淮安市地下水水質(zhì)綜合評價(jià)及應(yīng)用

曹雪芹，范清成，張芳芳

(淮安市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223001)

在我國北方城市中，地下水是重要的后備水源，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展、地下水的長期不合理開發(fā)利用以及人類活動(dòng)對自然環(huán)境影響的加劇，引發(fā)了地下水位下降、河道斷流趨勢加重、湖泊濕地萎縮、泉水干涸、海水入侵、水質(zhì)污染等一系列生態(tài)環(huán)境問題。

水質(zhì)評價(jià)是當(dāng)前了解水質(zhì)狀況的有效方法，進(jìn)行評價(jià)分析與預(yù)測，可以及時(shí)掌握水體的現(xiàn)狀與未來的發(fā)展趨勢，重點(diǎn)能分析出水質(zhì)變化的原因與影響因素。目前應(yīng)用廣泛的水質(zhì)綜合評價(jià)方法有BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、灰色關(guān)聯(lián)度法、多元線性回歸法、模糊綜合評價(jià)法、主成分分析法、層次分析法等[1-6]。上述評價(jià)方法各有特點(diǎn)，BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是利用人工智能動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)擬定水質(zhì)指標(biāo)與等級標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系；灰色關(guān)聯(lián)度法利用關(guān)聯(lián)度系數(shù)來表示各個(gè)內(nèi)在元素之間的關(guān)系，即參考組與比較組之間關(guān)系確定；多元線性回歸法對樣本分布要求較高，容易受到統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)響應(yīng)較大；模糊綜合評價(jià)法避免了指標(biāo)選取上人為影響，以隸屬度函數(shù)來表示地下水關(guān)系，計(jì)算較復(fù)雜，存在水質(zhì)類別判斷誤差較大等問題；主成分分析法因評價(jià)指標(biāo)意義不明確，需要大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，客觀反映容易受到影響；層次分析法建立分層機(jī)構(gòu)構(gòu)造矩陣，受到人的主觀判斷影響，容易造成結(jié)果判斷的失誤性。因此，在進(jìn)行地下水水質(zhì)評價(jià)分析中，避免誤差的影響，本文采用集對分析法(SPA)以借鑒非線性函數(shù)確定性和不確定性關(guān)系對評價(jià)樣本進(jìn)行客觀、合理、高效分析，為今后該地區(qū)的地下水管理工作提供依據(jù)。

1 集對分析模型

1.1 集對分析原理

我國學(xué)者趙克勤先生最先提出一種新的處理不確定性問題的系統(tǒng)理論方法，即集對分析法[7-8]，主要是在一個(gè)系統(tǒng)中分為確定性方面和不確定性方面，確定性與不確定性具有一定的相互聯(lián)系、影響和制約，同時(shí)還能在一定的條件下進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。根據(jù)三分原理[9]，對集對分析中的兩個(gè)集合中的確定性分為“同一”和“對立”，將不確定性分為“差異”。通過辯證關(guān)系轉(zhuǎn)換，將不確定性換成一種數(shù)學(xué)模型運(yùn)算，主要是通過聯(lián)系度的同異反函數(shù)進(jìn)行描述和計(jì)算。

地下水是一個(gè)存在確定性和不確定性的集合系統(tǒng)，水質(zhì)的評價(jià)就是運(yùn)用確定性的評價(jià)指標(biāo)與評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)與不確定性的影響因素進(jìn)行相結(jié)合的分析過程。地下水水質(zhì)評價(jià)中運(yùn)用集對分析法，將該區(qū)域的水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)與評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)分為2個(gè)集合，并構(gòu)成一個(gè)集對，若指標(biāo)處于評價(jià)級別范圍內(nèi)，說明屬性方面越傾向于同一；若處于相隔的評價(jià)級別范圍內(nèi)，說明屬性方面越傾向于對立；若處于相鄰的評價(jià)級別范圍內(nèi)，說明特定屬性方面越傾向于差異，既不同一也不對立，從而進(jìn)行地下水水質(zhì)評價(jià)[10-11]。

1.2 集對分析方法

運(yùn)用集對分析法進(jìn)行區(qū)域地下水水質(zhì)評價(jià)，設(shè)有N個(gè)評價(jià)指標(biāo)，其中X個(gè)評價(jià)指標(biāo)高于評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)，Z個(gè)評價(jià)指標(biāo)低于評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)，Y個(gè)評價(jià)指標(biāo)缺乏監(jiān)測與比較，將區(qū)域的水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)與評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)分為2個(gè)集合，并構(gòu)成一個(gè)集對，通過聯(lián)系度的同異反函數(shù)進(jìn)行描述，公式如下：

為了能夠進(jìn)一步的說明評價(jià)指標(biāo)與水質(zhì)評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)之間的數(shù)量關(guān)系，即使同處于同一評價(jià)指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)中，數(shù)值差異性代表了地下水水質(zhì)的不同，因此進(jìn)行同一、差異、對立的集對分，評價(jià)指標(biāo)分為效益型與成本型兩類，計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

其中，公式(1)代表指標(biāo)效益型，公式(2)代表指標(biāo)成本型，分別為評價(jià)指標(biāo)的限定值，也是聯(lián)系度中的取值依據(jù)，x為該地區(qū)的地下水水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)的實(shí)際值取值，k為第k個(gè)評價(jià)指標(biāo)。

根據(jù)聯(lián)系度的同異反函數(shù)計(jì)算的結(jié)果對地下水水質(zhì)優(yōu)劣評價(jià)進(jìn)行排序與歸類，分別取其平均值，得到評價(jià)樣本的平均聯(lián)系度，計(jì)算公式如下：

在評價(jià)樣本中對λ1、λ2、λ3進(jìn)行比較，得到λ1、λ2、λ3中的最大值，通過對樣本指標(biāo)的評價(jià)等級來確定地下水水質(zhì)處于的標(biāo)準(zhǔn)等級。

2 研究區(qū)概況

淮安位于江蘇省中北部，江淮平原東部，位于北緯32°43′00″～34°06′00″，東經(jīng)118°12′00″～119°36′30″之間。全市常住人口為479.9萬人，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比例11.2∶42.9∶45.9。水文水資源方面，境內(nèi)有9條河流在境內(nèi)縱貫橫穿，具有中國第四大淡水湖洪澤湖?；窗彩械叵滤Y源貯量豐富，全市可供開發(fā)利用的含水層廣泛分布于第四系松散層，平水年全市降水補(bǔ)給潛水的水量為15.08億m3，潛水調(diào)節(jié)資源量為8.53億m3，全市深層地下水可采資源量為5.42億m3。每年抽引江水而利用的水資源數(shù)量為10億～20億m3，隨著南水北調(diào)工程的投人使用，這部分過境水量將大幅增加。

3 評價(jià)指標(biāo)確定與等級標(biāo)準(zhǔn)分類

3.1 評價(jià)指標(biāo)確定

地下水水質(zhì)影響的評價(jià)因素較多，以水文地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)以及取樣分析結(jié)果為依據(jù)，從不同的角度真實(shí)客觀的考慮影響指標(biāo)。以金湖縣平原區(qū)、市區(qū)、盆地區(qū)內(nèi)的清江浦區(qū)(點(diǎn)1)、淮陰區(qū)(點(diǎn)2)、淮安區(qū)(點(diǎn)3)、洪澤區(qū)(點(diǎn)4)、漣水縣(點(diǎn)5)、盱眙縣(點(diǎn)6)、金湖縣(點(diǎn)7)、淮安經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)(點(diǎn)8)等8處評價(jià)點(diǎn)，共篩選8項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)綜合評價(jià)，包括總硬度、氯化物、硫酸鹽、氟化物、氨氮、高錳酸鹽、砷、鉛。

3.2 等級標(biāo)準(zhǔn)分類

根據(jù)金湖縣經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、地下水開采量增加、地下水位持續(xù)性下降的實(shí)際情況，通過咨詢相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜遥罁?jù)GB/T14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[12]中的指標(biāo)等級，對其8項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)提出3級評價(jià)等級，即Ⅰ級、Ⅱ二級、Ⅲ級，具體等級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 地下水水質(zhì)評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)

4 地下水水質(zhì)評價(jià)

根據(jù)前述的集對分析法介紹，以水質(zhì)的評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)分級的指標(biāo)限定值作為集對分析法聯(lián)系度函數(shù)中的同一度、差異度、對立度的取值依據(jù)，確定出同一度系數(shù)和對立度系數(shù)的數(shù)值，并根據(jù)λ1+λ2+λ3=1計(jì)算出差異度系數(shù)的數(shù)值，因此，對平原區(qū)、市區(qū)、盆地區(qū)選取的8個(gè)評價(jià)點(diǎn)水質(zhì)評價(jià)集對分析聯(lián)系度分別為：

根據(jù)聯(lián)系度公式，得到8個(gè)評價(jià)點(diǎn)水質(zhì)聯(lián)系度函數(shù)，通過比較評價(jià)點(diǎn)1、4、5屬于同一級別，評價(jià)點(diǎn)3、8屬于同一級別，其余的為個(gè)例，評價(jià)點(diǎn)2為最優(yōu)，評價(jià)點(diǎn)7為次之，評價(jià)點(diǎn)1、4、5的水質(zhì)優(yōu)于評價(jià)點(diǎn)3、8，評價(jià)點(diǎn)6的水質(zhì)最差。在同一個(gè)級別中目前判斷出來哪一個(gè)更優(yōu)，哪一個(gè)更劣。因

此，通過更進(jìn)一步的去分析評價(jià)指標(biāo)之間因素關(guān)系與水質(zhì)評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)之間的量級關(guān)系，結(jié)果說明，同一級別中的水質(zhì)也會(huì)隨著指標(biāo)含量的不同使得水質(zhì)表現(xiàn)出差異性，因而繼續(xù)對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行同一、差異、對立以判斷各個(gè)評價(jià)點(diǎn)水質(zhì)的等級概況。

根據(jù)聯(lián)系度的同異反函數(shù)計(jì)算的結(jié)果對地下水水質(zhì)優(yōu)劣評價(jià)進(jìn)行排序與歸類，分別取其平均值，得到評價(jià)樣本的平均聯(lián)系度，見表2。

得到水質(zhì)評價(jià)集對分析均值聯(lián)系度分別為：

表2 聯(lián)系度均值

表3 結(jié)果對比

5 結(jié)語

本文運(yùn)用集對分析法對金湖縣選取的8處評價(jià)點(diǎn)進(jìn)行地下水水質(zhì)綜合評價(jià)，評價(jià)結(jié)果與相關(guān)研究文獻(xiàn)結(jié)果比對基本保持一直，說明集對分析結(jié)論的可靠性和可信性。集對分析法根據(jù)評價(jià)指標(biāo)的同一、差異和對立之間的關(guān)系的處理表現(xiàn)優(yōu)越性，能夠客觀、公正、準(zhǔn)確的看到評價(jià)結(jié)果，由此可見，集對分析是研究和處理水質(zhì)評價(jià)系統(tǒng)中有關(guān)不確定性問題的一種常用的系統(tǒng)數(shù)學(xué)方法，對研究地下水資源的規(guī)劃與保護(hù)提供了借鑒。