lián)度加權(quán)度計(jì)算后進(jìn)行比較，值越大表明越接近標(biāo)準(zhǔn)值，評(píng)定后的最大值，就是評(píng)價(jià)等級(jí)指數(shù)。

2.2 評(píng)價(jià)因子選取

唐山市地下水的變化多年受到多種因素的影響，根據(jù)地貌特征等特點(diǎn)，水質(zhì)代表站的選擇分為了山區(qū)、平原、丘陵和濱海區(qū)4個(gè)代表區(qū)，具體的各自水質(zhì)代表站分別包括遷西、南新城、建昌營(yíng)、鄭莊子、華新、杜軍莊、北郊水廠、小張各莊、老城關(guān)、錢營(yíng)、小集、古馬村、石佛口、下馬坨、柳樹(shù)圈、漢沽。本項(xiàng)目根據(jù)GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和區(qū)域的地下水監(jiān)測(cè)種類的實(shí)際情況，結(jié)合評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取原則，選定總硬度、氯化物、硫酸鹽、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、高錳酸鉀、砷、錳、氟化物、鉛等11項(xiàng)評(píng)價(jià)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算與分析。地下水水質(zhì)評(píng)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)如表1。

表1 地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)11項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的地下水水質(zhì)Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)為監(jiān)測(cè)值，計(jì)算出所對(duì)應(yīng)的Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ類水質(zhì)狀況的評(píng)價(jià)指數(shù)，具體結(jié)果如表2。

表2 各類地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)指數(shù)目標(biāo)值與分類值

2.3 地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)

根據(jù)監(jiān)測(cè)年限選擇為2007～2016年共10年的16處地下水水質(zhì)代表站所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，作為水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)資料，重點(diǎn)對(duì)2016年的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性分析，并通過(guò)進(jìn)行數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)可以看出，唐山市地下水水質(zhì)狀況整體趨于穩(wěn)定狀態(tài)，水質(zhì)良好，通過(guò)選取的監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的水質(zhì)，達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的比例占62.5%，達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的比例占31.3%，這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)都能滿足唐山市生活飲用水、工農(nóng)業(yè)用水；6.2%的監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)超過(guò)了Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)不能滿足飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)成對(duì)人體一定的危害性。下馬坨的水質(zhì)中總硬度、氯離子、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮等指標(biāo)為Ⅳ類。平原與丘陵地區(qū)，地下水水位隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，逐漸趨向于下降趨勢(shì)，污染元素為亞硝酸鹽氮和鉛元素，主要來(lái)源工業(yè)與農(nóng)業(yè)的污染；在濱海區(qū)地下水埋深要比平原與丘陵地區(qū)淺一些，是氯化物和亞硝酸氮為主要污染元素，也是海水入侵導(dǎo)致地下水水質(zhì)變化特點(diǎn)。

3 地下水發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)監(jiān)測(cè)年限為2007～2016年共10年水質(zhì)變化進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，唐山市有50%的站點(diǎn)水質(zhì)變化趨勢(shì)基于平穩(wěn)，多變變化不大，達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；另50%的站點(diǎn)水質(zhì)變化趨勢(shì)較大，超出了達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)的變化趨勢(shì)，唐山市在20世紀(jì)末至21世紀(jì)初，水質(zhì)變化趨于好轉(zhuǎn)，全市整體水質(zhì)狀況良好，只有極個(gè)別的站點(diǎn)或區(qū)域水質(zhì)出現(xiàn)惡化現(xiàn)象，總體為發(fā)現(xiàn)水質(zhì)惡化趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

以唐山市淺層地下水為主要研究對(duì)象，通過(guò)分析評(píng)價(jià)水質(zhì)狀況，利用物元可拓法對(duì)唐山市16處地下水水質(zhì)站點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，說(shuō)明唐山市整體水質(zhì)狀況良好，并未出現(xiàn)水質(zhì)惡化趨勢(shì)。

［1］方菊，諶貽勝，童禎恭.綜合指數(shù)法在飲用水水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.給水排水工程，2011，8（4）：63-65．

［2］Meyer D，Leisch F，Hornik K.Benchmarking Support Vector Machine ［R］.Austria：Vienna University ofEconomics andBusinessAdministration，2002.

［3］蘇建廣，張?zhí)炝?，魯程鵬，等.基于層次分析法的云南省小康水利現(xiàn)狀評(píng)估［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2016，33（11）：122-126.

［4］Sylvester R O.Computer analysis of water quality data［J］.Journal ofwaterPollutionControlFederation，1962，34（6）：605-612.

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