張鈞帥,王 帥,袁 柱

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,廣東 廣州 510000)

0 引言

廣州市位于珠江下游,地勢(shì)平坦,河湖密布,是我國(guó)重要工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地,地表組成物質(zhì)以近代河流沖洪積物和湖泊淤積物為主,巖性結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣,地下水位埋深小,降雨充沛,為地表污染物的遷移創(chuàng)造了重要的地質(zhì)環(huán)境條件。佛山經(jīng)廣州至東莞城際工程線路設(shè)計(jì)全長(zhǎng)約113 km,橫貫佛山、廣州、東莞三市中心,共設(shè)車站31座,設(shè)置地鐵車輛段(停車場(chǎng))3座。地鐵車輛段是地鐵車輛停放,檢查,整備,運(yùn)用和修理的管理中心所在地,同時(shí)也是地鐵工作人員的生活辦公場(chǎng)所,上蓋大量同步實(shí)施工程(商業(yè)中心、房地產(chǎn)開發(fā)),土地利用高度集約,人類活動(dòng)劇烈,隨之而來(lái)的大量生活污水、工礦業(yè)廢水等形成的地表污染源,造成淺層地下水極易收到污染。

針對(duì)傳統(tǒng)模型指標(biāo)與實(shí)際地質(zhì)條件不匹配、指標(biāo)之間相互關(guān)聯(lián)、無(wú)法定量獲取、權(quán)重固定等缺陷本文通過(guò)提出新的定量評(píng)價(jià)體系[1],采用三標(biāo)度層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重[2],以隸屬度函數(shù)代替固定評(píng)分制[3],開展淺層地下水防污性能模糊綜合評(píng)價(jià)。本文研究可為廣州市增城區(qū)開展淺層地下水防污性能評(píng)價(jià)提供方法支撐,為佛穗莞城際工程陳家林車輛段淺層地下水污染防治工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理特征

陳家林車輛段位于廣州市增城區(qū)寧埔大道以南,陳家林路東側(cè)地塊。車輛段南側(cè)、西側(cè)均為城市居民區(qū),東側(cè)為山體。地形輕微起伏,東高西低,為低丘、殘丘、丘間谷地地貌,高程13.90～63.00 m。該地塊南北長(zhǎng)約1 500 m,寬約270 m,占地面積為40.26 ha。研究區(qū)為典型南亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫為21.4℃～21.9℃,年均降水量1 761 mm,地表水體不發(fā)育,僅在靠近山體側(cè)有數(shù)個(gè)小型魚塘,大小約40×60 m,水深約1～2 m。區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀為農(nóng)田及工業(yè)廠房。

1.2 水文地質(zhì)特征

研究區(qū)內(nèi)第四系巖土層主要由人工填土層(Q4ml)、沖洪積砂層(Q3+4al+pl)、沖洪積粉質(zhì)黏土層(Q3+4al+pl)、河湖相淤泥質(zhì)土層(Q3+4al+pl)、坡積粉質(zhì)黏土層(Q3+4dl)、殘積粉質(zhì)黏土層(Qel)以及晚三疊世花崗巖風(fēng)化層(ηγ)。松散層孔隙水主要賦存于第四系砂層含水層中,以砂層為主,其含水性能與砂粒含量、形狀、大小、顆粒級(jí)配及粘(粉)粒含量等有密切關(guān)系,一般透水性中等,富水性較弱。第四系松散層孔隙水的主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水和地表水(河塘)補(bǔ)給,排泄主要表現(xiàn)為大氣蒸發(fā)、人工開采和通過(guò)植物排泄。該層地下水與居民生活、生產(chǎn)聯(lián)系最為密切,也最易受到污染,本次研究主要針對(duì)該含水層開展。

2 DRASTIC模型改進(jìn)與討論

2.1 DRCT模型指標(biāo)

研究區(qū)大部分區(qū)域地下水位埋深較小,對(duì)污染物遷移影響較大,且淺層地下水主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水,地下水位埋深(D)及降雨入滲補(bǔ)給量(R)對(duì)防污性能的影響不容忽視[4];研究區(qū)包氣帶巖性結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣,很難定量評(píng)價(jià)其對(duì)污染物遷移的影響,考慮包氣帶中黏性土層廣泛分布,由于顆粒細(xì),滲透能力差,能夠有效阻止污染物的下滲,而顆粒較粗的砂層由于滲透能力較強(qiáng),有利于污染物的垂向遷移,所以在考慮包氣帶介質(zhì)影響時(shí),使用包氣帶滲透系數(shù)(C)替代包氣帶介質(zhì)和土壤介質(zhì)指標(biāo)[5];研究區(qū)為低丘、殘丘、丘間谷地地貌,地形輕微起伏,地形因素(T)影響不可忽略,地形坡度越小的地區(qū),地表徑流越微弱,污染物入滲的機(jī)會(huì)越大,地下水防污性能就相對(duì)較差[6]。

2.2 評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

經(jīng)改進(jìn)的DRCT模型評(píng)價(jià)指標(biāo)均為定量指標(biāo),可用定量分級(jí)和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)(表1)進(jìn)行評(píng)分,由研究區(qū)65個(gè)勘察鉆孔實(shí)測(cè)值范圍及揭露巖性及前人研究評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)確定。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

為減少傳統(tǒng)DRASTIC模型的權(quán)重的主觀性,本研究采用三標(biāo)度層次分析法[7],具體步驟如下。

2.3.1 確定指標(biāo)相對(duì)權(quán)重大小

傳統(tǒng)DRASTIC模型給定指標(biāo)權(quán)重的從大到小順序?yàn)榈叵滤宦裆?D)=包氣帶介質(zhì)(I)>凈補(bǔ)給量(R)>含水層介質(zhì)(A)=含水層滲透系數(shù)(C)>土壤介質(zhì)(S)>地形坡度(T),其中括弧里為給定的指標(biāo)權(quán)重,數(shù)值越大,代表權(quán)重越大。因此DRCT模型參照傳統(tǒng)模型指標(biāo)重要性排序?yàn)榈叵滤宦裆?D)=包氣帶滲透系數(shù)(C)>凈補(bǔ)給量(R)>地形坡度(T)。

表1 DRCT模型各指標(biāo)分級(jí)及評(píng)分

2.3.2 比較矩陣及判斷矩陣

根據(jù)上述各指標(biāo)之間相對(duì)重要性的關(guān)系,利用三標(biāo)度法建立比較矩陣K{ij},如表2括號(hào)外數(shù)值,K表示不同指標(biāo)重要性的比較值,其中0表示ki沒有kj重要;1表示ki與kj一樣重要;2表示ki比kj重要。通過(guò)比較矩陣得到間接判斷矩陣D{ij},如表2括號(hào)內(nèi)數(shù)值。對(duì)間接判斷矩陣D{ij}進(jìn)行歸一化處理即可得到三標(biāo)度層次分析法的權(quán)重(表3)。

鐵絲人想要的黃金島，是不會(huì)出現(xiàn)了。先不論拿黃金造島的可行性，單說(shuō)所需要的黃金……即便集齊了地球上所有被開采出來(lái)的黃金，大概也只能填滿一個(gè)大點(diǎn)的游泳池……

表2 三標(biāo)度層次分析法比較矩陣K{ij}及間接比較矩陣D{ij}

表3 三標(biāo)度層次分析法指標(biāo)權(quán)重w

2.3.3 一致性檢驗(yàn)

矩陣的權(quán)重需進(jìn)行一致性檢驗(yàn),一致性指標(biāo)CI計(jì)算公式如下:

(1)

式中:λmax為矩陣的最大特征值;n為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)量(n=4)。

一致性比例計(jì)算如下:

(2)

式中:RI為隨機(jī)一致性指標(biāo),取值與n有關(guān),如表4所示。

當(dāng)CR<0.1,說(shuō)明比較矩陣的一致性通過(guò)檢驗(yàn),如果不通過(guò)檢驗(yàn)則需要調(diào)整矩陣賦值,直到通過(guò)一致性檢驗(yàn),在一致性檢驗(yàn)中,RI=0.90,一致性比例CR=0.029<0.1,矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn),說(shuō)明該矩陣對(duì)于各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重分布較為合理。

表4 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI與n關(guān)系表

3 模糊綜合評(píng)價(jià)

應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論進(jìn)行研究,與DRASTIC模型及層次分析法相結(jié)合,可有效解決傳統(tǒng)模型在實(shí)際應(yīng)用中存在的評(píng)分不連續(xù)的問(wèn)題,本研究模糊評(píng)價(jià)具體步驟如下:

(1)由研究區(qū)64個(gè)包氣帶巖性結(jié)構(gòu)調(diào)查點(diǎn)和4個(gè)改進(jìn)DRCT模型指標(biāo)構(gòu)成實(shí)測(cè)值矩陣X{ij},xij為樣本j指標(biāo)i的實(shí)測(cè)值,其中i={1,2,3,4},j={1,...,64}。

(2)由4個(gè)改進(jìn)DRCT模型指標(biāo)和10個(gè)語(yǔ)氣算子級(jí)別(以1～10表示“極難污染”～“極易污染”)構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)值矩陣Y{ih},yih為指標(biāo)i級(jí)別h下的實(shí)測(cè)值,其中i={1,2,3,4},h={1,...,10}。該矩陣如表5括號(hào)外數(shù)據(jù)所示。

(3)由標(biāo)準(zhǔn)值矩陣和相對(duì)隸屬度公式可建立標(biāo)準(zhǔn)值相對(duì)于極難污染(1級(jí))的級(jí)別相對(duì)隸屬度矩陣,sih為指標(biāo)i相對(duì)于級(jí)別h的相對(duì)隸屬度,其中i={1,2,3,4},h={1,…,10}。

(3)

該矩陣如表5括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)所示:

表5 標(biāo)準(zhǔn)值及相對(duì)隸屬度矩陣

(4)將樣本實(shí)測(cè)值xij代替公式?中yih得到樣本相對(duì)隸屬度矩陣R{ij},xij為樣本j指標(biāo)實(shí)測(cè)值相對(duì)于“極難污染”級(jí)別的相對(duì)隸屬度,其中i={1,2,3,4},j={1,...,64}。由矩陣R知樣本4個(gè)指標(biāo)的相對(duì)隸屬度:

rj=(r1j,r2j,…,r64j)T

(4)

將中指標(biāo)1,2,…,64的相對(duì)隸屬度r1j,r2j,…,r64j分別與矩陣S中的第1,2,3,4行的行向量逐一進(jìn)行比較,可得到rj落入矩陣S的級(jí)別下限aj和級(jí)別上限bj

(5)構(gòu)建評(píng)價(jià)單元?dú)w屬于各個(gè)級(jí)別的最優(yōu)相對(duì)隸屬度矩陣樣本j與級(jí)別h之間的差異用廣義歐式距離公式表示為:

(5)

并根據(jù)廣義歐氏距離與隸屬度關(guān)系計(jì)算得到樣本集歸屬于各級(jí)別的最優(yōu)相對(duì)隸屬度矩陣U{hj},其中h={1,…,10},j={1,…,64};

(6)

(6)F=(1,2,...,10)1×10*(uhj)=(F1、F2,…,F64)1×64

(7)

F為模糊綜合評(píng)分值,F越大包氣帶防污性能越差,樣本越容易被污染。

4 結(jié)語(yǔ)

4.1 評(píng)價(jià)成果

根據(jù)模糊綜合評(píng)判法得到的模糊綜合評(píng)分值繪制得到包氣帶防污性能評(píng)價(jià)分區(qū)圖(圖1),并統(tǒng)計(jì)相應(yīng)分區(qū)面積如表6,經(jīng)計(jì)算模糊綜合評(píng)分值F取值范圍為2.49～8.47,劃分為好、較好、較差、差四個(gè)評(píng)價(jià)分區(qū)。

圖1 研究區(qū)防污性能評(píng)價(jià)分區(qū)圖

表6 地下水防污性能評(píng)價(jià)結(jié)果

4.2 結(jié)論

(1)本文構(gòu)建了以地下水位埋深、降雨入滲補(bǔ)給量、包氣帶滲透系數(shù)、地形坡度的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,降低了傳統(tǒng)DRASTIC模型評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性以及部分指標(biāo)不能定量評(píng)價(jià)的缺陷,提高了評(píng)價(jià)指標(biāo)的客觀性;采用三標(biāo)度層次分析方法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,減少了傳統(tǒng)DRASTIC模型人為確定權(quán)重的主觀性。在改進(jìn)的DRASTIC模型基礎(chǔ)上,引入模糊數(shù)學(xué)相對(duì)隸屬度的概念,構(gòu)建了使用隸屬度函數(shù)代替原有固定評(píng)分值模糊綜合評(píng)價(jià)模型,有效降低了傳統(tǒng)模型使用定額評(píng)分帶來(lái)的不連續(xù)性。

(2)從模糊綜合評(píng)判得到地下水防污性能脆弱地區(qū)(較差、差)占研究區(qū)總面積的97.21%,地下水防污性能較好或好的區(qū)域零星分布于靠近山體一側(cè),占研究區(qū)總面積僅2.79%。表明車輛段中西部淺層地下水防污性能整體較弱,地下水位埋深淺,場(chǎng)地包氣帶填土層、耕植土透水性好,場(chǎng)地平緩利于污染物下滲,需重點(diǎn)防范今后車輛段上蓋工程居民區(qū)生活污水、垃圾堆放污染及作業(yè)產(chǎn)生的污染,維持良好生態(tài)環(huán)境。