基于分類指標(biāo)灰色聚類分析的張集水源地水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

【摘要】以張集地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料為基礎(chǔ)，依據(jù)《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2007），對(duì)張集水源地各采樣點(diǎn)指標(biāo)細(xì)化分類，確定白化函數(shù)并計(jì)算出灰色聚類權(quán)，得到聚類系數(shù)。運(yùn)用基于分類指標(biāo)的灰色聚類法采用由部分到整體的思路對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示各檢測(cè)點(diǎn)中，水質(zhì)都達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)及以上。研究結(jié)果比較客觀地反映了水源地地下水質(zhì)量的類別，可為地下水的科學(xué)合理的開(kāi)發(fā)利用與保護(hù)提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】灰色聚類法；分類指標(biāo)；張集；水質(zhì)評(píng)價(jià)

地下水作為人類自然資源的一部分，為全球的絕大部分人口提供著寶貴的水源，支持著農(nóng)業(yè)種植和工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，是社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)條件。水質(zhì)評(píng)價(jià)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(kāi)發(fā)利用提供決策依據(jù)。

我國(guó)地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)常用的方法有水質(zhì)單因子評(píng)價(jià)指數(shù)法，模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合評(píng)價(jià)法，灰色系統(tǒng)理論法等。其中灰色聚類法充分考慮各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)水質(zhì)的影響信息利用率較高，評(píng)價(jià)結(jié)果更客觀，更趨于合理，近年來(lái)在水質(zhì)評(píng)價(jià)中有著較多的應(yīng)用。但是同時(shí)也存在著一定的缺陷，首先是難以得出影響區(qū)域地下水質(zhì)量的指標(biāo)類別和主要組分，再者是對(duì)超標(biāo)指標(biāo)重視不夠，聚類權(quán)重的確定不夠合理，使評(píng)價(jià)結(jié)果級(jí)別容易偏低，在對(duì)張集水源地的實(shí)際水質(zhì)評(píng)價(jià)工作中，針對(duì)選取的七個(gè)采樣點(diǎn)的評(píng)價(jià)結(jié)果均為Ⅰ類水，顯然不符合客觀實(shí)際。主要是由于評(píng)價(jià)指標(biāo)中大部分為痕量指標(biāo)，用傳統(tǒng)方法計(jì)算聚類權(quán)值，造成了聚類系數(shù)在Ⅰ類水處聚集，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果失真。鑒此，作者將所采集樣品的檢測(cè)指標(biāo)按化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分類，各指標(biāo)在所處類別中計(jì)算聚類權(quán)重，對(duì)分類指標(biāo)分別進(jìn)行灰色聚類評(píng)價(jià)，最終將評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行綜合分析得出水質(zhì)類別。改進(jìn)后的方法能夠更合理地確定聚類權(quán)，掌握區(qū)域地下水質(zhì)量的基礎(chǔ)信息。

1、基于分類指標(biāo)灰色聚類分析原理

灰色聚類評(píng)價(jià)法的基本思路就是以灰數(shù)的白化函數(shù)生成為基礎(chǔ)，將收集的聚類對(duì)象觀測(cè)值的分散信息，按照灰類進(jìn)行歸納，計(jì)算水體水質(zhì)中各因子的實(shí)測(cè)濃度與各級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的灰度（關(guān)聯(lián)度），然后根據(jù)灰度大小確定水體水質(zhì)的級(jí)別。常規(guī)的灰色聚類方法在數(shù)據(jù)歸一化和計(jì)算聚類權(quán)重時(shí)沒(méi)有針對(duì)各類指標(biāo)的特點(diǎn)進(jìn)行區(qū)別處理，缺乏廣泛的適應(yīng)性。據(jù)此，作者將樣本的檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行分類，對(duì)各分類分別進(jìn)行灰色聚類評(píng)價(jià)，確定分類的地下水質(zhì)量級(jí)別，綜合五個(gè)分類地下水質(zhì)量級(jí)別得出樣本的地下水質(zhì)量等級(jí)。具體步驟如下：

1.1確定指標(biāo)分類

依據(jù)《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2007）將所采集樣品的檢測(cè)指標(biāo)按其化學(xué)性質(zhì)劃分為一般化學(xué)指標(biāo)、無(wú)機(jī)毒理指標(biāo)、毒性重金屬指標(biāo)、揮發(fā)性有機(jī)指標(biāo)和放射性指標(biāo)等5項(xiàng)，記為g=1，2，，5，具體分類結(jié)果見(jiàn)表1。

1.2 灰色聚類分析

1.2.1 確定聚類白化數(shù)

在評(píng)價(jià)過(guò)程中，記聚類白化數(shù)為，即各樣品的檢測(cè)結(jié)果（污染物濃度值），將各采樣點(diǎn)上不同檢測(cè)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值建立白化數(shù)矩陣。

1.2.3 聚類權(quán)重及聚類系數(shù)

為了衡量各指標(biāo)在所處指標(biāo)類別中對(duì)同一灰類的權(quán)重，依據(jù)《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2007），以Ⅱ類水質(zhì)作為參考標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)5個(gè)灰度標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行無(wú)量綱化處理，用各指標(biāo)的灰度標(biāo)準(zhǔn)值分別除以其對(duì)應(yīng)的Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)值，記處理后的結(jié)果為 ，即=，其中，為指標(biāo)類灰度的標(biāo)準(zhǔn)值，為指標(biāo)的Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)值。則各指標(biāo)的聚類權(quán)重計(jì)算方法為：

1.3 評(píng)價(jià)結(jié)果的確定

根據(jù)樣本中不同分類關(guān)于各灰度的聚類系數(shù)，按照聚類系數(shù)最大歸類原則，得出各樣本不同分類的地下水質(zhì)量級(jí)別，分類評(píng)價(jià)結(jié)果的最高類別作為采樣點(diǎn)的地下水質(zhì)量級(jí)別，最終確定各個(gè)采樣點(diǎn)的地下水質(zhì)量級(jí)別。

2、張集巖溶地下水源地水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

2.1 研究區(qū)概況

張集巖溶地下水源地位于徐州市東南約25km，面積約為356.41km2，多年平均降水量830mm，降雨入滲系數(shù)為0.24～0.38。其含水層主要由震旦系和寒武系的碳酸鹽巖組成，溶洞和裂隙發(fā)育，為巖溶水的賦存提供了空間。廢黃河沿線存在一個(gè)大的斷裂帶，帶內(nèi)巖石破碎，透水性好，是區(qū)域內(nèi)地下水的主要開(kāi)采區(qū)，張集巖溶地下水源地的開(kāi)采水井也分布在此區(qū)域內(nèi)。隨著近年來(lái)工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，使得水源地地下含水層遭受到了一定的污染。采用基于分類指標(biāo)灰色聚類分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在了解張集巖溶地下水源地的水質(zhì)狀況，識(shí)別 主要污染物類別，為水源地的水質(zhì)管理提供指導(dǎo)。

2.2 評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)

本文選取張集水源地小劉莊21號(hào)，鄧樓果園2號(hào)，梁塘10號(hào)，郭莊1號(hào)，丁樓1號(hào)，道北13號(hào)，小山子5號(hào)等7個(gè)采樣點(diǎn)的最新檢測(cè)數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)因子，包括pH、總硬度 （以CaCO3計(jì)）、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、鐵、錳等36項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)，運(yùn)用基于分類指標(biāo)灰色聚類分析法對(duì)各個(gè)采樣點(diǎn)的地下水水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2007）。

2.3 水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

由表2中各采樣點(diǎn)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果可知，張集水源地大部分區(qū)域地下水水質(zhì)良好，部分區(qū)域地下水質(zhì)量?jī)?yōu)良。其中，梁塘10號(hào)采樣點(diǎn)的水質(zhì)達(dá)到Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)，其余取樣點(diǎn)水質(zhì)均為Ⅱ類水。在分類評(píng)價(jià)中，7個(gè)采樣點(diǎn)的一般化學(xué)指標(biāo)、無(wú)機(jī)毒理指標(biāo)和毒性重金屬指標(biāo)三項(xiàng)分類評(píng)價(jià)結(jié)果均為Ⅰ級(jí)；6個(gè)采樣點(diǎn)的放射性指標(biāo)分類評(píng)價(jià)結(jié)果達(dá)到Ⅱ級(jí)；3個(gè)采樣點(diǎn)的揮發(fā)性有機(jī)指標(biāo)分類評(píng)價(jià)結(jié)果達(dá)到Ⅱ級(jí)；綜上得出影響區(qū)域地下水質(zhì)量的指標(biāo)類別主要為放射性指標(biāo)與揮發(fā)性有機(jī)指標(biāo)。

由于研究區(qū)放射性指標(biāo)未超過(guò)指導(dǎo)值，符合飲用標(biāo)準(zhǔn)，所以不需要進(jìn)行核素分析與評(píng)價(jià)。揮發(fā)性有機(jī)指標(biāo)的Ⅲ類聚類系數(shù)雖未超過(guò)Ⅰ類或Ⅱ類的聚類系數(shù)，但其比重較大，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，其主要原因是研究區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用的大量農(nóng)藥下滲，進(jìn)入地下水，使得滴滴涕、六六六的污染物濃度較高，對(duì)地下水水質(zhì)產(chǎn)生了一定的影響。

3、結(jié)語(yǔ)

（1）基于分類指標(biāo)灰色聚類分析法是在灰色理論的基礎(chǔ)上，將不同類別檢測(cè)指標(biāo)細(xì)化評(píng)價(jià)，依據(jù)最不利評(píng)價(jià)原則確定取樣點(diǎn)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，從而更客觀的反應(yīng)綜合的水質(zhì)狀況。

（2）將改進(jìn)的方法應(yīng)用于張集巖溶地下水源地，結(jié)果表明各個(gè)采樣點(diǎn)水質(zhì)均高于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》限值，作為飲用水源是安全可靠的。

（3）張集地區(qū)的農(nóng)業(yè)污染是水源地主要的污染源，農(nóng)藥的大量使用影響著水源地的水質(zhì)，在今后的工作中應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)的治理和保護(hù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉政，朱國(guó)宇，張先起，張玉良. 水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的基于熵權(quán)的灰色關(guān)聯(lián)模型[J]. 四川環(huán)境，2007，06：69-71+82.

[2]李燕. 徐州市張集水源地地下水?dāng)?shù)值模擬及環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

[3]厲艷君，楊木壯. 地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)方法綜述[J]. 地下水，2007，05：19-24.

[4]劉菲菲，趙方樂(lè). 地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)方法的綜述[J]. 綠色科技，2013，06：204-207.

[5]楊炳超. 地下水質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法的研究[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2004.

[6]張祖亮. 灰色聚類法在地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]. 云南環(huán)境科學(xué)，2004，01：60-62.

[7]李亞松，張兆吉，費(fèi)宇紅，錢永，孟素花，郭春艷. 改進(jìn)的灰色聚類法在地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]. 水資源保護(hù)，2012，05：25-28.

[9]李亞松. 地下水質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法研究[D].中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院，2009.

[10]嚴(yán)登華，袁喆，王浩，楊志勇. 水文學(xué)確定性和不確定性方法及其集合研究進(jìn)展[J]. 水利學(xué)報(bào)，2013，01：73-82.

[11]王文圣，丁晶. 水文學(xué)確定性和不確定性方法的耦合初探[J].水文，2014，02：3-7.

[12]《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2007）

[13]錢斌，馮啟言，李庭，高波. 基于灰色聚類法的賈汪廢棄礦區(qū)地下水水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)[J]. 節(jié)水灌溉，2014，06：50-53.

[14]王一凡，張永祥，王昊，鞏奕成，冉令坦. 地下水質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法的對(duì)比分析及應(yīng)用[J]. 河北工業(yè)科技，2014，06：457-462.

[15]張哲，鄭秀清，陳軍峰，臧紅飛. 利用灰色聚類法評(píng)價(jià)大同縣地下水水質(zhì)[J]. 東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，03：270-275.

[16]阮艷榮，高茂庭，張穎. 基于改進(jìn)的灰色聚類關(guān)聯(lián)分析的水質(zhì)評(píng)價(jià)[J]. 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（專業(yè)版），2015，20：67-71.

[17]董奮義，劉俊娟，劉斌，李炳軍. 灰色綜合聚類法的改進(jìn)及其在河南省農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究，2010，04：478-483.