基于物元可拓模型的天津淺層地下水水質(zhì)評價

斯 藹,任繼海 ,杜關(guān)記,王 爽

(1.天津市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站,天津 300191;2.山東魯巖勘測設(shè)計有限公司,山東 濟寧 272001;3.天津市勘察院,天津 300191)

基于物元可拓模型的天津淺層地下水水質(zhì)評價

斯 藹1,任繼海2,杜關(guān)記3,王 爽1

(1.天津市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站,天津 300191;2.山東魯巖勘測設(shè)計有限公司,山東 濟寧 272001;3.天津市勘察院,天津 300191)

淺層地下水;物元可拓模型;水質(zhì)評價;天津市

1 研究區(qū)淺層地下水環(huán)境概況

天津市平原區(qū)淺層地下水是指地表下第Ⅰ含水層組，水力特征為潛水、微承壓水或淺層承壓水,含水層底界深度一般在30～70 m,地層時代為Qh+p3,巖性結(jié)構(gòu)為多種巖性相間結(jié)構(gòu)或上細下粗的雙層結(jié)構(gòu),其間黏性土隔水層分布不穩(wěn)定,淺層地下水參與現(xiàn)代水循環(huán),接受降水補給和蒸發(fā)排泄,再補給能力強,在多年水文周期中,保持水均衡。由圖1可見，從北向南,天津市淺層地下水可劃分為淺層全淡水、淺層淡水和咸水[1]。北部山前平原以淺層全淡水為主,水位埋深一般大于8 m,最深處達18.3 m[1]。含水層受山前沖洪積扇裙及河流沖積扇的控制,一般自北而南和自東、西兩側(cè)向中部含水層顆粒由粗變細,涌水量從500～1 000 m3/d降至100～500 m3/d。淺層全淡水含水豐富,補給條件好,水質(zhì)淡,水化學類型主要由HCO3-Ca、Ca·Mg→HCO3-Ca·Mg Na,礦化度一般小于1 g/L。該區(qū)域主要的補給方式是大氣降水,主要通過開采和蒸發(fā)排泄,以農(nóng)業(yè)季節(jié)性開采為主要排泄方式,部分排入河流或洼淀、水庫等地表水體。

圖1 天津市平原區(qū)淺層地下水咸、淡水分布

中南部有咸水區(qū)淺層淡水主要分布于寶坻斷裂南側(cè)和西部沖積平原,浮于咸水體之上,水位埋深普遍小于4 m。含水層顆粒以粉細砂為主,厚度較薄,水量普遍較小,一般含水層厚度10～20 m,局部25～45 m。其富水性受河道帶擺動的控制,也有由北向南和由北西向南東水量變小的規(guī)律。受河渠淡化作用影響,淺層淡水隨遠離河渠逐漸過渡為微咸水和咸水。在垂向上向下部水質(zhì)變咸,由淺層淡水過渡為微咸水、咸水,水化學類型由HCO3·Cl-Na·Mg→Cl·HCO3-Na·Mg→Cl·SO4-Na型。在濱海地帶多為礦化度大于10 g/L的鹽鹵水,水化學類型為Cl-Na型。中南部有咸水分布區(qū)降水補給是其主要的補給方式。除中部淺層淡水有少量開采外,其余地區(qū)很少開采利用,多以蒸發(fā)為主要排泄方式[2]。

2 物元可拓模型

物元可拓模型由我國蔡文教授于20世紀80年代創(chuàng)立,是基于物元分析和可拓集合的一種數(shù)據(jù)處理方法[3]。該方法的原理是通過建立目標物元集,利用可拓集建立關(guān)聯(lián)函數(shù),使要解決的矛盾問題定量化。因此,物元可拓模型在定量評價事物多指標性能參數(shù)、全面反映事物質(zhì)量的綜合水平方面具有優(yōu)勢,廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計、優(yōu)化決策、統(tǒng)籌控制等多領(lǐng)域,在理論和實踐方面發(fā)揮了重要作用[4-5],近年來被逐漸應(yīng)用于地學領(lǐng)域研究。本文采用物元可拓模型對天津市淺層地下水水質(zhì)進行定量評價。

2.1 物元矩陣

物元分析中,把事物M,事物M的特征C,以及事物M關(guān)于特征C的量值x組成的有序三元組R稱為物元,可表示為R=(M,C,x)[6]。如果事物M有多個特征,需用n個特征cl,c2,…,cn和相應(yīng)的量值x1,x2,…,xn來描述,則n維物元矩陣可用式(1)表示。

(1)

2.2 確定經(jīng)典域與節(jié)域物元矩陣

2.2.1 經(jīng)典域物元矩陣

由事物的特征及其標準量值范圍組成的物元矩陣稱為經(jīng)典域物元矩陣。

(2)

式中:R0為經(jīng)典域物元矩陣；c1,c2,…,cn為物元特征;a0j、b0j分別為經(jīng)典物元特征量值x0j的上、下限值,j=1,2,…,n。

2.2.2 節(jié)域物元矩陣

由可以轉(zhuǎn)化為經(jīng)典域物元事物的特征及其相應(yīng)拓廣了的量值范圍組成的物元矩陣稱為節(jié)域物元矩陣。

(3)

式中:Rc為節(jié)域物元矩陣;acj、bcj分別表示節(jié)域物元特征量值xcj的上、下限值,j=1,2,…,n。顯然有x0j?xcj。

2.3 關(guān)聯(lián)函數(shù)

關(guān)聯(lián)函數(shù)表示當物元的量值取值為實軸上一點時,物元符合要求的取值范圍程度。由于可拓集合的關(guān)聯(lián)函數(shù)可用代數(shù)式表達,故可使不相容問題定量化。關(guān)聯(lián)函數(shù)的數(shù)值代表關(guān)聯(lián)度。

關(guān)聯(lián)度的計算如式(4)所示[7]:

(4)

i=1,2,…,m;j=1,2,…,n

表1 地下水水質(zhì)評價基準 mg/L

(5)

2.4 綜合關(guān)聯(lián)度與可拓指數(shù)

采用評價因子污染貢獻率方法來確定權(quán)系數(shù)[3],計算公式如下:

(6)

綜合關(guān)聯(lián)度是關(guān)聯(lián)度與權(quán)系數(shù)的乘積,計算公式如下:

(7)

式中:Kj(X)為待評價單元X屬于j級別的綜合關(guān)聯(lián)度;kj(xj)為監(jiān)測項目i對第j級別的關(guān)聯(lián)度。

若Kj=max[Kj(X)],則待評價單元X屬于等級j。令

(8)

式中:J為待評樣本P的可拓指數(shù),從J數(shù)值的大小可以判斷出待評物元偏向相鄰級別的程度。

3 水質(zhì)評價

3.1 評價樣本及評價因子的選取

根據(jù)多年開采情況,有代表性地從天津市淺層全淡水區(qū)、浮托于咸水體之上的淺層淡水區(qū)和咸水區(qū),分別抽取18組淺層地下水樣(其中全淡水區(qū)11組、浮托于咸水體之上的淺層淡水區(qū)6組,咸水區(qū)1組,取樣時間2013年6月)作為評價樣本(圖1)。

3.2 評價基準的制定

評價基準的制定主要依據(jù)GB/T 14848—1993《中華人民共和國國家標準中的地下水質(zhì)量標準》,評價標準包含Ⅰ～Ⅴ級。由于Ⅴ級標準只有下限要求而沒有上限要求,其基準值結(jié)合當?shù)貙嶋H情況給出[8],具體見表1。

3.3 水質(zhì)評價及結(jié)果驗證

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、R05和節(jié)域Rc。由觀測的數(shù)據(jù)資料可得待評價樣本的物元矩陣R1,R2,…,R18,文中僅列出第1組水質(zhì)樣本的物元矩陣R1:

將上述樣本經(jīng)典域、節(jié)域、物元矩陣分別代入式(4)～(8)中,可求得樣本各評價因子的關(guān)聯(lián)度,計算結(jié)果如表2所示。根據(jù)式(6)可計算得到各評價因子的權(quán)重系數(shù),計算結(jié)果如表3所示。

表2 1號監(jiān)測井關(guān)聯(lián)度Ki(Xj)計算結(jié)果

表3 1號監(jiān)測井各評價因子權(quán)重ωi計算結(jié)果

表4 物元可拓法評定等級及綜合評分法結(jié)果比較

4 結(jié) 論

a. 物元可拓模型通過區(qū)間的延拓實現(xiàn)了評價區(qū)間整體的連續(xù)性,實用性強、邏輯性強,評價結(jié)果具有說服性。采用綜合關(guān)聯(lián)度與可拓指數(shù)來量化評價地下水水質(zhì)優(yōu)劣等級,是從物元和可拓集成的新視角對地下水水質(zhì)的量化等級進行的新的評判,具有可行性。

b. 本文代表性選取18組淺層地下水水質(zhì)樣本,篩選9個評價因子,采用基于物元可拓法的水質(zhì)綜合評價模型進行了淺層地下水水質(zhì)的定量評價,并通過綜合評分法對物元可拓模型進行了驗證,結(jié)果表明物元可拓模型能很好地評價地下水質(zhì),可信度較高。物元可拓模型可作為傳統(tǒng)地下水質(zhì)評價方法的有效的補充。

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Evaluation on shallow groundwater quality in Tianjin Areas based on matter-element extension model

SI Ai1,REN Jihai2, DU Guanji3,WANG Shuang1

(1.TianjinGeologicalEnvironmentMonitoringStation,Tianjin300191，China；2.ShandongLuyanSurveyandDesignCo.Ltd，Jining272001，China；3.TianjinInstituteofGeotechnicalInvestigation&Surveying，Tianjin300191，China)

A quantitative evaluation on shallow groundwater quality in Tianjin plain areas was made based on the matter-element extension model. The results show that over 80 percent water samples in 18 groups of samples for sampling detection were in grade Ⅳ and grade Ⅴ, and nitrate, nitrite and total hardness were the main weighting factors. The water quality of the shallow groundwater in study area was poor as a whole. The main reasons of groundwater pollution are the specific local geological environment background and the human economic activities. In order to verify the accuracy of the evaluation results, a comparative analysis was made by using traditional synthetic scored method, finding that among the same batch of 18 groups of samples, 15 groups of sample evaluation results are entirely consistent, with the accuracy rate of more than 83%. The evaluation results of another 3 groups of samples differ one grade, which may be related to the evaluation grade interval division in different methods. The contrast results show that there is a higher reliability in the evaluation results of shallow groundwater quality based on the matter-element extension model. The matter-element extension model could be an effective method to quantitatively evaluate the groundwater quality.

shallow groundwater; matter-element extension model; water quality evaluation; Tianjin City

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.02.003

天津市國土資源和房屋管理局礦費補償項目(國土房任[2009]30號)

斯藹(1977—)，女，高級工程師，博士。主要從事地下水監(jiān)測與評價方面研究。E-mail:siai0418@163.com

P641.8

A

1004-6933(2015)02-0015-05

2014-06-09 編輯：徐 娟)