基于模糊綜合評價的水文地質(zhì)勘探地下水污染預(yù)測模型

■ 河北建設(shè)勘察研究院有限公司 吳立彬

地下水是重要的水資源，對人類生存至關(guān)重要。在礦產(chǎn)資源開采過程中，重金屬元素和有害離子等污染物質(zhì)會遷移到水文地質(zhì)環(huán)境，影響地下水質(zhì)量，造成地下水污染[1]。如果不能采取有效措施對水質(zhì)污染提前預(yù)警，勢必會嚴(yán)重威脅人類健康，因此需要對水文地質(zhì)勘探地下水污染進(jìn)行預(yù)測。

學(xué)術(shù)界對于污染預(yù)測模型已經(jīng)積累一定研究成果。符東等[2]優(yōu)化篩選評價因子，構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并對主要污染因子進(jìn)行預(yù)測，得到了監(jiān)測斷面的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；侯澤宇等[3]利用學(xué)習(xí)機(jī)替代模型，解決了含水層參數(shù)的同步反演識別問題，大幅度減少了模擬的計算負(fù)荷，縮短了識別時間。但上述模型在預(yù)測準(zhǔn)確度上還存在優(yōu)化空間?，F(xiàn)有預(yù)測模型以地下水污染的靜態(tài)分析為依據(jù)，忽略了各影響因子之間的相互聯(lián)系。而模糊綜合評價克服了各因子之間相互獨(dú)立的局限性，可以較為全面地預(yù)測地下水污染情況，評估水資源質(zhì)量。本研究基于模糊綜合評價，構(gòu)建水文地質(zhì)勘探地下水污染預(yù)測模型，以期提升預(yù)測質(zhì)量。

1.基于模糊綜合評價的水文地質(zhì)勘探地下水污染預(yù)測模型

1.1 選取參考指標(biāo)計算地下水污染物通量

首先選取影響地下水質(zhì)的參考指標(biāo)。選取指標(biāo)時，應(yīng)綜合地下水污染問題建立綜合性的評價體系。選取的參考指標(biāo)要具有通用的概念，能夠與其他環(huán)境或區(qū)域的水文地質(zhì)勘察情況進(jìn)行橫向比較，在時間序列上也具有縱向可比性[4]，其中包含變化與非變化指標(biāo)，能夠全面反映地下水質(zhì)變化情況。參考指標(biāo)需要擁有側(cè)重點(diǎn)和層次性，使地下水污染預(yù)測更具科學(xué)性。綜合考慮技術(shù)支持能力和研究工作量，參考相關(guān)質(zhì)量監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)，將擬測定指標(biāo)分為基本指標(biāo)和特征指標(biāo)，構(gòu)建參考指標(biāo)體系如下：設(shè)定地下水質(zhì)量為目標(biāo)層，基本指標(biāo)和特征指標(biāo)為系統(tǒng)層，二者分別對應(yīng)具體指標(biāo)層?；局笜?biāo)對應(yīng)的指標(biāo)層包括PH值、氧化還原電位、總硬度、溶解性總固體、揮發(fā)酚、LAS、電導(dǎo)率、MnO4-指數(shù)、溶解氧、重金屬離子濃度、硝酸鹽、氮氰化物等；特征指標(biāo)對應(yīng)的指標(biāo)層為有色金屬礦，包括銅、鋅、鉛、汞、氰化物和石油類等。在選取地下水污染物指標(biāo)的基礎(chǔ)上，計算各污染物通量[5]。污染物通量是特定時間內(nèi)通過監(jiān)測斷面的污染物總量，不僅受到點(diǎn)源污染影響，還與地下水流量等因素的影響，其計算結(jié)果直接反映各污染源對水體的貢獻(xiàn)量，展示污染分布特征，是地下水污染預(yù)測的先決條件[6]。計算方法包括斷面瞬時通量與時段通量計算，本文主要利用污染物時段通量進(jìn)行預(yù)測。污染物時段通量的計算公式為：

式（1）中，F(xiàn)表示污染物總量；t表示預(yù)測時段；D（t）表示瞬時流量；P（t）表示瞬時濃度。此次研究使用時段平均濃度與水量的乘積，計算監(jiān)測斷面的污染物通量。利用半變異函數(shù)計算污染物通量在空間上的連續(xù)性變化，具體計算過程為：

式（2）中，v（d）表示污染物半變異值；d表示空間分割距離；n（d）表示距離d的點(diǎn)對數(shù)；S（xi）表示空間變量?；谏鲜鲇嬎惴椒ǎ玫轿廴疚锟臻g分布特征。以氯化物和氨氮為典型無機(jī)污染物；石油類和苯為典型有機(jī)污染物，對典型污染物進(jìn)行異常值處理，可得到最優(yōu)擬合模型，如圖1所示。

圖1 典型污染物的最優(yōu)擬合

根據(jù)污染物異常值的最優(yōu)擬合結(jié)果，得到空間分布差異特征，以便對研究區(qū)域污染物進(jìn)行差異性分析。通過選取影響地下水質(zhì)的參考指標(biāo)，計算污染物通量，確定污染物濃度差異與分布范圍，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行下一階段的模型設(shè)計。

1.2 利用模糊綜合評價建立指標(biāo)關(guān)系矩陣

現(xiàn)有模型局限于靜態(tài)分析，考慮到對地質(zhì)勘探地下水長期動態(tài)結(jié)果進(jìn)行評價，因此利用模糊綜合評價法對研究斷面的水質(zhì)進(jìn)行評價[7]。模糊綜合評價法將主觀與客觀因素相結(jié)合，通過設(shè)定的指標(biāo)體系和賦值權(quán)重，計算各因子對指標(biāo)的隸屬度，分析結(jié)果向量，進(jìn)而得到區(qū)域地下水質(zhì)量等級及排序[8]。首先建立因子集和評價集，以參考指標(biāo)建立的評價因子集U可表示為：

式（3）中，um表示地下水質(zhì)量指標(biāo)；m表示選取指標(biāo)總個數(shù)。根據(jù)地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，確定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)評價集V為：

式（10）中，axy表示第x個指標(biāo)因子第y類標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度。正向指標(biāo)評價集的隸屬度函數(shù)計算公式與上述公式相反。由于各指標(biāo)因子對地下水質(zhì)量的影響程度不同，需要對各個因子賦予不同權(quán)重[9]。權(quán)重反映指標(biāo)因子的重要程度，本文結(jié)合層次分析與熵權(quán)法，對權(quán)重進(jìn)行賦值。層次分析中，對選定的評價指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對于正向指標(biāo)存在：

式（11）中，b表示指標(biāo)標(biāo)度值；mc表示該指標(biāo)實測濃度；表示濃度標(biāo)準(zhǔn)平均值。對于逆向指標(biāo)，指標(biāo)標(biāo)度值為正向評價因子的倒數(shù)[10]。構(gòu)造判斷矩陣，得到特征向量，歸一化處理后得到權(quán)重系數(shù)。熵權(quán)法中，利用評價指標(biāo)實測值構(gòu)造判斷矩陣，進(jìn)行歸一化處理，對于正向指標(biāo)存在：

式（12）中，h表示指標(biāo)歸一化值；samax與samin分別表示指標(biāo)中最滿意和不滿意的值。對于逆向指標(biāo)存在：

計算各指標(biāo)熵值E，表示為：

式（15）中，Ej表示各指標(biāo)熵值；g表示指標(biāo)個數(shù)。計算層次分析與熵權(quán)法得到權(quán)重的算術(shù)平均值，即為評價指標(biāo)的權(quán)重，構(gòu)建因子權(quán)重集W，與模糊矩陣A相乘，得到綜合指標(biāo)。綜合指標(biāo)反映全部隸屬度信息，更能真實反映實際情況[11]。基于上述模糊綜合評價過程，在各指標(biāo)間建立有效連接，以此實現(xiàn)對地下水質(zhì)的綜合評價。

1.3 構(gòu)建地下水污染預(yù)測模型

為實現(xiàn)污染物運(yùn)移數(shù)值模擬，建立地下水污染預(yù)測模型，通過模擬結(jié)果預(yù)測和分析污染物的濃度變化和運(yùn)移路徑，進(jìn)而提出有效控制措施，減少水質(zhì)污染情況。首先根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)條件，確定模擬邊界。水平邊界包括第一類定水頭邊界和第二類定流量邊界[12]。垂直邊界主要為向上的潛水面和底部隔水邊界[13]。根據(jù)地質(zhì)條件，建立地下水流運(yùn)動控制方程，具體過程如下：

式（16）中，x，y，z表示三維坐標(biāo)軸；λ1，λ2，λ3，分別表示x，y，z方向的滲透系數(shù)；WL表示地下水位；o表示源匯項；表示含水層給水度；t表示時間。考慮對流和彌散作用對污染物遷移預(yù)測的影響，建立污染物遷移控制方程：

式（17）中，k表示地層有效孔隙度；c表示污染物濃度；表示水動力彌散系數(shù)；表示實際流速。由于該模型為三維非均質(zhì)模型，且均有各向非穩(wěn)定性，需要確定初始和邊界的定解條件[14]。模擬地下水流動的定解條件，要確定初始水位和邊界條件；模擬污染物遷移的定解條件，要確定該區(qū)域初始濃度、濃度邊界分布和連續(xù)注入濃度[15]。通過上述過程的數(shù)值模擬，完成對污染物濃度變化和運(yùn)移路徑的預(yù)測，至此在模擬綜合評價方法的輔助下，實現(xiàn)對水文地質(zhì)勘探地下水污染預(yù)測模型的構(gòu)建。

2.實驗研究

2.1 實驗準(zhǔn)備

將某水文地質(zhì)勘探區(qū)域作為實驗測試對象，對該區(qū)域的地下水污染情況進(jìn)行預(yù)測。該區(qū)域從上到下分別為人工堆積層、堆積物和天然地層。人工堆積層包括細(xì)砂和素填土，包含塊石和碎石土；堆積物包括細(xì)砂、粉砂和粉質(zhì)黏土；天然地層為強(qiáng)風(fēng)化和全風(fēng)化的花崗巖。該區(qū)域地下水的主要補(bǔ)給來源為大氣降水，方式以垂向滲入為主；水平徑流緩慢，通過排水管道、壩體排水和蒸發(fā)進(jìn)行地下水排泄。選取5個測試點(diǎn)，對地下水污染情況進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)各監(jiān)測井污染物指標(biāo)的組合賦權(quán)權(quán)重，計算各監(jiān)測井評價指標(biāo)的污染權(quán)重，具體結(jié)果見表1。

根據(jù)表1結(jié)果，可得到各測試點(diǎn)的主要污染指標(biāo)及其權(quán)重，利用本文構(gòu)建的污染預(yù)測模型確定各測試點(diǎn)的水質(zhì)污染預(yù)測等級。

表1 各測試點(diǎn)評價指標(biāo)污染權(quán)重

2.2 地下水污染預(yù)測效果評估

對該研究區(qū)域的5個測試點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)一年的地下水污染預(yù)測，并記錄實際污染物濃度值，測定實際水質(zhì)污染情況。將此次構(gòu)建模型與傳統(tǒng)模型的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行對比，評估構(gòu)建的預(yù)測模型的實際應(yīng)用效果。利用模型得到的水質(zhì)評價等級，衡量預(yù)測效果，具體結(jié)果見圖2。

圖2 不同模型的水質(zhì)預(yù)測等級對比

根據(jù)圖2預(yù)測對比結(jié)果，本文構(gòu)建的預(yù)測模型得到的水質(zhì)評價等級與實際測定結(jié)果比較接近，而現(xiàn)有預(yù)測模型的預(yù)測結(jié)果與實際污染情況出現(xiàn)較大的偏差，說明本文構(gòu)建的模型能夠可靠反映地下水質(zhì)狀況，與實際污染狀況相符合，比現(xiàn)有模型更具實用性，預(yù)測結(jié)果更加合理，驗證了本文模型的可靠性。在地下水質(zhì)等級評估的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對污染物濃度進(jìn)行預(yù)測，計算實際測量值與模型預(yù)測值，結(jié)果見表2。

表2 地下水污染物濃度實際測量值與模型預(yù)測值

計算污染物濃度實際值與預(yù)測值的相對誤差，衡量預(yù)測模型精度，結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3對比結(jié)果，本文構(gòu)建模型的地下水污染物濃度預(yù)測誤差在3%—5%范圍內(nèi)，相比較現(xiàn)有預(yù)測模型而言，預(yù)測誤差降低了8%—10%，說明預(yù)測準(zhǔn)確度得到提升。因此，在實際應(yīng)用中，與實際測量數(shù)據(jù)的結(jié)果相符合，預(yù)測效果更好 。

圖3 不同模型的污染物濃度預(yù)測誤差

3.結(jié)語

隨著礦產(chǎn)資源的開采，有害元素遷移到水文地質(zhì)環(huán)境，地下水污染程度嚴(yán)重。現(xiàn)有污染預(yù)測模型局限于靜態(tài)分析，忽略各影響因子的相互聯(lián)系，導(dǎo)致預(yù)測準(zhǔn)確度較低。本文基于模糊綜合評價構(gòu)建水文地質(zhì)勘探地下水污染預(yù)測模型，選取參考指標(biāo)，計算地下水污染物通量，確定濃度差異；利用模糊綜合評價，建立指標(biāo)關(guān)系矩陣，得到質(zhì)量等級及排序，加強(qiáng)因子關(guān)聯(lián)性；構(gòu)建地下水污染預(yù)測模型，完成污染物運(yùn)移數(shù)值模擬。實驗結(jié)果表明，構(gòu)建的預(yù)測模型能夠可靠反映地下水質(zhì)狀況，污染物濃度預(yù)測誤差在3%—5%范圍內(nèi)，與現(xiàn)有模型相比，準(zhǔn)確度提高8%—10%，更有利于預(yù)測地下水環(huán)境狀況。然而，由于水文地質(zhì)勘探環(huán)境較為復(fù)雜，對預(yù)測模型模擬效果存在干擾，此次建立的模型還存在不足之處。后續(xù)研究可對污染物展開溯源分析，進(jìn)一步優(yōu)化污染預(yù)測結(jié)果，提高模型應(yīng)用效果。