巖溶區(qū)地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的對(duì)比分析

王春懿，梁　川，*，景　楠，趙　鵬

(1. 四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，成都 610065；2.水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065)

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巖溶區(qū)地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的對(duì)比分析

王春懿1,2，梁川1,2，*，景楠1,2，趙鵬1,2

(1. 四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，成都 610065；2.水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065)

摘要：巖溶區(qū)地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)對(duì)該地區(qū)人類生存環(huán)境及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展有著重要意義，但評(píng)價(jià)方法多樣。為更好地了解單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法、F值評(píng)分法和模糊綜合評(píng)價(jià)法3種應(yīng)用較廣泛的方法在巖溶地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)的應(yīng)用，分別運(yùn)用上述方法對(duì)廣西河池市4個(gè)水廠的地下水水源進(jìn)行水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)，并對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：研究區(qū)內(nèi)地下水水質(zhì)良好；單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法片面反映水質(zhì)整體情況；F值評(píng)分法和模糊綜合評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果更為準(zhǔn)確和客觀，后者計(jì)算量更大。綜上可知，F(xiàn)值評(píng)分法和模糊綜合評(píng)價(jià)法優(yōu)于單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法。

關(guān)鍵詞：巖溶地下水；水質(zhì)評(píng)價(jià)方法；對(duì)比分析；廣西河池中圖分類號(hào)：P641.8；X824

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-008X(2016)01-0001-06

0引言

廣西壯族自治區(qū)巖溶地下水具有水量豐富、暗河較發(fā)育、空間和時(shí)間分布不均、開(kāi)發(fā)局限性大的特點(diǎn)，是重要的供水水源。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)化和城市化速度的增高，對(duì)水資源尤其對(duì)地下水資源的需求逐漸增加，地下水資源面臨一定的威脅，加之人們對(duì)環(huán)境污染愈來(lái)愈重視，故監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)地下水水質(zhì)對(duì)該地區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展有著重要意義，而選取合適的方法是評(píng)價(jià)地下水質(zhì)量的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法做出了諸多研究，建立了以不同理論為基礎(chǔ)的評(píng)價(jià)方法[1-2]，主要有單因子評(píng)價(jià)法、綜合評(píng)價(jià)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[3]、灰色聚類法[4]、遺傳算法[5]、物元可拓法[6]等。單因子評(píng)價(jià)法不能完全反映地下水質(zhì)量的綜合情況,可能導(dǎo)致較大的偏差；綜合評(píng)價(jià)法比單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)全面、綜合，但現(xiàn)行的評(píng)價(jià)方法還無(wú)法全面考慮地下水水質(zhì)的成因、演變規(guī)律；此外各評(píng)價(jià)方法之間對(duì)不同地區(qū)的適應(yīng)性也有所不同。為此，根據(jù)文獻(xiàn)[7]對(duì)河池市六圩水廠、加遼水廠、城北水廠、肯沖水廠 4 個(gè)地下水供水水源地, 16 種水體污染物的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位監(jiān)測(cè)值Cj，采用單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法、F值評(píng)分法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)各水廠地下水水源地水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并與地下水污染指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果相互比較，進(jìn)而分析3種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性，以期為保護(hù)和合理開(kāi)發(fā)地下水資源，提前預(yù)防和控制地下水的污染等提供科學(xué)依據(jù)，保障飲水健康及安全。

1評(píng)價(jià)方法

1.1單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法

單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法是利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分類，即計(jì)算出各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的污染指數(shù)，并與1比較大小，若污染指數(shù)>1，則超過(guò)所選標(biāo)準(zhǔn)，反之則滿足標(biāo)準(zhǔn)，逐項(xiàng)計(jì)算，選取水質(zhì)最差的類別為評(píng)價(jià)結(jié)果，兩類評(píng)價(jià)指標(biāo)的污染指數(shù)計(jì)算公式如下。

1)一般污染物的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)

(1)

式中Si為某污染物的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)；Ci為某污染物的實(shí)測(cè)平均濃度，mg/L；CS為某污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，mg/L。

2)pH值的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)

(2)

(3)

式中SpH,i為pH值的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)；pHi為pH的實(shí)測(cè)值；pHsd為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的下限值；pHsu為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的上限值。

3)當(dāng)Si≤1時(shí)，表示水體未污染；當(dāng)Si>1時(shí)，表示該水質(zhì)因子已超過(guò)了規(guī)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)值越大，超標(biāo)越嚴(yán)重。

1.2F值評(píng)分法

根據(jù)《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-93)[8]，地下水質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)采用加附注的評(píng)分方法，其中要求選擇參評(píng)項(xiàng)目不少于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，但不包括細(xì)菌學(xué)指標(biāo),并能反應(yīng)本地區(qū)主要水質(zhì)問(wèn)題。首先，進(jìn)行各單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)，確定所屬質(zhì)量類別；其次，根據(jù)類別，按表1分別確定單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)分值Fi；再按(4)式計(jì)算綜合評(píng)價(jià)分值F。最后，根據(jù)F值，按表2劃分地下水質(zhì)量級(jí)別。

(4)

(5)

表2　地下水質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)分級(jí)表

1.3模糊綜合評(píng)價(jià)法

水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)方法[9-12]，采用概率統(tǒng)計(jì)中矩陣的數(shù)量積的計(jì)算形式，引入隸屬度和權(quán)重值兩個(gè)概念，從而使評(píng)價(jià)的地下水質(zhì)狀況更接近實(shí)際，反映水質(zhì)整體情況更綜合。

1.3.1水質(zhì)指標(biāo)矩陣(X)

X為n個(gè)取水點(diǎn)組成的樣本集合，每個(gè)取水點(diǎn)有m項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo),這里n=4，m=16。則實(shí)際觀測(cè)水質(zhì)指標(biāo)矩陣為：

(6)

1.3.2水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集合(Y)

Y為水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集合，其中m項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)按照地下水5級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)[8]評(píng)價(jià)，則有：

(7)

其中h=1,2,3,4,5，表示h級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)值。

1.3.3模糊關(guān)系矩陣R

模糊關(guān)系矩陣R是由各采樣點(diǎn)單項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)(Xi)對(duì)各水質(zhì)級(jí)別(Yi)的隸屬度所構(gòu)成的矩陣,模糊綜合評(píng)價(jià)法以隸屬度來(lái)描述水質(zhì)的模糊界線,隸屬度可用隸屬度函數(shù)來(lái)表示。各水質(zhì)指標(biāo)對(duì)各級(jí)水的模糊關(guān)系矩陣用下列公式進(jìn)行計(jì)算。

1)屬于第一級(jí)水質(zhì)的隸屬度函數(shù)為：

(8)

2)屬于第k(k=2,3,4)級(jí)水質(zhì)的隸屬度函數(shù)為:

(9)

3)屬于第五級(jí)的隸屬度函數(shù)為:

(10)

1.3.4權(quán)重矩陣A

A是由各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重分配構(gòu)成的向量，即權(quán)重矩陣。目前確定權(quán)重的方法較多，本文采用超標(biāo)法[13]來(lái)決定各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重。權(quán)重矩陣中權(quán)數(shù)ai反映各因子(Xi)的重要程度，計(jì)算公式為:

(11)

式中ci為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的濃度實(shí)測(cè)值，mg/L；si為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的各級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的均值，mg/L；ai為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值，并且各權(quán)數(shù)ai(i=1，2，…，m)應(yīng)滿足歸一性和非負(fù)性的條件，即:

(12)

其中歸一化公式為：

(13)

1.3.5綜合評(píng)判結(jié)果B

通過(guò)權(quán)重矩陣和模糊關(guān)系矩陣的復(fù)合運(yùn)算，得出綜合評(píng)判結(jié)果B矩陣，再根據(jù)一定原則確定各監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)的評(píng)價(jià)結(jié)果。計(jì)算公式如下:

B=AT·R

(14)

2方法應(yīng)用

本文評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)來(lái)自2009年1月對(duì)河池市六圩水廠、加遼水廠、城北水廠、肯沖水廠4 個(gè)地下水供水水源地19種水體污染物的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位監(jiān)測(cè)值Cj[7]，采用單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法、F值評(píng)分法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-93),按照標(biāo)準(zhǔn)中的要求，選取評(píng)價(jià)因子有pH、氨氮、銅(Cu)、鋅(Zn)、氟化物、硒(Se)、砷(As)、汞(Hg)、鎘(Cd)、鉻(六價(jià))、揮發(fā)酚、硫酸根、氯化物、鐵(Fe)、錳(Mn)、陰離子合成洗滌劑共16項(xiàng)。各地各評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)濃度值見(jiàn)表3。

2.1單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-93)中第Ⅲ類污染物標(biāo)準(zhǔn)濃度限值，由式(1)～式(3)選擇適合不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算式進(jìn)行評(píng)價(jià)，各單項(xiàng)水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3中Si欄。由結(jié)果可知，各單項(xiàng)水質(zhì)因子Si≤1，水質(zhì)達(dá)到III類水的環(huán)境要求，能滿足該地區(qū)地下水水體的基本功能。

2.2F值評(píng)分法及模糊綜合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果

表3　各地各評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)測(cè)濃度值及單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果表

(15)

2.3評(píng)價(jià)結(jié)果比較與分析

由表4可見(jiàn)，F(xiàn)值評(píng)分法的評(píng)價(jià)結(jié)果表明各監(jiān)測(cè)點(diǎn)F值都在0.8～2.50范圍內(nèi)，水質(zhì)等級(jí)都屬于良好，且高于單因子指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果。模糊綜合評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示水質(zhì)等級(jí)都在Ⅱ類以上，同樣高于單因子指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果，其中最大隸屬度原則評(píng)價(jià)結(jié)果顯示各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)等級(jí)都為Ⅰ類，且比F值評(píng)分法的水質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果更高；而模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)FCL原則評(píng)價(jià)結(jié)果與F值評(píng)分法的水質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果一致。將3種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果與文獻(xiàn)[7]的評(píng)價(jià)結(jié)果比較可知，F(xiàn)值評(píng)分法和按FCL原則評(píng)價(jià)的模糊綜合評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果與文獻(xiàn)[7]的評(píng)價(jià)結(jié)果一致，且更符合實(shí)際情況。

綜上可知，單因子指數(shù)法雖然簡(jiǎn)單明了，能清晰判斷出主要污染因子及其分布區(qū)域，但其以最差因子的評(píng)價(jià)結(jié)果作為最終的評(píng)價(jià)結(jié)果，體現(xiàn)了單個(gè)因子的否決權(quán)，具有很強(qiáng)的從嚴(yán)性，不能全面反映水質(zhì)的整體情況。F值評(píng)分法利用綜合評(píng)分值，根據(jù)相應(yīng)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定水質(zhì)類型，因此其評(píng)價(jià)結(jié)果可以較合理地反映水質(zhì)狀況，適用于多種情況，雖然由式(5)知，它強(qiáng)調(diào)了最大的污染因子，某種程度上將水污染的程度高估了，如F值評(píng)分法與按最大隸屬度原則評(píng)價(jià)的模糊綜合評(píng)價(jià)法的不同評(píng)價(jià)結(jié)果，前者評(píng)價(jià)結(jié)果顯示水污染程度高于后者，但在本例中F值評(píng)分法更符合實(shí)際情況。而模糊綜合評(píng)價(jià)法結(jié)合主要評(píng)價(jià)因子的權(quán)重和隸屬度來(lái)確定水質(zhì)類別，雖然計(jì)算相對(duì)更為復(fù)雜,但比F值評(píng)分法更綜合地考慮所有的水質(zhì)影響評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，更準(zhǔn)確直接，而采用模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)FCL原則的模糊綜合評(píng)價(jià)法使結(jié)果進(jìn)而更為準(zhǔn)確和客觀。

3結(jié)論

文中3種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果都表明各監(jiān)測(cè)點(diǎn)地下水質(zhì)量總體較好，且滿足該地地下水水體的基本功能。其中，單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)達(dá)到III類水的環(huán)境要求，其中氨氮、鎘(Cd)、揮發(fā)酚3個(gè)指標(biāo)的濃度較大；F值評(píng)分法與按模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)FCL原則評(píng)價(jià)的模糊綜合評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果一致，水質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅱ類，且與實(shí)際情況相符；而按最大隸屬度原則評(píng)價(jià)的模糊綜合評(píng)價(jià)法的水質(zhì)等級(jí)更高，為Ⅰ類。產(chǎn)生差異的原因可歸結(jié)為：1)單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法具有很強(qiáng)的從嚴(yán)性，評(píng)價(jià)結(jié)果不夠全面；2)F值評(píng)分法強(qiáng)調(diào)最大的污染因子，高估了水污染的程度；同時(shí)以上2種方法均未考慮主要污染因子的權(quán)重和隸屬度；3)由于模糊綜合評(píng)價(jià)法較為充分地考慮了水質(zhì)分級(jí)界線的連續(xù)性，更加全面，但計(jì)算量也更多更復(fù)雜；4)相比最大隸屬度原則，模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)FCL原則考慮了水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)類別的權(quán)重。模糊綜合評(píng)價(jià)法和F值評(píng)分法優(yōu)于單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法，但在實(shí)踐中應(yīng)結(jié)合研究區(qū)的水質(zhì)分布特征，合理選擇評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)原則，以獲得最佳的評(píng)價(jià)結(jié)果。

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Comparative analysis on evaluation method for karst groundwater quality

WANG Chun-Yi1,2，LIANG Chuan1,2，*，JING Nan1,2，ZHAO Peng1,2

(1.CollegeofWaterResourceandHydropower,SichuanUniversity,Chengdu610065,China；2.StateKeyLaboratoryofHydraulicsandMountainRiverEngineering，SichuanUniversity，Chengdu610065,China)

Abstract：Karst groundwater quality evaluation is important to the sustainable development of human survival environment and the region economy,but the methods are diversiform,such as the single factor index method,the F value method and the fuzzy comprehensive evaluation method have been widely used. In order to better understand the application of three methods in karst groundwater quality evaluation,three methods are used to evaluate and analyze the water quality of groundwater source of four water plants in Hechi of Guangxi. The results showed that the water quality is good, the single factor index method cannot reflect the overall water quality, the results of the F value method and the fuzzy comprehensive evaluation method are more accurate and objective except a large amount of calculation. In conclusion, the F value method and the fuzzy comprehensive evaluation method were superior to the single factor index method.

Key words：karst groundwater；water quality evaluation method；comparative analysis；Hechi of Guangxi

DOI:10.13524/j.2095-008x.2016.01.001

收稿日期：2016-02-18

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41271045)

作者簡(jiǎn)介：王春懿(1993-)，女，重慶人，碩士研究生，研究方向：水文水資源，E-mail：474340093@qq.com；*通訊作者：梁川(1957-)，男，四川雅安人，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師，研究方向：水文水資源與水環(huán)境，E-mail: lshester@shou.com。