李芳雨

(遼寧省遼陽水文局,遼寧 遼陽 111000)

近年來,為了滿足社會經(jīng)濟對水資源的需求,部分地區(qū)增大地下水開采量,致使超采區(qū)面積不斷擴大、地下水水位持續(xù)下降,危及水資源安全。同時,由于不合理開發(fā)地下水導(dǎo)致地面沉降、土地沙化、濕地退化、地下水污染不斷增加、區(qū)域海(咸)水入侵加劇等生態(tài)、環(huán)境、地質(zhì)問題。地下水質(zhì)直接影響著人體健康,廣大居民和專家學(xué)者越來越關(guān)注其健康風(fēng)險和質(zhì)量狀況,與其它類型污染相比,地下水污染具有長期性和隱蔽性特征,其修復(fù)治理難度和危害性更大[1-3]。另外,工程建筑材料受地下水中侵蝕性CO2、pH值、銨根和硫酸根離子等腐蝕性影響顯著。在農(nóng)田灌溉、防洪排澇、生態(tài)景觀和交通運輸?shù)确矫娉鞘泻拥腊l(fā)揮著重要作用,而在新河道規(guī)劃開挖過程中必須考慮場地的土壤、地下水等因子質(zhì)量,為合理選擇規(guī)劃方案提供參考。

目前,研究評價地下水質(zhì)的常用方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊綜合法、主成分法和綜合評分法等[4-5]。其中,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和模糊評價法能夠考慮大量數(shù)據(jù)信息,但是存在計算過程復(fù)雜、分辨率低和結(jié)果易均質(zhì)化等缺點;主成分分析法可以更準(zhǔn)確地分析單一污染源,但無法反映整體情況。因此,應(yīng)結(jié)合區(qū)域水質(zhì)情況和具體數(shù)據(jù)選擇合適的水質(zhì)評價方法。物元可拓法是一種研究處理不相容問題的有效方法,該方法具有處理多項指標(biāo)參數(shù)的特點,通過關(guān)聯(lián)函數(shù)精確計算數(shù)值,可以有效解決權(quán)值不確定性和人為影響因素過多的問題,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于識別與評價、優(yōu)惠決策、新產(chǎn)品設(shè)計與構(gòu)思、水環(huán)境、空氣質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境評價等領(lǐng)域。據(jù)此,文章應(yīng)用物元可拓法評價分析遼陽市遼陽縣2009年和2020年地下水質(zhì)量及其變化趨勢,為遼陽縣地下水資源管理保護及可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

遼陽縣地處遼東半島中部,山區(qū)位于南部,地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜,其形跡以東西向構(gòu)造和新華夏系構(gòu)造為主體構(gòu)成地質(zhì)骨架,此外還有華夏系或華夏式系構(gòu)造、北西向構(gòu)造與旋卷構(gòu)造等。研究區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫為8.4℃,年降水量為735.3mm。境內(nèi)河流較多,太子河貫穿全境,主要河流有太子河、渾沙河、渾河、湯河、蘭河、細河、楊柳河、兵馬河、南沙河、運糧河、北地河等。將地下水按照賦存巖組(含水巖組)可以劃分為松散巖類和碎屑巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水、火成巖類和變質(zhì)巖類裂隙水等多種類型。

2 研究方法

2.1 確定物元矩陣

物元可拓法就是將具有復(fù)雜系統(tǒng)性問題利用關(guān)聯(lián)度進行數(shù)學(xué)計算的方法,其中物元是反映事物量值、特征及名稱的簡稱?？赏丶鲜菍0,1]區(qū)間取值運用關(guān)聯(lián)度投影到實數(shù)軸(-∞,+∞)上,采用數(shù)學(xué)方法計算關(guān)聯(lián)度,從而定量化解決矛盾問題,更加真實客觀地反映地下水質(zhì)量狀況。

采用事物N、特征C及其對應(yīng)于該特征的量值V構(gòu)成物元R=(N,C,V),則經(jīng)典域Rj和節(jié)域物元集Rp如下:

(1)

(2)

式中:Nj、Ci、Vjn為劃分的j個等級、不同特征及經(jīng)典域取值范圍;p、Vpn為評價等級的全體和節(jié)域取值范圍,待評價物元R0可以表示為:

(3)

式中:Vn為實測數(shù)據(jù)。

2.2 關(guān)聯(lián)函數(shù)

關(guān)聯(lián)函數(shù)反映了某等級標(biāo)準(zhǔn)與待評價單元之間的隸屬程度,采用開拓結(jié)合理論與待評價事物特征相結(jié)合的方法選取關(guān)聯(lián)函數(shù),具體為:

(4)

式中:ρ(vi,Vji)、ρ(vi,Vpi)為點vi與有限區(qū)間Vji、Vpi的距離,可以利用公式(5)計算確定。

(5)

式中:v為點值;V=(a,b)為有限區(qū)間;a、b表示區(qū)間左、右端點值。

2.3 權(quán)重系數(shù)

權(quán)重反映了地下水質(zhì)量受各因子的影響程度,常用的計算方法有因子污染貢獻率法、關(guān)聯(lián)函數(shù)法、專家打分法和層次分析法等,研究選用因子污染貢獻率法確定指標(biāo)權(quán)重,其計算公式為:

(6)

式中:ωi、xi、si為參評因子i的權(quán)重系數(shù)、實測值及其各等級標(biāo)準(zhǔn)平均值。

2.4 綜合關(guān)聯(lián)度

綜合關(guān)聯(lián)度充分考慮了整個水體評價受某因子及其隸屬關(guān)系的影響作用,這是對地下水質(zhì)量的整體描述,一般以權(quán)重系數(shù)ωi與關(guān)聯(lián)度Kj(vi)的乘積作為綜合關(guān)聯(lián)度Kj(p0),Kj(p0)值越大代表該等級與待評價單元的關(guān)系越密切,其計算公式為:

(7)

2.5 可拓指數(shù)

可拓指數(shù)j*反映了待評價單元偏向相鄰等級的程度,該數(shù)值越大代表其偏向相鄰等級的程度越高,發(fā)展趨勢越明顯,所以可以利用可拓指數(shù)分析水質(zhì)變化趨勢,相關(guān)公式為:

Kj(p0)=max{Kj(p0)};j=1,2,…,m

(8)

(9)

(10)

3 地下水質(zhì)評價

3.1 選取評價因子

本研究選取2009年采集的18組水樣和2020年采集的8組水樣測試對象,采集時間均為7～9月,以農(nóng)田灌溉取水井為采樣井,淺層含水層為采樣層。選取TDS(溶解性總固體)、總硬度、F-(氟化物)、NO3-(硝酸鹽)、SO42-(硫酸鹽)、Cl-(氯化物)和Na+(鈉)七項指標(biāo),采用物元可拓法評價分析遼陽縣地下水質(zhì)量及其變化特征,由地質(zhì)調(diào)查中心實驗室完成各組樣品的相關(guān)測試。

3.2 劃分等級標(biāo)準(zhǔn)

在劃分等級時國家標(biāo)準(zhǔn)主要是以限制各因子濃度上限來確定,對于第Ⅴ級沒有上限只有下限要求,而地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)存在特定的濃度范圍?？紤]到可能存在Ⅴ級水或者超標(biāo)因子的情況,研究將Ⅴ級標(biāo)準(zhǔn)的上限設(shè)定為最高值,參評因子分類標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 參評因子分類標(biāo)準(zhǔn)

3.3 水質(zhì)評價

根據(jù)各參評因子分類標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)域、物元的定義,可以確定標(biāo)準(zhǔn)物元矩陣R1、R2、R3、R4、R5和節(jié)域物元Rp,具體如下:

(11)

鑒于文章篇幅有限和水樣數(shù)量較多的情況,本研究僅列出了農(nóng)田灌溉取水井P20-1水樣的物元矩陣Rp20-1,即:

(12)

將節(jié)域矩陣、標(biāo)準(zhǔn)物元矩陣以及水樣物元矩陣代入公式(4)計算水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)與各個評價因子之間的關(guān)聯(lián)度。然后將各級平均值與農(nóng)田灌溉取水井P20-1點各評價因子實測值代入公式(6)計算出權(quán)重系數(shù),結(jié)合權(quán)重系數(shù)與綜合關(guān)聯(lián)度間的關(guān)系確定各等級綜合聯(lián)系度,如表2所示。

表2 P20-1井權(quán)重系數(shù)、關(guān)聯(lián)度和綜合關(guān)聯(lián)度

水樣最終評定等級即為綜合關(guān)聯(lián)度最大值所處級別,農(nóng)田灌溉取水井P20-1綜合關(guān)聯(lián)度最大值為-0.053,所以該樣點地下水質(zhì)量綜合評定為Ⅲ級,同理計算確定其它樣點綜合關(guān)聯(lián)度及評價等級。2020年樣點P20-1～P20-8地下水質(zhì)量評價等級分別為Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅲ級、Ⅴ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅲ級、Ⅱ級,2009年樣點P09-1～P09-18地下水質(zhì)量評價等級分別為Ⅳ級、Ⅰ級、Ⅲ級、Ⅱ級、Ⅳ級、Ⅳ級、Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅲ級、Ⅴ級、Ⅳ級、Ⅳ級、Ⅲ級、Ⅲ級、Ⅴ級、Ⅴ級、Ⅳ級。

3.4 結(jié)果與分析

參與評價的樣點中共有4個達到Ⅴ級,分別為P20-4、P09-11、P09-16、P09-17。其中,P20-4、P09-11和P09-16點的F-(氟化物)關(guān)聯(lián)度為Ⅴ級,其權(quán)重也最大;P09-17樣點的總硬度關(guān)聯(lián)度為Ⅴ級,其權(quán)重最大。所以,對于地下水質(zhì)量評價達到Ⅴ級的樣點,總硬度和F-(氟化物)是主要影響因素。參與評價的樣點中共有7個達到Ⅳ級,TDS(溶解性總固體)和總硬度是主要影響因素,其次是F-(氟化物)和SO42-(硫酸鹽)。

采用公式(10)計算地下水質(zhì)量評價樣點的物元可拓指數(shù),2020年樣點P20-1～P20-8水質(zhì)評價可拓指數(shù)分別為2.582、3.980、2.728、3.805、2.287、2.154、2.790、2.557,2009年樣點P09-1～P09-18水質(zhì)評價可拓指數(shù)分別為2.947、2.261、3.285、2.378、2.770、3.924、2.306、2.281、2.485、2.712、4.486、3.780、2.981、2.667、2.824、4.360、4.528、2.671。結(jié)果顯示,P20-4、P09-11、P09-16和P09-17四個達到Ⅴ級樣點的物元可拓指數(shù)分別為3.805、4.486、4.360和4.528,結(jié)合物元可拓指數(shù)的具體內(nèi)涵,這四個樣點表現(xiàn)出從Ⅴ級向Ⅳ級轉(zhuǎn)化的趨勢。P20-2、P09-1、P09-5、P09-6、P09-12、P09-13、P09-18七個達到Ⅳ級樣點的物元可拓指數(shù)分別3.980、2.947、2.770、3.924、3.780、2.981、2.671,說明P09-1、P09-5、P09-13、P09-18樣點表現(xiàn)出向Ⅲ級轉(zhuǎn)化的趨勢。P09-2、P09-7兩個達到Ⅰ級的樣點具有向Ⅱ級轉(zhuǎn)化的趨勢?？傮w而言,評價等級為Ⅴ級、Ⅳ級的樣點表現(xiàn)出向Ⅳ級和Ⅲ級轉(zhuǎn)化的態(tài)勢,Ⅰ級向Ⅱ級轉(zhuǎn)化的趨勢。

對于2009年參與評價的18樣點,水質(zhì)評定結(jié)果達到Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級的樣點分別有2個(占11%)、2個(占11%)、5個(占28%)、6個(占33%)和3個(占17%);對于2020年參與評價的8個樣點,水質(zhì)評定結(jié)果達到Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級的樣點分別有0個(占0%)、2個(占25%)、4個(占50%)、1個(占12.5%)和1個(占12.5%)。通過對比分析各級樣品所占比例可知,遼陽縣地下水整體表現(xiàn)出好轉(zhuǎn)趨勢,水質(zhì)等級總體向Ⅱ級、Ⅲ級轉(zhuǎn)變。

為了檢驗物元可拓法的適用性與可靠性,采用綜合評分法和單指標(biāo)法評定朝陽縣地下水質(zhì)量等級。結(jié)果表明,對于2020年參與評價的8個樣點,采用方法評價的Z20-4樣點水質(zhì)均為Ⅴ級,單指標(biāo)法和物元可拓法評定的Z20-6樣點水質(zhì)均為Ⅲ級,物元可拓法評定的其它樣點水質(zhì)等級均高于其它兩種方法。對于2009年參與評價的18個樣點,單指標(biāo)法和綜合評分法評定等級均低于或等于物元可拓法,并且單指標(biāo)法與綜合評分法評價結(jié)果基本一致。由于考慮了最大污染因素,所以單指標(biāo)法和綜合評分法的評定等級偏高,而考慮各元素權(quán)重的物元可拓法能夠更加真實地反映實際情況,如物元可拓評定的Z20-8樣點水質(zhì)為Ⅱ級,其它兩種方法評定為Ⅳ級,結(jié)合實測數(shù)據(jù),SO42-、Cl-、Na+達到Ⅰ級水質(zhì),NO3-、TDS達到Ⅱ級和Ⅲ級水質(zhì),在數(shù)值上總硬度、F-接近Ⅳ級水質(zhì)下限。所以,在綜合評定Z20-8樣點水質(zhì)時物元可拓法評定結(jié)果更加合理。

4 結(jié) 論

1)遼陽市遼陽縣2020年地下水質(zhì)量高于Ⅲ級水的樣點占比達到75%以上,總硬度和F-(氟化物)是影響Ⅳ級、Ⅴ級水質(zhì)的主要因素,2009—2020年遼陽縣地下水質(zhì)量總體呈明顯好轉(zhuǎn)態(tài)勢。

2)綜合評分法和單指標(biāo)法會導(dǎo)致水污染程度評估等級偏高,對同一等級樣本水體按最大關(guān)聯(lián)度定性區(qū)分的物元可拓法,通過計算權(quán)重系數(shù)可以更加真實客觀地反映水質(zhì)情況,表現(xiàn)出較強的可靠性和可行性。