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)量評價中的應用

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)評價指標的多樣性和由單指標給出評價結(jié)果的不相容性，在物元分析理論的基礎上，將水質(zhì)量標準、評價指標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)評價模型，以蘇州市平原區(qū)淺層地下水為研究對象，對全區(qū)42個淺層水樣數(shù)據(jù)進行水質(zhì)綜合評價，結(jié)果表明：研究區(qū)南部大部分地區(qū)淺層地下水質(zhì)量優(yōu)良，在北部和東部一帶已遭受嚴重污染，局部地區(qū)水質(zhì)有從Ⅲ級向Ⅳ級轉(zhuǎn)化的趨勢。

物元可拓;水質(zhì)評價;淺層地下水;綜合關聯(lián)度;江蘇蘇州

0 引言

蘇州地區(qū)多年來以質(zhì)優(yōu)量大的地下水作為水源，但由于長期過量開采，導致區(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)問題。江蘇2000年頒布并實施了《關于蘇錫常地區(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)供水帶來了壓力，尤其是給偏遠地區(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(王彩會等，2004)。因此，分析淺層地下水水質(zhì)，進行綜合評價，可以確定地下水的污染現(xiàn)狀，對合理開發(fā)地下水資源，保護水環(huán)境具有十分重要的意義。同時，可為區(qū)域淺層地下水資源的開采規(guī)劃提供科學依據(jù)。

1 基本原理與方法

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

況，并易于用計算機進行處理(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個特征 C1，C2，…，Cn和相應的量值 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)量評價模型

通過引入物元的概念，地下水水質(zhì)指標就可以用n維物元表示，進而建立地下水質(zhì)量評價模型。

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，假定所評定的地下水水質(zhì)指標有n項，分別以C1，C2，…，Cn表示，水質(zhì)等級可以劃分為m級，則Rj表示第j個等級地下水的質(zhì)量物元。Rj的表達式如式2。

式中：Vij是N關于ci所取值的范圍，并且有 Vij=(aij，bij)(i=1，2，…，n)，Rj是 j等級關于 n 項評價指標的取值范圍，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關于 ci所取值的范圍，并且有 Vip=(aip，bip)(i=1，2，…，n)，Rp是所有等級關于 n 項評價指標的取值范圍，則(aip，bip)稱為節(jié)域。

1.2.2 關聯(lián)函數(shù) 關聯(lián)函數(shù)k(x)表示被評價單元與某標準的隸屬程度的函數(shù)，關聯(lián)函數(shù)的數(shù)值代表關聯(lián)度。關聯(lián)函數(shù)的選取應當根據(jù)被評價事物的特征與可拓集合理論相結(jié)合的方法確定。針對不同的評價事物選用合適的關聯(lián)函數(shù)才能更準確地反映隸屬關系。對地下水水質(zhì)進行評價選用的關聯(lián)函數(shù)如式4所示。

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

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

1.2.3 權(quán)重aj的確定 在綜合評價中，考慮到各因素對水質(zhì)影響程度的不同，應根據(jù)其在水質(zhì)中的作用大小分別賦予不同權(quán)值。權(quán)值計算方法可根據(jù)實際情況選取，不同的評價目的及評價因子按不同公式計算。常用的權(quán)系數(shù)計算方法有指數(shù)超標法、自頂向下的系統(tǒng)分析法、專家打分法、層次分析法、因子污染貢獻率法、關聯(lián)函數(shù)法等。

選用評價因子污染貢獻率方法來確定權(quán)系(羅定貴等，1997)，由于各評價因子實測值越小，地下水的等級越高，因此，對此方法作出改進(式7)。式中：xj為第j種評價因子的實測值，sj為第 j種評價因子各級標準的平均值，aj為第j種評價因子的權(quán)重。

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

式中：Kj(p)為待評價單元p關于j等級的綜合關聯(lián)度。綜合關聯(lián)度充分考慮了隸屬關系及某因子對整個水體評價影響程度兩方面來反應水體等級，因此，對評價單元更客觀、準確。若Kj=max［Kj(p)］，則待評價單元p屬于等級j，即可確定p屬于等級j。

1.2.5 質(zhì)量評價等級 關聯(lián)度的數(shù)值表示評價單元符合某標準范圍的隸屬程度，當K(x)≥1.0時，表示被評價對象超過標準對象上限，數(shù)值越大，開發(fā)潛力越大;當0≤K(x)≤1.0，表示被評價對象符合標準對象要求的程度，數(shù)值越大，越接近標準上限;當-1.0≤K(x)≤0時，表示被評價對象不符合標準對象要求，但具備轉(zhuǎn)化為標準對象的條件，數(shù)值越大，越容易轉(zhuǎn)化;當K(x)≤-1.0時，表示被評價對象不符合標準對象要求，且又不具備轉(zhuǎn)化為標準對象的條件。

2 評價實例

筆者采用物元法對蘇州市淺層地下水進行水質(zhì)評價。

2.1 評價指標和準則的確定

選取具有代表性的2009年枯水期(4月—5月)的水質(zhì)監(jiān)測井的觀測值為評價對象。為了合理地評價研究區(qū)淺層地下水的水質(zhì)優(yōu)劣，以1985年的水質(zhì)監(jiān)測值為背景值，通過對比選取對水質(zhì)有較大影響的總硬度和總礦化度9項指標進行評價，分別用C1，C2，…，C9表示。

各評價指標的質(zhì)量分類標準，采用《中華人民共和國地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848—93)(表1)將水質(zhì)分為 5 級，即 j=1，2，…，5。

表1 地下水質(zhì)量評價標準

2.2 水質(zhì)評價與結(jié)果分析

本次研究選取42個具有代表性的水質(zhì)采樣點的水質(zhì)資料作為樣本進行評價，采樣點的具體位置見圖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)測的數(shù)據(jù)資料可得到待評價物元矩陣R1，R2，…，R50。文中僅列出SZ01號采樣點樣品的物元矩陣R1。

圖1 研究區(qū)采樣點分布圖

由樣本物元矩陣、標準物元矩陣及節(jié)域矩陣，通過式4、式5、式6計算樣本中各評價因子相對標準水質(zhì)分級標準的關聯(lián)度(表2)。

根據(jù)式7計算各樣本各評價因子權(quán)重見表3。

利用樣本各評價因子的關聯(lián)度和權(quán)重系數(shù)代入公式8，可計算該樣品實測指標相對于水質(zhì)等級的綜合關聯(lián)度(表4)，其中K2(p)的值最大，所以該樣品水質(zhì)等級屬于Ⅱ類。

按照上述步驟，利用物元可拓法可分別計算出區(qū)內(nèi)42個采樣點水質(zhì)的綜合關聯(lián)度，并根據(jù)等級評定方法，從而確定各采樣點水質(zhì)等級(表5)。

由表5的評價結(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，地下水遭受嚴重污染，分布與該區(qū)的8個監(jiān)測點水質(zhì)屬于Ⅳ級，不適合作為生活飲用水，主要超標因子為NH+4和Fe，初步分析可能與區(qū)域沉積環(huán)境和人類活動影響有關，詳情需進一步研究。(2)研究區(qū)內(nèi)吳江、蘇州市區(qū)、太倉一線水質(zhì)屬于Ⅱ級—Ⅲ級，水質(zhì)相對較好，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級往Ⅳ級演化，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，是從定性和定量兩個角度去處理現(xiàn)實世界中存在的相容問題與不相容問題。筆者利用物元可拓法對水質(zhì)進行評價，得到了比較滿意的評價結(jié)果，這說明利用物元分析法進行水資源質(zhì)量評價是可行的。物元可拓法計算簡便、評價結(jié)果直觀。模型中的綜合關聯(lián)度和可拓指數(shù)等指標，既可反映樣本評價等級的絕對性，又可反映評價等級的相對性，可定性分析評價樣本水質(zhì)的變化趨勢。對于水質(zhì)等級較差的地下水，需進一步查明水質(zhì)指標超標的原因，采取相應的措施，防止外來污染的擴散，保證地下水系統(tǒng)的完整性。

表2 SZ01號樣品矩和關聯(lián)函數(shù)值

表3 SZ01號采樣點各評價因子權(quán)重

表4 SZ01號樣品綜合關聯(lián)度計算結(jié)果

表5 綜合關聯(lián)度Kj(p)判定等級

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：科學出版社.

蔡文.1998.物元模型及其應用［M］.北京：科學技術(shù)文獻出版社.

蔡文，楊春燕，何斌.2003.可拓邏輯初步［M］.北京：科學出版社.

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

劉春莉，李祚泳.2003.生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的物元可拓評價及實例分析［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)評價中的應用［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，(5)：1-5.

王彩會，陳杰，朱錦旗.2004.開采淺層地下水對地面沉降影響的探討［J］.中國地質(zhì)災害與防治學報，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，高級工程師，從事礦山地質(zhì)環(huán)境保護研究，E-mail：1348189243@qq.com

10.3969/j.issn.1674-3636.2012.01.80