遼陽縣地下水質量綜合評價

李芳雨

(遼寧省遼陽水文局,遼寧 遼陽 111000)

近年來,為了滿足社會經濟對水資源的需求,部分地區增大地下水開采量,致使超采區面積不斷擴大、地下水水位持續下降,危及水資源安全。同時,由于不合理開發地下水導致地面沉降、土地沙化、濕地退化、地下水污染不斷增加、區域海(咸)水入侵加劇等生態、環境、地質問題。地下水質直接影響著人體健康,廣大居民和專家學者越來越關注其健康風險和質量狀況,與其它類型污染相比,地下水污染具有長期性和隱蔽性特征,其修復治理難度和危害性更大[1-3]。另外,工程建筑材料受地下水中侵蝕性CO2、pH值、銨根和硫酸根離子等腐蝕性影響顯著。在農田灌溉、防洪排澇、生態景觀和交通運輸等方面城市河道發揮著重要作用,而在新河道規劃開挖過程中必須考慮場地的土壤、地下水等因子質量,為合理選擇規劃方案提供參考。

目前,研究評價地下水質的常用方法有神經網絡法、模糊綜合法、主成分法和綜合評分法等[4-5]。其中,神經網絡法和模糊評價法能夠考慮大量數據信息,但是存在計算過程復雜、分辨率低和結果易均質化等缺點;主成分分析法可以更準確地分析單一污染源,但無法反映整體情況。因此,應結合區域水質情況和具體數據選擇合適的水質評價方法。物元可拓法是一種研究處理不相容問題的有效方法,該方法具有處理多項指標參數的特點,通過關聯函數精確計算數值,可以有效解決權值不確定性和人為影響因素過多的問題,現已被廣泛應用于識別與評價、優惠決策、新產品設計與構思、水環境、空氣質量和生態環境評價等領域。據此,文章應用物元可拓法評價分析遼陽市遼陽縣2009年和2020年地下水質量及其變化趨勢,為遼陽縣地下水資源管理保護及可持續利用提供科學依據。

1 研究區概況

遼陽縣地處遼東半島中部,山區位于南部,地質構造極為復雜,其形跡以東西向構造和新華夏系構造為主體構成地質骨架,此外還有華夏系或華夏式系構造、北西向構造與旋卷構造等。研究區屬于溫帶大陸性季風氣候,年均氣溫為8.4℃,年降水量為735.3mm。境內河流較多,太子河貫穿全境,主要河流有太子河、渾沙河、渾河、湯河、蘭河、細河、楊柳河、兵馬河、南沙河、運糧河、北地河等。將地下水按照賦存巖組(含水巖組)可以劃分為松散巖類和碎屑巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水、火成巖類和變質巖類裂隙水等多種類型。

2 研究方法

2.1 確定物元矩陣

物元可拓法就是將具有復雜系統性問題利用關聯度進行數學計算的方法,其中物元是反映事物量值、特征及名稱的簡稱?？赏丶鲜菍0,1]區間取值運用關聯度投影到實數軸(-∞,+∞)上,采用數學方法計算關聯度,從而定量化解決矛盾問題,更加真實客觀地反映地下水質量狀況。

采用事物N、特征C及其對應于該特征的量值V構成物元R=(N,C,V),則經典域Rj和節域物元集Rp如下:

(1)

(2)

式中:Nj、Ci、Vjn為劃分的j個等級、不同特征及經典域取值范圍;p、Vpn為評價等級的全體和節域取值范圍,待評價物元R0可以表示為:

(3)

式中:Vn為實測數據。

2.2 關聯函數

關聯函數反映了某等級標準與待評價單元之間的隸屬程度,采用開拓結合理論與待評價事物特征相結合的方法選取關聯函數,具體為:

(4)

式中:ρ(vi,Vji)、ρ(vi,Vpi)為點vi與有限區間Vji、Vpi的距離,可以利用公式(5)計算確定。

(5)

式中:v為點值;V=(a,b)為有限區間;a、b表示區間左、右端點值。

2.3 權重系數

權重反映了地下水質量受各因子的影響程度,常用的計算方法有因子污染貢獻率法、關聯函數法、專家打分法和層次分析法等,研究選用因子污染貢獻率法確定指標權重,其計算公式為:

(6)

式中:ωi、xi、si為參評因子i的權重系數、實測值及其各等級標準平均值。

2.4 綜合關聯度

綜合關聯度充分考慮了整個水體評價受某因子及其隸屬關系的影響作用,這是對地下水質量的整體描述,一般以權重系數ωi與關聯度Kj(vi)的乘積作為綜合關聯度Kj(p0),Kj(p0)值越大代表該等級與待評價單元的關系越密切,其計算公式為:

(7)

2.5 可拓指數

可拓指數j*反映了待評價單元偏向相鄰等級的程度,該數值越大代表其偏向相鄰等級的程度越高,發展趨勢越明顯,所以可以利用可拓指數分析水質變化趨勢,相關公式為:

Kj(p0)=max{Kj(p0)};j=1,2,…,m

(8)

(9)

(10)

3 地下水質評價

3.1 選取評價因子

本研究選取2009年采集的18組水樣和2020年采集的8組水樣測試對象,采集時間均為7～9月,以農田灌溉取水井為采樣井,淺層含水層為采樣層。選取TDS(溶解性總固體)、總硬度、F-(氟化物)、NO3-(硝酸鹽)、SO42-(硫酸鹽)、Cl-(氯化物)和Na+(鈉)七項指標,采用物元可拓法評價分析遼陽縣地下水質量及其變化特征,由地質調查中心實驗室完成各組樣品的相關測試。

3.2 劃分等級標準

在劃分等級時國家標準主要是以限制各因子濃度上限來確定,對于第Ⅴ級沒有上限只有下限要求,而地下水質量標準存在特定的濃度范圍。考慮到可能存在Ⅴ級水或者超標因子的情況,研究將Ⅴ級標準的上限設定為最高值,參評因子分類標準見表1。

表1 參評因子分類標準

3.3 水質評價

根據各參評因子分類標準和節域、物元的定義,可以確定標準物元矩陣R1、R2、R3、R4、R5和節域物元Rp,具體如下:

(11)

鑒于文章篇幅有限和水樣數量較多的情況,本研究僅列出了農田灌溉取水井P20-1水樣的物元矩陣Rp20-1,即:

(12)

將節域矩陣、標準物元矩陣以及水樣物元矩陣代入公式(4)計算水質分級標準與各個評價因子之間的關聯度。然后將各級平均值與農田灌溉取水井P20-1點各評價因子實測值代入公式(6)計算出權重系數,結合權重系數與綜合關聯度間的關系確定各等級綜合聯系度,如表2所示。

表2 P20-1井權重系數、關聯度和綜合關聯度

水樣最終評定等級即為綜合關聯度最大值所處級別,農田灌溉取水井P20-1綜合關聯度最大值為-0.053,所以該樣點地下水質量綜合評定為Ⅲ級,同理計算確定其它樣點綜合關聯度及評價等級。2020年樣點P20-1～P20-8地下水質量評價等級分別為Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅲ級、Ⅴ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅲ級、Ⅱ級,2009年樣點P09-1～P09-18地下水質量評價等級分別為Ⅳ級、Ⅰ級、Ⅲ級、Ⅱ級、Ⅳ級、Ⅳ級、Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅲ級、Ⅴ級、Ⅳ級、Ⅳ級、Ⅲ級、Ⅲ級、Ⅴ級、Ⅴ級、Ⅳ級。

3.4 結果與分析

參與評價的樣點中共有4個達到Ⅴ級,分別為P20-4、P09-11、P09-16、P09-17。其中,P20-4、P09-11和P09-16點的F-(氟化物)關聯度為Ⅴ級,其權重也最大;P09-17樣點的總硬度關聯度為Ⅴ級,其權重最大。所以,對于地下水質量評價達到Ⅴ級的樣點,總硬度和F-(氟化物)是主要影響因素。參與評價的樣點中共有7個達到Ⅳ級,TDS(溶解性總固體)和總硬度是主要影響因素,其次是F-(氟化物)和SO42-(硫酸鹽)。

采用公式(10)計算地下水質量評價樣點的物元可拓指數,2020年樣點P20-1～P20-8水質評價可拓指數分別為2.582、3.980、2.728、3.805、2.287、2.154、2.790、2.557,2009年樣點P09-1～P09-18水質評價可拓指數分別為2.947、2.261、3.285、2.378、2.770、3.924、2.306、2.281、2.485、2.712、4.486、3.780、2.981、2.667、2.824、4.360、4.528、2.671。結果顯示,P20-4、P09-11、P09-16和P09-17四個達到Ⅴ級樣點的物元可拓指數分別為3.805、4.486、4.360和4.528,結合物元可拓指數的具體內涵,這四個樣點表現出從Ⅴ級向Ⅳ級轉化的趨勢。P20-2、P09-1、P09-5、P09-6、P09-12、P09-13、P09-18七個達到Ⅳ級樣點的物元可拓指數分別3.980、2.947、2.770、3.924、3.780、2.981、2.671,說明P09-1、P09-5、P09-13、P09-18樣點表現出向Ⅲ級轉化的趨勢。P09-2、P09-7兩個達到Ⅰ級的樣點具有向Ⅱ級轉化的趨勢。總體而言,評價等級為Ⅴ級、Ⅳ級的樣點表現出向Ⅳ級和Ⅲ級轉化的態勢,Ⅰ級向Ⅱ級轉化的趨勢。

對于2009年參與評價的18樣點,水質評定結果達到Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級的樣點分別有2個(占11%)、2個(占11%)、5個(占28%)、6個(占33%)和3個(占17%);對于2020年參與評價的8個樣點,水質評定結果達到Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級的樣點分別有0個(占0%)、2個(占25%)、4個(占50%)、1個(占12.5%)和1個(占12.5%)。通過對比分析各級樣品所占比例可知,遼陽縣地下水整體表現出好轉趨勢,水質等級總體向Ⅱ級、Ⅲ級轉變。

為了檢驗物元可拓法的適用性與可靠性,采用綜合評分法和單指標法評定朝陽縣地下水質量等級。結果表明,對于2020年參與評價的8個樣點,采用方法評價的Z20-4樣點水質均為Ⅴ級,單指標法和物元可拓法評定的Z20-6樣點水質均為Ⅲ級,物元可拓法評定的其它樣點水質等級均高于其它兩種方法。對于2009年參與評價的18個樣點,單指標法和綜合評分法評定等級均低于或等于物元可拓法,并且單指標法與綜合評分法評價結果基本一致。由于考慮了最大污染因素,所以單指標法和綜合評分法的評定等級偏高,而考慮各元素權重的物元可拓法能夠更加真實地反映實際情況,如物元可拓評定的Z20-8樣點水質為Ⅱ級,其它兩種方法評定為Ⅳ級,結合實測數據,SO42-、Cl-、Na+達到Ⅰ級水質,NO3-、TDS達到Ⅱ級和Ⅲ級水質,在數值上總硬度、F-接近Ⅳ級水質下限。所以,在綜合評定Z20-8樣點水質時物元可拓法評定結果更加合理。

4 結 論

1)遼陽市遼陽縣2020年地下水質量高于Ⅲ級水的樣點占比達到75%以上,總硬度和F-(氟化物)是影響Ⅳ級、Ⅴ級水質的主要因素,2009—2020年遼陽縣地下水質量總體呈明顯好轉態勢。

2)綜合評分法和單指標法會導致水污染程度評估等級偏高,對同一等級樣本水體按最大關聯度定性區分的物元可拓法,通過計算權重系數可以更加真實客觀地反映水質情況,表現出較強的可靠性和可行性。