物元可拓法在吴家营水源地地下水水质评价中的应用

赵雪琼，黄茜蕊，潘少红

(云南国土资源职业学院，云南 昆明 650217)



物元可拓法在吴家营水源地地下水水质评价中的应用

赵雪琼，黄茜蕊，潘少红

(云南国土资源职业学院，云南 昆明 650217)

鉴于呈贡吴家营水源地地下水水质现状，为了更好地保护水源地地下水资源，基于物元可拓法建立了包括总硬度、矿化度等评价因子的地下水质评价模型，对吴家营水源地5个采样点地下水质进行了评价。综合关联度计算结果表明：呈贡吴家营水源地地下水水质较好，评定等级在Ⅰ-Ⅲ级之间，部分区域水样水质有从Ⅲ级向Ⅳ级转化的趋势，与综合评价法评价结果基本一致，表明物元可拓法评价结果可靠。评价结果对控制和预防地下水污染、保护区域地下水资源具有重要意义。

吴家营水源地；地下水；水质评价；物元可拓法

呈贡吴家营水源地是昆明市地下水水源地之一，该水源地建设于上世纪90年代初，随着呈贡新城的建设，水源地刚好位于其建设核心地段。在呈贡开发建设新城的过程中，城市化程度大幅度提高，人口迅速增加，工农业和生活废水不可避免地对区内地下水环境造成一定影响。因此科学地进行地下水水质评价，对控制和预防地下水污染、保护地下水资源具有重要意义。地下水质评价方法常见的有综合指数评价法、模糊评价法、灰色评价法、人工神经网络评价法及物元可拓法。由于物元可拓法逻辑性较强，还能揭示出评价指标级别的差异及同一级别转化的方向，因此，本文采用物元可拓法建立了地下水水质评价模型，对吴家营水源地地下水水质进行评价。

1 物元可拓法简介

物元分析原理于上世纪80年代由蔡文教授创立[1]，是将物元分析理论与可拓集合方法相结合的综合评价方法。由于物元可拓法评价客观真实，能定性区分出同一等级样本水体的转化方向，应用物元可拓法评价地下水环境质量越来越广泛[2-7]。

1.1 矩与关联度函数

矩是指实数轴上任一点Xj与区Xij=(aij，bij)之间的距离。计算公式为

i=1，2，…，m；j=1，2，…，n

(1)

同理，实数点Xj与节域区间Xρj=(aρj，bρj)之间的矩用如下公式计算：

(2)

关联函数k(x)的数值代表关联度。本次对地下水水质进行评价选用的关联函数如公式(3)所示。

i=1，2，…，m；j=1，2，…，n

(3)

其中：|xij|=|aij-bij|。

1.2 综合关联度Kj(p)及质量评价等级评定

综合关联度是关联度与权系数的乘积。

(4)

本次权系数采用评价因子污染贡献率方法确定：

(5)

Kj(p)称为评价单元p关于j质量的综合关联度。将各级关联度Kj(p)进行比较，数值越大的表示越接近标准等级，综合关联度最大的级别就是评价最终所属级别。

2 物元可拓法应用实例

本次用物元可拓法对吴家营水源地地下水水样进行水质评价。选取2015年10月的统测资料作为水质评价样本，选取SO42-、HCO3-、Ca2+、Fe2+3+、总矿化度(TDS)、总硬度(M)6项指标作为水质评价的评价因子，进行综合质量评价。 实测各评价因子浓度数据见表 1。

表1 实测浓度数据表 mg/L

评价标准采用国家地下水水质标准GB/T 14848- 93。国家地下水水质评价标准包含五级, 由于国家标准按某评价因子浓度的上限来划分等级, 对第V级标准只有下限要求而没有上限要求, 而水环境质量标准的划分一般都用一个浓度区间。 考虑到本次水样从整体上看没有超标严重的因子, 为了符合标准的要求,只采用前四级评价标准，根据标准设定各评价因子等级范围。本次评价选用的评价因子的相应国家标准如表2。

表2 地下水水质评价标准 mg/L

根据物元分析原理，由表1可得被评价样本的物元矩阵：

由表2可得出水质分级标准物元矩阵：

2.1 水质评价结果

由上述样本物元矩阵、标准物元矩阵及节域矩阵，通过(1)，(2)，(3)式计算样本中各评价因子相对标准水质分级标准的关联度，计算结果如表3所示。

根据(5)式计算各样本各评价因子的权值见表4。由(4)式计算综合关联度，按照等级评定方法，综合关联度最大的级别就是评价最终所属级别，评定各水样的最终质量等级见表5。由关联函数的意义，样本1中综合关联度最大值为0.274，与1的差距比较大，说明样本1虽然被评定为Ⅱ类水质，但与Ⅱ类水质标准下限较为接近，并且综合关联度中仅次于最大值的是第Ⅰ级，说明样本水体转化为Ⅰ类水质的可能性较大[8]。同理， 样本 2， 3， 4，5 中的综合关联度的最大值都不大，说明水体质量更接近于所评定等级标准的下限值，其中样本2与样本4为Ⅰ类水质，水质较好。样本 3有向Ⅰ类水质转化的可能，样本5有向Ⅳ类水质转化的可能。虽然样本 2， 4 同被评为Ⅰ类水质，但从表5中可以看出，各自的最大综合关联度差异较大。其中，样本4 的值大于样本2，说明样本4的水质相对于样本2稍差一些。

表3 关联度计算结果表

表4 样本各因子权重计算结果表

2.2 综合评价法的验证

为了检验评价结果的可靠性，采用综合评价法对吴家营水源地地下水质进行评价，并与物可拓法水质评价结果进行对比。综合评价法第一进行各单项组分评价，确定各组分所属质量类别；第二分别确定单项组分评价分值Fi；第三计算综合评价分值F；最后根据综合分值，划分地下水水质类别。计算结果见表6。由表可以看出，两种评价结果基本一致。

表5 综合关联度 K j (p )计算结果及评定等级

表6 两种评价方法评价结果对比

3 结语

物元可拓法评价结果表明，昆明呈贡吴家营水源地地下水质较好，评定等级在Ⅰ-Ⅲ级之间。说明深部含水层中的地下水质较好，满足饮用水要求。但5号样本水质与其它样本水质相比，水质较差，有向劣质转化的趋势，应引起足够重视。

物元可拓法与综合评价法评价结果基本一致，说明评价结果可靠。5号水样综合评价法评价结果是Ⅳ类，与物元可拓法评价结果对比分析，说明5号样本水质较差，需采取措施控制水质进一步恶化。

物元可拓法水质综合评价模型相对其它 评价方法具有逻辑性强，评价结果客观等优点。模型不仅可以对地下水水质进行综合的评价，确定样本所属的水体等级，而且还可以通过比较最大综合关联度，定性分析评价样本水质的变化趋势，区分出同一等级样本水体的水质可能的转化方向。

[1]蔡文.物元分析[M].广州：广东高等教育出版社.1987.56-90.

[2]李艳梅.辽河油田地下水水质模拟与预测[D].吉林大学.2005.

[3]谢武.物元分析法在水质评价中的应用[J].吉林水利.2006,4:1-3.

[4]冯玉国.用物元分析法综合评价环境质量[J].环境保护.1995,9:30-32.

[5]叶勇，等.物元可拓法在地下水环境质量评价中的应用[J].水土保持研究.2007,14(2)：52-54.

[6]兰双双，姜纪沂，等.物元可拓的地下水质评价以梨树县平原区浅层地下水为例[J].吉林大学学报( 地球科学版).2009,39(4): 722-727.

[7]于福荣，等.物元可拓法在金泉工业园区地下水质量评价中的应用[J].水电能源科学.2012,30(6)：38-40.

[8]俞峰,杨成梧.物元分析方法在地下水质量综合评判中的应用[J].环境与工程学报.2005, 16( 2) : 35- 38.

The application of the matter-element extension method used in Groundwater quality assessment of Wu JiaYing water source field

ZHAO Xue-qiong，HUANG Qian-rui，PAN Shao-hong

(Yunnan Land and Resources Vocational College , Kunming 650217, China)

In view of the present situation of groundwater quality of Wu JiaYing，In order to protect the groundwater resources，Based on matter element extension method, an evaluation model of groundwater quality including total hardness, total dissolved solids and other factors was established. And it is completed comprehensive evaluation of groundwater quality for 5 water sampling points in water source field. Through the calculation of the integrated degree of association, the results show that groundwater quality of water source is good. The index of most area belongs to level Ⅰ-Ⅲ. In some other areas, the groundwater quality is deteriorating from Ⅲ to Ⅳ rank. The evaluation results are consistent with the comprehensive evaluation method, which shows that the evaluation result of the matter element method is reliable.

Groundwater；quality assessment；Matter-Element Analysis

2016-12-14

云南省国土资源职业学院教师科研基金项目：“昆明吴家营水源地地下水水质变化调查分析”(2014YJ12)

赵雪琼(1985-)，女，云南曲靖人，讲师，主要从事水文地质、环境地质工作。

P641.8

A

1004-1184(2017)02-0011-03