基于模糊綜合評(píng)價(jià)的地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)研究

王 垠

(遼寧省阜新水文局， 遼寧 阜新 123000)

基于模糊綜合評(píng)價(jià)的地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)研究

王 垠

(遼寧省阜新水文局， 遼寧 阜新 123000)

本文利用幾種典型的水質(zhì)評(píng)價(jià)模型來(lái)全面分析試驗(yàn)區(qū)域的地下水質(zhì)量，取樣的地下水來(lái)自于試驗(yàn)區(qū)域的淺層地下水和深層地下水第二含水組，并依據(jù)水質(zhì)的分析數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)地下水的質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致地下水水質(zhì)總體質(zhì)量差的主要因素為原生組分超出標(biāo)準(zhǔn)，這些原生組分除了常規(guī)組分外，還包括氟、錳、鐵等微量組分。本文采用的評(píng)價(jià)方法為模糊數(shù)學(xué)法，研究認(rèn)為試驗(yàn)區(qū)域地下水的質(zhì)量以Ⅰ～Ⅲ類為主。

地下水； 水質(zhì)量； 模糊綜合評(píng)價(jià)

水作為一種基礎(chǔ)資源，對(duì)于地球生命的存在乃至整個(gè)社會(huì)的存續(xù)來(lái)說(shuō)都是不可或缺的。其中地下水作為水資源的重要構(gòu)成，具有供水穩(wěn)定、水質(zhì)優(yōu)良等天然優(yōu)勢(shì)，對(duì)于人們的生產(chǎn)、生活、生態(tài)都有重要的作用。在已有的研究成果中，對(duì)地下水水質(zhì)的評(píng)價(jià)不多，已有的研究重點(diǎn)為水質(zhì)的分布情況，對(duì)于水質(zhì)的評(píng)價(jià)局限在功能方面，對(duì)于污染機(jī)理的研究比較少，少量對(duì)污染機(jī)理的研究多是聚集在鉛、氨、氮這些微量組分上，而這兩種微量組分是影響地下水水質(zhì)的非主要組分。本研究借鑒已有的研究成果，利用幾種典型的水質(zhì)評(píng)價(jià)模型來(lái)全面分析并評(píng)價(jià)試驗(yàn)區(qū)域的地下水質(zhì)量，研究能夠主導(dǎo)影響地下水水質(zhì)的要素，掌握試驗(yàn)區(qū)域地下水的質(zhì)量狀況，并研究主要超標(biāo)組分在空間上的分布，找到分布的規(guī)律以及組分之間存在的關(guān)系。本文的研究意義在于通過(guò)科學(xué)地評(píng)價(jià)地下水的質(zhì)量，揭示出當(dāng)前地下水的總體質(zhì)量狀況，有利于地下水資源的合理開(kāi)發(fā)[1-2]。

1 地下水在水源中的地位

區(qū)域供水水源包括地表水和地下水。其中地下水是最穩(wěn)定的供水來(lái)源，在總供水量中占比達(dá)到了30%，每年平均開(kāi)采7.36 億m3。在地域廣泛的非城市區(qū)域，供水主要來(lái)源于地下水。所以地下水對(duì)于維持社會(huì)穩(wěn)定、保證經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有保障作用。

2 地下水開(kāi)發(fā)利用存在的問(wèn)題

2.1 水位連續(xù)大幅降低

由于長(zhǎng)期大量開(kāi)采地下水，市區(qū)及其他區(qū)域的地下水水位下降嚴(yán)重，尤其北大港水庫(kù)以南的第四系含水層處于疏干或半疏干的狀態(tài)。近幾年隨著對(duì)深層水利用的減少，各組含水層的水位有所回升，但是在沒(méi)有其他水源的地方，水位的下降還是比較嚴(yán)重，城建區(qū)年水位的平均降幅為2～3m，近海地區(qū)年水位的平均降幅達(dá)到2m以上。

2.2 出現(xiàn)水質(zhì)惡化現(xiàn)象

2.2.1 垃圾堆放場(chǎng)通過(guò)河道污染淺層淡水

如果垃圾堆放場(chǎng)沒(méi)有經(jīng)過(guò)無(wú)毒化處理，垃圾被雨水澆淋后就會(huì)濾出含有有毒、有害、有機(jī)、無(wú)機(jī)成分的液體，并含有多種病毒和細(xì)菌，這些液體污染地表水、地下水，甚至是包氣帶土層。在城市的市區(qū)或者郊區(qū)，已經(jīng)找不到?jīng)]有受過(guò)污染、達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)的淺層淡水。此外，沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的工業(yè)廢水在流進(jìn)河道后，通過(guò)污染河水間接地污染了地下水，出現(xiàn)河岸兩側(cè)淺層地下淡水大范圍污染的現(xiàn)象。

2.2.2 上覆咸水對(duì)深層淡水的污染

經(jīng)過(guò)一定的地史時(shí)期，淺部地層受到大陸鹽漬化以及海進(jìn)的共同作用，淺部地層的水分逐漸變成了淺層地下咸水，在阜新市主要分布在市中南。雖然淺層咸水對(duì)深層地下水的影響比較小，主要作用在對(duì)鄰層的越流補(bǔ)給上，但隨著地下水開(kāi)采量的增加，水位呈現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢(shì)，導(dǎo)致深層淡水和上覆咸水之間的越流程度增加，使咸水出現(xiàn)下滲，最終使深層水的水質(zhì)降低。此外，機(jī)井成井的技術(shù)不佳也會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)井管銹蝕、止不住水、管外上下串通、破裂或錯(cuò)口等現(xiàn)象，使地表的咸水流進(jìn)深層，增加了淡水中硫酸鹽、氯離子等物質(zhì)的含量。

3 通過(guò)取樣檢查、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性

為查明地下水的水質(zhì)現(xiàn)狀，對(duì)試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行了淺層地下水和深層承壓水第二含水組水質(zhì)調(diào)查，共布置采樣點(diǎn)122個(gè)，其中淺層地下水采樣點(diǎn)52個(gè)，深層承壓水第二含水組采樣點(diǎn)70個(gè)，采樣點(diǎn)位置平均分布，兼顧重點(diǎn)開(kāi)采地區(qū)并控制整個(gè)研究區(qū)。

陰陽(yáng)離子平衡檢查是依據(jù)電解液為電中性的這一條件，即溶液中的正離子電荷總數(shù)等于負(fù)離子總數(shù)。實(shí)際上地下水是一種復(fù)雜的電解溶液，因此遵循電中性條件。實(shí)際應(yīng)用中常用此來(lái)檢查水樣分析結(jié)果的誤差，其表達(dá)式見(jiàn)式(1)：

(1)

式中E——電荷平衡誤差，%；mc、ma——陽(yáng)離子和陰離子的摩爾濃度；Z——離子的電荷數(shù)。

由于地下水中除了常量組分外，還有微量組分，因此E的絕對(duì)值<5%是允許的。

表1 試驗(yàn)區(qū)域水樣數(shù)據(jù)可靠性檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)域水樣數(shù)據(jù)可靠性檢測(cè)結(jié)果(見(jiàn)表1)可知，檢測(cè)出承壓水第二含水組水樣的合格率是66.1%，淺層地下水合格的水樣占比達(dá)83.3%，與淺層地下水相比，第二含水組的分析結(jié)果可靠性更大，本次試驗(yàn)對(duì)水質(zhì)的分析基本可靠。

4 模糊性綜合評(píng)價(jià)

4.1 模糊數(shù)學(xué)基本模型

已知一個(gè)有限集合X

(2)

X中的元素xj(j=1,2,3，…，n)表示評(píng)價(jià)對(duì)象。

又已知一個(gè)有限集合K

(3)

K中的元素ki(i=1,2,3，…，m)表示不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

令ui為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)ki∈K的隸屬函數(shù)，即

(4)

則U為一個(gè)有限的模糊子集，即

(5)

探求模糊集合B的過(guò)程就是利用數(shù)學(xué)來(lái)描述模糊評(píng)判問(wèn)題，即

(6)

在這個(gè)模糊集合里，元素bj為綜合對(duì)象的評(píng)價(jià)指數(shù)，綜合對(duì)象包含了j個(gè)被評(píng)價(jià)對(duì)象。由于隸屬函數(shù)ui適用于所有的評(píng)價(jià)對(duì)象xj，因此得出代表模糊關(guān)系的評(píng)價(jià)矩陣R，即

(7)

(8)

式中rij=R(xj,ui)∈[0,1]，即對(duì)于第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，這j個(gè)被評(píng)價(jià)對(duì)象分別的隸屬度。

給定一個(gè)模糊向量

(9)

(10)

構(gòu)建完權(quán)重矩陣和評(píng)判矩陣，采用復(fù)合運(yùn)算的方法來(lái)評(píng)價(jià)，即模糊子集B：

(11)

4.2 構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣R

關(guān)系矩陣中隸屬函數(shù)r11代表的是因素指標(biāo)對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)，該隸屬度函數(shù)代表的是各個(gè)指標(biāo)相對(duì)的評(píng)價(jià)等級(jí)，推算分析時(shí)不僅要參照多個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，還要分別對(duì)照評(píng)價(jià)的指標(biāo)值。

ui為集合的隸屬函數(shù)，選用比較成熟的“降半梯形分布圖”來(lái)確定函數(shù)，即

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

4.3 確定組分的權(quán)重集

組分的權(quán)重代表組分對(duì)于水質(zhì)的影響程度，除了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以外，該權(quán)重還與允許濃度相關(guān)，代表公式為：

(17)

(18)

式中xi——各組分的實(shí)測(cè)值的均值；si——各組分各等級(jí)代表值(ai)的算術(shù)平均值；

n——分級(jí)數(shù)。

對(duì)所求得各單項(xiàng)組分權(quán)重進(jìn)行歸一化處理，即

(19)

4.4 評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)水質(zhì)的評(píng)價(jià)存在模糊的特點(diǎn)，由于水在地下相互串聯(lián)，地下水的水質(zhì)過(guò)程是逐漸改變的，因此地下水水質(zhì)的等級(jí)劃分沒(méi)有完全的質(zhì)變。按照該特性，借鑒已有的模糊綜合評(píng)價(jià)理論，構(gòu)建起針對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)的模糊數(shù)學(xué)模型，按照最大隸屬度的原則來(lái)評(píng)估水質(zhì)的等級(jí)。進(jìn)行水質(zhì)模糊性綜合評(píng)價(jià)的流程為：首先，列舉可被選擇的對(duì)象集合；然后，列舉影響因素的集合；第三，構(gòu)建評(píng)價(jià)水質(zhì)的矩陣公式；第四，明確評(píng)價(jià)水質(zhì)的函數(shù)公式；最后，計(jì)算評(píng)價(jià)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)[3-5]。

本研究以《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—1993)作為依據(jù)，將Ⅲ類地下水的水質(zhì)納入評(píng)估的指標(biāo)。此外，還借鑒了國(guó)內(nèi)外其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及劃分等級(jí)的相關(guān)案例，按照供用水的水質(zhì)實(shí)際狀況來(lái)明確地下水各組分的分級(jí)類別以及標(biāo)準(zhǔn)界值。表2即為各評(píng)價(jià)組分的等級(jí)范圍以及代表值。

表2 水質(zhì)評(píng)價(jià)分級(jí) 單位：mg/L

按照構(gòu)建的模糊數(shù)學(xué)評(píng)估模型[6-7]，有10處取樣點(diǎn)的淺層地下水符合Ⅰ類水質(zhì)，占比為 21.74%；有16處取樣點(diǎn)的淺層地下水符合Ⅱ類水質(zhì)，占比為34.78%；有10處取樣點(diǎn)的淺層地下水符合Ⅲ類水質(zhì)，占比為21.74%；有3處取樣點(diǎn)的淺層地下水，占比為4.35%；有8處取樣點(diǎn)的淺層地下水，占比為17.39%。有15處取樣點(diǎn)的深層地下水符合Ⅰ類水質(zhì)，占比為22.73%；有12處取樣點(diǎn)的深層地下水符合Ⅱ類水質(zhì)，占比為18.18%；有16處取樣點(diǎn)的深層地下水符合Ⅲ類水質(zhì)，占比為24.24%；有14處取樣點(diǎn)的深層地下水符合Ⅳ類水質(zhì)，占比為21.21%；有9處取樣點(diǎn)的深層地下水符合Ⅴ類水質(zhì)，占比為13.64%。水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)詳見(jiàn)表3。

表3 水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

5 結(jié) 論

研究結(jié)果表明，模糊數(shù)學(xué)模型的評(píng)價(jià)結(jié)果符合水質(zhì)的特點(diǎn)，并著重描述了地下水中主要超標(biāo)組分是如何惡化地下水水質(zhì)的，此外還將其他非主要超標(biāo)組分納入影響要素，評(píng)價(jià)結(jié)果能夠有效、科學(xué)地反映水質(zhì)的演變情況。因此，該方法的評(píng)價(jià)結(jié)果符合當(dāng)前地下水的開(kāi)發(fā)利用情況，可以將該方法的評(píng)價(jià)結(jié)果應(yīng)用到相應(yīng)的領(lǐng)域或研究中。

Evaluation and research on underground water quality based on fuzzy comprehensive evaluation

WANG Yin

(LiaoningFuxinHydrologyBureau,Fuxin123000,China)

In the paper, the quality of groundwater in test area is comprehensively analyzed by using several typical water quality evaluation model. The sampled underground water is obtained from the shallow underground water and deep underground water No. 2 aquifer group in the test area. The underground water quality is evaluated according to the analysis data of water quality. The studies show that main factors leading to poor overall quality of underground water include the follows: native components are beyond the standard, and the native components mainly include fluoride, manganese, iron and other trace components besides normal components. The fuzzy mathematics method is adopted as the evaluation method in the paper. It is believed in the study that the quality of the underground water in test area is mainly based on class Ⅰ～Ⅲ.

underground water; water quality; fuzzy comprehensive evaluation

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.06.010

TV211.1

A

2096-0131(2017)06- 0039- 04