三種地下水水質(zhì)評價方法的應(yīng)用對比分析

張新鈺，辛寶東，劉文臣，王曉紅，郭高軒，陸海燕

（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195）

三種地下水水質(zhì)評價方法的應(yīng)用對比分析

張新鈺，辛寶東，劉文臣，王曉紅，郭高軒，陸海燕

（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195）

本文給出了目前地下水水質(zhì)評價中，常用的單項(xiàng)組分評價方法、F值法和模糊綜合評判法基本原理。并運(yùn)用這三種方法分析了北京市大興區(qū)地下水水質(zhì)，闡述各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件，為地下水水質(zhì)評價評價方法選用提供依據(jù)。

地下水；水質(zhì)評價；對比分析

0 引言

水是人類賴以生存的重要資源之一，是社會發(fā)展和經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要的物質(zhì)基礎(chǔ),近年來隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展以及人口的急劇增加，用水量劇增,污水排放量增加，水污染成為嚴(yán)重的環(huán)境問題之一。目前，我國有關(guān)城市70%～80%的淺層地下水和30%的中深層地下水已經(jīng)被污染，有關(guān)資料表明，全國1/4城市地下水飲用水不符合國家標(biāo)準(zhǔn)，約有30%的人口飲用水受到不同程度的污染，由水質(zhì)污染帶來的水質(zhì)危機(jī)日趨嚴(yán)重[1]。

20世紀(jì)以來，地表水常用單因子指數(shù)法、綜合指數(shù)法等評價水質(zhì)，地下水的水質(zhì)評價中也沿用這種方法。20世紀(jì)60年代以來，國外有人運(yùn)用數(shù)學(xué)模型定量描述水質(zhì)，如Zadeh LA.（1971），Tamura S et al（1971）將模糊數(shù)學(xué)理論應(yīng)用于地下水水質(zhì)的研究；90年代以來，國內(nèi)開展了大量相關(guān)方面的研究和應(yīng)用，如鄭成德探討了灰色聚類法在地下水質(zhì)量評價中的應(yīng)用[3]，肖紅等用灰色聚類法研究許昌市中淺層地下水的水質(zhì)[4]，許順國[5]、王淑臣[8]分別應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)法對成都市的府河水及深圳東昌區(qū)的地下水進(jìn)行了分析。水質(zhì)新評價方法的研究取得了一定的進(jìn)展，但目前還沒有一個通用的地下水水質(zhì)現(xiàn)狀評價模型。

客觀、科學(xué)描述地下水水質(zhì)是地下水環(huán)境規(guī)劃和管理的必要前提，也是地下水污染防治的依據(jù)，由于評價因子與水質(zhì)等級間之非常復(fù)雜的非線性關(guān)系及水體污染的隨機(jī)性和模糊性[9][10]，評價方法的選擇尤為重要，評價方法的研究是近年來水環(huán)境領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題[11][13]。

本文介紹了近年來關(guān)于地下水水質(zhì)評價方法方面的進(jìn)展，介紹了模糊數(shù)學(xué)法、F值法及水質(zhì)分級法等地下水水質(zhì)評價方法的基本原理，對北京市大興區(qū)地下水水質(zhì)評價結(jié)果進(jìn)行了對比分析，為合理選擇水質(zhì)評價方法提供依據(jù)。

1 地下水水質(zhì)評價方法

目前常用的地下水質(zhì)評價方法，有單因子評價方法、綜合評價方法兩大類。

（1）單因子評價方法

單因子評價主要是反映地下水中某一單一污染物的情況。國家技術(shù)監(jiān)督局1993年12月30日批準(zhǔn)、1994年10月1日實(shí)施的《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB14848-93) 規(guī)定了地下水39項(xiàng)評價因子的質(zhì)量分類，單項(xiàng)因子評價主要依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)。

（2）綜合評價方法

綜合評價是通過多個指標(biāo)綜合判斷地下水的水質(zhì)狀況，方法有很多，如綜合指數(shù)法中的F值評分法、內(nèi)梅羅指數(shù)法等，以及在計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一些方法，比如灰色理論評價方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法及模糊數(shù)學(xué)法。F值評分法是目前地下水水質(zhì)評價的常用方法（GB14848-1993《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中推薦使用），模糊數(shù)學(xué)法在地下水水質(zhì)評價中的應(yīng)用探討較多，其主要的評價方法有模糊綜合評判法、模糊模式識別法和模糊聚類法。以下簡介F值評分法和模糊綜合評判法。

1.1 F值評分法

F值評分法是我國GB14848- 1993《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中推薦使用的地下水水質(zhì)評價方法，其評價步驟如下。

（1）首先進(jìn)行各單項(xiàng)組分評價, 劃分組分所屬質(zhì)量類別, 對各類別按表1分別確定單項(xiàng)組分評價分值Fi（共分為Ⅴ類）。

表1 地下水質(zhì)量評分表

（2）根據(jù)下列公式計(jì)算綜合評分值F

式中：F 各單項(xiàng)組分評分值F的平均值；

Fmax單項(xiàng)組分Fi的最大值；

n 項(xiàng)數(shù)。

（3）根據(jù)綜合評分值F確定水質(zhì)分級（共分為五級，見表2）

表2 地下水質(zhì)量分級表

1.2 模糊綜合評判法

1965年由美國專家L.A.Zadeh創(chuàng)始的模糊數(shù)學(xué),近年來在環(huán)境科學(xué)中得到了應(yīng)用。它使系統(tǒng)中的不確定性通過隸屬度加以量化,在環(huán)境質(zhì)量評價中顯現(xiàn)出其優(yōu)越性。 模糊綜合評判是對多種因素所影響的事物或現(xiàn)象,根據(jù)給出的評價標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)測值,經(jīng)過模糊變換,對其做出總評價的一種方法。模糊綜合評判法主要步驟如下。

(1) 建立因素集

選擇對水質(zhì)影響較大的因子建立評價指標(biāo)因素集，根據(jù)不同地區(qū)的水質(zhì)影響因素進(jìn)行不同的選擇。

(2) 確定評價評語集

在地下水水質(zhì)評價中可選用水質(zhì)分級的Ⅴ級：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分別代表水質(zhì)優(yōu)良、良好、較好、較差、極差。

(3) 建立隸屬函數(shù)，構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣

用函數(shù)分布形態(tài)曲線求隸屬函數(shù)，通常用降半梯形和升半梯形求兩端等級的隸屬度，用對稱山形求中間等級的隸屬度，根據(jù)評價因子個數(shù)、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量分級及其在各級的隸屬度確定模糊矩陣。

各級水質(zhì)的隸屬度函數(shù)計(jì)算。

屬于第一級水質(zhì)的隸屬度函數(shù)為：

屬于第j級水質(zhì)的隸屬度函數(shù)為：

屬于最后一級水質(zhì)的隸屬度函數(shù)：

rij 為C評i ≥價S因in子Cii對 ≥Sjin級 水質(zhì)的隸屬度；

Ci評價因子的實(shí)測濃度值；

Sij評價因子的j級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值；

若有n個評價因子，共有m級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，則可構(gòu)造n m階的模糊矩陣R。

(4) 確定權(quán)重

在綜合評價中，考慮到各單項(xiàng)指標(biāo)高低差別，其評價因子對環(huán)境污染及人身健康的影響程度是不同的，在總體污染中的作用大小是不一樣的，當(dāng)多因子共同影響環(huán)境時，應(yīng)能反映出因子之間的協(xié)同、拮抗作用，進(jìn)行權(quán)重計(jì)算很有必要。

(5) 模糊綜合運(yùn)算

將指標(biāo)權(quán)重矩陣與模糊關(guān)系矩陣進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算, 即可得到評價對象屬于各評價等級的程度矩陣，根據(jù)最大隸屬度原則,取其中的最大值對應(yīng)的等級為評價對象的等級。

2 實(shí)例運(yùn)用分析

以北京市大興區(qū)1908年度淺層地下水水質(zhì)樣本隨機(jī)抽樣15例，采用單項(xiàng)組分水質(zhì)分級法、F值法、模糊數(shù)學(xué)法進(jìn)行水質(zhì)評價。

評價因子的選擇是進(jìn)行評價的至關(guān)重要的一步，根據(jù)前人的研究成果以及對北京地下水水樣中各指標(biāo)的累積超標(biāo)頻率統(tǒng)計(jì)，評價指標(biāo)選用氨氮、氯離子、硫酸根、硝酸根、亞硝酸根、氟化物、錳、總硬度、溶解性總固體等9項(xiàng)評價指標(biāo)，參考標(biāo)準(zhǔn)采用表3，表4是14個水樣中各評價因子的實(shí)測值。

表3 地下水質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)（mg/l）

表4 北京大興區(qū)淺層地下水檢測數(shù)據(jù)表（mg/l）

（1）單項(xiàng)組分評價地下水水質(zhì)（表5）

表5 單項(xiàng)組分評價結(jié)果

（2）F值法評價地下水水質(zhì)

根據(jù)中華人民共和國地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB/ T14848-93）評價指標(biāo)的實(shí)測值及標(biāo)準(zhǔn)值，利用F值法進(jìn)行分類和計(jì)算，其評價結(jié)果見表6。

表6 F值法評價地下水的等級表

（3）模糊數(shù)學(xué)法評價地下水水質(zhì)

首先根據(jù)降半梯形和升半梯形求第Ⅰ類和第Ⅴ類的隸屬度，用對稱山形求第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類的隸屬度，構(gòu)造9 5階的模糊矩陣。

以1號水樣為例，根據(jù)上述公式計(jì)算各評價因子各級的隸屬函數(shù)：

第一級水質(zhì)的隸屬度計(jì)算公式：

第二級水質(zhì)的隸屬度計(jì)算公式：

第三級水質(zhì)的隸屬度計(jì)算公式：

第四級水質(zhì)的隸屬函度計(jì)算公式：

第五級水質(zhì)的隸屬度計(jì)算公式：

由各級隸屬度計(jì)算結(jié)果構(gòu)造9*5階的模糊矩陣R如下：

求取權(quán)重W的方法采用污染物濃度超標(biāo)加權(quán)法，其計(jì)算公式如下：

計(jì)算得到的1號樣品各評價因子的權(quán)重為：

模糊綜合運(yùn)算求各級隸屬度B，B = W ·R = (W1,W2, W3,W4,W5)。

計(jì)算結(jié)果表明，1號樣品屬于Ⅰ類水的可能性為6.4%，屬于Ⅱ類水的可能性為10.3%，屬于Ⅲ類水的可能性為34.8，屬于Ⅳ類水的可能性為41.2%，屬于Ⅴ類水的可能性為7.5%。根據(jù)最大隸屬度原則，1號樣品的水質(zhì)為Ⅳ類。

同理得出的其它水樣的各級隸屬度及評價結(jié)果見表7。

表7 模糊綜合評判法評價結(jié)果

3 討論與分析

單項(xiàng)組分分析表明研究區(qū)超標(biāo)較嚴(yán)重的因子為總硬度和溶解性總固體，未超標(biāo)的水樣總硬度和溶解性總固體的值基本屬Ⅲ類；其次為錳，14個水樣中有4個樣品的錳含量達(dá)到了Ⅳ類；再次為氟，其它離子除氯離子和硝酸根離子各有一個水樣超標(biāo)外，其余都在Ⅲ類以內(nèi)。

14個水樣中F值法和模糊綜合評判法水質(zhì)評價的結(jié)果完全相同的為12個，有差別的為3個（見表8）。DX-644號樣品水質(zhì)類型F值法為Ⅱ類，模糊數(shù)學(xué)法為Ⅰ類，這種差別主要是由于模糊數(shù)學(xué)法用隸屬函數(shù)描述水質(zhì)分級界限更為精細(xì)。DX-667號和DX-654號樣品水質(zhì)類型，F(xiàn)值法為Ⅳ類水，而模糊數(shù)學(xué)法分別為Ⅱ類和Ⅰ類，二者差別較大。兩個樣品中的所有評價因子中只有一個因子超標(biāo)，在這種情況下由于F值法中考慮最大污染因素，即使參評項(xiàng)目中只有一項(xiàng)指標(biāo)值偏高，而其它指標(biāo)值較低也會使綜合評分值偏高，所以這種情況下的F值法的評價結(jié)果有待斟酌。而在超標(biāo)因子較多或者沒有超標(biāo)因子的情況下，兩種方法的評價結(jié)果相近。

表8 三種評價方法評價結(jié)果綜合表

4 結(jié)論

以上分析表明：單因子評價方法簡單、明了，雖然不能全面的反映水質(zhì)的整體狀況，但評價結(jié)果能直觀反映單項(xiàng)組分的超標(biāo)情況，清晰判斷出主要污染因子及其分布區(qū)域。F值法利用綜合評分值，根據(jù)相應(yīng)的分級標(biāo)準(zhǔn)確定水質(zhì)類型，在超標(biāo)因子較多或者沒有超標(biāo)因子的情況下可以較合理的反映水質(zhì)狀況。但是它極突出最大污染因素，即使參評項(xiàng)目中只有一項(xiàng)指標(biāo)值偏高，而其它指標(biāo)值較低也會使綜合評分值偏高，一定程度上高估水質(zhì)污染程度。模糊綜合評判法充分考慮了水質(zhì)分級界線的過渡性，比F值法直接根據(jù)臨界判據(jù)截然將水質(zhì)進(jìn)行分級更準(zhǔn)確，并且它考慮了不同的評價因子對地下水水質(zhì)的影響權(quán)重，評價結(jié)果更精確。模糊綜合評判法在工作精度要求較高的情況下，可廣泛應(yīng)用，但是它計(jì)算比較復(fù)雜，在評價面積較大、評價對象數(shù)量較多的情況下，應(yīng)用比較困難，需要借助計(jì)算機(jī)輔助編程完成。所以，在實(shí)際運(yùn)用中，要結(jié)合具體的問題，合理選用方法，取得最優(yōu)的評價結(jié)果。

[1]尹國勛，李振山等.地下水污染與防治[M]. 北京：中國環(huán)境出版社，2005.

[2]孫才志,廖資生. 水質(zhì)模糊評價中污染因子賦權(quán)方法的改進(jìn)及應(yīng)用[J].勘察科學(xué)技術(shù),1998,16（6）:3～6.

[3]鄭成德.水環(huán)境質(zhì)量評價中的灰色聚類法[J].水文，1998,4:23～28.

[4]肖 紅,徐運(yùn)卿.灰色聚類法在許昌市中淺層地下水水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J], 江蘇環(huán)境科技,1998,2:40～42.

[5]王淑文，劉 臣.水環(huán)境質(zhì)量評價的模糊數(shù)學(xué)法[J],吉林水力,2001,2:20～22.

[6]GB/T14848-93,地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].

[7]中華人民共和國衛(wèi)生部衛(wèi)法監(jiān)發(fā)[2001]161號.生活飲用水水質(zhì)衛(wèi)生規(guī)范[R].2001.

[8]許順國,牟瑞芳等.模糊數(shù)學(xué)綜合評判法在水質(zhì)評價中的應(yīng)用 以成都市府河為例[J],唐山師范學(xué)院學(xué)報,2007,29（2）:68～70.

[9]林 建. 2002年.北京城近郊區(qū)地下水污染演變分析研究[D].長春.吉林大學(xué)，81頁.

[10]林 沛. 2004年.北京城近郊區(qū)地下水質(zhì)評價與趨勢分析[D]. 長春.吉林大學(xué)，80頁.

[11]蘇耀明，蘇小四.地下水水質(zhì)評價的現(xiàn)狀與展望[J].水資源保護(hù),2007,23（2）:4～12.

[12]彭祖增,孫韞玉.模糊數(shù)學(xué)及其應(yīng)用[M]. 武漢:武漢大學(xué)出版社,2002.

[13]王文強(qiáng). 地下水水質(zhì)評價方法淺析[J].地下水，2007，29（6）：37～39.

The Comparative Analysis of Three Methods in Groundwater Quality Assessment

ZHANG Xinyu，XIN Baodong，LIU Wenchen，WANG Xiaohong，GUO Gaoxuan，LU Haiyan

(Hydrogeology and Engineering Geology Team of Beijing, Beijing 100195)

The paper describes three methods commonly applied into the assessment of groundwater quality，such as single factor，F(xiàn) value and fuzzy comprehensive evaluation methods. The three methods have been used to evaluate groundwater in Daxing District，Beijing. As a result， the advantages and disadvantages of every method are given，and it is helpful to classify water quality reasonably.

Groundwater；Water quality evaluation；Comparative analysis

X824

A

1007-1903(2011)01-0030-07