辽阳县地下水质量综合评价

李芳雨

(辽宁省辽阳水文局,辽宁 辽阳 111000)

近年来,为了满足社会经济对水资源的需求,部分地区增大地下水开采量,致使超采区面积不断扩大、地下水水位持续下降,危及水资源安全。同时,由于不合理开发地下水导致地面沉降、土地沙化、湿地退化、地下水污染不断增加、区域海(咸)水入侵加剧等生态、环境、地质问题。地下水质直接影响着人体健康,广大居民和专家学者越来越关注其健康风险和质量状况,与其它类型污染相比,地下水污染具有长期性和隐蔽性特征,其修复治理难度和危害性更大[1-3]。另外,工程建筑材料受地下水中侵蚀性CO2、pH值、铵根和硫酸根离子等腐蚀性影响显著。在农田灌溉、防洪排涝、生态景观和交通运输等方面城市河道发挥着重要作用,而在新河道规划开挖过程中必须考虑场地的土壤、地下水等因子质量,为合理选择规划方案提供参考。

目前,研究评价地下水质的常用方法有神经网络法、模糊综合法、主成分法和综合评分法等[4-5]。其中,神经网络法和模糊评价法能够考虑大量数据信息,但是存在计算过程复杂、分辨率低和结果易均质化等缺点;主成分分析法可以更准确地分析单一污染源,但无法反映整体情况。因此,应结合区域水质情况和具体数据选择合适的水质评价方法。物元可拓法是一种研究处理不相容问题的有效方法,该方法具有处理多项指标参数的特点,通过关联函数精确计算数值,可以有效解决权值不确定性和人为影响因素过多的问题,现已被广泛应用于识别与评价、优惠决策、新产品设计与构思、水环境、空气质量和生态环境评价等领域。据此,文章应用物元可拓法评价分析辽阳市辽阳县2009年和2020年地下水质量及其变化趋势,为辽阳县地下水资源管理保护及可持续利用提供科学依据。

1 研究区概况

辽阳县地处辽东半岛中部,山区位于南部,地质构造极为复杂,其形迹以东西向构造和新华夏系构造为主体构成地质骨架,此外还有华夏系或华夏式系构造、北西向构造与旋卷构造等。研究区属于温带大陆性季风气候,年均气温为8.4℃,年降水量为735.3mm。境内河流较多,太子河贯穿全境,主要河流有太子河、浑沙河、浑河、汤河、兰河、细河、杨柳河、兵马河、南沙河、运粮河、北地河等。将地下水按照赋存岩组(含水岩组)可以划分为松散岩类和碎屑岩类孔隙水、碳酸盐岩类岩溶裂隙水、火成岩类和变质岩类裂隙水等多种类型。

2 研究方法

2.1 确定物元矩阵

物元可拓法就是将具有复杂系统性问题利用关联度进行数学计算的方法,其中物元是反映事物量值、特征及名称的简称。可拓集合是将[0,1]区间取值运用关联度投影到实数轴(-∞,+∞)上,采用数学方法计算关联度,从而定量化解决矛盾问题,更加真实客观地反映地下水质量状况。

采用事物N、特征C及其对应于该特征的量值V构成物元R=(N,C,V),则经典域Rj和节域物元集Rp如下:

(1)

(2)

式中:Nj、Ci、Vjn为划分的j个等级、不同特征及经典域取值范围;p、Vpn为评价等级的全体和节域取值范围,待评价物元R0可以表示为:

(3)

式中:Vn为实测数据。

2.2 关联函数

关联函数反映了某等级标准与待评价单元之间的隶属程度,采用开拓结合理论与待评价事物特征相结合的方法选取关联函数,具体为:

(4)

式中:ρ(vi,Vji)、ρ(vi,Vpi)为点vi与有限区间Vji、Vpi的距离,可以利用公式(5)计算确定。

(5)

式中:v为点值;V=(a,b)为有限区间;a、b表示区间左、右端点值。

2.3 权重系数

权重反映了地下水质量受各因子的影响程度,常用的计算方法有因子污染贡献率法、关联函数法、专家打分法和层次分析法等,研究选用因子污染贡献率法确定指标权重,其计算公式为:

(6)

式中:ωi、xi、si为参评因子i的权重系数、实测值及其各等级标准平均值。

2.4 综合关联度

综合关联度充分考虑了整个水体评价受某因子及其隶属关系的影响作用,这是对地下水质量的整体描述,一般以权重系数ωi与关联度Kj(vi)的乘积作为综合关联度Kj(p0),Kj(p0)值越大代表该等级与待评价单元的关系越密切,其计算公式为:

(7)

2.5 可拓指数

可拓指数j*反映了待评价单元偏向相邻等级的程度,该数值越大代表其偏向相邻等级的程度越高,发展趋势越明显,所以可以利用可拓指数分析水质变化趋势,相关公式为:

Kj(p0)=max{Kj(p0)};j=1,2,…,m

(8)

(9)

(10)

3 地下水质评价

3.1 选取评价因子

本研究选取2009年采集的18组水样和2020年采集的8组水样测试对象,采集时间均为7～9月,以农田灌溉取水井为采样井,浅层含水层为采样层。选取TDS(溶解性总固体)、总硬度、F-(氟化物)、NO3-(硝酸盐)、SO42-(硫酸盐)、Cl-(氯化物)和Na+(钠)七项指标,采用物元可拓法评价分析辽阳县地下水质量及其变化特征,由地质调查中心实验室完成各组样品的相关测试。

3.2 划分等级标准

在划分等级时国家标准主要是以限制各因子浓度上限来确定,对于第Ⅴ级没有上限只有下限要求,而地下水质量标准存在特定的浓度范围。考虑到可能存在Ⅴ级水或者超标因子的情况,研究将Ⅴ级标准的上限设定为最高值,参评因子分类标准见表1。

表1 参评因子分类标准

3.3 水质评价

根据各参评因子分类标准和节域、物元的定义,可以确定标准物元矩阵R1、R2、R3、R4、R5和节域物元Rp,具体如下:

(11)

鉴于文章篇幅有限和水样数量较多的情况,本研究仅列出了农田灌溉取水井P20-1水样的物元矩阵Rp20-1,即:

(12)

将节域矩阵、标准物元矩阵以及水样物元矩阵代入公式(4)计算水质分级标准与各个评价因子之间的关联度。然后将各级平均值与农田灌溉取水井P20-1点各评价因子实测值代入公式(6)计算出权重系数,结合权重系数与综合关联度间的关系确定各等级综合联系度,如表2所示。

表2 P20-1井权重系数、关联度和综合关联度

水样最终评定等级即为综合关联度最大值所处级别,农田灌溉取水井P20-1综合关联度最大值为-0.053,所以该样点地下水质量综合评定为Ⅲ级,同理计算确定其它样点综合关联度及评价等级。2020年样点P20-1～P20-8地下水质量评价等级分别为Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅲ级、Ⅴ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅲ级、Ⅱ级,2009年样点P09-1～P09-18地下水质量评价等级分别为Ⅳ级、Ⅰ级、Ⅲ级、Ⅱ级、Ⅳ级、Ⅳ级、Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅲ级、Ⅴ级、Ⅳ级、Ⅳ级、Ⅲ级、Ⅲ级、Ⅴ级、Ⅴ级、Ⅳ级。

3.4 结果与分析

参与评价的样点中共有4个达到Ⅴ级,分别为P20-4、P09-11、P09-16、P09-17。其中,P20-4、P09-11和P09-16点的F-(氟化物)关联度为Ⅴ级,其权重也最大;P09-17样点的总硬度关联度为Ⅴ级,其权重最大。所以,对于地下水质量评价达到Ⅴ级的样点,总硬度和F-(氟化物)是主要影响因素。参与评价的样点中共有7个达到Ⅳ级,TDS(溶解性总固体)和总硬度是主要影响因素,其次是F-(氟化物)和SO42-(硫酸盐)。

采用公式(10)计算地下水质量评价样点的物元可拓指数,2020年样点P20-1～P20-8水质评价可拓指数分别为2.582、3.980、2.728、3.805、2.287、2.154、2.790、2.557,2009年样点P09-1～P09-18水质评价可拓指数分别为2.947、2.261、3.285、2.378、2.770、3.924、2.306、2.281、2.485、2.712、4.486、3.780、2.981、2.667、2.824、4.360、4.528、2.671。结果显示,P20-4、P09-11、P09-16和P09-17四个达到Ⅴ级样点的物元可拓指数分别为3.805、4.486、4.360和4.528,结合物元可拓指数的具体内涵,这四个样点表现出从Ⅴ级向Ⅳ级转化的趋势。P20-2、P09-1、P09-5、P09-6、P09-12、P09-13、P09-18七个达到Ⅳ级样点的物元可拓指数分别3.980、2.947、2.770、3.924、3.780、2.981、2.671,说明P09-1、P09-5、P09-13、P09-18样点表现出向Ⅲ级转化的趋势。P09-2、P09-7两个达到Ⅰ级的样点具有向Ⅱ级转化的趋势。总体而言,评价等级为Ⅴ级、Ⅳ级的样点表现出向Ⅳ级和Ⅲ级转化的态势,Ⅰ级向Ⅱ级转化的趋势。

对于2009年参与评价的18样点,水质评定结果达到Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级的样点分别有2个(占11%)、2个(占11%)、5个(占28%)、6个(占33%)和3个(占17%);对于2020年参与评价的8个样点,水质评定结果达到Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级的样点分别有0个(占0%)、2个(占25%)、4个(占50%)、1个(占12.5%)和1个(占12.5%)。通过对比分析各级样品所占比例可知,辽阳县地下水整体表现出好转趋势,水质等级总体向Ⅱ级、Ⅲ级转变。

为了检验物元可拓法的适用性与可靠性,采用综合评分法和单指标法评定朝阳县地下水质量等级。结果表明,对于2020年参与评价的8个样点,采用方法评价的Z20-4样点水质均为Ⅴ级,单指标法和物元可拓法评定的Z20-6样点水质均为Ⅲ级,物元可拓法评定的其它样点水质等级均高于其它两种方法。对于2009年参与评价的18个样点,单指标法和综合评分法评定等级均低于或等于物元可拓法,并且单指标法与综合评分法评价结果基本一致。由于考虑了最大污染因素,所以单指标法和综合评分法的评定等级偏高,而考虑各元素权重的物元可拓法能够更加真实地反映实际情况,如物元可拓评定的Z20-8样点水质为Ⅱ级,其它两种方法评定为Ⅳ级,结合实测数据,SO42-、Cl-、Na+达到Ⅰ级水质,NO3-、TDS达到Ⅱ级和Ⅲ级水质,在数值上总硬度、F-接近Ⅳ级水质下限。所以,在综合评定Z20-8样点水质时物元可拓法评定结果更加合理。

4 结 论

1)辽阳市辽阳县2020年地下水质量高于Ⅲ级水的样点占比达到75%以上,总硬度和F-(氟化物)是影响Ⅳ级、Ⅴ级水质的主要因素,2009—2020年辽阳县地下水质量总体呈明显好转态势。

2)综合评分法和单指标法会导致水污染程度评估等级偏高,对同一等级样本水体按最大关联度定性区分的物元可拓法,通过计算权重系数可以更加真实客观地反映水质情况,表现出较强的可靠性和可行性。