胡尊芳,孫建峰,宋印勝,王仕昌,韓玉珍

(1.山東省物化探勘查院,山東 濟(jì)南　250013; 2.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院,山東 濟(jì)南　250061)

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基于云模型的東平湖枯水期地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)

胡尊芳1,2,孫建峰1,宋印勝1,王仕昌1,韓玉珍1

(1.山東省物化探勘查院,山東 濟(jì)南250013; 2.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院,山東 濟(jì)南250061)

水質(zhì)評(píng)價(jià)；南水北調(diào)東線工程;東平湖;枯水期;地下水;云模型

東平湖位于山東省泰安市,是南水北調(diào)東線工程的調(diào)蓄水庫(kù),同時(shí)也擔(dān)負(fù)著黃河下游地區(qū)和山東省西水東調(diào)水資源調(diào)蓄調(diào)配的功能,地位重要。地下水是東平湖水環(huán)境的重要組成部分,一方面地下水是當(dāng)?shù)鼐用裰饕纳钏?另一方面地下水通過(guò)與地表水的相互交換影響地表水水質(zhì),進(jìn)而影響南水北調(diào)工程受水區(qū)域的用水安全,因此有必要對(duì)東平湖地下水水質(zhì)進(jìn)行調(diào)查評(píng)價(jià)。

有關(guān)地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)的方法有:單因子評(píng)價(jià)法、綜合指數(shù)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、模糊綜合評(píng)價(jià)法、灰色聚類法等[1],但每種方法都有其局限性,鑒于此,筆者引入云模型地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)方法。云模型是基于概率論和模糊數(shù)學(xué)理論而構(gòu)建出來(lái)的一種定性概念與其定性數(shù)值表示之間的不確定性轉(zhuǎn)換模型[2]。云模型能綜合考慮評(píng)價(jià)過(guò)程中評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的非線性、評(píng)價(jià)因子的多樣性以及評(píng)價(jià)過(guò)程之中的模糊性與隨機(jī)性等特點(diǎn),在空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)、水資源再生能力評(píng)價(jià)、土地利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等多方面得到廣泛應(yīng)用[3-7]。

云模型在水環(huán)境評(píng)價(jià)領(lǐng)域也有應(yīng)用,如楊文[8]首次采用云模型與Spearman秩相關(guān)系數(shù)相結(jié)合的方法對(duì)寧?？h地表水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià),結(jié)果表明模型分析結(jié)果與實(shí)際情況基本符合,云模型可以很好彌補(bǔ)Spearman秩相關(guān)系數(shù)中存在的不均勻性量化值缺陷;丁昊等[9]利用云模型對(duì)我國(guó)14個(gè)代表性湖庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化情況進(jìn)行了評(píng)價(jià),并與國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法、評(píng)分公式法及模糊綜合評(píng)價(jià)法所得的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,驗(yàn)證了云模型方法的可行性和有效性;白曉燕等[10]采用基于Critic權(quán)重的云模型對(duì)東江干流水質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià),結(jié)果表明云模型方法合理可行,且更為直觀地反映了水質(zhì)評(píng)價(jià)中的模糊性和隨機(jī)性;王昭洋等[11]采用改進(jìn)賦權(quán)的多維云模型對(duì)國(guó)內(nèi)12個(gè)水庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)行了評(píng)價(jià),準(zhǔn)確獲得了湖庫(kù)水質(zhì)的富營(yíng)養(yǎng)化級(jí)別。

目前,東平湖地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)工作開(kāi)展的相對(duì)較少,在2013年10月19日南水北調(diào)東線一期工程全線通水后,相關(guān)的工作更是沒(méi)有展開(kāi)。本文采用云模型對(duì)南水北調(diào)東線工程通水前后的東平湖地下水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià),以期為南水北調(diào)東線工程的運(yùn)行管理提供參考。

1　材料與方法

1.1樣品采集與分析

圖1　東平湖水系圖及采樣點(diǎn)位置

1.2云模型評(píng)價(jià)

表1　評(píng)價(jià)因子的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)　mg/L

鑒于各評(píng)價(jià)因子對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果的貢獻(xiàn)不同,權(quán)重也不相同,筆者根據(jù)評(píng)價(jià)因子的實(shí)測(cè)質(zhì)量濃度和各級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)濃度計(jì)算權(quán)重。設(shè)評(píng)價(jià)因子合集X={x1,x2,x3,x4,x5,x6},它的權(quán)重矩陣為A=[a1,a2,a3,a4,a5,a6],權(quán)重的計(jì)算公式為

(1)

(2)

b. 特征參數(shù)確定。在確定評(píng)價(jià)因子和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)文獻(xiàn)提出的方法確定云模型的3個(gè)數(shù)字特征:期望Ex,熵En,超熵He[12]。假設(shè)對(duì)于某變量VQa,具有上下邊界[Bmin,Bmax],則變量VQa的云模型的3個(gè)數(shù)字特征可以通過(guò)下式計(jì)算:

(3)

式中:Ex為云滴在論域空間分布的期望,最能代表定性概念的中心點(diǎn),是概念量化的最典型樣本點(diǎn);En為定性概念的不確定性度量,一方面是定性概念重合度量,反映論域空間可被定性概念接受的云滴取值范圍,另一方面又是定性概念隨機(jī)性度量,反映了能夠代表這個(gè)定性概念云滴的離散度;He為熵的不確定性度量,反映了在論域空間代表該語(yǔ)言值的所有點(diǎn)的不確定度的凝聚性,其取值范圍間接反映了云滴的厚度,由熵的隨機(jī)性和模糊性共同確定;Bmin、Bmax分別為變量VQa的最小和最大邊界;k為常數(shù),本文中k=0.01。得到不同等級(jí)云模型數(shù)字特征計(jì)算方法見(jiàn)表2。

表2中a～d分別代表評(píng)價(jià)因子xi的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中的各個(gè)邊界值,以總硬度為例,其各邊界值分別為:a=150,b=300,c=450,d=550。

圖2　6個(gè)評(píng)價(jià)因子對(duì)應(yīng)各水質(zhì)級(jí)別的云模型

c. 云模型的生成。根據(jù)確定的云模型數(shù)字特征,運(yùn)用matlab R2007b編寫正態(tài)云發(fā)生器及半云發(fā)生器程序,輸入相應(yīng)的云參數(shù),分別生成6個(gè)評(píng)價(jià)因子的云模型,如圖2所示。橫坐標(biāo)代表評(píng)價(jià)因子的質(zhì)量濃度,縱坐標(biāo)代表評(píng)價(jià)因子的某一實(shí)測(cè)值通

表2　不同等級(jí)云模型數(shù)字特征計(jì)算方法

過(guò)云模型映射所對(duì)應(yīng)的確定度U。橫坐標(biāo)從左到右分別代表地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的Ⅰ級(jí)到Ⅴ級(jí)所對(duì)應(yīng)的云。以圖2(a)總硬度為例,某實(shí)測(cè)點(diǎn)的總硬度為280 mg/L時(shí),由正向云發(fā)生器可以得到總硬度隸屬于各地下水水質(zhì)級(jí)別的確定度分別為:UⅠ(總硬度)=0,UⅡ(總硬度)=0.545 8,UⅢ(總硬度)=0.164 6,UⅣ(總硬度)=0,UⅤ(總硬度)=0,其中UⅡ值最大,UⅢ次之,其他確定度為0,說(shuō)明總硬度為280 mg/L時(shí),隸屬于水質(zhì)級(jí)別Ⅱ類的可能性最大,隸屬于Ⅲ類有一定的可能,但是不隸屬于其他的水質(zhì)級(jí)別。同理,也可以求出其他評(píng)價(jià)因子的確定度,得到相對(duì)應(yīng)的確定度矩陣。

d. 評(píng)價(jià)綜合確定度的計(jì)算。在得到各評(píng)價(jià)因子隸屬于各水質(zhì)級(jí)別的確定度矩陣[X][Y]后,乘以相應(yīng)的權(quán)重A,得到各評(píng)價(jià)因子的綜合確定度A[X][Y],計(jì)算其各列值的綜合確定度,最大確定度所在的級(jí)別即為監(jiān)測(cè)點(diǎn)所屬的水質(zhì)級(jí)別。

2　結(jié)果與討論

南水北調(diào)東線工程通水前后東平湖地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出,南水北調(diào)東線工程通水前,東平湖地下水水質(zhì)級(jí)別為Ⅰ～Ⅴ類均有分布,而在南水北調(diào)東線工程通水后,東平湖地下水水質(zhì)為Ⅰ類或Ⅴ類,其中S1、S3、S5點(diǎn)的水質(zhì)級(jí)別在通水前后沒(méi)有差別,分別為Ⅰ、Ⅴ、Ⅴ類,S2、S6、S7點(diǎn)在通水后的水質(zhì)級(jí)別優(yōu)于通水前,分別由Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ類提升至Ⅰ類,而S4點(diǎn)的水質(zhì)級(jí)別在通水后下降一個(gè)級(jí)別,由Ⅳ類下降到Ⅴ類。另外還發(fā)現(xiàn)無(wú)論通水前后,東平湖東部地下水水質(zhì)均劣于西部地下水水質(zhì)。Wang等[13]的研究表明，東平湖東部地區(qū)的底泥重金屬污染更加嚴(yán)重,說(shuō)明東部地區(qū)存在污染源,推測(cè)可能是工礦業(yè)污染或農(nóng)業(yè)污染。

表3　通水前后各采樣點(diǎn)水質(zhì)級(jí)別確定度及水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

另外,即使通水前后的水質(zhì)級(jí)別一致,其確定度的不同又代表了不同意義,如S1點(diǎn)在通水前后的地下水水質(zhì)級(jí)別均為Ⅰ類,但通水后S1點(diǎn)的UⅠ更大,故通水后S1點(diǎn)的水質(zhì)級(jí)別更傾向于Ⅰ類,水質(zhì)更好;對(duì)于S3點(diǎn)來(lái)說(shuō),通水前后水質(zhì)級(jí)別均為Ⅴ類,且兩者的確定度相差不大,因此可以認(rèn)為通水前后S3點(diǎn)的地下水水質(zhì)沒(méi)有明顯變化;對(duì)于S5點(diǎn)來(lái)說(shuō),通水前后的地下水水質(zhì)級(jí)別均為Ⅴ類,但通水后S5點(diǎn)的UⅤ更大,更傾向于Ⅴ類,水質(zhì)也更差。

3　結(jié)　論

a. 云模型評(píng)價(jià)方法可以克服單一評(píng)價(jià)指標(biāo)的隨機(jī)性和模糊性,能夠客觀合理地評(píng)價(jià)東平湖地下水水質(zhì)。

b. 南水北調(diào)東線工程通水后,在7個(gè)采樣點(diǎn)所采集的地下水水樣的水質(zhì)級(jí)別并未變差,原因可能是因?yàn)槟纤闭{(diào)東線工程的引水為長(zhǎng)江地表水,水中重金屬質(zhì)量濃度較低,因此客水的引入降低了東平湖地下水中重金屬質(zhì)量濃度。

c. 東平湖東部地區(qū)的地下水水質(zhì)劣于西部地區(qū),是因?yàn)闁|部地區(qū)存在污染源,推測(cè)可能是工礦業(yè)污染或農(nóng)業(yè)污染。

在后續(xù)的研究工作中,建議增加地下水采樣點(diǎn)數(shù)目并對(duì)客水水質(zhì)進(jìn)行分析,以期進(jìn)一步了解南水北調(diào)東線工程對(duì)東平湖地下水水質(zhì)的影響。

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Evaluation of groundwater quality of Dongping Lake in dry season based on cloud model

HU Zunfang1, 2, SUN Jianfeng1, SONG Yinsheng1, WANG Shichang1, HAN Yuzhen1

(1.ShandongInstituteofGeophysicalandGeochemicalExploration,Jinan250013,China;2.SchoolofCivilEngineering,ShandongUniversity,Jinan250061,China)

water quality evaluation; South-to-North Water Diversion Eastern Route Project; Dongping Lake; dry season; groundwater; cloud model

10.3880/j.issn.1004-6933.2016.05.015

山東省物化探勘查院科研基金(2015)；山東省地質(zhì)勘查項(xiàng)目(魯勘字(2011)121);山東省地礦局地質(zhì)科技攻關(guān)項(xiàng)目(KY201516)

胡尊芳(1986—)，女,博士,主要從事污水處理與水環(huán)境評(píng)價(jià)研究。E-mail:shiwaixianshu@126.com

X824

A

1004-6933(2016)05-0074-05

2015-10-22編輯：王芳)