李亞松，張兆吉，費宇紅，錢 永，孟素花，郭春艷

(中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北石家莊 050061)

地下水不僅是供給人們?nèi)粘Ｓ盟闹饕獊碓?，同時也是復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中敏感的組成因子之一，地下水的變化往往會影響生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的天然平衡狀態(tài)[1]。鑒于地下水在生物圈和地質(zhì)環(huán)境中的特殊地位，對地下水質(zhì)量進(jìn)行全面合理的評價顯得尤為重要。

國內(nèi)學(xué)者前期進(jìn)行的區(qū)域地下水質(zhì)量評價，其評價指標(biāo)體系多為常規(guī)指標(biāo)，如溶解性總固體、總硬度、耗氧量和三氮等[2-5]，評價結(jié)果只代表地下水的一般質(zhì)量。隨著地下水有機(jī)污染工作的開展，越來越多的有機(jī)指標(biāo)可以被檢測出來，目前，全世界已在水中測定出2221種有機(jī)化學(xué)污染物，其中765種存在于自來水中，20種已被確認(rèn)為致癌物，23種為可疑致癌物，18種為促致癌物，56種為誘變物質(zhì)[6]。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不同的有機(jī)化合物還對人體各器官及系統(tǒng)有不同的危害，如:三氯乙烯刺激皮膚，對肺、肝、腎等內(nèi)臟器官有損害;苯刺激皮膚、眼睛，對神經(jīng)系統(tǒng)、免疫功能、胃腸有損害[7]。很多有機(jī)污染物在地下水環(huán)境中很難通過自然降解過程去除，很可能會長期存在并發(fā)生累積，所以將有機(jī)毒理指標(biāo)引入評價指標(biāo)體系就顯得尤為重要。已經(jīng)有學(xué)者就內(nèi)梅羅指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)法等在綜合指標(biāo)評價中的問題進(jìn)行了研究[8-10]，但是對于同樣應(yīng)用較為廣泛的灰色聚類法，則鮮有報道。

灰色聚類法是目前地下水質(zhì)量評價工作中較為常用的方法，但當(dāng)評價指標(biāo)體系中痕量指標(biāo)較多時，其評價結(jié)果容易失真。筆者通過修正其聚類權(quán)的計算方法將原有方法加以改進(jìn)，得到改進(jìn)后的灰色聚類評價法評價結(jié)果同模糊數(shù)學(xué)綜合評價法相乘相加算子的評價結(jié)果有較好地一致性，可以較好地反映區(qū)域地下水質(zhì)量狀況。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于海河流域子牙河水系滹沱河沖洪積扇，主要包括石家莊市以及下屬6區(qū)17個市縣。研究區(qū)面積約6000 km2，地勢平坦，地面標(biāo)高由山前的100 m降至扇緣的50 m左右，地面坡降0.25% ～0.1%。研究區(qū)屬暖溫帶半濕潤半干旱大陸型季風(fēng)氣候區(qū)，1956—2002年多年平均氣溫13.3℃，平均降水量為531.4 mm。降水量具有年內(nèi)和年際變化不均勻的特點，6—8月份降水量占全年降水量的70%～80%。包氣帶多為層狀非均質(zhì)黃色、黃褐色亞砂土、粉細(xì)砂、中粗砂及亞黏土組成，其下伏含水層為上更新統(tǒng)－全新統(tǒng)砂卵石層[11]。研究區(qū)天然條件下地下水主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給，主要排泄方式為人工開采。

研究區(qū)是全國著名的工業(yè)中心及產(chǎn)糧基地。自20世紀(jì)80年代以來，工礦企業(yè)不斷增多，并且其大都建立在透水性好、水量充足的河流兩岸，河床多為砂性土，大量工業(yè)及生活廢水通過無防滲的溝渠排入河流，使得污染物連續(xù)滲漏，以直接或間接方式進(jìn)入地下含水層，造成地下水，特別是淺層地下水的污染。此外，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展、人口的增長和人民生活水平的提高，對水資源的需求量越來越大，地下水的持續(xù)過量開采已經(jīng)在局部地區(qū)形成了水位降落漏斗，地下水位的不斷下降引發(fā)了一系列的環(huán)境地質(zhì)問題，其中代表性的是水質(zhì)變差、地面沉降等等[12]。

2 案例研究

2.1 評價數(shù)據(jù)來源

研究以“滹沱河沖洪積扇地下水污染調(diào)查評價”項目為依托，按照《地下水污染調(diào)查評價規(guī)范》中相關(guān)要求[13]，在太行山前滹沱河沖洪積扇平原區(qū)共采集地下水樣品508個，樣品測試單位為國土資源部水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)專業(yè)測試中心，平行樣品測試單位為上海澳實分析檢測公司，所有樣品的采集和測試均進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量控制。

2.2 參評指標(biāo)體系及評價標(biāo)準(zhǔn)

綜合對比實驗室測試項目及《地下水污染調(diào)查評價規(guī)范》，確定參評指標(biāo)體系為50項(表1)，評價標(biāo)準(zhǔn)為1993年制訂、2007年修訂的GB/T14848－2007《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[14]。

表1 評價指標(biāo)體系

2.3 評價方法原理

灰色聚類評價法的基本思路就是以灰數(shù)的白化函數(shù)生成為基礎(chǔ)，將收集的聚類對象觀測值的分散信息，按照灰類進(jìn)行歸納，計算水體水質(zhì)中各因子的實測濃度與各級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的灰度(關(guān)聯(lián)度)，然后根據(jù)灰度大小確定水體水質(zhì)的級別。對處于同類水質(zhì)的不同水體可通過其與該類標(biāo)準(zhǔn)水體的灰度大小進(jìn)行優(yōu)劣比較。

2.3.1 評價流程

a.記i=1，2，…，n為聚類樣本，即各個測點或斷面;記j=1，2，…，m為聚類指標(biāo)，即各評價指標(biāo);記k=1，2，…，p為灰類別，即按某一標(biāo)準(zhǔn)的分級。

將滹沱河沖洪積扇508個采樣點作為聚類樣本(即 i=1，2，…，508)，把50項評價指標(biāo)作為聚類指標(biāo)(即 j=1，2，…，50)，GB/T14848—2007 按《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》可以分為5個灰類(即k=1，2，…，5)。

b.給出聚類白化數(shù)Xij。聚類白化數(shù)Xij為各樣品的測試結(jié)果，本文將各個采樣點上各項檢測指標(biāo)的實測值作聚類白化數(shù)Xij。

c.根據(jù)選取的分級標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)造出白化函數(shù)。

對Ⅰ級水的白化函數(shù)，即k=1:

對Ⅱ級至Ⅳ級水的隸屬函數(shù)，即k=2，3，4:

對Ⅴ級水的隸屬函數(shù)，即k=5:

式中:Yijk為i水樣中第j個污染因子對k級標(biāo)準(zhǔn)的白化函數(shù);Cjk為j污染因子k級標(biāo)準(zhǔn)限值。

當(dāng)Xij給定，可以用以上白化函數(shù)求出i水樣中第j個污染因子分別對各級水的灰類，然后按聚類指標(biāo)所屬類別，確定不同的白化函數(shù)。

d.聚類權(quán)的確定?？紤]量綱的影響，應(yīng)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，可以使用平均標(biāo)準(zhǔn)方法或背景值方法，即各因子的污染分級標(biāo)準(zhǔn)值分別除以其對應(yīng)的平均標(biāo)準(zhǔn)值或Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)值。以前一種處理方法為例，設(shè)處理后的第j個污染因子對應(yīng)k級標(biāo)準(zhǔn)的處理結(jié)果為Rjk，則聚類權(quán)的計算公式為

式中:Njk為第j個污染因子第k個灰類的權(quán)重。

e.聚類系數(shù)的計算。聚類系數(shù)是通過灰數(shù)白化函數(shù)的生成而得到的，它反映了聚類樣本對灰類的親疏程度，其計算公式為

式中:Fjk為第i個樣本關(guān)于第k個灰類的聚類系數(shù)。

將所得出的聚類系數(shù)進(jìn)行歸一化處理，按最大隸屬原則，最大值所對應(yīng)的灰類即為此樣本所屬類別[15]。

2.3.2 評價結(jié)果分析

評價后發(fā)現(xiàn)，評價結(jié)果全部為Ⅰ類水，顯然不符合客觀實際。主要是由于評價指標(biāo)中大部分為痕量指標(biāo)，用傳統(tǒng)方法計算聚類權(quán)值，造成了聚類系數(shù)在Ⅰ類水處聚集，導(dǎo)致評價結(jié)果失真。

2.3.3 改進(jìn)聚類權(quán)

鑒于上述情況，需使得聚類權(quán)在相同指標(biāo)不同灰類及相同灰類不同指標(biāo)間都可以有梯度關(guān)系，故對聚類權(quán)的計算方法修正如下。

a.計算相同級別對于不同指標(biāo)的權(quán)重。首先將各指標(biāo)的單位統(tǒng)一化，假定指標(biāo)i的j級標(biāo)準(zhǔn)值為Kij，相同級別不同指標(biāo)的權(quán)重為Mij:

b.計算相同指標(biāo)不同級別的權(quán)重。由于有機(jī)指標(biāo)在Ⅱ類和Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值間跨度很大，故將參評指標(biāo)分為有機(jī)指標(biāo)和無機(jī)指標(biāo)兩類，分別按下式進(jìn)行運算得出各指標(biāo)不同級別的均權(quán)值Nij。

式中:n為無機(jī)指標(biāo)(有機(jī)指標(biāo))個數(shù)。

c.將兩權(quán)重復(fù)合運算，歸一化后得到聚類權(quán)值Pij:

2.3.4 修正結(jié)果分析

利用修正后的聚類權(quán)計算聚類系數(shù)后得出，評價結(jié)果失真的現(xiàn)象得以消除，計算各水質(zhì)級別樣品數(shù)占樣品總數(shù)的比例可知，地下水質(zhì)量主要為Ⅱ類水和Ⅲ類水，超Ⅲ類水占樣品總數(shù)的29.6%(表2)。由評價結(jié)果分布圖(圖1)可以看出，超Ⅲ類水點主要分布在城區(qū)、城鎮(zhèn)周圍區(qū)、排污河道兩側(cè)及引污水灌溉農(nóng)田地區(qū)，符合野外污染源荷載調(diào)查對該區(qū)地下水質(zhì)量狀況的預(yù)判，因此利用改進(jìn)的灰色聚類法可以對區(qū)域地下水質(zhì)量做出較為客觀的評價。

對主要超標(biāo)因子進(jìn)行分析可知，影響區(qū)域地下水質(zhì)量的指標(biāo)主要為溶解性總固體、總硬度、硝酸鹽氮等無機(jī)指標(biāo)，可以得出，工農(nóng)業(yè)發(fā)展及人類活動加劇是造成本區(qū)水質(zhì)變化的主要原因，可以得出，工農(nóng)業(yè)發(fā)展及人類活動加劇是造成本區(qū)水質(zhì)變化的主要原因，為保證本區(qū)地下水資源的可持續(xù)利用，應(yīng)在一定程度內(nèi)限制工業(yè)用水量、規(guī)范工業(yè)排污量、提高農(nóng)業(yè)工作中農(nóng)藥、化肥的使用效率等。

表2 評價結(jié)果對比 %

3 結(jié) 論

由評價結(jié)果分布圖(圖1)可以得出，區(qū)內(nèi)絕大多數(shù)地區(qū)水質(zhì)狀況良好，影響區(qū)域地下水質(zhì)量的指標(biāo)主要為溶解性總固體、總硬度、硝酸鹽氮等無機(jī)指標(biāo)，水質(zhì)較差區(qū)主要分布在城區(qū)、城鎮(zhèn)周圍區(qū)、排污河道兩側(cè)、地表污染水體分布區(qū)及引污水灌溉農(nóng)田地區(qū)?？梢缘贸觯まr(nóng)業(yè)發(fā)展及人類活動加劇是造成本區(qū)水質(zhì)變化的主要原因，為保證本區(qū)地下水資源的可持續(xù)利用，應(yīng)在一定程度內(nèi)限制工業(yè)用水量、規(guī)范工業(yè)排污量、提高農(nóng)業(yè)工作中農(nóng)藥、化肥的使用效率等。

圖1 評價結(jié)果分布

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