基于物元可拓模型的天津浅层地下水水质评价

斯 蔼,任继海 ,杜关记,王 爽

(1.天津市地质环境监测总站,天津 300191;2.山东鲁岩勘测设计有限公司,山东 济宁 272001;3.天津市勘察院,天津 300191)

基于物元可拓模型的天津浅层地下水水质评价

斯 蔼1,任继海2,杜关记3,王 爽1

(1.天津市地质环境监测总站,天津 300191;2.山东鲁岩勘测设计有限公司,山东 济宁 272001;3.天津市勘察院,天津 300191)

浅层地下水;物元可拓模型;水质评价;天津市

1 研究区浅层地下水环境概况

天津市平原区浅层地下水是指地表下第Ⅰ含水层组，水力特征为潜水、微承压水或浅层承压水,含水层底界深度一般在30～70 m,地层时代为Qh+p3,岩性结构为多种岩性相间结构或上细下粗的双层结构,其间黏性土隔水层分布不稳定,浅层地下水参与现代水循环,接受降水补给和蒸发排泄,再补给能力强,在多年水文周期中,保持水均衡。由图1可见，从北向南,天津市浅层地下水可划分为浅层全淡水、浅层淡水和咸水[1]。北部山前平原以浅层全淡水为主,水位埋深一般大于8 m,最深处达18.3 m[1]。含水层受山前冲洪积扇裙及河流冲积扇的控制,一般自北而南和自东、西两侧向中部含水层颗粒由粗变细,涌水量从500～1 000 m3/d降至100～500 m3/d。浅层全淡水含水丰富,补给条件好,水质淡,水化学类型主要由HCO3-Ca、Ca·Mg→HCO3-Ca·Mg Na,矿化度一般小于1 g/L。该区域主要的补给方式是大气降水,主要通过开采和蒸发排泄,以农业季节性开采为主要排泄方式,部分排入河流或洼淀、水库等地表水体。

图1 天津市平原区浅层地下水咸、淡水分布

中南部有咸水区浅层淡水主要分布于宝坻断裂南侧和西部冲积平原,浮于咸水体之上,水位埋深普遍小于4 m。含水层颗粒以粉细砂为主,厚度较薄,水量普遍较小,一般含水层厚度10～20 m,局部25～45 m。其富水性受河道带摆动的控制,也有由北向南和由北西向南东水量变小的规律。受河渠淡化作用影响,浅层淡水随远离河渠逐渐过渡为微咸水和咸水。在垂向上向下部水质变咸,由浅层淡水过渡为微咸水、咸水,水化学类型由HCO3·Cl-Na·Mg→Cl·HCO3-Na·Mg→Cl·SO4-Na型。在滨海地带多为矿化度大于10 g/L的盐卤水,水化学类型为Cl-Na型。中南部有咸水分布区降水补给是其主要的补给方式。除中部浅层淡水有少量开采外,其余地区很少开采利用,多以蒸发为主要排泄方式[2]。

2 物元可拓模型

物元可拓模型由我国蔡文教授于20世纪80年代创立,是基于物元分析和可拓集合的一种数据处理方法[3]。该方法的原理是通过建立目标物元集,利用可拓集建立关联函数,使要解决的矛盾问题定量化。因此,物元可拓模型在定量评价事物多指标性能参数、全面反映事物质量的综合水平方面具有优势,广泛应用于产品设计、优化决策、统筹控制等多领域,在理论和实践方面发挥了重要作用[4-5],近年来被逐渐应用于地学领域研究。本文采用物元可拓模型对天津市浅层地下水水质进行定量评价。

2.1 物元矩阵

物元分析中,把事物M,事物M的特征C,以及事物M关于特征C的量值x组成的有序三元组R称为物元,可表示为R=(M,C,x)[6]。如果事物M有多个特征,需用n个特征cl,c2,…,cn和相应的量值x1,x2,…,xn来描述,则n维物元矩阵可用式(1)表示。

(1)

2.2 确定经典域与节域物元矩阵

2.2.1 经典域物元矩阵

由事物的特征及其标准量值范围组成的物元矩阵称为经典域物元矩阵。

(2)

式中:R0为经典域物元矩阵；c1,c2,…,cn为物元特征;a0j、b0j分别为经典物元特征量值x0j的上、下限值,j=1,2,…,n。

2.2.2 节域物元矩阵

由可以转化为经典域物元事物的特征及其相应拓广了的量值范围组成的物元矩阵称为节域物元矩阵。

(3)

式中:Rc为节域物元矩阵;acj、bcj分别表示节域物元特征量值xcj的上、下限值,j=1,2,…,n。显然有x0j⊆xcj。

2.3 关联函数

关联函数表示当物元的量值取值为实轴上一点时,物元符合要求的取值范围程度。由于可拓集合的关联函数可用代数式表达,故可使不相容问题定量化。关联函数的数值代表关联度。

关联度的计算如式(4)所示[7]:

(4)

i=1,2,…,m;j=1,2,…,n

表1 地下水水质评价基准 mg/L

(5)

2.4 综合关联度与可拓指数

采用评价因子污染贡献率方法来确定权系数[3],计算公式如下:

(6)

综合关联度是关联度与权系数的乘积,计算公式如下:

(7)

式中:Kj(X)为待评价单元X属于j级别的综合关联度;kj(xj)为监测项目i对第j级别的关联度。

若Kj=max[Kj(X)],则待评价单元X属于等级j。令

(8)

式中:J为待评样本P的可拓指数,从J数值的大小可以判断出待评物元偏向相邻级别的程度。

3 水质评价

3.1 评价样本及评价因子的选取

根据多年开采情况,有代表性地从天津市浅层全淡水区、浮托于咸水体之上的浅层淡水区和咸水区,分别抽取18组浅层地下水样(其中全淡水区11组、浮托于咸水体之上的浅层淡水区6组,咸水区1组,取样时间2013年6月)作为评价样本(图1)。

3.2 评价基准的制定

评价基准的制定主要依据GB/T 14848—1993《中华人民共和国国家标准中的地下水质量标准》,评价标准包含Ⅰ～Ⅴ级。由于Ⅴ级标准只有下限要求而没有上限要求,其基准值结合当地实际情况给出[8],具体见表1。

3.3 水质评价及结果验证

根据经典域和节域的定义,由表1可得到如下经典域R01、R02、R03、R04、R05和节域Rc。由观测的数据资料可得待评价样本的物元矩阵R1,R2,…,R18,文中仅列出第1组水质样本的物元矩阵R1:

将上述样本经典域、节域、物元矩阵分别代入式(4)～(8)中,可求得样本各评价因子的关联度,计算结果如表2所示。根据式(6)可计算得到各评价因子的权重系数,计算结果如表3所示。

表2 1号监测井关联度Ki(Xj)计算结果

表3 1号监测井各评价因子权重ωi计算结果

表4 物元可拓法评定等级及综合评分法结果比较

4 结 论

a. 物元可拓模型通过区间的延拓实现了评价区间整体的连续性,实用性强、逻辑性强,评价结果具有说服性。采用综合关联度与可拓指数来量化评价地下水水质优劣等级,是从物元和可拓集成的新视角对地下水水质的量化等级进行的新的评判,具有可行性。

b. 本文代表性选取18组浅层地下水水质样本,筛选9个评价因子,采用基于物元可拓法的水质综合评价模型进行了浅层地下水水质的定量评价,并通过综合评分法对物元可拓模型进行了验证,结果表明物元可拓模型能很好地评价地下水质,可信度较高。物元可拓模型可作为传统地下水质评价方法的有效的补充。

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Evaluation on shallow groundwater quality in Tianjin Areas based on matter-element extension model

SI Ai1,REN Jihai2, DU Guanji3,WANG Shuang1

(1.TianjinGeologicalEnvironmentMonitoringStation,Tianjin300191，China；2.ShandongLuyanSurveyandDesignCo.Ltd，Jining272001，China；3.TianjinInstituteofGeotechnicalInvestigation&Surveying，Tianjin300191，China)

A quantitative evaluation on shallow groundwater quality in Tianjin plain areas was made based on the matter-element extension model. The results show that over 80 percent water samples in 18 groups of samples for sampling detection were in grade Ⅳ and grade Ⅴ, and nitrate, nitrite and total hardness were the main weighting factors. The water quality of the shallow groundwater in study area was poor as a whole. The main reasons of groundwater pollution are the specific local geological environment background and the human economic activities. In order to verify the accuracy of the evaluation results, a comparative analysis was made by using traditional synthetic scored method, finding that among the same batch of 18 groups of samples, 15 groups of sample evaluation results are entirely consistent, with the accuracy rate of more than 83%. The evaluation results of another 3 groups of samples differ one grade, which may be related to the evaluation grade interval division in different methods. The contrast results show that there is a higher reliability in the evaluation results of shallow groundwater quality based on the matter-element extension model. The matter-element extension model could be an effective method to quantitatively evaluate the groundwater quality.

shallow groundwater; matter-element extension model; water quality evaluation; Tianjin City

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.02.003

天津市国土资源和房屋管理局矿费补偿项目(国土房任[2009]30号)

斯蔼(1977—)，女，高级工程师，博士。主要从事地下水监测与评价方面研究。E-mail:siai0418@163.com

P641.8

A

1004-6933(2015)02-0015-05

2014-06-09 编辑：徐 娟)