大黑汀水庫水化學性質與水質模糊綜合評價

馬 權，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）

水體質量是水資源的生命，科學評價水質是水資源管理的基礎工作[1]。當前，國內外學者關于水質評價方法日漸多樣、純熟，可分為多元統計模型(主成分分析法、AHP法、熵權綜合指數法)、高階數學函式(投影尋蹤法、模糊綜合法、系統動力學法)、智能機器學習方法(神經網絡、SVM、隨機森林、深度學習)等[2]。其中多元統計模型分析過程中易受數據噪聲、個人臆斷影響，智能算法則過程實施困難、參數對模型精度影響敏感，故而以高階數學模型可操作性強、評價過程客觀。水質是水體多種化學性質綜合表征，模糊綜合評判法基于這種多分類非線性規劃問題，采用隸屬度函數計算其與水質標準之間的接近程度，在水質評價研究中應用廣泛[3]。鑒于此，本文以大黑汀水庫為研究區，在水質調查的基礎上運用Piper三線圖解析水體化學特性，再構建模糊隸屬矩陣對水庫水質進行系統評價，以期為區域水環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據采集

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、唐山供應生活用水，兼具防洪、發電功能。近年來隨著鄉村旅游、礦產資源開采、建筑業興起，庫區周邊人口增加，生活、生產垃圾排放無序，對水庫水質造成威脅。本次水質調查于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《地下水污染調查評價規范》和《地下水水質檢查方法》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設評價對象有m個指標因子構成，則構建評價集U=(x1,x2,……,xi)，i=(1,2,……,m)，其中 x 為指標因子數值，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，根據其漸進變化劃分層次結構，這是進行客觀評價的關鍵。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存在對應關系。本文以《地表水環境質量標準》[6]作為水質評價依據。

③構造模糊隸屬度判斷矩陣。根據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，從而構成模糊關系矩陣。隸屬度函數定義如下：

通過上式隸屬度函數構造，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重加權求和，即為模糊綜合評斷模型：

式中：w為各項指標權重，采樣熵權客觀賦權法，其計算公式參考文獻[4]。

3 結果與分析

3.1 大黑汀水庫水化學性質

流域水體性質本源為含水層巖石特性，在水體動力循環下，外部侵入物質也會對水質產生深刻影響。將采集的15個水質樣本的離子性質進行統計分析見表1，可知大黑汀水庫水化學性質復雜多樣，且空間分布不同。由表1可知，大黑汀水庫水體化學類型可分為5類，分別是：HCO3—Ca、HCO3--Ca.Mg、HCO3-.SO4--Ca.Mg、HCO3-.SO4—Ca、SO4-.Cl-Na.Ca。依據其空間分布來看(結合圖1和表1)，HCO3—Ca類型水質主要分布于庫首，這是由于庫首以及河流上游部分地質以花崗巖類為主，庫首河床粗糲含量多而導致；庫心以HCO3--Ca.Mg為主，部分位于庫區邊緣；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離子統計表(含量：me%)

3.2 大黑汀水庫水質Piper三線圖分析

A.M.Piper[7]基于河流水質與地質環境之間的關系以及水文東路過程，采樣9分區菱形的方法將樣區水化學性質進行可視化。將16個水質樣本數據經歸一化處理后導入AqQA軟件，見圖2。大黑汀水庫水體中離子含量分布呈現一定規律，可知該水庫水體陽離子中以Ca2+濃度占優，其當量介于40%～90%之間 (mg/%)；其次是Mg2+，其毫克當量百分數在20%～70%之間。陰離子中以酸性離子占優勢，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受區域地質環境影響較大，石灰巖和花崗巖類經水文侵蝕、降水過程，為水體礦質含量提供了本源。16個水質樣點中有12個水質點的硬度大于50%，庫區邊緣4個水質點的硬度小于50%，說明該水庫水質硬度較大。

圖1 大黑汀水庫水體樣點Piper三線圖

3.3 大黑汀水庫水質評價

3.3.1 水質單因子評價

《地下水質量標準》（GB/T14848-2007）給定了水質指標的評價分級標準，依據該標準對16個水質點的各項指標進行評定，水質綜合評價結果以該水樣點水質指標最差的類別為準，據此得到結果見圖2。可知，大黑汀水庫水質單因子評價結果中沒有I類水樣點；有5個樣點達到II類水質標準，主要分布于庫尾；符合III類水質的樣點有8個，主要分布于水庫中段；水庫下游3個水質點達到IV類標準。該評價結果表明大黑汀水庫水質一般，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；單因子指標法過度考慮了某單一水質指標對水體質量的影響，忽視了其他指標因子對水質的貢獻，因而不能全面反映水體質量。

圖2 大黑汀水庫水質評價結果

3.3.2 模糊綜合評價

依據前述模糊數學原理，對大黑汀河16水質樣點數據進行歸一化處理后計算其模糊關系矩陣S和各項指標權重W，結果見表2。

表2 大黑汀水庫水體水質隸屬度矩陣與權重

基于表2，計算得到各水質點隸屬度，其中隸屬度值最大，表明水質屬于該類別，得到結果見表3，表中粗體字為該水質點最終隸屬度結果?？芍：诸愒u價結果與單因子評價結果存在一定差異，I類水質樣點有4個，II類水質樣點有5個，III和IV類分別有6、1個。模糊綜合評判法考慮了水質單一指標對水體質量的影響，不只顧及某一項指標的隸屬關系，其以指標權重建立模糊關系與水質等級間的模型，實現對水質綜合評價，符合水體質量多維復雜性特征。

表3 大黑汀水庫水體水質評價結果

4 結論

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