基于云模型的東平湖枯水期地下水水質評價

胡尊芳,孫建峰,宋印勝,王仕昌,韓玉珍

(1.山東省物化探勘查院,山東 濟南　250013; 2.山東大學土建與水利學院,山東 濟南　250061)

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基于云模型的東平湖枯水期地下水水質評價

胡尊芳1,2,孫建峰1,宋印勝1,王仕昌1,韓玉珍1

(1.山東省物化探勘查院,山東 濟南250013; 2.山東大學土建與水利學院,山東 濟南250061)

水質評價；南水北調東線工程;東平湖;枯水期;地下水;云模型

東平湖位于山東省泰安市,是南水北調東線工程的調蓄水庫,同時也擔負著黃河下游地區和山東省西水東調水資源調蓄調配的功能,地位重要。地下水是東平湖水環境的重要組成部分,一方面地下水是當地居民主要的生活水源,另一方面地下水通過與地表水的相互交換影響地表水水質,進而影響南水北調工程受水區域的用水安全,因此有必要對東平湖地下水水質進行調查評價。

有關地下水水質評價的方法有:單因子評價法、綜合指數法、人工神經網絡模型、模糊綜合評價法、灰色聚類法等[1],但每種方法都有其局限性,鑒于此,筆者引入云模型地下水水質評價方法。云模型是基于概率論和模糊數學理論而構建出來的一種定性概念與其定性數值表示之間的不確定性轉換模型[2]。云模型能綜合考慮評價過程中評價標準的非線性、評價因子的多樣性以及評價過程之中的模糊性與隨機性等特點,在空氣質量評價、水資源再生能力評價、土地利用風險評價、地震風險評價等多方面得到廣泛應用[3-7]。

云模型在水環境評價領域也有應用,如楊文[8]首次采用云模型與Spearman秩相關系數相結合的方法對寧海縣地表水環境質量進行了評價,結果表明模型分析結果與實際情況基本符合,云模型可以很好彌補Spearman秩相關系數中存在的不均勻性量化值缺陷;丁昊等[9]利用云模型對我國14個代表性湖庫的富營養化情況進行了評價,并與國內外廣泛應用的營養狀態指數法、評分公式法及模糊綜合評價法所得的結果進行了對比,驗證了云模型方法的可行性和有效性;白曉燕等[10]采用基于Critic權重的云模型對東江干流水質進行了評價,結果表明云模型方法合理可行,且更為直觀地反映了水質評價中的模糊性和隨機性;王昭洋等[11]采用改進賦權的多維云模型對國內12個水庫的富營養化進行了評價,準確獲得了湖庫水質的富營養化級別。

目前,東平湖地下水水質評價工作開展的相對較少,在2013年10月19日南水北調東線一期工程全線通水后,相關的工作更是沒有展開。本文采用云模型對南水北調東線工程通水前后的東平湖地下水水質進行評價,以期為南水北調東線工程的運行管理提供參考。

1　材料與方法

1.1樣品采集與分析

圖1　東平湖水系圖及采樣點位置

1.2云模型評價

表1　評價因子的分級標準　mg/L

鑒于各評價因子對水質評價結果的貢獻不同,權重也不相同,筆者根據評價因子的實測質量濃度和各級別標準濃度計算權重。設評價因子合集X={x1,x2,x3,x4,x5,x6},它的權重矩陣為A=[a1,a2,a3,a4,a5,a6],權重的計算公式為

(1)

(2)

b. 特征參數確定。在確定評價因子和評價標準的基礎上,根據文獻提出的方法確定云模型的3個數字特征:期望Ex,熵En,超熵He[12]。假設對于某變量VQa,具有上下邊界[Bmin,Bmax],則變量VQa的云模型的3個數字特征可以通過下式計算:

(3)

式中:Ex為云滴在論域空間分布的期望,最能代表定性概念的中心點,是概念量化的最典型樣本點;En為定性概念的不確定性度量,一方面是定性概念重合度量,反映論域空間可被定性概念接受的云滴取值范圍,另一方面又是定性概念隨機性度量,反映了能夠代表這個定性概念云滴的離散度;He為熵的不確定性度量,反映了在論域空間代表該語言值的所有點的不確定度的凝聚性,其取值范圍間接反映了云滴的厚度,由熵的隨機性和模糊性共同確定;Bmin、Bmax分別為變量VQa的最小和最大邊界;k為常數,本文中k=0.01。得到不同等級云模型數字特征計算方法見表2。

表2中a～d分別代表評價因子xi的分級標準中的各個邊界值,以總硬度為例,其各邊界值分別為:a=150,b=300,c=450,d=550。

圖2　6個評價因子對應各水質級別的云模型

c. 云模型的生成。根據確定的云模型數字特征,運用matlab R2007b編寫正態云發生器及半云發生器程序,輸入相應的云參數,分別生成6個評價因子的云模型,如圖2所示。橫坐標代表評價因子的質量濃度,縱坐標代表評價因子的某一實測值通

表2　不同等級云模型數字特征計算方法

過云模型映射所對應的確定度U。橫坐標從左到右分別代表地下水質量標準的Ⅰ級到Ⅴ級所對應的云。以圖2(a)總硬度為例,某實測點的總硬度為280 mg/L時,由正向云發生器可以得到總硬度隸屬于各地下水水質級別的確定度分別為:UⅠ(總硬度)=0,UⅡ(總硬度)=0.545 8,UⅢ(總硬度)=0.164 6,UⅣ(總硬度)=0,UⅤ(總硬度)=0,其中UⅡ值最大,UⅢ次之,其他確定度為0,說明總硬度為280 mg/L時,隸屬于水質級別Ⅱ類的可能性最大,隸屬于Ⅲ類有一定的可能,但是不隸屬于其他的水質級別。同理,也可以求出其他評價因子的確定度,得到相對應的確定度矩陣。

d. 評價綜合確定度的計算。在得到各評價因子隸屬于各水質級別的確定度矩陣[X][Y]后,乘以相應的權重A,得到各評價因子的綜合確定度A[X][Y],計算其各列值的綜合確定度,最大確定度所在的級別即為監測點所屬的水質級別。

2　結果與討論

南水北調東線工程通水前后東平湖地下水水質評價結果見表3。從表3可以看出,南水北調東線工程通水前,東平湖地下水水質級別為Ⅰ～Ⅴ類均有分布,而在南水北調東線工程通水后,東平湖地下水水質為Ⅰ類或Ⅴ類,其中S1、S3、S5點的水質級別在通水前后沒有差別,分別為Ⅰ、Ⅴ、Ⅴ類,S2、S6、S7點在通水后的水質級別優于通水前,分別由Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ類提升至Ⅰ類,而S4點的水質級別在通水后下降一個級別,由Ⅳ類下降到Ⅴ類。另外還發現無論通水前后,東平湖東部地下水水質均劣于西部地下水水質。Wang等[13]的研究表明，東平湖東部地區的底泥重金屬污染更加嚴重,說明東部地區存在污染源,推測可能是工礦業污染或農業污染。

表3　通水前后各采樣點水質級別確定度及水質評價結果

另外,即使通水前后的水質級別一致,其確定度的不同又代表了不同意義,如S1點在通水前后的地下水水質級別均為Ⅰ類,但通水后S1點的UⅠ更大,故通水后S1點的水質級別更傾向于Ⅰ類,水質更好;對于S3點來說,通水前后水質級別均為Ⅴ類,且兩者的確定度相差不大,因此可以認為通水前后S3點的地下水水質沒有明顯變化;對于S5點來說,通水前后的地下水水質級別均為Ⅴ類,但通水后S5點的UⅤ更大,更傾向于Ⅴ類,水質也更差。

3　結　論

a. 云模型評價方法可以克服單一評價指標的隨機性和模糊性,能夠客觀合理地評價東平湖地下水水質。

b. 南水北調東線工程通水后,在7個采樣點所采集的地下水水樣的水質級別并未變差,原因可能是因為南水北調東線工程的引水為長江地表水,水中重金屬質量濃度較低,因此客水的引入降低了東平湖地下水中重金屬質量濃度。

c. 東平湖東部地區的地下水水質劣于西部地區,是因為東部地區存在污染源,推測可能是工礦業污染或農業污染。

在后續的研究工作中,建議增加地下水采樣點數目并對客水水質進行分析,以期進一步了解南水北調東線工程對東平湖地下水水質的影響。

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Evaluation of groundwater quality of Dongping Lake in dry season based on cloud model

HU Zunfang1, 2, SUN Jianfeng1, SONG Yinsheng1, WANG Shichang1, HAN Yuzhen1

(1.ShandongInstituteofGeophysicalandGeochemicalExploration,Jinan250013,China;2.SchoolofCivilEngineering,ShandongUniversity,Jinan250061,China)

water quality evaluation; South-to-North Water Diversion Eastern Route Project; Dongping Lake; dry season; groundwater; cloud model

10.3880/j.issn.1004-6933.2016.05.015

山東省物化探勘查院科研基金(2015)；山東省地質勘查項目(魯勘字(2011)121);山東省地礦局地質科技攻關項目(KY201516)

胡尊芳(1986—)，女,博士,主要從事污水處理與水環境評價研究。E-mail:shiwaixianshu@126.com

X824

A

1004-6933(2016)05-0074-05

2015-10-22編輯：王芳)