海明距離模糊法在垃圾填埋場地下水質(zhì)量評價中的應用

安達，姜永海，楊昱，馬志飛，張進保

1.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012 2.北京師范大學環(huán)境學院，北京 100875

海明距離模糊法在垃圾填埋場地下水質(zhì)量評價中的應用

安達1,2，姜永海1*，楊昱1，馬志飛1，張進保1

1.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012 2.北京師范大學環(huán)境學院，北京 100875

模糊評價法可將水質(zhì)評價過程中的模糊問題定量化，從而更準確、更科學地評價水體污染程度?；诂F(xiàn)有模糊數(shù)學法在水環(huán)境評價中的研究成果，選取簡潔且可操作性強的海明距離模糊評價法應用于垃圾填埋場地下水質(zhì)量評價中，以北京市三座垃圾填埋場的地下水為評價對象開展研究，并與常規(guī)模糊綜合評價法等四種方法的評價結果進行對比。應用海明距離模糊評價法得出，三座垃圾填埋場地下水質(zhì)量分別為Ⅳ級、Ⅳ級和Ⅲ級，該結論與模糊綜合評價等四種方法得到的評價結果基本一致。結果表明，海明距離模糊評價方法應用在垃圾填埋場地下水質(zhì)量評價中是可行的，結論是可靠的。進一步通過對處于同一水質(zhì)級別的海明距離大小的對比，可表征地下水污染程度，說明海明距離模糊評價法具有較好的分辨率。

地下水；垃圾填埋場；模糊評價；水質(zhì)評價；海明距離

垃圾衛(wèi)生填埋因其構筑簡單，建設和運行費用相對較低，成為國內(nèi)外城市生活垃圾處理的主要方式[1-2]。衛(wèi)生填埋過程中產(chǎn)生大量的滲濾液，滲濾液為污染性極強的高濃度有機廢水，如果處理不當，將會對地下水造成嚴重污染[3-5]。因此，正確評價垃圾填埋場地下水質(zhì)量是對垃圾填埋場地下水污染進行有效控制與科學管理的重要依據(jù)。目前，對地下水質(zhì)量的評價通常是按照污染物的單項污染值及綜合污染值來判定污染程度屬于哪一級別[6]。然而，地下水質(zhì)量評價中“污染程度”本身是一個模糊的概念，且污染級別間的轉(zhuǎn)變是一個連續(xù)的漸變過程，用污染指數(shù)值來判定污染程度，并不能客觀地反映出污染狀況。模糊綜合評價模型作為一種重要的評價方法，是在評價過程中引入模糊性概念，運用模糊數(shù)學方法來處理水質(zhì)分級界限和等級概念的模糊性與不確定性問題，該方法近年來廣泛應用于水環(huán)境質(zhì)量評價中，并在實踐中進行了必要改進[7]。

陳守煜等[8]在可變模糊集理論基礎上，結合二元比較確定指標權重方法，提出地下水質(zhì)量評價可變模糊評價方法，對常規(guī)模糊評價進行改進，增強了評價結果的可靠性；彭兆亮等[9]將熵權理論與多目標模糊決策理論結合，建立基于熵權重的多目標模糊評價模型，增強指標權重的客觀性；席北斗等[10-11]在物元分析的基礎上，結合模糊權重理論、層次分析方法或熵權法，構建了用于評價地下水質(zhì)量的模糊物元分析模型，解決了權重不確定性的問題；斯藹等[12]利用均方差賦權法對模糊綜合評價法進行改進，建立了基于均方差-模糊綜合評判復合模型；馬玉杰等[13]在評價因子選擇、權重確定、算子選擇和綜合評判結果向量分析等環(huán)節(jié)采用了累積頻率法、修正的聚類權法、加權平均型算子和級別特征值法對傳統(tǒng)模糊綜合評判模型進行了改進。上述對于常規(guī)模糊綜合評價法的改進，主要集中在通過改進權重確定方法來增強評價結果的客觀性，但仍未完全克服評價方法公式較為繁瑣、計算過程復雜的問題。

筆者選取了較為簡潔的海明距離模糊評價法，應用于北京市三座垃圾填埋場地下水質(zhì)量的評價，并將其結果與常規(guī)模糊綜合評價法的評價結果進行對比，擬說明海明距離模糊評價法在垃圾填埋場地下水質(zhì)量評價中的適用性和可靠性，及海明矩陣模糊評價法的優(yōu)勢所在。

1 海明距離模糊評價法

1.1 確定評價因子和評價標準

設有n個評價對象(垃圾填埋場)，每個評價對象的地下水環(huán)境質(zhì)量有m個評價指標，則有n×m階的實測指標值矩陣(Cn×m)：

(1)

若評價標準有t個級別，則有t×m階評價標準矩陣(St×m)：

(2)

如設S1i、Shi和Sti分別為第i個評價指標的1、h和t級標準值，則利用線性內(nèi)插公式(3)將式(1)轉(zhuǎn)化為式(4)：

(3)

(4)

式中，fji為實測指標值對評價指標值的線性內(nèi)插函數(shù)，F(xiàn)n×m為由n×m個fji構成的矩陣。若規(guī)定1級和t級地下水質(zhì)量標準濃度的隸屬度分別為0和1，則：

(5)

利用式(5)將式(2)轉(zhuǎn)化為：

(6)

式中，ehi為Shi的隸屬度，Et×m為由ehi構成的評價標準隸屬度矩陣。

1.2 評價原則與方法

為簡化計算步驟，提高評價結果的分辨率，在求評價對象與標準對象的相似程度時，采用海明距離法[14]。設評價對象A與標準對象B均包括m個評價項目(x1,x2,…,xm)；A對xi的隸屬度為μA(xi)，B對xi的隸屬度為μB(xi)，A與B之間的海明距離〔D(A,B)〕[15]為：

(7)

μA(xi)可由式(3)計算得到；μB(xi)可由式(5)計算得到。

若各評價項目的權重分別為ω1，ω2，…，ωm，則定義加權海明距離〔Dω(A,B)〕為：

(8)

實測值隸屬度〔式(4)〕與標準值隸屬度〔式(6)〕之間的加權海明矩陣為：

(9)

所求出的t個海明矩陣中，其中最小的二者之間最相似。

對于ωi評價權重集的確定，采用比重法進行計算，公式為：

(10)

式中，Ci為第i種評價因子的濃度實測值；Csi表示第i種評價因子的各級濃度標準值的算術平均值；Sji為

第i種評價因子第j級的標準值；t為所分級數(shù)。

2 方法應用

2.1 數(shù)據(jù)來源

以北京市三座生活垃圾填埋場的地下水為研究對象，三座垃圾填埋場的基本概況如表1所示。三座垃圾填埋場所處區(qū)域的地下水埋藏類型以第四系空隙潛水為主，地下水埋深18～22 m，地下水補給來源為上游徑流及大氣降水，排泄方式主要為人工開采及下游徑流，其水文地質(zhì)條件如表2所示。因垃圾填埋場防滲措施的缺陷，以及衛(wèi)生填埋過程中襯墊層破損致使垃圾滲瀝液泄漏等原因[16]，使得填埋過程中產(chǎn)生的垃圾滲濾液可能對其周邊地下水造成污染風險。因此，有必要對垃圾填埋場周邊的地下水質(zhì)量做出客觀、可靠的綜合評判。

表1 三座垃圾填埋場基本概況

表2 三座垃圾填埋場水文地質(zhì)條件

以2010年三座垃圾填埋場多點位地下水質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)年均值為基礎，應用海明距離模糊評價法，對三座垃圾填埋場地下水質(zhì)量情況進行綜合評價，監(jiān)測數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 三座垃圾填埋場地2010年下水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)

Table 3 Monitoring data of three landfills’ groundwater quality of 2010 mgL

表3 三座垃圾填埋場地2010年下水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)

監(jiān)測對象高錳酸鹽指數(shù)總硬度氨氮濃度氯化物濃度氟化物濃度揮發(fā)性酚濃度總大腸菌群1)砷濃度六價鉻濃度填埋場11 13213 980 2418 190 820 001373 340 0090 006填埋場21 51163 450 2630 460 790 0020113 790 0240 028填埋場30 523100 2211 050 200 00233 660 0070 006

1)總大腸菌群單位為個L。

2.2 評價因子與評價標準

由于影響地下水質(zhì)量的因子較多，評價因子的選取直接影響到綜合評價的效果，在綜合考慮地下水背景值以及填埋物滲濾液中各種污染組分濃度的情況下，從監(jiān)測指標中，選取了對垃圾填埋場地下水質(zhì)量貢獻率較大的九項地下水指標作為評價因子，包括高錳酸鹽指數(shù)、總硬度、氨氮濃度、氯化物濃度、氟化物濃度、揮發(fā)性酚濃度、總大腸菌群、砷濃度、六價鉻濃度。評價標準采用GBT 14848—93《地下水質(zhì)量標準》，其評價等級及標準如表4所示。

表4 地下水質(zhì)量評價標準

Table 4 Quality standard for groundwater mgL

表4 地下水質(zhì)量評價標準

評價等級1)高錳酸鹽指數(shù)總硬度氨氮濃度氯化物濃度氟化物濃度揮發(fā)性酚濃度總大腸菌群2)砷濃度六價鉻濃度Ⅰ級11500 02501 00 0013 00 0050 005Ⅱ級23000 021501 00 0013 00 010 01Ⅲ級34500 22501 00 0023 00 050 05Ⅳ級105500 53502 00 011000 050 1Ⅴ級3016501 5105060 033000 150 3

1)評價標準為GBT 14848—93《地下水質(zhì)量標準》；2)總大腸菌群單位為個L。

2.3 結果與討論

2.3.1 評價結果

由式(1)可知，三座垃圾填埋場地下水中九項水質(zhì)指標監(jiān)測數(shù)據(jù)構成的矩陣為：

C3×9=

(11)

由式(3)將矩陣C3×9轉(zhuǎn)換為：

F3×9=

(12)

由式(2)可知，三座垃圾填埋場地下水質(zhì)量評價指標構成的矩陣為：

(13)

由式(5)將矩陣S5×9轉(zhuǎn)換為標準矩陣：

E5×9=

(14)

再由式(10)得到九個指標的權重矩陣：

W3×9=

(15)

權重矩陣經(jīng)歸一化轉(zhuǎn)化后矩陣為：

(16)

由式(9)計算出的海明距離結果如表5所示。

表5 北京市三座垃圾填埋場地下水質(zhì)量情況與各評價等級的海明距離

從表5可以看出，三座垃圾填埋場地下水質(zhì)量與標準值之間的最小海明距離分別為0.116、0.154和0.054。因此，三座垃圾填埋場地下水質(zhì)量分別為Ⅳ級、Ⅳ級、Ⅲ級。由此可知，填埋場1和填埋場2的地下水已受到一定污染，不適合飲用。從指標超標情況來看，主要污染物為總硬度和總大腸菌群。

2.3.2 對比分析與討論

表6為模糊綜合評判(綜合評判法、屬性識別法、可變模糊評價和改進TOPSIS)四種評價方法計算的評價結果與海明距離模糊評價法(筆者方法)結果的比對。

表6 評價結果的比對

從表6可知，五種評價方法的結果基本一致，即填埋場1、填埋場2和填埋場3的地下水質(zhì)量分別處于Ⅳ級、Ⅳ級和Ⅲ級，說明海明距離模糊評價法的結果是可靠的。

此外，運用海明距離模糊評價法，還可得知填埋場1和填埋場2地下水質(zhì)量處于同一級別時，二者之間的地下水質(zhì)量為填埋場1(D=0.116)劣于填埋場2(D=0.154)。說明定量化的D值有利于確切掌握地下水污染的具體情況，以量化概念表征模糊事物進展程度，可更加直觀表征地下水污染動態(tài)。

3 結論

(1)將海明距離模糊評價法應用于北京市三座垃圾填埋場地下水質(zhì)量評價中，得到的評價結果為填埋場1、填埋場2和填埋場3的地下水質(zhì)量分別處于Ⅳ級、Ⅳ級和Ⅲ級，填埋場1和填埋場2的地下水已經(jīng)受到污染。且從計算過程可知，填埋場1和填埋場2主要污染物分別為總硬度和總大腸菌群。

(2)將海明距離模糊評價法的結論與其他評價方法得到的評價結果進行比對，得出結果基本一致。說明海明距離模糊評價法應用在垃圾填埋場地下水質(zhì)量評價中是可行的，結論是可靠的。

(3)當被評價的幾個垃圾填埋場的地下水質(zhì)量處于同一級別時，運用海明距離模糊評價法，可以判斷評價對象間的優(yōu)先次序。因此，海明距離模糊評價法能夠區(qū)分同一水質(zhì)級別、不同評價對象間污染程度的差異，具有比其他評價方法更好的分辨率。

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ApplicationofHammingDistanceFuzzyMathematicsMethodinGroundwaterQualityAssessmentofMunicipalSolidWasteLandfills

AN Da1,2, JIANG Yong-hai1, YANG Yu1, MA Zhi-fei1, ZHANG Jin-bao1

1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China2.School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China

Fuzzy evaluation method can quantify fuzzy issues in water quality evaluation, and can thus evaluate water pollution levels more accurately and scientifically. On the basis of existing researches in water quality evaluation, Hamming Distance Fuzzy Assessment Method, a kind of brief and feasible method, was selected for groundwater quality assessment of three municipal solid waste (MSW) landfills in Beijing. The assessment results were compared with those by other methods such as conventional fuzzy comprehensive evaluation method. The results of Hamming Distance Fuzzy Assessment Method showed that the groundwater quality levels of three MSW landfills were Ⅳ, Ⅳ and Ⅲ, respectively, which was almost consistent with the conclusions by other four methods including conventional fuzzy comprehensive evaluation method. The results showed that Hamming Distance Fuzzy Assessment Method was feasible for groundwater quality assessment of MSW landfills and the assessment results were reliable. The groundwater pollution degree could be characterized by further contrasting the values of Hamming distance under the same groundwater quality level, which demonstrated that the method had a high resolution.

groundwater; municipal solid waste landfill; fuzzy assessment; groundwater quality assessment; Hamming distance

1674991X(2013)02-0119-05

2012-05-24

國家環(huán)境保護公益性行業(yè)科研專項(201009009-04)；國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2012AA062603)

安達(1979—)，女，助理研究員，博士研究生，主要從事地下水污染風險評價與控制，anda7977@163.com

*責任作者:姜永海(1975—)，男，副研究員，博士，主要從事地下水污染控制研究，jyhai@126.com

X523

A

10.3969j.issn.1674-991X.2013.02.020