基于模糊综合评判模型的奥陶系灰岩地下水水质综合评价

基于模糊综合评判模型的奥陶系灰岩地下水水质综合评价

地下水具有从高头到低头的连续运动特征。在同一环境中,由于地下水所处的地理位置不同,水质的污染也存在从上游到下游渐变的模糊特性。本文为了客观真实地反映地下水变化的实际状况,运用模糊数学方法对水质进行了综合分析评判,对比以往经常使用的《中华人民共和国地下水质量标准》(GB/T14848-93)评价方法,该方法需要确定影响地下水水质的主要因子,因子集、评价集和隶属函数,计算各因子的均方差和隶属度,依据综合隶属度的值来确定水质的级别。权重的确定对评价的结果会产生重要的影响。参考相关文献,本文采用均方差法,客观赋权,对该项因子进行模糊综合评判,并运用该模型对天津石化公司宝坻水源地奥陶系灰岩地下水水质行了综合评价,取得的效果非常好。1地下水水质特征研究区位于天津市宝坻县、蓟县境内,向东延伸至河北省玉田、丰润两县。面积约450平方公里。地势北高南低,地面标高3~5m。本区广泛发育以奥陶系石灰岩为主的碳酸盐地层,奥陶系灰岩在下仓—林南仓构造范围内是个具有统一水力联系的含水岩体,上游补给区为东部还乡河、沙流河和彩亭桥冲洪积扇;其下游排泄区在西南小赵庄一带,由于自然排泄量不大,地下水的水力坡度极缓。奥陶系灰岩地下水接受第四系地下水天窗补给,水交替迅速。丰水年补给条件好,富水性较强,是地下水的主要补给源之一。区域地貌单元为山前倾斜冲洪积平原与冲积平原,自北向南缓缓倾斜。第四系堆积物主要以砂砾、卵砾,粘土为主,基岩面之上有一层含有卵石的粘土层,隔水性能较好,奥陶系灰岩含水岩体的隔水边界为中寒武系的徐庄子组页岩和其上伏石炭系页岩及第三、第四系粘土层,地下水富水特征受构造和岩性的影响,构成具有一定规模并有统一水力联系的含水岩体。作为中石化天津分公司供水水源地,地下水水质能否满足供水单位生产、生活的需求显得尤为重要,依据各水质指标值等级进行综合分析评判十分必要。选取2012年宝坻水源地奥陶系灰岩地下水10个水样(上游补给区、中游径流区、下游排泄区主要分布点选取(见图1))进行水质综合评判。从检测报告检测指标中选取9项关键指标作为评价因子,分别为:氯化物(Cl-)、硫酸盐(SO42-)、氟化物(F-)、总硬度、高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮(NH4+)、亚硝酸盐(NO2-)、硝酸盐(NO3-)、溶解性总固体。根据《中华人民共和国地下水质量标准》(GB/T14848-93)5级为标准,以地下水质量分类III类水指标(以人体健康基准值为依据,主要适用于集中式生活饮用水水源以及工、农业用水)为基准,将评价集分为V={I,II,III,IV,V}5个级别。10个采样点的9项评价指标检测值见表1。2水的隶属函数解析单因子评价是通过隶属度来实现的,用隶属函数来表达,采用降半梯形分布图确定隶属函数,5级水质对应的隶属函数解析式分别为:式中:x———地下水评价因子的实测浓度值;ai、ai+1———相邻两个水质等级的标准值。3各评价因子集均方差采用的是客观赋值法,是由实际数据形成的,它不借助于人为因素。是客观的、科学的。以下使用模糊综合评判法来确定地下水水质的权重。设Ui(i=1,2,3…9)为指标集,即评价因子集;Gj(j=1,2,3…10)为方案集。首先计算各评价因子的归一化值Pij,计算公式见(2)(评价因子均为越小越优型的成本性指标);其次计算标准化后的各评价因子Ui的均值E(Ui)和方案集Gj的均方差σ(Ui),见公式(3)和(4),最后根据σ(Ui)得出各评价因子的权重Wi,见公式(5)和表2。4奥陶系灰岩地下水水化学类型模糊综合评判综合隶属度B计算公式如下,该区地下水水质模糊综合评价结果见表3。式中:W为权重;R为单因子隶属矩阵。依据最大隶属度原则,若bj=max(b1,…,b5),则该评价级别所对应的对象应为第j级。见表3,宝坻水源地奥陶系灰岩地下水的水质所属级别均为I级,平均隶属度达64.4%,可见该区地下水水质较好。满足天津石油化纤厂的要求,这与该水源地多数基岩井地下水水质达到《中华人民共和国地下水质量标准》(GB/T14848-93)III级结论一致。在这9项主要影响水质的评价因子中,氟离子对水质的影响程度较大,超标率达100%,这与天津地区氟离子含量背景值较高有关,地下水主要超标指标是氟离子,从而也导致下游地区局部点位IV级隶属度达11.4%,说明地下水主要污染物来自氟离子,从上游至下游逐渐加大,说明运用模糊综合评判模型是一种较实用的、客观的、科学的地下水水质评判方法。5建立了一种新的地下水水质评判方法—结论模糊综合评判法对评价地下水水质的是非常有效的,其权重的确定是提高该模型评价精度的关键。本文首次使用该方法来计算评价因子的权重,经实例计算,结论正确,客观、科学,将其方法运用到地下水水质模糊综合评价中是一种较实用的地下水水质评判方法。按照国家标准确定的域值,确定各指标属于各水质级别的隶属