胡婧敏，李立軍，王延亮，孫 春

吉林省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站, 吉林 長春 130021

長春市為吉林省省會，是吉林省的政治、經(jīng)濟、文化和交通的中心,是我國重要的工業(yè)基礎(chǔ)城市，中國最大的汽車工業(yè)城市。但長春市的水資源并不豐富，是我國北方嚴重缺水的城市之一。近年來，隨著工業(yè)和地方經(jīng)濟的快速發(fā)展，對水資源的需求不斷加大，同時轄區(qū)的多個縣市又是我國重要的糧食生產(chǎn)基地。為保障工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活飲用的用水需求，區(qū)域的地下水開發(fā)程度較高，但在開發(fā)利用過程中也產(chǎn)生了水質(zhì)污染、水位下降等問題。因此在分析水文地質(zhì)條件、地下水開發(fā)利用狀況的基礎(chǔ)上，本文采用熵權(quán)屬性識別模型對長春地區(qū)地下水水質(zhì)進行評價

1 長春地區(qū)地下水環(huán)境背景

長春地區(qū)位于吉林省中部，地處松遼平原東南部邊緣，東部與東南為剝蝕丘陵。

本區(qū)地貌特點是臺地區(qū)起伏明顯，坡降較大，有利于地表逕流排泄，對地下水滲入補給不利，河谷區(qū)較為平緩，逕流不暢。不僅是地下不形成的主要影響因素之一，而且在一定程度上，也影響了污染物的分布和運移。

區(qū)域內(nèi)主要地下水類型有：

（1）孔隙潛水：分布于伊通河兩側(cè)之波狀臺地和丘陵狀臺地中。含水層巖性為中粗砂和礫石及黃土狀亞粘土，其砂礫石分布局限，僅分布在伊通河西側(cè)臺地近東緣地段和伊通河?xùn)|側(cè)臺地局部地區(qū)。伏黃土狀亞粘土之下。黃土狀亞粘土分布廣泛，由砂礫石和黃土狀亞粘土組成的含水巖組具供水意義。大氣降水為補給來源，消耗于開采和泄往河谷區(qū)。

（2）白堊系泉頭組孔隙裂隙水：分布于葦子溝至柏家屯連線的東南側(cè)，含水層為白堊系泉頭組弱膠結(jié)的砂巖、砂礫巖等。層多而簿，一般單層厚0.5～5.0m之間，層間少水力聯(lián)系。泉頭組三、四段蓄性水較好，降深20～33m時，單井出水量為100～400 t/d。水化學(xué)類型較單一，主要為HCO3-Na型水，礦化度小于0.5 g/L。補給來源為上伏松散巖類孔隙水滲透補給，碎屑巖類孔隙裂隙水富水性較差，補給來源有限，不宜作集中開采的大型水源。

2 熵權(quán)屬性識別理論

有關(guān)地下水水質(zhì)評價的方法很多，本文采用熵權(quán)屬性識別模型。該模型由我國著名學(xué)者程乾生教授提出，在解決有序分割問題上具有顯著的優(yōu)越性。各指標的權(quán)重采用熵值法計算，該方法是在客觀條件下，由評價指標值構(gòu)成的判斷矩陣來確定指標權(quán)重的一種方法。消除了各因素權(quán)重的主觀性，評價結(jié)果比較符合實際。

2.1 方案的屬性分類模式

在研究對象空間X取n個方案x1，x2，…，xn，對每個方案要測量m個指標V1，V2，…，Vm，第i個方案xi的第j個指標Vj的測量值為xij，因此，第i個方案xi可以表示為一個向量xi＝（xi1，xi2，…，xim），l≤i≤n。根據(jù)已知的分級標準寫成分級標準判斷矩陣為：

式中，amk為第m個指標在屬性空間F上的第K個分割值。

2.2 熵值法確定權(quán)重

為避免人為主觀因素的干擾，選用Shannon熵的方法，從實測數(shù)據(jù)指標入手，充分利用數(shù)據(jù)自身信息，客觀地確定出熵權(quán)。

(l)構(gòu)建n個方案，m個評價指標的判斷矩陣∶

(2)將判斷矩陣歸一化處理得到歸一化判斷矩陣B∶

式中： xmax、xmin分別為同指標下不同方案中最滿意者或最不滿意者。

bij構(gòu)成歸一化判斷矩陣B。

(3)根據(jù)熵的定義，n個方案m個指標，可以確定評價指標熵∶

顯然當fij=0時，lnfij無意義。為保證lnfij有意義，對其進行修正，計算公式為：

(4)計算評價指標的熵權(quán)W：

2.3 方案屬性測度

假定aj1＜aj2＜…＜ajk，第i個方案第j個指標值xij具有屬性CK的屬性測度μijk＝μ(xij∈CK)

當xij≤aj1，取μij1=1，μij2=μij3=…=μijk=0；

當xij≥ajk，取μijk=1，μij1=μij2=…= μij(k-1)=0；

當ajt＜xij＜ aj(t+1)(1≤t≤K-1)時，

計算得到第i個方案的各指標測量值的屬性測度后，計算第i個方案xi的屬性測度μik=μ(xi∈CK)。各指標的權(quán)重∶

由指標權(quán)重可計算得到屬性測度μik：

按照置信度準則對置信度λ(一般取0.6～0.75)計算ki。

取k直到滿足上式則認為xi屬于Cxi類。

3 地下水水質(zhì)的熵權(quán)屬性識別評價

3.1 地下水水質(zhì)監(jiān)測點選取

考慮長春地區(qū)轄區(qū)范圍較大，本次評價根據(jù)區(qū)域含水層分布、地下水開采利用情況，確定在區(qū)內(nèi)設(shè)置采樣點14個，其中第四系潛水采樣點8個，白堊系承壓水采樣點6個（具體分布見表1）。

3.2 樣本空間矩陣與屬性分類矩陣的確定

本文以長春地區(qū)采集的14個地下水水樣測試數(shù)據(jù)為對象，長春地區(qū)是吉林省的政治、經(jīng)濟、文化中心，具有重要的戰(zhàn)略意義，而地下水為長春地區(qū)重要的供水水源，對保證居民的供水安全具有意義，因此本次對長春地區(qū)的第四系潛水和白堊系承壓水開展地下水水質(zhì)評價。選取高錳酸鹽指數(shù)、總硬度（以CaCO3計）、氯離子、硫酸根離子、鐵、氟離子、氰化物、石油類、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮10項指標，14個水質(zhì)監(jiān)測點建立樣本的空間矩陣(見表2)。

參照地下水質(zhì)量標準(GB/T14848-93)確定屬性分類標準（石油類參照地表水環(huán)境質(zhì)量標準（GB3838-2002）），從而構(gòu)成屬性分類矩陣為：

3.3 熵權(quán)的確定

利用公式(2)—(5)計算出評價指標的熵權(quán)系數(shù),結(jié)果見表3。

表1 長春地區(qū)地下水水質(zhì)監(jiān)測點分布一覽表Table 1 Distribution list of groundwater qualitymonitoring point in Changchun area

3.4 屬性測度計算與結(jié)果

根據(jù)國家地下水質(zhì)量標準將地下水質(zhì)量等級劃分為5 級：優(yōu)良(Ⅰ類)、良好(Ⅱ類)、較好(Ⅲ類)、較差(Ⅳ類)和極差(Ⅴ類)。利用公式(6)—(8)計算出各樣本的屬性測度，結(jié)果見表4中列出的對I-V級的屬性測度結(jié)果。

取置信度為0.75，進行屬性識別，得出水質(zhì)評價結(jié)果見表3中對應(yīng)的水質(zhì)等級。按照此方法對14個樣本進行評價，獲得了長春地區(qū)水質(zhì)評價結(jié)果，其中Ⅰ級占7.1%，Ⅱ級占42.9%，Ⅲ級占42.9%，Ⅴ級占7.1%，可見長春地區(qū)地下水整體水質(zhì)較好。但在采樣點中石油類有6個點超過地表水環(huán)境質(zhì)量標準Ⅴ類的限值，硝酸鹽氮有6個超標（地下水質(zhì)量標準Ⅲ類），其中5個點超過地下水質(zhì)量標準Ⅴ類的限值，石油類和硝酸鹽氮是影響區(qū)域地下水水質(zhì)的重要因素，石油類、硝酸鹽氮的超標主要是由于井口衛(wèi)生條件差、居民生活污染所致。

根據(jù)評價結(jié)果，利用MapGIS軟件繪制了研究區(qū)地下水水質(zhì)評價結(jié)果，見圖1所示。

從圖1可以看出：9號點的水質(zhì)極差，是由于水中的石油類、硝酸鹽氮含量超標所致，其中石油類超標（地表水環(huán)境質(zhì)量標準Ⅲ類）22.2倍，硝酸鹽氮超標（地下水質(zhì)量標準Ⅲ類）1.07倍。因此應(yīng)采取措施防治、減輕城鎮(zhèn)和村莊的生活污染，建議村民應(yīng)注意飲用水井的衛(wèi)生防護，并對生活垃圾指定位置存放、并定期收集送至處置場，避免因井口污染影響地下水水質(zhì)。

表2 長春地區(qū)地下水水質(zhì)評價樣本空間矩陣表Table 2 Spacematrix of evaluation sample of groundwater quality in Changchun areamg/L

表3 評價指標熵權(quán)計算結(jié)果Table 3 Entropy weight calculation results of evaluation index

4 結(jié)語

應(yīng)用熵權(quán)屬性識別模型對長春地區(qū)地下水水質(zhì)評價表明，其評價結(jié)果可真實反映該區(qū)地下水的水環(huán)境狀況，為防治水源地地下水環(huán)境污染提供了科學(xué)依據(jù)，也為水源地水質(zhì)評價提供了新的方法。

地下水水質(zhì)綜合評價需要考慮多指標的屬性。將屬性識別法應(yīng)用于水質(zhì)的評價中, 可有效地解決水質(zhì)的優(yōu)劣和所屬標準問題，且結(jié)果合理，計算簡單。用熵值法計算權(quán)重，充分利用了評價樣本信息，避免了主觀確定權(quán)重的隨意性，使得權(quán)重的確定更加客觀，提高了評價模型的可靠程度。

表4 屬性測度結(jié)果表Table 4 Attributemeasure results

圖1 長春地區(qū)地下水水質(zhì)評價圖Fig.1 Water quality evaluationmap of groundwater in Changchun area

[1] 門寶輝, 梁 川, 付 強, 劉慶華. 湖庫富營養(yǎng)化綜合評價的屬性識別模型[J].四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版), 2002, 34(6):109-111.

[2] 張先起, 梁 川, 劉慧卿.基于熵權(quán)的屬性識別模型在地下水水質(zhì)綜合評價中的應(yīng)用[J].四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版),2005,(3):28-31.

[3] 卞建民, 湯 潔, 李立軍. 遼河油田地區(qū)地下水水質(zhì)的熵權(quán)屬性識別評價[J].水文, 2007, 27(3): 46-49.

[4] 李 淼, 夏 軍, 李福林, 孟 德. 基于熵權(quán)的屬性識別模型在海水入侵現(xiàn)狀評價中的應(yīng)用[J]. 地理科學(xué)進展, 2012,31(3):324-329.

[5] 劉 燕, 吳文玲, 胡安焱.基于熵權(quán)的屬性識別水質(zhì)評價模型[J]. 人民黃河, 2005,(7):18-19,28.

[6] 陳會秋, 門寶輝.屬性識別理論在黃前水庫水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J].東北水利水電, 2003,(2):27- 28,56.

[7] 門寶輝, 梁 川. 屬性識別方法在水資源系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展程度綜合評價中的應(yīng)用[J].浙江大學(xué)學(xué)報(農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版), 2002,(6):675- 678.

[8] 余文忠, 唐德善, 陸廷春. 熵權(quán)屬性識別法在地下水水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J]. 水電能源科學(xué),2013,31(7):41-43.

[9] 屈衛(wèi)軍，王 暄. 屬性識別理論模型在地下水水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J]. 地下水,2012,34(5):44-45,87.

[10] 王 鼐 ，董維紅，張 巖，郝敬輝. 開封南郊垃圾場地下水質(zhì)量的熵權(quán)屬性識別評價[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì),2012,39(2):94-99.