物元分析方法在蘇州淺層地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

周清鋒，蔣 波

(江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018)

物元分析方法在蘇州淺層地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

周清鋒，蔣 波

(江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018)

鑒于水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的多樣性和由單指標(biāo)給出評(píng)價(jià)結(jié)果的不相容性，在物元分析理論的基礎(chǔ)上，將水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)價(jià)指標(biāo)及其特征值作為物元，建立了基于物元理論的地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)模型，以蘇州市平原區(qū)淺層地下水為研究對(duì)象，對(duì)全區(qū)42個(gè)淺層水樣數(shù)據(jù)進(jìn)行水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：研究區(qū)南部大部分地區(qū)淺層地下水質(zhì)量?jī)?yōu)良，在北部和東部一帶已遭受嚴(yán)重污染，局部地區(qū)水質(zhì)有從Ⅲ級(jí)向Ⅳ級(jí)轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。

物元可拓;水質(zhì)評(píng)價(jià);淺層地下水;綜合關(guān)聯(lián)度;江蘇蘇州

0 引言

蘇州地區(qū)多年來(lái)以質(zhì)優(yōu)量大的地下水作為水源，但由于長(zhǎng)期過(guò)量開采，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)深層地下水水位持續(xù)性下降，誘發(fā)了地面沉降等環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。江蘇2000年頒布并實(shí)施了《關(guān)于蘇錫常地區(qū)禁采地下水的決定》，蘇州市3年內(nèi)全部禁止開采深層地下水。目前，區(qū)內(nèi)深層地下水水井已全部封填。深層地下水禁采以后，給區(qū)內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及中、小企業(yè)供水帶來(lái)了壓力，尤其是給偏遠(yuǎn)地區(qū)居民的生活用水造成了一定影響。然而水量小、開發(fā)利用程度低的淺層地下水，逐漸納入開采的范圍(王彩會(huì)等，2004)。因此，分析淺層地下水水質(zhì)，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，可以確定地下水的污染現(xiàn)狀，對(duì)合理開發(fā)地下水資源，保護(hù)水環(huán)境具有十分重要的意義。同時(shí)，可為區(qū)域淺層地下水資源的開采規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 基本原理與方法

物元理論是介于系統(tǒng)科學(xué)、思維科學(xué)、數(shù)學(xué)交叉的邊緣學(xué)科。物元分析是研究物元及其變化并用以解決矛盾問(wèn)題的規(guī)律和方法，用關(guān)聯(lián)度將模糊集合的［0，1］閉合區(qū)間的連續(xù)取值，拓展到(-∞，+∞)實(shí)數(shù)軸，豐富了事物的內(nèi)涵，更能客觀反映真實(shí)情

況，并易于用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理(蔡文等，2003;湯潔等，2005;劉春莉等，2003)。

1.1 物元的概念

給定事物的名稱N，它關(guān)于特征C的量值為V，以有序三元組作為描述事物的基本元，簡(jiǎn)稱物元，可以表示為R=(N，C，V)。事物的名稱N、特征C和量值V稱為物元的三要素，R表示物元。如果事物N 以 n個(gè)特征 C1，C2，…，Cn和相應(yīng)的量值 V1，V2，…，Vn描述，則稱R為n維物元，可以表示為：

1.2 基于物元分析的地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)模型

通過(guò)引入物元的概念，地下水水質(zhì)指標(biāo)就可以用n維物元表示，進(jìn)而建立地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)模型。

1.2.1 經(jīng)典域與節(jié)域 經(jīng)典域直觀的含義是事物各屬性變化的基本區(qū)間，假定所評(píng)定的地下水水質(zhì)指標(biāo)有n項(xiàng)，分別以C1，C2，…，Cn表示，水質(zhì)等級(jí)可以劃分為m級(jí)，則Rj表示第j個(gè)等級(jí)地下水的質(zhì)量物元。Rj的表達(dá)式如式2。

式中：Vij是N關(guān)于ci所取值的范圍，并且有 Vij=(aij，bij)(i=1，2，…，n)，Rj是 j等級(jí)關(guān)于 n 項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的取值范圍，則(aij，bij)稱為經(jīng)典域。

由經(jīng)典物元加上可以轉(zhuǎn)化為經(jīng)典物元的事物及其特征和此特征相應(yīng)拓廣了的量值范圍組成的物元矩陣稱為節(jié)域，記為Rp。

式中：Vip是 N關(guān)于 ci所取值的范圍，并且有 Vip=(aip，bip)(i=1，2，…，n)，Rp是所有等級(jí)關(guān)于 n 項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的取值范圍，則(aip，bip)稱為節(jié)域。

1.2.2 關(guān)聯(lián)函數(shù) 關(guān)聯(lián)函數(shù)k(x)表示被評(píng)價(jià)單元與某標(biāo)準(zhǔn)的隸屬程度的函數(shù)，關(guān)聯(lián)函數(shù)的數(shù)值代表關(guān)聯(lián)度。關(guān)聯(lián)函數(shù)的選取應(yīng)當(dāng)根據(jù)被評(píng)價(jià)事物的特征與可拓集合理論相結(jié)合的方法確定。針對(duì)不同的評(píng)價(jià)事物選用合適的關(guān)聯(lián)函數(shù)才能更準(zhǔn)確地反映隸屬關(guān)系。對(duì)地下水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)選用的關(guān)聯(lián)函數(shù)如式4所示。

式中：|Xij|=|aij-bij|;ρ(xj，Xij)是指實(shí)數(shù)軸上點(diǎn) xj

與區(qū)間 Xij=(aij，bij)之間的距離。ρ(xj，Xpj)是指實(shí)數(shù)點(diǎn)xj與節(jié)域區(qū)間xpj=(apj，bpj)之間的矩，計(jì)算公式分別為：

1.2.3 權(quán)重aj的確定 在綜合評(píng)價(jià)中，考慮到各因素對(duì)水質(zhì)影響程度的不同，應(yīng)根據(jù)其在水質(zhì)中的作用大小分別賦予不同權(quán)值。權(quán)值計(jì)算方法可根據(jù)實(shí)際情況選取，不同的評(píng)價(jià)目的及評(píng)價(jià)因子按不同公式計(jì)算。常用的權(quán)系數(shù)計(jì)算方法有指數(shù)超標(biāo)法、自頂向下的系統(tǒng)分析法、專家打分法、層次分析法、因子污染貢獻(xiàn)率法、關(guān)聯(lián)函數(shù)法等。

選用評(píng)價(jià)因子污染貢獻(xiàn)率方法來(lái)確定權(quán)系(羅定貴等，1997)，由于各評(píng)價(jià)因子實(shí)測(cè)值越小，地下水的等級(jí)越高，因此，對(duì)此方法作出改進(jìn)(式7)。式中：xj為第j種評(píng)價(jià)因子的實(shí)測(cè)值，sj為第 j種評(píng)價(jià)因子各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的平均值，aj為第j種評(píng)價(jià)因子的權(quán)重。

1.2.4 綜合關(guān)聯(lián)度Kj(p)的確定 綜合關(guān)聯(lián)度是關(guān)聯(lián)度與權(quán)系數(shù)的乘積。即：

式中：Kj(p)為待評(píng)價(jià)單元p關(guān)于j等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度。綜合關(guān)聯(lián)度充分考慮了隸屬關(guān)系及某因子對(duì)整個(gè)水體評(píng)價(jià)影響程度兩方面來(lái)反應(yīng)水體等級(jí)，因此，對(duì)評(píng)價(jià)單元更客觀、準(zhǔn)確。若Kj=max［Kj(p)］，則待評(píng)價(jià)單元p屬于等級(jí)j，即可確定p屬于等級(jí)j。

1.2.5 質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí) 關(guān)聯(lián)度的數(shù)值表示評(píng)價(jià)單元符合某標(biāo)準(zhǔn)范圍的隸屬程度，當(dāng)K(x)≥1.0時(shí)，表示被評(píng)價(jià)對(duì)象超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象上限，數(shù)值越大，開發(fā)潛力越大;當(dāng)0≤K(x)≤1.0，表示被評(píng)價(jià)對(duì)象符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象要求的程度，數(shù)值越大，越接近標(biāo)準(zhǔn)上限;當(dāng)-1.0≤K(x)≤0時(shí)，表示被評(píng)價(jià)對(duì)象不符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象要求，但具備轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象的條件，數(shù)值越大，越容易轉(zhuǎn)化;當(dāng)K(x)≤-1.0時(shí)，表示被評(píng)價(jià)對(duì)象不符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象要求，且又不具備轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象的條件。

2 評(píng)價(jià)實(shí)例

筆者采用物元法對(duì)蘇州市淺層地下水進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)和準(zhǔn)則的確定

選取具有代表性的2009年枯水期(4月—5月)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)井的觀測(cè)值為評(píng)價(jià)對(duì)象。為了合理地評(píng)價(jià)研究區(qū)淺層地下水的水質(zhì)優(yōu)劣，以1985年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)值為背景值，通過(guò)對(duì)比選取對(duì)水質(zhì)有較大影響的總硬度和總礦化度9項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，分別用C1，C2，…，C9表示。

各評(píng)價(jià)指標(biāo)的質(zhì)量分類標(biāo)準(zhǔn)，采用《中華人民共和國(guó)地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—93)(表1)將水質(zhì)分為 5 級(jí)，即 j=1，2，…，5。

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

2.2 水質(zhì)評(píng)價(jià)與結(jié)果分析

本次研究選取42個(gè)具有代表性的水質(zhì)采樣點(diǎn)的水質(zhì)資料作為樣本進(jìn)行評(píng)價(jià)，采樣點(diǎn)的具體位置見圖1。根據(jù)經(jīng)典域和節(jié)域的定義，由表1可得到如下經(jīng)典域 R01、R02、R03、R04和節(jié)域 Rc。由監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)資料可得到待評(píng)價(jià)物元矩陣R1，R2，…，R50。文中僅列出SZ01號(hào)采樣點(diǎn)樣品的物元矩陣R1。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布圖

由樣本物元矩陣、標(biāo)準(zhǔn)物元矩陣及節(jié)域矩陣，通過(guò)式4、式5、式6計(jì)算樣本中各評(píng)價(jià)因子相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)度(表2)。

根據(jù)式7計(jì)算各樣本各評(píng)價(jià)因子權(quán)重見表3。

利用樣本各評(píng)價(jià)因子的關(guān)聯(lián)度和權(quán)重系數(shù)代入公式8，可計(jì)算該樣品實(shí)測(cè)指標(biāo)相對(duì)于水質(zhì)等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度(表4)，其中K2(p)的值最大，所以該樣品水質(zhì)等級(jí)屬于Ⅱ類。

按照上述步驟，利用物元可拓法可分別計(jì)算出區(qū)內(nèi)42個(gè)采樣點(diǎn)水質(zhì)的綜合關(guān)聯(lián)度，并根據(jù)等級(jí)評(píng)定方法，從而確定各采樣點(diǎn)水質(zhì)等級(jí)(表5)。

由表5的評(píng)價(jià)結(jié)果可得到區(qū)域地下水質(zhì)量分布(圖2)，從圖中可以看出：(1)研究區(qū)淺層地下水嚴(yán)重污染區(qū)主要分布在北側(cè)常熟—張家港沿江一帶以及東部與上海相接的花橋一帶，地下水遭受嚴(yán)重污染，分布與該區(qū)的8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)屬于Ⅳ級(jí)，不適合作為生活飲用水，主要超標(biāo)因子為NH+4和Fe，初步分析可能與區(qū)域沉積環(huán)境和人類活動(dòng)影響有關(guān)，詳情需進(jìn)一步研究。(2)研究區(qū)內(nèi)吳江、蘇州市區(qū)、太倉(cāng)一線水質(zhì)屬于Ⅱ級(jí)—Ⅲ級(jí)，水質(zhì)相對(duì)較好，適合生活用水以及工農(nóng)業(yè)用水。(3)常熟南部一帶水質(zhì)逐漸由Ⅲ級(jí)往Ⅳ級(jí)演化，水質(zhì)趨于惡化，需要重視，采取一定措施防止水質(zhì)持續(xù)惡化。

3 結(jié)論

物元分析方法考慮了水質(zhì)的不確定性及模糊性，是從定性和定量?jī)蓚€(gè)角度去處理現(xiàn)實(shí)世界中存在的相容問(wèn)題與不相容問(wèn)題。筆者利用物元可拓法對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到了比較滿意的評(píng)價(jià)結(jié)果，這說(shuō)明利用物元分析法進(jìn)行水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)是可行的。物元可拓法計(jì)算簡(jiǎn)便、評(píng)價(jià)結(jié)果直觀。模型中的綜合關(guān)聯(lián)度和可拓指數(shù)等指標(biāo)，既可反映樣本評(píng)價(jià)等級(jí)的絕對(duì)性，又可反映評(píng)價(jià)等級(jí)的相對(duì)性，可定性分析評(píng)價(jià)樣本水質(zhì)的變化趨勢(shì)。對(duì)于水質(zhì)等級(jí)較差的地下水，需進(jìn)一步查明水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)的原因，采取相應(yīng)的措施，防止外來(lái)污染的擴(kuò)散，保證地下水系統(tǒng)的完整性。

表2 SZ01號(hào)樣品矩和關(guān)聯(lián)函數(shù)值

表3 SZ01號(hào)采樣點(diǎn)各評(píng)價(jià)因子權(quán)重

表4 SZ01號(hào)樣品綜合關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果

表5 綜合關(guān)聯(lián)度Kj(p)判定等級(jí)

圖2 研究區(qū)淺層地下水質(zhì)量分布圖

蔡文.1997.可拓工程方法［M］.北京：科學(xué)出版社.

蔡文.1998.物元模型及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社.

蔡文，楊春燕，何斌.2003.可拓邏輯初步［M］.北京：科學(xué)出版社.

羅定貴，徐衛(wèi)東.1997.環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的物元分析模型［J］.地下水，19(2)：49-55.

劉春莉，李祚泳.2003.生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的物元可拓評(píng)價(jià)及實(shí)例分析［J］.城市環(huán)境與城市生態(tài)，16(4)：62-64.

湯潔，李艷梅，卞建民，等.2005.物元可拓法在地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，(5)：1-5.

王彩會(huì)，陳杰，朱錦旗.2004.開采淺層地下水對(duì)地面沉降影響的探討［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，15(4)：79-81.

Application of element unit analysis in evaluation of shallow groundwater quality in Suzhou City

ZHOU Qing-feng，JIANG Bo

(Geological Survey of Jiangsu Province，Nanjing 210018，China)

In lights of the diversity of water quality evaluation index and incompatibility of evaluation results given by single index，the authors set up a groundwater quality evaluation model based on element unit theory and set water quality standard，evaluation index and characteristic value.The authors made a comprehensive water quality evaluation of 42 pieces of shallow water sample data and cited the plain shallow groundwater in Suzhou as an example.It was concluded that the water quality was fine in southern shallow water area，severely polluted in northern and eastern sections，and locally transformation trend of grade three to grade four of water quality.

Matter element extension;Water quality evaluation; Shallow groundwater; Comprehensive correlative degree;Suzhou，Jiangsu

P641.8

A

1674-3636(2012)01-0080-06

2011-09-13;編輯：侯鵬飛

周清鋒(1964— )，男，高級(jí)工程師，從事礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)研究，E-mail：1348189243@qq.com

10.3969/j.issn.1674-3636.2012.01.80