四種地下水水質(zhì)評價方法的應用對比分析
——岷縣城鄉(xiāng)供水水源地

李平平，陳海龍

(甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，甘肅 蘭州 730050)

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四種地下水水質(zhì)評價方法的應用對比分析
——岷縣城鄉(xiāng)供水水源地

李平平，陳海龍

(甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，甘肅 蘭州 730050)

選擇單因子評價法、F值綜合評價法、模糊綜合評價法和集對分析法等四種地下水水質(zhì)評價方法對岷縣南部和西部的15個農(nóng)村供水水源地進行水質(zhì)評價，得出相應的評價結果，各種評價方法得出的評價結果進行對比分析，并綜合各評價方法的優(yōu)缺點。四種評價結果表明：岷縣南部和西部15個城鄉(xiāng)供水水源地地質(zhì)80%不達標，經(jīng)相關處理后才可作為生活飲用水源。為該地區(qū)其后同類供水水源地的水質(zhì)評價及防治污染提供了科學的依據(jù)。

單因子評價；F值綜合評價；模糊綜合評價；集對分析法；地下水

地下水質(zhì)量的優(yōu)劣直接關系到城鄉(xiāng)的經(jīng)濟建設、人民生活與生態(tài)環(huán)境等一系列問題，因此對地下水水質(zhì)簡捷、快速、準確的評價是非常重要的[1]。地下水水質(zhì)評價是地下水資源評價的一項十分重要內(nèi)容，主要內(nèi)容是根據(jù)地下水的主要物理成份和給定的水質(zhì)標準，分析地下水水質(zhì)的時空分布狀況，為地下水的開發(fā)利用規(guī)劃和管理提供科學依據(jù)[2]。

2013年7月22日7點45分，定西市岷縣、漳縣交界處發(fā)生6.6級地震，地震及震區(qū)烈度為Ⅷ度，岷縣受災較為嚴重，對城鄉(xiāng)的供水工程設施造成了一定的損毀，城鄉(xiāng)居民飲水困難，需要對城鄉(xiāng)供水水源地的水環(huán)境質(zhì)量狀況進行調(diào)查，并采用合理的水質(zhì)評價方法進行水質(zhì)評價。

1　地質(zhì)環(huán)境條件

甘肅省岷縣位于甘肅省東南、定西地區(qū)南部，北距蘭州市267 km ，東連隴南市禮縣，南接迭部縣、宕昌縣，西鄰臨潭縣、卓尼縣，北靠漳縣及武山縣。東西長120 km，南北寬69 km。供水水源地位于岷縣南部和西部，南有長江、黃河的分水嶺岷蛾山、大拉梁，整個地形呈東南向西北傾斜。地層巖性有第四系全新統(tǒng)沖洪積物(Q4al+pl)、上更新統(tǒng)風積黃土(Q3eol)和新近系(N)。

供水水源地及周圍地下水類型主要有兩類：(1)松散巖類孔隙水，主要分布于洮河河谷區(qū)，一般水位埋深3～7 m，含水層為砂礫卵石層，厚2～5 m，富水性中等-豐富，單井涌水量100～500 m3/d，河谷邊緣地帶為50～100 m3/d。(2)基巖裂隙潛水，地下水賦存于泥盆系、二疊系的變質(zhì)板巖裂隙中，泉流量0.01～0.1 L/s，枯水期徑流模數(shù)小于0.01 L/s·km2，主要接受降水入滲補給，以泉或地下徑流的形式排泄[3]。

2　地下水水質(zhì)評價方法

2.1單因子評價法

單因子評價是指分別對單個指標進行分析評價，反映地下水中某一單一污染物的情況。評價指標及評價依據(jù)為國家標準[4]。至今我國已經(jīng)頒布執(zhí)行的《地下水質(zhì)量標準》(GB/T14848—1993)[5]將地下水質(zhì)量類別劃分為五類，不同的類別反映了不同的水質(zhì)狀況和該類別水體的主要用途。共涉及指標39項，其中20 項指標被規(guī)定為水質(zhì)監(jiān)測項目[5-6]，目前單因子評價主要是依據(jù)標準進行。

由于是對單個水質(zhì)指標獨立進行評價，因此得到的評價結果不能全面地反映地下水質(zhì)量的整體狀況，可能會導致較大的偏差。

2.2F值綜合評價法

F值評分法是目前我國地下水水質(zhì)評價最常用的方法，是我國《地下水質(zhì)量標準》(GB /T14848—1993)[5]推薦使用的地下水水質(zhì)評價方法，具體步驟如下：

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

表1　地下水質(zhì)量評分表

(2)根據(jù)下列計算綜合評分值F：

(1)

(2)

(3)根據(jù)F值按表2確定水質(zhì)量級別(共分為五級)。

表2　地下水質(zhì)量評分表

2.3模糊綜合評價法[7]

2.3.1原理

所謂模糊評價就是根據(jù)給出的評價標準和實測值，經(jīng)過模糊變換對事物做出評價的一種方法。

模糊綜合評價可以用數(shù)學來表示：

B=A·R

(3)

式中：A輸入，它是由參加輸入評價因子的權重經(jīng)歸一化處理得到的1個1×n階行矩陣；R為模糊變換器，它是由各單因子評價行矩陣組成的1個n×m階模糊關系矩陣；B為輸出，是要求的綜合評判結果，它是1個1×m階矩陣的形式。

2.3.2步驟

(1)建立因子集和評價集

設影響水質(zhì)的污染因素有n個，組成評價因子因素集合：U={u1，u2， u3，… un}，評價等級共m個等級，組成評價等級集合：V={v1，v2，v3，…，vm}。

(2)建立單因子隸屬函數(shù)

根據(jù)水的用途和特征，將水質(zhì)劃分為m個等級標準，用這些標準可以逐個刻劃各因素對各級標準的隸屬度，隸屬度通過隸屬函數(shù)計算得到。因此，需要建立隸屬函數(shù)，一般通過取線性函數(shù)來確定各級水質(zhì)的隸屬函數(shù)。

第1級水質(zhì)，即j=1時，其隸屬函數(shù)為：

(4)

第2級水質(zhì)至第(m-1)級水質(zhì)，即j=2,3，…，m-1時，其隸屬函數(shù)為：

(5)

末級水質(zhì)，即j=m時，其隸屬函數(shù)為：

(6)

以上各式中，ci為第j個因素ui的實測值，si(j-1)、sij、si(j+1)分別為因素ui的第j-1、j、j+1級水質(zhì)的標準值。當ci給定后，可以用以上的隸屬函數(shù)求出ui對各級水質(zhì)的隸屬度。

(3)建立模糊評價矩陣R

根據(jù)單因素隸屬度確定模糊評價矩陣R。

(7)

(4)建立評價因子的權重矩陣A

在綜合模糊評判中應考慮到各指標高低有所不同，在總的污染中所起的作用亦有所差別。因此，有必要對各參評因子賦予權重。目前，常用“污染物濃度超標法”來計算權重，即按照各評判因子超標情況進行加權，超標越多，權重值越大。

(8)

為進行模糊運算，各單項權重還必須進行歸一化處理，即：

(9)

就得到一個1×n的模糊權重矩陣A，即：

A=(a1a2…an)

(5)進行模糊綜合評價

將權重矩陣A和模糊矩陣R代入公式B=A·R，求出結果，然后對其進行分析與評價。

2.4集對分析法

2.4.1聯(lián)系度

在進行水質(zhì)評價時，以待評價水體的實測指標與國際中給定的地下水水質(zhì)評價指標標準組成一個集對H=(A，B)，根據(jù)所要解決問題W(水質(zhì)評價)的需求，對集對H展開分析，共得到N個特性(實測指標)，其中有S個特性為集對中的兩個集合共有，有P個特性相對立，其余的F=N-S-P個特性即不對立，又不同一。S/N為這兩個集合在問題W下的同一度，F(xiàn)/N為這兩個集合在問題W下的差異度，P/N為這兩個集合在問題W下的對立度，則聯(lián)系度表達式可用下式表示：

(10)

式中：μ為聯(lián)系度；i1,i2,…im為差異度系數(shù)；j1,j2,…jm為對立度系數(shù)。

至今我國已經(jīng)頒布執(zhí)行的《地下水質(zhì)量標準》(GB/T14848—1993)[5]將地下水質(zhì)量類別劃分為五類。在進行地下水綜合評價時，當待評價的水質(zhì)因子指標值小于等于Ⅰ類水質(zhì)因子標準值時，μ1=1，當待評價的水質(zhì)因子指標值大于等于Ⅰ類水質(zhì)因子標準值時，μ5=1；隸屬于第i類水質(zhì)與隸屬于第i+1類水質(zhì)的聯(lián)系度分別為：

(11)

式中：x為實測值；xi,xi+1為國標中第i類和第i+1類水質(zhì)因子的界點值。

2.4.2評價方法

各因子的權重表達式如下：

(12)

(13)

式中：M為地下水質(zhì)量類別；N為評價因子個數(shù)。

權重處理后斷面的綜合聯(lián)系度μ綜為：

(14)

式中：B1，B2，…，BM為每個評價指標聯(lián)系度的對應項數(shù)據(jù)按列相加之和。

根據(jù)最大隸屬原則，Bi最大者所對應的污染級別即為該評價水源地的最終評價級別。

3　結果與分析

運用以上3種水質(zhì)評價方法對岷縣15處供水水源地水質(zhì)進行評價，評價過程中選定總硬度、氯化物、氟化物、硫酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮、砷、鎘、揮發(fā)酚等10個單項污染指數(shù)進行水質(zhì)指數(shù)計算。

3.1水質(zhì)評價結果

3.1.1單因子評價法

單因子法進行單項指標評價地下水水質(zhì)，評價結果見表3。

表3　單項指標評價法評價結果

3.1.2F值綜合評價法

利用F 值評分法進行分類和計算，計算結果見表4。

表4　F值評分法評價地下水水質(zhì)結果

3.1.3模糊綜合評價法

(1)建立因子集

根據(jù)MX01水源地的水質(zhì)特點和檢測數(shù)據(jù)，本文選取了10個主要因素：U={總硬度，氯化物，氟化物，硫酸鹽，硝酸鹽，亞硝酸鹽，氨氮，砷，鎘，揮發(fā)酚}。

(2)建立評價集

在地下水水質(zhì)評價中的評價語集可選用水質(zhì)分級的Ⅴ級，組成評價等級集合：V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ }，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分別代表水質(zhì)優(yōu)秀、良好、較好、較差、極差。

(3)建立模糊評價矩陣R

以MX01為例，根據(jù)各個評價因子的隸屬函數(shù)及其實測值，求出各評價因子對于各級水的隸屬度，并組成模糊矩陣R1：

(4)建立評價因子的權重矩陣A

根據(jù)公式(8)和公式(9)求取權重A，計算得到的MX01號樣品各評價指標的權重為：

A=[0.140.040.010.050.130.010.530.030.010.05]

(5)模糊綜合評價

根據(jù)公式(3)進行模糊綜合運算求各級隸屬度B：

B=A·R=[0.200.230.0400.53]

由B值可見，0.53值最大，根據(jù)最大隸屬度原則，即哪一級水質(zhì)的隸屬度最大，則水質(zhì)污染就是哪一級，故MX01的水質(zhì)評價等級為Ⅴ級。

同理得出的其它水樣的各級隸屬度及評價結果見表5。

表5　模糊綜合評判法評價結果

3.1.4集對分析法

以MX01為例，根據(jù)集對分析原理可知：N=10，S=4，F(xiàn)1=4，F(xiàn)2=1，F(xiàn)3=0，P=1，代入式(10)得：

μ1=0.4+0.4Ⅰ1+0.1Ⅰ2+0Ⅰ3+0.1j

根據(jù)從上式中的聯(lián)系度很難判斷該水源地具體屬于幾類，因此，需進一步分析評價因子具體含量與水質(zhì)的定量關系。將各個監(jiān)測數(shù)據(jù)代入式(12)和(13)，得到各指標的權重ω1′=0.605，歸一化后得ω1=0.151，同理得出MX01其它指標歸一化的權重，ω2=0.038，ω3=0.007，ω4=0.052，ω5=0.126，ω6=0.004，ω7=0.550，ω8=0.029，ω9=0.006，ω10=0.037。

將上述權重值代入式(11)和(14)，得到MX01綜合的聯(lián)系度：

μ1=0.347+0.653i1，μ2=1，μ3=1，μ4=0.973+0.027i1，μ5=0.68i1+0.32i2，μ6=0.889+0.111i1，μ7=1j，μ8=1，μ9=0.889+0.111i1，μ10=1

μ綜1=0.223+0.187i1+0.04i2+0i3+0.55j

同理，可算出其它水源地的綜合聯(lián)系度。各水源地平均聯(lián)系度依最大隸屬原則，判斷出各水源地水質(zhì)評價級別，見表6。

表6　集對分析法水質(zhì)綜合評價結果

3.2討論與分析

單因子評價法分析表明15個水樣中大部分單項組分屬于Ⅰ-Ⅲ類水標準，但15個水樣中都有Ⅲ類以外的單項組分，Ⅲ類以外的單項組分為硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨氮，其中MX02和MX13水樣中的亞硝酸鹽為Ⅳ類水標準，MX06、MX07、MX10、MX12、MX14和MX15水樣中的氨氮為Ⅳ類水標準，MX03、MX08、MX09水樣中的亞硝酸鹽和氨氮為Ⅳ類水標準，MX05水樣中的硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨氮都為Ⅳ類水標準，MX01、MX02、MX04、MX11、MX13水樣中的氨氮和MX10水樣中的硝酸鹽為Ⅴ類水標準。

15個水樣中F值綜合評價法水質(zhì)評價的結果完全相同，都為Ⅳ類。F值綜合評價法、模糊綜合評價法和集對分析法水質(zhì)評價結果完全相同的為5個，模糊綜合評價法和集對分析法水質(zhì)評價結果完全相同的為12個。模糊綜合評價法評價結果中，Ⅲ類的為3個，Ⅳ類的為6個，Ⅴ類的為6個。集對分析法評價結果中，Ⅰ類的為2個，Ⅱ類的為1個，Ⅲ類的為1個，Ⅳ類的為5個，Ⅴ類的為6個。單因子評價法分析結果中只要有Ⅴ類的單項組分，模糊綜合評價法和集對分析法水質(zhì)評價結果均為Ⅴ類。

4　結語

以上分析表明：單因子評價法簡單、明了，雖然不能全面反映水質(zhì)的整體狀況，但評價結果能直觀反映單項組分的超標情況，清晰判斷出主要污染因子。F值綜合評價法利用綜合評分值，根據(jù)相應的分級標準確定水質(zhì)類型，在超標因子較多或者沒有超標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。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值評分法直接根據(jù)臨界判據(jù)截然將水質(zhì)進行分級更準確，并且它考慮了不同的評價指標對地下水水質(zhì)的影響權重，評價結果更精確[4]。集對分析法是一種用于統(tǒng)一處理模糊、隨機、中介和信息不完全所致的不確定性系統(tǒng)的理論和方法，其核心思想是把不確定性與確定性視為一個即確定又不確定的同異反系統(tǒng)進行分析和數(shù)學處理[9]。

15個水樣中單因子評價法分析表明都有Ⅲ類以外的單項組分，Ⅲ類以外的單項組分為硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨氮；F值綜合評價法水質(zhì)評價結果均為Ⅳ類，Ⅲ類及以上的達100%；模糊綜合評價法評價結果中，Ⅲ類及以上的占100%；集對分析法評價結果中Ⅲ類以下的占20%，Ⅲ類及以上的占80%。

四種評價結果表明，集對分析法評價結果優(yōu)于模糊綜合評價法評價結果，岷縣南部和西部的15個城鄉(xiāng)供水水源地的水質(zhì)80%不達標，不能直接飲用，處理后才可作為生活飲用水水源。

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The Application and Comparison of Four Methods in Groundwater Quality Assessment——Water Supply source of the Urban and Rural for Minxian

LI Ping-ping，CHEN Hai-long

(Geological Environment Monitoring Institute of GanSu province, Lanzhou 730050, Gansu)

The article assessed the groundwater quality of fifteen rural water sources in south and west of Minxian using four kinds of methods which are single factor evaluation method，F(xiàn) value of comprehensive evaluation method，Set Pair Analysis Method and the fuzzy comprehensive evaluation method . This paper concluded the advantages and disadvantages of each method according to the comparison and analysis of each evaluation result. The evaluation results will provide a scientific basis for water quality assessment of water supply sources and prevention—control of pollution in this region.

Single factor evaluation；Value of F comprehensive evaluation；Fuzzy comprehensive evaluation；Set Pair Analysis Method；Groundwater

2016-03-08

李平平(1990-)，男，青海民和人，助理工程師，主要從事水資源與環(huán)境地質(zhì)研究與評價工作。

P641.8

B

1004-1184(2016)04-0037-05