淮河流域洪汝河段淺層地下水質(zhì)量評價方法淺析

劉海風(fēng)，鄧 斌，楊小雙

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)工程院，河南 鄭州 450007)

淮河流域洪汝河段淺層地下水質(zhì)量評價方法淺析

劉海風(fēng)，鄧 斌，楊小雙

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)工程院，河南 鄭州 450007)

依據(jù)2008年度淮河流域洪汝段(河南省域)536組淺層地下水水質(zhì)化驗資料，選取49個評價指標(biāo)，分別采用內(nèi)梅羅指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)法進行地下水質(zhì)量評價，對兩種方法的評價結(jié)果進行對比淺析，闡述二者的適用條件。結(jié)果表明:模糊數(shù)學(xué)法更好地揭示了水質(zhì)等級劃分上的模糊性，能均衡反映各指標(biāo)的綜合影響，評價結(jié)果更符合實際情況，更適用于評價指標(biāo)較多的水質(zhì)評價。

地下水水質(zhì)評;內(nèi)梅羅指數(shù)法;模糊數(shù)學(xué)法

洪汝河河流域位于淮河流域河南段域南部，行政區(qū)劃包括許昌市、鄭州市、周口市、平頂山、開封、漯河市、駐馬店 7個市，涉及24個縣、市和區(qū)，面積約22 627.8 km2。多年平均降水量634～1 200 mm。工作區(qū)西部為山地、丘陵，中、東部為平原，西部崗狀平原區(qū)。海拔高度約為80～220 m，由崗區(qū)向平緩區(qū)傾斜［1］。是我國重要的糧棉油基地，人類活動已對地下水產(chǎn)生不同程度的污染，而地下水的水質(zhì)評價已成為當(dāng)務(wù)之急。

1 地下水質(zhì)量評價

1.1 測試指標(biāo)

2007年由中國地調(diào)局下發(fā)，查明淮河流域河南平原地區(qū)地下水水質(zhì)和污染狀況，綜合評價地下水水質(zhì)和污染程度，建立地下水污染調(diào)查評價信息系統(tǒng)，為該區(qū)地下水污染防治、地下水資源保護及保障飲水安全提供科學(xué)依據(jù)。特在該區(qū)布設(shè)了536組樣品，包括淺層和深層，2008年對該區(qū)地下水進行了取樣化驗。

參考《地下水污染調(diào)查評價規(guī)范》(DD2008－01)和《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848－2007)(報批稿)，確定參評基礎(chǔ)指標(biāo)共49項，分類如下:

1.1.1 常規(guī)指標(biāo)(20項)

(1)無機指標(biāo)(18項)

pH、鐵、錳、鋅、鋁、氯離子、硫酸根離子、總硬度、溶解性總固體、耗氧量、砷、鎘、六價鉻、鉛、汞、硒、氟離子、硝酸根離子。

(2)有機指標(biāo)(2項)

三氯甲烷、四氯化碳。

1.1.2 非常規(guī)指標(biāo)(29項)

(1)揮發(fā)性有機物指標(biāo)(21項)

1，1，1 － 三氯乙烷、三氯乙烯、四氯乙烯、二氯甲烷、1，2－二氯乙烷、1，1，2－三氯乙烷、1，2－二氯丙烷、溴二氯甲烷、一氯二溴甲烷、溴仿、氯乙烯、1，1－二氯乙烯、1，2－二氯乙烯、氯苯、鄰二氯苯、對二氯苯、苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯;

(2)半揮發(fā)性有機物指標(biāo)(5項)

總六六六、γ－BHC(林丹)、總滴滴涕、六氯苯、苯并(a)芘;

(3)無機指標(biāo)(3項))

銨離子、鈉、亞硝酸根。

1.2 評價標(biāo)準(zhǔn)及依據(jù)

按照地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 14848－93)》對項城地下水水質(zhì)進行評價，該標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)我國地下水水質(zhì)現(xiàn)狀、人體健康基準(zhǔn)值及地下水質(zhì)量保護目標(biāo)，參照生活飲用水、工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水水質(zhì)要求，將地下水質(zhì)量劃分為五類:

Ⅰ類:主要反映地下水化學(xué)組分的低天然背景含量，適用于各種用途(適用于集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水);

Ⅱ類:主要反映地下水化學(xué)組分的天然背景含量，適用于各種用途(適用于集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水);

Ⅲ類:以人體健康基準(zhǔn)為依據(jù)，適用于集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水;

Ⅳ類:以農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水要求為依據(jù)，除適用于農(nóng)業(yè)和部分工業(yè)用水外，適當(dāng)處理后可作為生活飲用水;

Ⅴ類:不宜飲用，其它用水可根據(jù)地使用目的再進行專門評價。

1.3 評價方法

1.3.1 內(nèi)梅羅指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)法最初建立在河水污染評價的基礎(chǔ)上，目前在地下水評價上應(yīng)用較多。

式中:PI為水質(zhì)指數(shù);Ci為i污染物的實測濃度;Si為 i污染物的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

地下水水質(zhì)評價分級(內(nèi)梅羅指數(shù)法)見表1。

表1 地下水水質(zhì)評價分級標(biāo)準(zhǔn)

該方法的水質(zhì)指標(biāo)考慮了各污染物的平均污染水平和個別污染物的最大污染狀況，但指數(shù)劃分同樣是人為的，依據(jù)該方法得出的結(jié)論與地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)沒有一定的對應(yīng)關(guān)系。

1.3.2 模糊數(shù)學(xué)評價方法

1)計算隸屬度矩陣R

采用比較成熟的"降半梯形分布法"來計算函數(shù)，設(shè)評價中取n個污染因子，取第k個水樣中某一污染因子 i的實測值為 Xki，其 j級標(biāo)準(zhǔn)值為 Cij(i=1，2，…….，n;j=1，2，……，m)，則污染因子對各級水的隸屬函數(shù)如下:

對I級水的隸屬函數(shù):即j=1

對 j級至 m － 1 級水的隸屬函數(shù):即 j=2，3，.......，n－1

對n級水的隸屬函數(shù):即j=m

當(dāng)Xki已知，就可以利用上述隸屬函數(shù)求出k水樣中第i個污染因子分別對各級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度，從而可以得到一個i×j階模糊關(guān)系矩陣R:

2)權(quán)重因子的確定

在綜合評價中，考慮到各單項指標(biāo)對水質(zhì)影響的高低差別，不僅同實測數(shù)據(jù)大小有關(guān)，而且與某種用途中各元素的允許濃度有關(guān)，實測數(shù)據(jù)相同時允許濃度含量高而標(biāo)準(zhǔn)低的，對污染程度影響要小，因此要進行權(quán)重計算。一般采用地下水 III類指標(biāo)加權(quán)法，公式如下:

式中:Wki為權(quán)重因子;Xi為 K水樣第 i個因子的實測值;Si為第i個因子各級水標(biāo)準(zhǔn)值的均值;aki為K水樣中第i個因子的權(quán)重值。

將各單因子的實測值和選定的評價標(biāo)準(zhǔn)分別代入上式，便可求得各單因子的權(quán)重值，并由其組成的模糊矩陣 A，即因子權(quán)重集:

3)復(fù)合運算

確定了隸屬度矩陣R和權(quán)重矩陣A后，可以進行矩陣間的復(fù)合運算。共有四種模型可供選擇:

模型I記做 M(∨，∧)，即主因素突出型，其中∨，∧ －分別代表取大、取小

其中:B=(b1，b2，……，bm)

模型II記做 M(·，∨)，即主因素突出型，其中·代表求積

模型III記做M(·，⊕)，即加權(quán)平均型，⊕表示求和

模型IV記做M(∧，⊕)即不均衡平均型

選擇好模型進行復(fù)合運算后，每個取樣點都得到一個1×5階的結(jié)果矩陣，對其進行歸一化處理后，最大值所對應(yīng)的水質(zhì)等級即為該水樣點最后的評價等級結(jié)果［2、3］。

1.4 內(nèi)梅羅指數(shù)法評價結(jié)果

由內(nèi)梅羅指數(shù)法評價結(jié)果見表2，適當(dāng)處理后可作為生活飲用的Ⅳ類地下水樣品占91.4%。Ⅳ類和Ⅴ類水定類因子以鐵、錳、氟化物和溶解性總固體為主。

表2 內(nèi)梅羅指數(shù)法評價結(jié)果

1.5 模糊數(shù)學(xué)法評價結(jié)果

模糊數(shù)學(xué)方法采用濃度超標(biāo)法進行權(quán)重的計算，權(quán)系數(shù)是由各污染因子對各等級標(biāo)準(zhǔn)的平均值的貢獻，同時考慮了每種污染物對不同等級的貢獻大小(即隸屬程度)，最后的結(jié)果說明了所有污染物對所有不同等級的貢獻大小，而不是某一等級，這就能更客觀、更科學(xué)的評價水質(zhì)質(zhì)量的問題。本次評價目標(biāo)是為了均衡反映各指標(biāo)的綜合影響，故選取相乘相加和取小相加兩種算子模型。

由相乘相加法所得評價結(jié)果見表3:適用于集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水的Ⅲ類地下水樣最多，其次為不適宜飲用水。

表3 模糊數(shù)學(xué)法(相乘相加法)評價結(jié)果

由取小相加法所得評價結(jié)果見表4，適用于集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水的Ⅲ類地下水樣最多，其次為不適宜飲用水。

表4 模糊數(shù)學(xué)(取小相加法)評價結(jié)果

2 內(nèi)梅羅指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)法評價結(jié)果的比較

從以上評價可得出兩種方法評價洪汝河流域地下水，如表5和圖1所示:

內(nèi)梅羅指數(shù)法179 11 225 101 20 1 490 2 40 3取小相加 122 5 269 119 21相乘相加

從兩種評價方法的評價結(jié)果來看，二者差異還是比較大。

內(nèi)梅羅指數(shù)法突出最高濃度的單項指標(biāo)作用，評價的水質(zhì)類別往往由某一種因子所控制，而其它因子所起作用甚微，且各類別由數(shù)值指標(biāo)來劃分，界限明顯，從而會出現(xiàn)兩樣本數(shù)據(jù)相差甚微，評價結(jié)果卻相差一級的不合理現(xiàn)象。所得出的結(jié)論多集中于同一類，即本次評價結(jié)果Ⅳ類水樣品點極多，占所有樣品的91.4%。從概率學(xué)原理分析其536個點的結(jié)果，這顯然是不合理的，這種方法評價結(jié)果的表達形式缺乏與級別間的關(guān)系。所以內(nèi)梅羅指數(shù)法要求不是很嚴(yán)格的一般地下水以及一些平常用途水質(zhì)評價，例如當(dāng)水質(zhì)評價的目的是為了判斷地下水是否適于飲用時，這種方法的評價結(jié)果還是較為理想的。

模糊綜合評判法考慮到水質(zhì)分類界線的模糊性，通過最佳隸屬度來判斷某一水體所屬水質(zhì)等級的最

大可能性;使用隸屬函數(shù)刻劃污染物對相鄰兩等級的隸屬程度，較好地揭示了水質(zhì)等級劃分上的模糊性，可以克服當(dāng)分析結(jié)果逼近評價標(biāo)準(zhǔn)臨界值兩側(cè)時，更能顯示出該方法的優(yōu)劣;采用多因子超標(biāo)加權(quán)計算權(quán)重，評價結(jié)果更符合實際情況。本次評價指標(biāo)較多，為均衡反映各指標(biāo)的綜合影響，從評價結(jié)果可以看出這種方法也更切實際。

圖1 兩種評價結(jié)果曲線對比圖

3 結(jié)語

根據(jù)內(nèi)梅羅指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)法評價結(jié)果的比較分析可知，模糊數(shù)學(xué)法更適合于要求更高的水質(zhì)評價，雖然受限于計算量較大以及數(shù)學(xué)模型在水質(zhì)評價中實踐較少。不過可以預(yù)見，隨著工農(nóng)業(yè)更為迅速的發(fā)展，人們對于地下水水質(zhì)評價的要求也會越來越嚴(yán)格，加之將計算機輔助運用于水質(zhì)評價計算，模糊數(shù)學(xué)法在今后的水質(zhì)評價中將占據(jù)主導(dǎo)地位。

特別需要指出的是不管何種方法，評價因子的選擇直接影響評價結(jié)果，因此評價因子的選擇應(yīng)客觀具有代表性。

［1］左正金，等.淮河流域(河南段)1:25萬環(huán)境地質(zhì)調(diào)查報告.河南省地質(zhì)調(diào)查源，2003.

［2］羅定貴，徐輝.模糊數(shù)學(xué)在地下水環(huán)境評價中的應(yīng)用.華東地質(zhì)學(xué)院學(xué)報，1994－12.

［3］張燕君，許廣明.模糊數(shù)學(xué)方法在博山區(qū)地下水水質(zhì)綜合評價中的意義.河北地質(zhì)學(xué)院學(xué)報，1995.

P641.12

B

1004－1184(2012)01－0020－03

2011－09－14

劉海風(fēng)(1983－)女，寧縣中衛(wèi)人，助理工程師，主要從事水工環(huán)工作。