苗鑫淼王 飛公 亮

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源學(xué)院,江蘇省徐州市,221116; 2.四川省地質(zhì)工程勘察院,四川省成都市,610000)

礦區(qū)地下水質(zhì)量評價(jià)及預(yù)測?

苗鑫淼1王 飛2公 亮1

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源學(xué)院,江蘇省徐州市,221116; 2.四川省地質(zhì)工程勘察院,四川省成都市,610000)

為了保證礦區(qū)合理、安全利用地下水資源,科學(xué)選取水源井位置,實(shí)驗(yàn)選取西部某礦區(qū)21個(gè)水樣點(diǎn),分別利用模糊模式識(shí)別法、熵權(quán)模糊綜合評判法等方法,對礦區(qū)地下水水質(zhì)等級進(jìn)行了評價(jià),并預(yù)測了礦區(qū)水質(zhì)演化趨勢。結(jié)果表明,模糊模式識(shí)別法對礦區(qū)地下水水質(zhì)的評價(jià)更為合理,其評價(jià)結(jié)果為今后礦區(qū)水源井位置的選取提供了參考和依據(jù)。

模糊模式識(shí)別模型 相對隸屬度 地下水質(zhì)量 水質(zhì)演化預(yù)測

隨著礦區(qū)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,其對地下水的需求量也在持續(xù)增大。地下水資源不合理的開發(fā)利用,往往會(huì)導(dǎo)致地下水水位下降、水質(zhì)惡化等環(huán)境問題,制約了礦區(qū)的發(fā)展,影響了礦區(qū)群眾的生活。因此,為保證礦區(qū)合理、安全利用地下水資源,需要對地下水尤其是飲用水質(zhì)量做出科學(xué)可靠的評價(jià)及預(yù)測。

國內(nèi)外目前針對地下水的質(zhì)量評價(jià)方法主要有單因子評價(jià)法、灰色聚類評價(jià)法、多元統(tǒng)計(jì)分析法、內(nèi)梅洛綜合指數(shù)法和模糊綜合評判法等。由于以上方法在評價(jià)模型、評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評價(jià)內(nèi)容等方面存在差異,因此其對地下水質(zhì)量評價(jià)的過程和結(jié)果各有不同。地下水質(zhì)量評價(jià)是一個(gè)典型的模糊概念,需依據(jù)模糊數(shù)學(xué)的方法將研究系統(tǒng)中水質(zhì)類別、分類界限和污染程度等模糊概念通過隸屬度加以量化。通過對模糊綜合評判法進(jìn)行改進(jìn),對礦區(qū)第四系含水層進(jìn)行了水質(zhì)評價(jià)及預(yù)測,并為礦區(qū)第四系飲用水水源地位置的選取、開發(fā)與利用提供了科學(xué)依據(jù)。

1 模糊模式識(shí)別模型的建立及其評價(jià)

1.1 水質(zhì)評價(jià)樣本及標(biāo)準(zhǔn)的確定

根據(jù)礦區(qū)水源井的實(shí)測資料建立污染物實(shí)測樣本矩陣:

式中:m、n——評價(jià)指標(biāo)和實(shí)測水源井的樣本數(shù);

xij——第j個(gè)水源井中第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)的實(shí)測值,i＝1,2,…,n;j＝1,2,…,n。

根據(jù)《地下水質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》對m項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分級標(biāo)準(zhǔn)評價(jià),評價(jià)等級分為5級。

1.2 確定模糊關(guān)系矩陣

在水質(zhì)評價(jià)過程中,由于水質(zhì)污染程度和水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)都是模糊的,因此采用相對隸屬度對其進(jìn)行刻畫是合理的。按各指標(biāo)隸屬各水質(zhì)等級,可以規(guī)定指標(biāo)i的m級標(biāo)準(zhǔn)值對污染的相對隸屬度為:

式中:yim——指標(biāo)i的m級標(biāo)準(zhǔn)值對污染的相對隸屬度。

對于實(shí)測濃度值愈大污染愈重的指標(biāo)i,其對于污染的相對隸屬度為:

式中:rij——指標(biāo)i對于污染的相對隸屬度。

根據(jù)各因子的隸屬函數(shù),依次計(jì)算,得出實(shí)測指標(biāo)相對隸屬度與指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)相對隸屬度矩陣Rm×n＝(rij)以及指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)相對隸屬度

1.3 建立權(quán)重模糊矩陣

由于取樣點(diǎn)不同,評價(jià)指標(biāo)的重要性可能不同,因此在模糊矩陣的建立中,需要考慮評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。矩陣Wm×n＝(wij)給出樣本超過環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的相對隸屬度,隸屬度不僅可以表示為權(quán)重,也可以描述超標(biāo)指標(biāo)的權(quán)重:

式中:xi——第i種評價(jià)指標(biāo)的實(shí)測值;

Wi——權(quán)重因子,Wi≥0;

ɑij——第j個(gè)水源井中第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)的允許濃度值。

水源井以相對隸屬度zhj隸屬于h級環(huán)境標(biāo)準(zhǔn),則有水源井對于環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)相對隸屬度矩陣Z5j＝(zhj),滿足的約束條件為:≤1。由矩陣Rm×n、Sm×5可知,實(shí)測水源井j的i個(gè)評價(jià)指標(biāo)相對隸屬度rij分別與評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)相對隸屬度sih行向量逐一進(jìn)行比較,可得評價(jià)指標(biāo)每個(gè)相對應(yīng)級別的區(qū)間,區(qū)間的上下限為minb1j和maxc1j。則樣本與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)間的差別用權(quán)距離法來計(jì)算表示:

式中:dhj——第j個(gè)水源井與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)級別h的廣義權(quán)距離;

sih——環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)為h級的評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)相對隸屬度;

p——距離參數(shù),取歐拉距離2;

θi——第i種指標(biāo)的權(quán)向量。

建立相對隸屬度zhj對模糊事件A的最優(yōu)相對隸屬度目標(biāo)函數(shù):

式中:α——優(yōu)化準(zhǔn)則參數(shù),取2或1;

zhj——第j個(gè)水源井對于環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)級別h的相對隸屬度;

bj——第j個(gè)水源井的級別下限值;

cj——第j個(gè)水源井的級別上限值。

根據(jù)目標(biāo)函數(shù)式和約束式構(gòu)造拉格朗日函數(shù),求得相對隸屬度zhj對模糊事件A的最優(yōu)相對隸屬度公式:

結(jié)合式(4)(5)(6)(7),最終求得樣本j對于h級環(huán)境評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的最優(yōu)相對隸屬度模糊模式識(shí)別理論模型:

式中:sik——評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)對評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)級別的相對隸屬度;

wij——樣本超過環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的相對隸屬度。

2 基于熵權(quán)法的模糊綜合評判

熵值賦權(quán)法是通過各評價(jià)指標(biāo)的檢測值構(gòu)成的判斷矩陣來確定各指標(biāo)的權(quán)重的方法。由于其弱化了因子權(quán)重的主觀性影響,可以使評價(jià)結(jié)果更趨近于實(shí)際情況。

權(quán)重具體計(jì)算過程如下:

(1)建立構(gòu)造判別矩陣:

(2)將判斷矩陣進(jìn)行歸一化處理,得到歸一化的判斷矩陣:

式中:Hj——第j個(gè)水源井的歸一化判斷矩陣;

fij——?dú)w一化的判別函數(shù);

bij——?dú)w一化判斷矩陣元素;

xmin——j個(gè)不同水源井中的第i評價(jià)指標(biāo)的最差值;

xmax——j個(gè)不同水源井中的第i評價(jià)指標(biāo)的最優(yōu)值。

為使lnfij有意義,須假設(shè)當(dāng)fij＝0時(shí),fijlnfij＝0,又因?yàn)楫?dāng)fij＝1時(shí),fijlnfij＝0,為了與熵的含義不相悖,對fij修正為:

(3)計(jì)算評價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)

式中:kj——樣本j的熵權(quán)值。

因此得到權(quán)重向量K＝(kj)1×n

3 礦區(qū)第四系地下水質(zhì)量評價(jià)

為了系統(tǒng)全面地調(diào)查礦區(qū)松散層的水質(zhì)情況,在礦區(qū)范圍內(nèi)共選取了21個(gè)樣本點(diǎn)。以《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》作為評價(jià)依據(jù),分別對各水樣點(diǎn)的總硬度、鐵、錳、銅、鋅和揮發(fā)酚類等21項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評價(jià),這些指標(biāo)均是數(shù)值愈大污染愈重的指標(biāo)。

通過分別計(jì)算得出模糊識(shí)別模型的判別矩陣zhj,在綜合考慮最大隸屬度原則的基礎(chǔ)上,得出研究區(qū)各水樣點(diǎn)的地下水質(zhì)量分級情況,見表1。

表1 模糊模式識(shí)別法評價(jià)結(jié)果

4 評價(jià)結(jié)果綜合分析

從模糊模式識(shí)別法計(jì)算出來的結(jié)果顯示,4＃水樣點(diǎn)、11＃水樣點(diǎn)、17＃水樣點(diǎn)和21＃水樣點(diǎn)的綜合水質(zhì)最好,其他取樣點(diǎn)水樣次之。通過與水質(zhì)單項(xiàng)指標(biāo)評價(jià)結(jié)果相比較,模糊模式識(shí)別法的評價(jià)結(jié)果使水質(zhì)級別趨于平均化。個(gè)別取樣點(diǎn)雖然某些指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo),但總體評價(jià)結(jié)果卻是Ⅲ級。而模糊模式識(shí)別法與內(nèi)梅洛指數(shù)法、熵權(quán)法模糊綜合評判法的評價(jià)結(jié)果相比,其水質(zhì)的評價(jià)等級在總體上優(yōu)于其他兩種方法的評價(jià)等級,具體評價(jià)結(jié)果見表2。

內(nèi)梅洛指數(shù)法易受控于某項(xiàng)高污染評價(jià)指標(biāo),評價(jià)結(jié)果往往向污染嚴(yán)重方偏離;熵權(quán)法模糊綜合評判法由于其模糊算子采用相乘取大的原則,突出顯示了水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)中超標(biāo)的指標(biāo),導(dǎo)致評價(jià)結(jié)果也會(huì)向污染重的方向偏離;模糊模式識(shí)別法在對評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的相對隸屬度劃分中,不能很好的區(qū)分Ⅳ類和Ⅴ類,從而導(dǎo)致某些評價(jià)結(jié)果向污染輕的方向偏離。綜合分析以上幾種方法可知,模糊模式識(shí)別法得出的評價(jià)結(jié)果更能客觀的反映實(shí)際水質(zhì)情況。

表2 水源地地下水質(zhì)量評價(jià)結(jié)果分析表

5 水質(zhì)演化趨勢預(yù)測

水質(zhì)預(yù)測是對地下水資源進(jìn)行規(guī)劃、評價(jià)與管理工作的基礎(chǔ)。由于水質(zhì)評價(jià)系統(tǒng)具有灰色性,故分別將水質(zhì)樣本指標(biāo)與水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)組成參考數(shù)列與被比較數(shù)列,用灰色關(guān)聯(lián)度表示樣本與各級別的貼近程度,運(yùn)用廣義加權(quán)距離構(gòu)造目標(biāo)函數(shù),進(jìn)而建立水質(zhì)綜合評價(jià)模型。

根據(jù)灰色模式計(jì)算步驟,結(jié)合礦區(qū)的實(shí)測數(shù)據(jù)可以預(yù)測出未來3年內(nèi)氨氮、鐵、錳、氯化物、硫酸鹽和氟化物6種污染物的濃度值。預(yù)測結(jié)果見表3。

表3 礦區(qū)污染物濃度預(yù)測值

從預(yù)測結(jié)果可以看出,礦區(qū)第四系水氯化物濃度、礦化度和氟化物等3種水質(zhì)指標(biāo)在3年內(nèi)均會(huì)出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。

6 結(jié)論

在對礦區(qū)用水條件進(jìn)行調(diào)查取樣的基礎(chǔ)上,分別運(yùn)用了內(nèi)梅洛指數(shù)法、熵權(quán)模糊綜合評判法、模糊模式識(shí)別法對西部某礦區(qū)第四系水質(zhì)進(jìn)行了綜合評價(jià)。評價(jià)結(jié)果表明內(nèi)梅洛指數(shù)法和熵權(quán)模糊綜合評判法由于強(qiáng)化了評價(jià)指標(biāo)主要污染因子的作用,使得其他污染指標(biāo)貢獻(xiàn)率得到弱化或者丟失,故水質(zhì)總體上較差;而模糊模式識(shí)別法考慮了評價(jià)指標(biāo)的相對隸屬度的優(yōu)化,使得評價(jià)結(jié)果更加符合實(shí)際情況。

從水質(zhì)評價(jià)本身存在著灰色性的特性出發(fā),建立了基于加權(quán)距離法的灰色理論模型,對礦區(qū)水源井的水質(zhì)進(jìn)行預(yù)測,礦區(qū)第四系水氯化物濃度、礦化度和氟化物等3種水質(zhì)指標(biāo)在3年內(nèi)均會(huì)出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。

通過分析研究,為礦區(qū)今后飲用水水質(zhì)評價(jià)以及水源井位置的選取提供了合理的方法。結(jié)合水質(zhì)取樣點(diǎn)在礦區(qū)的分布位置以及水質(zhì)評價(jià)結(jié)果,建議礦區(qū)今后的水源井向4＃水樣點(diǎn)、11＃水樣點(diǎn)、17＃水樣點(diǎn)、21＃水樣點(diǎn)方向布設(shè);礦區(qū)其他區(qū)域取水時(shí),建議采用陽離子吸附等方法對水源井進(jìn)行水質(zhì)處理,使其滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),保證礦區(qū)用水安全。

[1] 孟憲萌,胡和平.基于熵權(quán)的集對分析模型在水質(zhì)綜合評價(jià)中的應(yīng)用[J].水利學(xué)報(bào),2009(3)

[2] 劉燕,吳文玲,胡安焱.基于熵權(quán)的屬性識(shí)別水質(zhì)評價(jià)模型[J].人民黃河,2005(7)

[3] 李喜林,王來貴,趙奎等.礦井水水質(zhì)評價(jià)中模糊綜合評價(jià)法的改進(jìn)及其應(yīng)用[J].水資源與水工程學(xué)報(bào),2009(5)

[4] 趙春虎.蒙陜礦區(qū)采煤對松散含水層地下水資源影響的定量評價(jià)[J].中國煤炭,2014(3)

[5] 譚博,高艷衛(wèi).基于多元統(tǒng)計(jì)分析的礦井水源的Bayes逐步判別及混合模型[J].中國煤炭,2013(5)

Groundwater quality evaluation and prediction in a mining area

Miao Xinmiao1,Wang Fei2,Gong Liang1
(1.College of Resources,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China; 2.Geological Engineering Investigation Institute of Sichuan Province,Chengdu,Sichuan 610000,China)

In order to ensure reasonable and safe using groundwater resources,and ensure scientific selecting the location of water well,the authors selected western mining area 21 water samples and assessed the mining area groundwater quality level by using fuzzy pattern recognition method and entropy fuzzy comprehensive review method,and then predicted the evolutionary trend of coal mine water quality.The results showed that the fuzzy pattern recognition method was more reasonable,and it provided a reference and basis for the selection of water well location in the future.

fuzzy pattern recognition mode,relative membership degree,groundwater quality,water quality evolution prediction

TD－993

A

苗鑫淼(1990－),男,山東棗莊人,中國礦業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生,研究方向?yàn)榈V井水害防治、地下水資源評價(jià)。

(責(zé)任編輯 孫英浩)

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2013CB227901)