大黑汀水庫水化學(xué)性質(zhì)與水質(zhì)模糊綜合評價

馬 權(quán)，張愛芹

（水利部海河水利委員會引灤工程管理局，河北 唐山 064309）

水體質(zhì)量是水資源的生命，科學(xué)評價水質(zhì)是水資源管理的基礎(chǔ)工作[1]。當前，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于水質(zhì)評價方法日漸多樣、純熟，可分為多元統(tǒng)計模型(主成分分析法、AHP法、熵權(quán)綜合指數(shù)法)、高階數(shù)學(xué)函式(投影尋蹤法、模糊綜合法、系統(tǒng)動力學(xué)法)、智能機器學(xué)習(xí)方法(神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、SVM、隨機森林、深度學(xué)習(xí))等[2]。其中多元統(tǒng)計模型分析過程中易受數(shù)據(jù)噪聲、個人臆斷影響，智能算法則過程實施困難、參數(shù)對模型精度影響敏感，故而以高階數(shù)學(xué)模型可操作性強、評價過程客觀。水質(zhì)是水體多種化學(xué)性質(zhì)綜合表征，模糊綜合評判法基于這種多分類非線性規(guī)劃問題，采用隸屬度函數(shù)計算其與水質(zhì)標準之間的接近程度，在水質(zhì)評價研究中應(yīng)用廣泛[3]。鑒于此，本文以大黑汀水庫為研究區(qū)，在水質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上運用Piper三線圖解析水體化學(xué)特性，再構(gòu)建模糊隸屬矩陣對水庫水質(zhì)進行系統(tǒng)評價，以期為區(qū)域水環(huán)境保護和水資源配置提供參考借鑒。

1 大黑汀水庫概況與數(shù)據(jù)采集

大黑汀水庫位于唐山北部遷西縣燕山南麓，控制灤河上游河長72 km，控制流域面積35100 km2，庫面面積1400 km2，庫容3.37億m3。該水庫為天津、唐山供應(yīng)生活用水，兼具防洪、發(fā)電功能。近年來隨著鄉(xiāng)村旅游、礦產(chǎn)資源開采、建筑業(yè)興起，庫區(qū)周邊人口增加，生活、生產(chǎn)垃圾排放無序，對水庫水質(zhì)造成威脅。本次水質(zhì)調(diào)查于2017年10月進行，基于水文特征在水庫的庫尾、庫首、邊緣、庫心等不同位置采集水體樣本，置放于干燥、潔凈玻璃瓶中，帶回實驗室測定分析。主要檢測指標包含：pH、金屬陽離子(鉀、鈉、鈣、鎂、貢、鉻)、陰離子(氯、氟)，其他成分(重碳酸根、砷、酚)等，參照《地下水污染調(diào)查評價規(guī)范》和《地下水水質(zhì)檢查方法》進行測定，定標曲線滿足0.9999標準[4]。

2 模糊綜合評價法

模糊集合理論(fuzzy sets)是由美國專家(L.A.Zadeh[5])提出以隸屬度理論表征事物的不確定性的方法，其評價過程如下：

①設(shè)評價對象有m個指標因子構(gòu)成，則構(gòu)建評價集U=(x1,x2,……,xi)，i=(1,2,……,m)，其中 x 為指標因子數(shù)值，i為指標序列。

②基于給定的指標因子分級標準，建立評價標準集合。通常對于評價對象的某一指標因子，根據(jù)其漸進變化劃分層次結(jié)構(gòu)，這是進行客觀評價的關(guān)鍵。評價標準集合V=(v1,v2,……,vi)，每一評價因子xi與評價標準因子vi存在對應(yīng)關(guān)系。本文以《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》[6]作為水質(zhì)評價依據(jù)。

③構(gòu)造模糊隸屬度判斷矩陣。根據(jù)各評價對象各項指標評價因子值xij與評價標準值vj之間的距離，確定隸屬度Sij=(s1,s2,……,si)；隸屬度即指標可被評價為等級的可能性，從而構(gòu)成模糊關(guān)系矩陣。隸屬度函數(shù)定義如下：

通過上式隸屬度函數(shù)構(gòu)造，計算各評價對象的指標因子與標準值之間的判斷矩陣，如下：

式中：n為評價對象序列。將判斷矩陣與各項指標權(quán)重加權(quán)求和，即為模糊綜合評斷模型：

式中：w為各項指標權(quán)重，采樣熵權(quán)客觀賦權(quán)法，其計算公式參考文獻[4]。

3 結(jié)果與分析

3.1 大黑汀水庫水化學(xué)性質(zhì)

流域水體性質(zhì)本源為含水層巖石特性，在水體動力循環(huán)下，外部侵入物質(zhì)也會對水質(zhì)產(chǎn)生深刻影響。將采集的15個水質(zhì)樣本的離子性質(zhì)進行統(tǒng)計分析見表1，可知大黑汀水庫水化學(xué)性質(zhì)復(fù)雜多樣，且空間分布不同。由表1可知，大黑汀水庫水體化學(xué)類型可分為5類，分別是：HCO3—Ca、HCO3--Ca.Mg、HCO3-.SO4--Ca.Mg、HCO3-.SO4—Ca、SO4-.Cl-Na.Ca。依據(jù)其空間分布來看(結(jié)合圖1和表1)，HCO3—Ca類型水質(zhì)主要分布于庫首，這是由于庫首以及河流上游部分地質(zhì)以花崗巖類為主，庫首河床粗糲含量多而導(dǎo)致；庫心以HCO3--Ca.Mg為主，部分位于庫區(qū)邊緣；HCO3-.SO4--Ca.Mg、HCO3-.SO4—Ca集中于水庫的周邊地帶，說明周圍人為活動對水化學(xué)類型影響較大；庫首則以SO4-.Cl-Na.Ca類型為主。

表1 大黑汀水庫水體常規(guī)離子統(tǒng)計表(含量：me%)

3.2 大黑汀水庫水質(zhì)Piper三線圖分析

A.M.Piper[7]基于河流水質(zhì)與地質(zhì)環(huán)境之間的關(guān)系以及水文東路過程，采樣9分區(qū)菱形的方法將樣區(qū)水化學(xué)性質(zhì)進行可視化。將16個水質(zhì)樣本數(shù)據(jù)經(jīng)歸一化處理后導(dǎo)入AqQA軟件，見圖2。大黑汀水庫水體中離子含量分布呈現(xiàn)一定規(guī)律，可知該水庫水體陽離子中以Ca2+濃度占優(yōu)，其當量介于40%～90%之間 (mg/%)；其次是Mg2+，其毫克當量百分數(shù)在20%～70%之間。陰離子中以酸性離子占優(yōu)勢，濃度最高的屬于SO42-，當量在25%～95%之間；HCO3-的當量在5%～75%之間。由此表明大黑汀水庫水質(zhì)受區(qū)域地質(zhì)環(huán)境影響較大，石灰?guī)r和花崗巖類經(jīng)水文侵蝕、降水過程，為水體礦質(zhì)含量提供了本源。16個水質(zhì)樣點中有12個水質(zhì)點的硬度大于50%，庫區(qū)邊緣4個水質(zhì)點的硬度小于50%，說明該水庫水質(zhì)硬度較大。

圖1 大黑汀水庫水體樣點Piper三線圖

3.3 大黑汀水庫水質(zhì)評價

3.3.1 水質(zhì)單因子評價

《地下水質(zhì)量標準》（GB/T14848-2007）給定了水質(zhì)指標的評價分級標準，依據(jù)該標準對16個水質(zhì)點的各項指標進行評定，水質(zhì)綜合評價結(jié)果以該水樣點水質(zhì)指標最差的類別為準，據(jù)此得到結(jié)果見圖2。可知，大黑汀水庫水質(zhì)單因子評價結(jié)果中沒有I類水樣點；有5個樣點達到II類水質(zhì)標準，主要分布于庫尾；符合III類水質(zhì)的樣點有8個，主要分布于水庫中段；水庫下游3個水質(zhì)點達到IV類標準。該評價結(jié)果表明大黑汀水庫水質(zhì)一般，雖然基本滿足生活用水需求，但并不安全。需要指出的是，可與評價方法密切相關(guān)；單因子指標法過度考慮了某單一水質(zhì)指標對水體質(zhì)量的影響，忽視了其他指標因子對水質(zhì)的貢獻，因而不能全面反映水體質(zhì)量。

圖2 大黑汀水庫水質(zhì)評價結(jié)果

3.3.2 模糊綜合評價

依據(jù)前述模糊數(shù)學(xué)原理，對大黑汀河16水質(zhì)樣點數(shù)據(jù)進行歸一化處理后計算其模糊關(guān)系矩陣S和各項指標權(quán)重W，結(jié)果見表2。

表2 大黑汀水庫水體水質(zhì)隸屬度矩陣與權(quán)重

基于表2，計算得到各水質(zhì)點隸屬度，其中隸屬度值最大，表明水質(zhì)屬于該類別，得到結(jié)果見表3，表中粗體字為該水質(zhì)點最終隸屬度結(jié)果。可知，模糊分類評價結(jié)果與單因子評價結(jié)果存在一定差異，I類水質(zhì)樣點有4個，II類水質(zhì)樣點有5個，III和IV類分別有6、1個。模糊綜合評判法考慮了水質(zhì)單一指標對水體質(zhì)量的影響，不只顧及某一項指標的隸屬關(guān)系，其以指標權(quán)重建立模糊關(guān)系與水質(zhì)等級間的模型，實現(xiàn)對水質(zhì)綜合評價，符合水體質(zhì)量多維復(fù)雜性特征。

表3 大黑汀水庫水體水質(zhì)評價結(jié)果

4 結(jié)論

水體質(zhì)量不僅受區(qū)域水文地質(zhì)環(huán)境影響，隨著人為活動增強，水庫周邊地表環(huán)境對水質(zhì)影響日益加深，該研究結(jié)果表明，大黑汀水庫整體水質(zhì)處于中等偏上，但局部水域存在單一指標污染或超標，這是當前水環(huán)境保護工作中應(yīng)著力解決的。另外，不同評價方案對水質(zhì)評價結(jié)果具有影響，選擇科學(xué)、系統(tǒng)的評價方法有助于更好認識區(qū)域水體質(zhì)量，基于模糊數(shù)學(xué)的水質(zhì)評價方案具有過程客觀、可操作性強，符合水質(zhì)多維復(fù)雜性、水質(zhì)等級漸進性特征，適用于水環(huán)境評價研究。