山东省地矿工程勘察院 山东济南 250014
摘要：鉴于水环境系统及其评价中存在的模糊性特点，采用模糊集合论的综合评价方法来进行水环境质量评价。本文在可拓学理论的基础上，根据水质评价标准，选取恰当的评价指标并将其作为物元，建立基于可拓学的地下水水质评价模型，并以某矿区浅层地下水作为研究对象，对区内39个浅层水样点进行地下水质量指标的数据采集和综合评价，结果表明：在选取的8项评价指标中，总硬度、硫酸盐、铬在区内浅层孔隙水中的含量较高，为影响浅层孔隙水环境质量的几项主要组分。
关键词：可拓学；煤矿开采；地下水质量；评价方法
Evaluation Method of Shallow Groundwater Quality in a Coal Mine Mining Based on Extenics Theory
Sheng Genlai, Huang Xue, Zhang Wengang, Guo Changen Wu Fawei
Shandong Provincial Geo-mineral Engineering Exploration Institute, Jinan Shandong,250014
Abstract: In view of the fuzziness characteristic of water environment system and its evaluation, athe comprehensive evaluation method of fuzzy set theory was adopted to evaluate the water environment quality. In order to overcome these shortcomings, a groundwater quality evaluation model was established based on the theory of extenics.The method takes shallow groundwater in mining area as the research object.A total of 39 samples of water quality indicators were collected and a comprehensive evaluation was carried out.The results showed that:Among the eight evaluation indexes selected, total hardness, sulfate and chromium content in the shallow pore water in the area are higher, which are the main components affecting the environmental quality of the shallow pore water.
Key words: Extenics; coal mining; groundwater quality; evaluation method
0 引言
矿山资源开发引起的重金属污染是人们在资源利用过程中的主要环境问题之一[1]。随着开采矿产资源的开发速度和规模日趋增大，矿山开采引起的环境污染日趋严重，尤其是金属矿山开发所导致的水体重金属污染和酸性废水污染，对矿山开发造成的地下水污染具有长期性、复杂性、隐蔽性和难恢复性的特点。因此，分析浅层地下水水质，进行综合评价，可以确定地下水的而污染现状，对合理开发地下水资源，保护水环境具有十分重要的意义，也可为浅层地下水资源的开采规划提供科学依据[2,3,4]。本文将利用可拓学理论，参照水质评价标准，选取恰当的评价指标，建立基于可拓学的地下水水质评价模型，并以某矿区浅层地下水作为研究对象，对区浅层水样数据进行水质综合评价。
1 可拓学原理与方法
可拓学[5]是我国学者蔡文教授于1983年创立的一门新学科。它通过建立多指标参数的评定模型来完整地反映事物的综合水平，从定性和定量两个角度去研究解决矛盾问题的规律和方法。与模糊数学[6]和灰色关联度方法相比，可拓评价把评价指标由单一确定值转变为区间值，更符合实际应用的需要，因而被广泛应用。
可拓物元分析法对地下水环境质量评价是近些年才开始兴起的。由于水环境系统及其评价中存在的模糊性，上世纪 80 年代后，采用建立在模糊集合论基础上的综合评价方法来进行水环境质量评价受到了水文地质工作者及环境科学工作者的青睐[7]。虽然模糊集合论方法综合评价水环境质量能较客观地反映水环境系统污染的真实情况，但也存在一些不足。如隶属度用最高和最低的两级状态，没有考虑中间值的影响，在某些情况下就与实际有较大的偏差。虽然可以采用权重来弥补这一不足，但权重值如何给定又具有很大的人为干预性。物元分析方法把模糊集合从[0，1]区间扩展到了( - ∞，+∞) 的实数轴上，丰富了事物的内涵，因此能更加客观的反映真实世界的情况。
1.1经典域与节域
可拓学以物元理论和可拓数学作为其理论框架。其中，物元是可拓学的逻辑细胞，给定事物的名称 N（一级），它关于特征 c 的量值为 v，以有序三元组R = {N，c，v}作为描述事物的基本元，简称物元。事物的名称 N，特征 c 和量值 v 称为物元的三要素。如果事物 N 有多个特征，则 :
R=[N,C1，V1；C2，V2；...Cn,Vn]
其中：R为n维物元，记作R=（N,C,V）。
当Nt为标准事物，且事物关于特征Ci量值范围的Vi=<ai,bi>时，经典域和节域的物元矩阵分别为:
Rt=[Nt,Ct1,<at1,bt1>;Ct2,<at2,bt2>;...;Ctn,<atn,btn>]
Rp=[Np,Cp1,<ap1,bp1>;Cp2,<ap2,bp2>;...;Cpn,<apn,bpn>]
其中:Rt为经典域物元，Rp为节域物元，而<apn,bpn>为节域物元关于特征Cpi相应标准扩大了量值范围。
1.2关联度函数
关联函数 ki( xj) 表示被评价单元与某标准的隶属程度的函数，关联函数的数值代表关联度。关联函数的选取应当根据被评价事物的特征与可拓集合理论相结合的方法确定。针对不同的评价事物选用合适的关联函数才能更准确地反映隶属关系。对地下水水质进行评价选用的关联函数如下式所示：
（1）
2 矿区水文概况
水环境问题是生态地质环境的重要一方面，煤田的开采直接加剧了水环境的各种问题。煤田的开采对地下水水量需求巨大，可能导致水资源匮乏；煤田开采的废弃物渗出液等有毒物质也会对水质产生不同程度的污染。此外，采煤及相关活动还对地下水资源的分布产生不利影响，这种影响也是导致地表沉降甚至塌陷的原因之一。
该煤田发现于20世纪60年代，90年代进行大规模勘探，由于该煤田矿区范围大，矿区及周边区域人口密集，矿区的地下水质问题对该区域经济社会各方面都有着巨大的影响，因此开展煤田地下水质量综合评价对该区域乃至全省的可持续发展有着重要的现实意义。本区属于淮河流域南四湖水系，河流较多，部分为人工挖掘而成，河渠相连，纵横交错，构成了旱能灌、涝可排的水利网络系统。黄河从西北部边界经过，并通过引黄闸与多数河流上游相连，对区内引用黄河水灌溉，提高农田水利化程度发挥了重要作用。本区的水文地质条件较为复杂，按赋存介质类型可将地下水分为孔隙水、裂隙水和岩溶水三大类，孔隙水按埋藏条件又可分为浅层孔隙水、中层孔隙水和深层孔隙水三种类型。不同类型地下水的循环交替条件各具特征，差异较大。
3 基于可拓学综合评价的步骤
运用可拓学理论对地下水质量进行评价的基本步骤如下：
（1）确定影响地下水质量的评价指标和评价标准，即确定具体的影响因素及其变化范围。为了便于进行比较，对不同量纲的指标要进行归一化处理。
（2）确定物元和物元矩阵
（3）建立综合评价的经典域和节域
（4）确定综合评价的待评物元
（5）计算待评对象关于各等级的关联度
（6）等级的评定
4 评价方法应用实例
4.1评价指标选取
本次调查受条件所限只对浅层孔隙水进行了水样采集，依照《地下水质量标准》（GB/T14848-93）对获取的水质分析资料进行评价。选取总硬度、硫酸盐、铁、铜、锌、硝酸盐、铬（六价）、铅8项组分作为评价指标，分别用C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7,C8表示。首先进行单项指标评价，然后以此为基础进行综合评价。各评价指标的质量分类标准，采用《中华人民共和国地下水质量标准》（GB/T 14848—93）（表1）将水质分为5级。本次研究根据区内39个水样点丰水期所取水样的各项测试指标，参照上述标准进行其所属质量类别的划分。基于可拓学原理，由表2可得到经典域R1、R2、R3、R4、R5和节域Rp（归一化后）。同时可以得到39个待评价物元矩阵Rp1、Rp2...Rp39。在此仅选取一个水样点的物元矩阵Rp10（归一化后）。
5 结论
（1）物元分析方法考虑了水质的不确定性及模糊性，从定性和定量两个角度去处理现实问题。利用可拓法对水质进行评价，得到了比较满意的评价结果，这说明利用物元分析法进行水资源质量评价是可行的。物元可拓法模型中的综合关联度和可拓指数等指标，既可反映样本评价等级的绝对性，又可反映评价等级的相对性，定性分析评价样本水质的变化趋势。
（2）本文在可拓学理论的基础上，根据水质评价标准，选取恰当的评价指标并将其作为物元，建立基于可拓学的地下水水质评价模型，并以某矿区浅层地下水作为研究对象，对区内39个浅层水样点进行地下水质量指标的数据采集和综合评价，结果表明：在选取的8项评价指标中，总硬度、硫酸盐、铬在区内浅层孔隙水中的含量较高，为影响浅层孔隙水环境质量的几项主要组分。
（3）煤矿开采区地下水质量评价的可拓学方法从多因素出发，所选取的参数种类和数量不受限制，可以适用于不同矿区的具体特点，能最大限度地合理利用勘察成果，克服以往固定因素分类法的弊端，使评价更切合实际。可拓学方法评价得到的关联度不仅可以反映地下水质量属于何种等级，而且可以反映该具体参数所代表的地下水质量与其他质量等级的“距离”。
参考文献：
[1]韩宝平,郑世书.煤矿开采诱发的水文地质效应研究[J].中国矿业大学学报,1994,23(3):70-77
[2]张兆强.肥城矿区地下水环境质量评价[D].山东青岛;山东科技大学硕士学位论文,2004
[3]李定龙,汪茂连等.灰色聚类法在煤矿区地下水水质评价中的应用[J].环境保护,11(4)：56-59
[4]方鸿,丁峰.人工神经网络在地下水水质评价中的运用[J].安徽水利科技,2000,(5)：9-10
[5]蔡文. (1998). 可拓学概述. 系统工程理论与实践, 18(1), 76-84.
[6]谢季坚, & 刘承平. (2013). 模糊数学方法及其应用. 华中科技大学出版社.
[7]景颜良,王聪明等.模糊综合评判法在晋祠泉区域地下水水体环境质量分级中的应用[J].山西水利科技,1996(114)：14-18
第一作者；盛根来（1962-），男，研究员，山东省勘察大师，主要从事岩土工程水文地质环境地质等技术方面的研究。
通讯作者：黄薛（1973-），男，高级工程师，主要从事水工环地质技术方面的研究。
论文作者:盛根来,黄,薛,张文刚,郭长恩,武法伟
论文发表刊物:《防护工程》2017年第31期
论文发表时间:2018/3/16
标签：地下水论文; 评价论文; 水质论文; 孔隙论文; 质量论文; 矿区论文; 浅层论文; 《防护工程》2017年第31期论文;