基于物元可拓法对唐山浅层地下水水质评价

王 雪

（河北省唐山水文水资源勘测局，河北 唐山063000）

常规的水质评价主要是水质的质量评价，在评价方法上主要依据的是传统线性关系进行计算，其方法包括综合指数法［1］、支持向量机［2］、层次分析法［3］、数理统计法等［4］，传统的评价方法缺乏解决评价因子与水质等级标准之间的非线性关系，存在人为的主观干扰程度，影响评价结果的准确性。

本文通过对唐山市地下水水质评价与预测，采用16处地下水水质代表站的11项评价指标，对现状年的情况进行分析，为准确、合理、科学的管理地下水的开发与利用提供了科学依据。

1 研究概况

唐山市地处渤海湾中心地带，位于河北省东部，是京津唐工业基地中心城市、京津冀城市群东北部副中心城市，地势北高南低，自西、西北向东及东南趋向平缓，中部为燕山山前平原，南部和西部为滨海盐碱地和洼地草泊。气候属暖温带半湿润大陆性气候，年平均气温11.5℃，年平均降水500~700mm。水资源较丰富，地表水达到保证率75%以上，地下水主要是平原区浅层淡水，多年平均河川基流量4.01亿m3，平原浅层地下水开采量逐年增大。

2 水质评价

2.1 评价模型建立［5］

选择物元法与可拓理论相结合方法进行评价，建立模型步骤：

（1）设A={（a，f）|a∈R，f=k（a）}，A为一个可拓集合，a为物元集中的元素；f=k（a）为a关于A的关联度。式中 Z为物元集；N为事物代号集；C为事物特征集；R为属于物元集、事物代号集、事物特征集范围内的论域；k为论域R到实数集的映射。

（2）经典物元矩阵与节域物元矩阵。经典物元矩阵是由集合元素特征与标准值单位组成，在经典物元矩阵基础上加以转化为经典物元事物的特征及此特征相应拓广了的量值范围，建立了节域物元矩阵。

（3）构建评价指标物元矩阵。评价指标物元指标由评价指标样本事物代号集N的特征与其数量值M组成的矩阵：

式中 P为物元分级标准；M为指标数量值；N为事物集。

（4）构建关联度函数与计算关联度。关联度函数与权重计算公式如下：

式中 ρ为实轴上点与区间之间距离，即ui到X0i之间的距离；ui为实轴上的点数，X0i为节域物元特征值，X0i⊂Xbi；F（ui）各指标不同级别的关联函数；ξi为归一化权重；λi为权重。

以构建的关联度函数来计算评价指标的权重，评价等级标注值越大，所具有的权重值越大。为综合关联度，表示所包含的程度。则：

式中 fj（aj）为综合关联度；ξi为归一化权重；F（ui）为各指标不同级别的关联函数。

（5）评价等级指数。各个关联度加权度计算后进行比较，值越大表明越接近标准值，评定后的最大值，就是评价等级指数。

2.2 评价因子选取

唐山市地下水的变化多年受到多种因素的影响，根据地貌特征等特点，水质代表站的选择分为了山区、平原、丘陵和滨海区4个代表区，具体的各自水质代表站分别包括迁西、南新城、建昌营、郑庄子、华新、杜军庄、北郊水厂、小张各庄、老城关、钱营、小集、古马村、石佛口、下马坨、柳树圈、汉沽。本项目根据GB/T 14848—2017《地下水质量标准》国家标准和区域的地下水监测种类的实际情况，结合评价指标的选取原则，选定总硬度、氯化物、硫酸盐、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、高锰酸钾、砷、锰、氟化物、铅等11项评价水质指标进行计算与分析。地下水水质评标标准如表1。

表1 地下水水质评价标准

根据11项评价指标的地下水水质Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ类标准为监测值，计算出所对应的Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ类水质状况的评价指数，具体结果如表2。

表2 各类地下水水质标准评价指数目标值与分类值

2.3 地下水水质评价

根据监测年限选择为2007～2016年共10年的16处地下水水质代表站所监测的数据，作为水质现状评价资料，重点对2016年的评价数据进行合理性分析，并通过进行数据评价可以看出，唐山市地下水水质状况整体趋于稳定状态，水质良好，通过选取的监测点监测的水质，达到Ⅱ类水质标准的比例占62.5%，达到Ⅲ类水质标准的比例占31.3%，这些监测点都能满足唐山市生活饮用水、工农业用水；6.2%的监测点水质超过了Ⅲ类水质标准，已经不能满足饮用水水质标准，构成对人体一定的危害性。下马坨的水质中总硬度、氯离子、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮等指标为Ⅳ类。平原与丘陵地区，地下水水位随着经济的发展，逐渐趋向于下降趋势，污染元素为亚硝酸盐氮和铅元素，主要来源工业与农业的污染；在滨海区地下水埋深要比平原与丘陵地区浅一些，是氯化物和亚硝酸氮为主要污染元素，也是海水入侵导致地下水水质变化特点。

3 地下水发展趋势

根据监测年限为2007～2016年共10年水质变化进行评价分析，唐山市有50%的站点水质变化趋势基于平稳，多变变化不大，达到Ⅲ类水质标准；另50%的站点水质变化趋势较大，超出了达到Ⅲ类水质标准。根据地下水水质评价指数的变化趋势，唐山市在20世纪末至21世纪初，水质变化趋于好转，全市整体水质状况良好，只有极个别的站点或区域水质出现恶化现象，总体为发现水质恶化趋势。

4 结语

以唐山市浅层地下水为主要研究对象，通过分析评价水质状况，利用物元可拓法对唐山市16处地下水水质站点进行评价，说明唐山市整体水质状况良好，并未出现水质恶化趋势。

［1］方菊，谌贻胜，童祯恭.综合指数法在饮用水水质评价中的应用［J］.给水排水工程，2011，8（4）：63-65．

［2］Meyer D，Leisch F，Hornik K.Benchmarking Support Vector Machine ［R］.Austria：Vienna University ofEconomics andBusinessAdministration，2002.

［3］苏建广，张天力，鲁程鹏，等.基于层次分析法的云南省小康水利现状评估［J］.长江科学院院报，2016，33（11）：122-126.

［4］Sylvester R O.Computer analysis of water quality data［J］.Journal ofwaterPollutionControlFederation，1962，34（6）：605-612.

［5］朱红玉.邯郸市主城区浅层地下水水质评价及预测［D］.邯郸：河北工程大学，2009：22-33.