基于物元可拓法對唐山淺層地下水水質評價

王 雪

（河北省唐山水文水資源勘測局，河北 唐山063000）

常規的水質評價主要是水質的質量評價，在評價方法上主要依據的是傳統線性關系進行計算，其方法包括綜合指數法［1］、支持向量機［2］、層次分析法［3］、數理統計法等［4］，傳統的評價方法缺乏解決評價因子與水質等級標準之間的非線性關系，存在人為的主觀干擾程度，影響評價結果的準確性。

本文通過對唐山市地下水水質評價與預測，采用16處地下水水質代表站的11項評價指標，對現狀年的情況進行分析，為準確、合理、科學的管理地下水的開發與利用提供了科學依據。

1 研究概況

唐山市地處渤海灣中心地帶，位于河北省東部，是京津唐工業基地中心城市、京津冀城市群東北部副中心城市，地勢北高南低，自西、西北向東及東南趨向平緩，中部為燕山山前平原，南部和西部為濱海鹽堿地和洼地草泊。氣候屬暖溫帶半濕潤大陸性氣候，年平均氣溫11.5℃，年平均降水500~700mm。水資源較豐富，地表水達到保證率75%以上，地下水主要是平原區淺層淡水，多年平均河川基流量4.01億m3，平原淺層地下水開采量逐年增大。

2 水質評價

2.1 評價模型建立［5］

選擇物元法與可拓理論相結合方法進行評價，建立模型步驟：

（1）設A={（a，f）|a∈R，f=k（a）}，A為一個可拓集合，a為物元集中的元素；f=k（a）為a關于A的關聯度。式中 Z為物元集；N為事物代號集；C為事物特征集；R為屬于物元集、事物代號集、事物特征集范圍內的論域；k為論域R到實數集的映射。

（2）經典物元矩陣與節域物元矩陣。經典物元矩陣是由集合元素特征與標準值單位組成，在經典物元矩陣基礎上加以轉化為經典物元事物的特征及此特征相應拓廣了的量值范圍，建立了節域物元矩陣。

（3）構建評價指標物元矩陣。評價指標物元指標由評價指標樣本事物代號集N的特征與其數量值M組成的矩陣：

式中 P為物元分級標準；M為指標數量值；N為事物集。

（4）構建關聯度函數與計算關聯度。關聯度函數與權重計算公式如下：

式中 ρ為實軸上點與區間之間距離，即ui到X0i之間的距離；ui為實軸上的點數，X0i為節域物元特征值，X0i?Xbi；F（ui）各指標不同級別的關聯函數；ξi為歸一化權重；λi為權重。

以構建的關聯度函數來計算評價指標的權重，評價等級標注值越大，所具有的權重值越大。為綜合關聯度，表示所包含的程度。則：

式中 fj（aj）為綜合關聯度；ξi為歸一化權重；F（ui）為各指標不同級別的關聯函數。

（5）評價等級指數。各個關聯度加權度計算后進行比較，值越大表明越接近標準值，評定后的最大值，就是評價等級指數。

2.2 評價因子選取

唐山市地下水的變化多年受到多種因素的影響，根據地貌特征等特點，水質代表站的選擇分為了山區、平原、丘陵和濱海區4個代表區，具體的各自水質代表站分別包括遷西、南新城、建昌營、鄭莊子、華新、杜軍莊、北郊水廠、小張各莊、老城關、錢營、小集、古馬村、石佛口、下馬坨、柳樹圈、漢沽。本項目根據GB/T 14848—2017《地下水質量標準》國家標準和區域的地下水監測種類的實際情況，結合評價指標的選取原則，選定總硬度、氯化物、硫酸鹽、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、高錳酸鉀、砷、錳、氟化物、鉛等11項評價水質指標進行計算與分析。地下水水質評標標準如表1。

表1 地下水水質評價標準

根據11項評價指標的地下水水質Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ類標準為監測值，計算出所對應的Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ類水質狀況的評價指數，具體結果如表2。

表2 各類地下水水質標準評價指數目標值與分類值

2.3 地下水水質評價

根據監測年限選擇為2007～2016年共10年的16處地下水水質代表站所監測的數據，作為水質現狀評價資料，重點對2016年的評價數據進行合理性分析，并通過進行數據評價可以看出，唐山市地下水水質狀況整體趨于穩定狀態，水質良好，通過選取的監測點監測的水質，達到Ⅱ類水質標準的比例占62.5%，達到Ⅲ類水質標準的比例占31.3%，這些監測點都能滿足唐山市生活飲用水、工農業用水；6.2%的監測點水質超過了Ⅲ類水質標準，已經不能滿足飲用水水質標準，構成對人體一定的危害性。下馬坨的水質中總硬度、氯離子、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮等指標為Ⅳ類。平原與丘陵地區，地下水水位隨著經濟的發展，逐漸趨向于下降趨勢，污染元素為亞硝酸鹽氮和鉛元素，主要來源工業與農業的污染；在濱海區地下水埋深要比平原與丘陵地區淺一些，是氯化物和亞硝酸氮為主要污染元素，也是海水入侵導致地下水水質變化特點。

3 地下水發展趨勢

根據監測年限為2007～2016年共10年水質變化進行評價分析，唐山市有50%的站點水質變化趨勢基于平穩，多變變化不大，達到Ⅲ類水質標準；另50%的站點水質變化趨勢較大，超出了達到Ⅲ類水質標準。根據地下水水質評價指數的變化趨勢，唐山市在20世紀末至21世紀初，水質變化趨于好轉，全市整體水質狀況良好，只有極個別的站點或區域水質出現惡化現象，總體為發現水質惡化趨勢。

4 結語

以唐山市淺層地下水為主要研究對象，通過分析評價水質狀況，利用物元可拓法對唐山市16處地下水水質站點進行評價，說明唐山市整體水質狀況良好，并未出現水質惡化趨勢。

［1］方菊，諶貽勝，童禎恭.綜合指數法在飲用水水質評價中的應用［J］.給水排水工程，2011，8（4）：63-65．

［2］Meyer D，Leisch F，Hornik K.Benchmarking Support Vector Machine ［R］.Austria：Vienna University ofEconomics andBusinessAdministration，2002.

［3］蘇建廣，張天力，魯程鵬，等.基于層次分析法的云南省小康水利現狀評估［J］.長江科學院院報，2016，33（11）：122-126.

［4］Sylvester R O.Computer analysis of water quality data［J］.Journal ofwaterPollutionControlFederation，1962，34（6）：605-612.

［5］朱紅玉.邯鄲市主城區淺層地下水水質評價及預測［D］.邯鄲：河北工程大學，2009：22-33.