大黑汀水库水化学性质与水质模糊综合评价

马 权，张爱芹

（水利部海河水利委员会引滦工程管理局，河北 唐山 064309）

水体质量是水资源的生命，科学评价水质是水资源管理的基础工作[1]。当前，国内外学者关于水质评价方法日渐多样、纯熟，可分为多元统计模型(主成分分析法、AHP法、熵权综合指数法)、高阶数学函式(投影寻踪法、模糊综合法、系统动力学法)、智能机器学习方法(神经网络、SVM、随机森林、深度学习)等[2]。其中多元统计模型分析过程中易受数据噪声、个人臆断影响，智能算法则过程实施困难、参数对模型精度影响敏感，故而以高阶数学模型可操作性强、评价过程客观。水质是水体多种化学性质综合表征，模糊综合评判法基于这种多分类非线性规划问题，采用隶属度函数计算其与水质标准之间的接近程度，在水质评价研究中应用广泛[3]。鉴于此，本文以大黑汀水库为研究区，在水质调查的基础上运用Piper三线图解析水体化学特性，再构建模糊隶属矩阵对水库水质进行系统评价，以期为区域水环境保护和水资源配置提供参考借鉴。

1 大黑汀水库概况与数据采集

大黑汀水库位于唐山北部迁西县燕山南麓，控制滦河上游河长72 km，控制流域面积35100 km2，库面面积1400 km2，库容3.37亿m3。该水库为天津、唐山供应生活用水，兼具防洪、发电功能。近年来随着乡村旅游、矿产资源开采、建筑业兴起，库区周边人口增加，生活、生产垃圾排放无序，对水库水质造成威胁。本次水质调查于2017年10月进行，基于水文特征在水库的库尾、库首、边缘、库心等不同位置采集水体样本，置放于干燥、洁净玻璃瓶中，带回实验室测定分析。主要检测指标包含：pH、金属阳离子(钾、钠、钙、镁、贡、铬)、阴离子(氯、氟)，其他成分(重碳酸根、砷、酚)等，参照《地下水污染调查评价规范》和《地下水水质检查方法》进行测定，定标曲线满足0.9999标准[4]。

2 模糊综合评价法

模糊集合理论(fuzzy sets)是由美国专家(L.A.Zadeh[5])提出以隶属度理论表征事物的不确定性的方法，其评价过程如下：

①设评价对象有m个指标因子构成，则构建评价集U=(x1,x2,……,xi)，i=(1,2,……,m)，其中 x 为指标因子数值，i为指标序列。

②基于给定的指标因子分级标准，建立评价标准集合。通常对于评价对象的某一指标因子，根据其渐进变化划分层次结构，这是进行客观评价的关键。评价标准集合V=(v1,v2,……,vi)，每一评价因子xi与评价标准因子vi存在对应关系。本文以《地表水环境质量标准》[6]作为水质评价依据。

③构造模糊隶属度判断矩阵。根据各评价对象各项指标评价因子值xij与评价标准值vj之间的距离，确定隶属度Sij=(s1,s2,……,si)；隶属度即指标可被评价为等级的可能性，从而构成模糊关系矩阵。隶属度函数定义如下：

通过上式隶属度函数构造，计算各评价对象的指标因子与标准值之间的判断矩阵，如下：

式中：n为评价对象序列。将判断矩阵与各项指标权重加权求和，即为模糊综合评断模型：

式中：w为各项指标权重，采样熵权客观赋权法，其计算公式参考文献[4]。

3 结果与分析

3.1 大黑汀水库水化学性质

流域水体性质本源为含水层岩石特性，在水体动力循环下，外部侵入物质也会对水质产生深刻影响。将采集的15个水质样本的离子性质进行统计分析见表1，可知大黑汀水库水化学性质复杂多样，且空间分布不同。由表1可知，大黑汀水库水体化学类型可分为5类，分别是：HCO3—Ca、HCO3--Ca.Mg、HCO3-.SO4--Ca.Mg、HCO3-.SO4—Ca、SO4-.Cl-Na.Ca。依据其空间分布来看(结合图1和表1)，HCO3—Ca类型水质主要分布于库首，这是由于库首以及河流上游部分地质以花岗岩类为主，库首河床粗粝含量多而导致；库心以HCO3--Ca.Mg为主，部分位于库区边缘；HCO3-.SO4--Ca.Mg、HCO3-.SO4—Ca集中于水库的周边地带，说明周围人为活动对水化学类型影响较大；库首则以SO4-.Cl-Na.Ca类型为主。

表1 大黑汀水库水体常规离子统计表(含量：me%)

3.2 大黑汀水库水质Piper三线图分析

A.M.Piper[7]基于河流水质与地质环境之间的关系以及水文东路过程，采样9分区菱形的方法将样区水化学性质进行可视化。将16个水质样本数据经归一化处理后导入AqQA软件，见图2。大黑汀水库水体中离子含量分布呈现一定规律，可知该水库水体阳离子中以Ca2+浓度占优，其当量介于40%～90%之间 (mg/%)；其次是Mg2+，其毫克当量百分数在20%～70%之间。阴离子中以酸性离子占优势，浓度最高的属于SO42-，当量在25%～95%之间；HCO3-的当量在5%～75%之间。由此表明大黑汀水库水质受区域地质环境影响较大，石灰岩和花岗岩类经水文侵蚀、降水过程，为水体矿质含量提供了本源。16个水质样点中有12个水质点的硬度大于50%，库区边缘4个水质点的硬度小于50%，说明该水库水质硬度较大。

图1 大黑汀水库水体样点Piper三线图

3.3 大黑汀水库水质评价

3.3.1 水质单因子评价

《地下水质量标准》（GB/T14848-2007）给定了水质指标的评价分级标准，依据该标准对16个水质点的各项指标进行评定，水质综合评价结果以该水样点水质指标最差的类别为准，据此得到结果见图2。可知，大黑汀水库水质单因子评价结果中没有I类水样点；有5个样点达到II类水质标准，主要分布于库尾；符合III类水质的样点有8个，主要分布于水库中段；水库下游3个水质点达到IV类标准。该评价结果表明大黑汀水库水质一般，虽然基本满足生活用水需求，但并不安全。需要指出的是，可与评价方法密切相关；单因子指标法过度考虑了某单一水质指标对水体质量的影响，忽视了其他指标因子对水质的贡献，因而不能全面反映水体质量。

图2 大黑汀水库水质评价结果

3.3.2 模糊综合评价

依据前述模糊数学原理，对大黑汀河16水质样点数据进行归一化处理后计算其模糊关系矩阵S和各项指标权重W，结果见表2。

表2 大黑汀水库水体水质隶属度矩阵与权重

基于表2，计算得到各水质点隶属度，其中隶属度值最大，表明水质属于该类别，得到结果见表3，表中粗体字为该水质点最终隶属度结果。可知，模糊分类评价结果与单因子评价结果存在一定差异，I类水质样点有4个，II类水质样点有5个，III和IV类分别有6、1个。模糊综合评判法考虑了水质单一指标对水体质量的影响，不只顾及某一项指标的隶属关系，其以指标权重建立模糊关系与水质等级间的模型，实现对水质综合评价，符合水体质量多维复杂性特征。

表3 大黑汀水库水体水质评价结果

4 结论

水体质量不仅受区域水文地质环境影响，随着人为活动增强，水库周边地表环境对水质影响日益加深，该研究结果表明，大黑汀水库整体水质处于中等偏上，但局部水域存在单一指标污染或超标，这是当前水环境保护工作中应着力解决的。另外，不同评价方案对水质评价结果具有影响，选择科学、系统的评价方法有助于更好认识区域水体质量，基于模糊数学的水质评价方案具有过程客观、可操作性强，符合水质多维复杂性、水质等级渐进性特征，适用于水环境评价研究。