基于模糊綜合評價法的?？诘貐^(qū)淺層地下水水質評價

楊永鵬，陜 寧

(海南省地質調查院，海南 ?？?570206)

基于模糊綜合評價法的海口地區(qū)淺層地下水水質評價

楊永鵬，陜 寧

(海南省地質調查院，海南 ?？?570206)

以海口地區(qū)淺層地下水取樣檢測資料為依據(jù)，選用了硫酸鹽、氯化物、鐵、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮、氟化物、總硬度、溶解性總固體共9個評價指標，從隸屬度、權重的計算以及水質模糊綜合評價模型的選擇等方面。詳細介紹了模糊綜合評價法運用于地下水水質評價中的全過程。評價結果表明，其?？诘貐^(qū)淺層地下水水質多屬多屬Ⅰ至Ⅱ類水，評價結果準確合理，客觀反映了各種因子共同作用下的水質情況，與實際情況相符合，證明模糊綜合評價法是一種有效的評價方法。

模糊綜合評價；評價因子；評價級別；隸屬度；水質評價

水的質量簡稱水質，是指水體中所含物理成分、化學成分和及生物成分的總和，水的質量決定著水的用途和利用價值。所以，根據(jù)地下水的主要物質成分和給定的水質標準，分析地下水水質的時空分布狀況，便成為了地下水水質保護的首要問題，也是人民衡量地下水資源優(yōu)劣的有效手段。目前水質綜合評價模型主要有單因子評價法、模糊模式識別法、灰關聯(lián)模式識別法、BP人工神經(jīng)網(wǎng)格法等。由于水質模糊綜合評價法能充分考慮每個因子對綜合評價結果的奉獻，并把奉獻權重進行分配，評價結果反映了各評價參數(shù)的綜合作用，使其便于在不同地區(qū)間進行水質橫向比較，能夠較為準確的反映水質綜合狀況[1]。本研究采用模糊綜合評價法對海南?？诘貐^(qū)淺層地下水水質進行評價。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于海南島的東北部，包括海口市、文昌市和澄邁縣三個市縣，北與雷州半島隔海相望，地勢總體呈南高北低，微向海傾。區(qū)內雨量豐富，多年平均降雨量1 676.8 mm，旱、雨季分明，5～10月份為雨季，降雨量占全年的78.1%，11月至翌年4月為旱季，降雨量占全年的21.9%，多年平均蒸發(fā)量1 975.7 mm；多年平均氣溫23.8℃。5～8月份為高溫期，最高氣溫38.9℃；1～2月份為低溫期，極端最低氣溫2.8℃。該地區(qū)淺層地下水類型主要包括第四系松散巖類孔隙潛水含水層、火山巖裂隙孔洞潛水含水層和基巖裂隙水含水層3大類[2]。

2 水質模糊綜合評價法應用實例及計算

水質模糊綜合評價的基本思路：首先對參評指標的各評價級別進行綜合，得到樣品對各個評價級別的綜合滿意度，然后再根據(jù)評價問題的需要予以集化，得到一個最終的評價結果[3]。水質模糊綜合評價模型構建的思路如下：

設評價因子集為U={U1，U2，…，Ui，…，Un}(i=1，2，…，n)，n為評價因子數(shù)；評價級別集為V={ V1，V2，…，Vi，…，Vm}(i=1，2，…，m)，m為評價級別數(shù)；評價因子的權重系數(shù)集為A=(A1，A2，…，Ai，…，An)(0<αi≤1)；R為單要素評價向量組成的綜合評價矩陣，單要素評價向量為單個評價因子相對于各評價等級的隸屬度所組成的向量。則水質模糊綜合評價結果為：

B=A°R

(1)

式(1)中“?！睘槟：\算的合成算子。

2.1 水質評價因子集的建立

本次研究根據(jù)《地下水質檢驗方法》(DZ /T 0064-93)[4]和《地質礦產(chǎn)實驗室測試質量管理規(guī)范》DZ /T 0130．6-2006[5]對研究區(qū)243個取樣點共取243組淺層地下水水樣進行檢驗測試，選擇9個決定水質類別的評價因子，建立評價因子集為：

U={U1，U2，U3，U4，U5，U6，U7，U8，U9}

U = { 硫酸鹽，氯化物，鐵，硝酸鹽(以N計)，亞硝酸鹽(以N計)，氨氮(以N計)，氟化物，總硬度(以CaCO3計)，溶解性總固體 }

評價數(shù)據(jù)采用2011年采取水樣的實測數(shù)據(jù)(表1)。

表1 ?？诘貐^(qū)淺層地下水水質樣品評價因子實測數(shù)據(jù) mg/L

注：共有243組水樣，由于篇幅所限，僅節(jié)選其中10組水樣實測數(shù)據(jù)。

2.2 水質評價級別集的建立

本次研究采用《地下水水質標準》(DZ / T 0290-2015)[6]中的Ⅰ～Ⅴ類水質標準進行評價，建立水質評價級別集為V = {Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}，見表2。

表2 地下水水質分級標準 mg/L

2.3 隸屬函數(shù)的確定

2.3.1 隸屬函數(shù)確定的方法

用隸屬度劃分水質分級界限，隸屬度在模糊綜合評價中是指某一評價因子在指定論域中的隸屬程度，水質綜合評價的關鍵是要確定諸因子的隸屬函數(shù)。隸屬函數(shù)確定有多種方式，一般常選用升(降)半梯形分布，建立一元線性隸屬函數(shù)[7]。本次研究選用降半梯形分布來確定函數(shù)，設xi表示第i種評價因子的濃度值，則第i種評價因子屬于第j類水質的隸屬度計算關系式為：

(2)

式(2)中：μij為第i種評價因子屬于第j類水質的隸屬度；m為水質級別數(shù)；xi為第i種評價因子的實測值(i=1，2，…，n，n為評價因子數(shù))；sij為第i種評價因子第j類的國家標準濃度值。

2.3.2 實例說明

以樣品sw03為例，硫酸鹽：μ11=1，μ12=μ13=μ14=μ15=0；氯化物：μ21=1，μ22=μ23=μ24=μ25=0；鐵：μ31=μ12=0，μ13=0.451，μ14=0.529，μ15=0；硝酸鹽：μ41=1，μ42=μ43=μ44=μ45=0；亞硝酸鹽：μ51=0，μ52=0.638，μ53=0.362，μ54=μ55=0；氨氮：μ61=1，μ62=μ63=μ64=μ65=0；氟化物：μ71=1，μ62=μ63=μ64=μ65=0；總硬度：μ81=1，μ82=μ83=μ84=μ85=0；溶解性總固體：μ91=1，μ92=μ93=μ94=μ95=0。

2.4 模糊關系矩陣的確定

2.4.1 模糊關系矩陣確定的方法

根據(jù)式(2)隸屬度計算關系式首先得某一樣品各個評價因子的單因子模糊評價隸屬度向量Ri：

Ri=(μi1，μi2，…，μij，…，μim)

(3)

將各單因子評價集的隸屬度為行，則組成隸屬度綜合評價矩陣R：

(4)

2.4.2 實例說明

以樣品sw03為例，已知U為9個評價因子的集合，V為5類水質分級的集合，根據(jù)隸屬度計算關系式求該樣品9個評價因子對5類級別的隸屬程度，得到9×5的模糊矩陣R，即：

2.5 權重的確定

2.5.1 權重確定的方法

權重確定的方法較多，本次研究根據(jù)n種污染因子所產(chǎn)生的污染作用的不同，以污染因子的超標情況決定權重，即超標越多則賦予的權重越大，并進行歸一化處理得到權重系數(shù)矩陣，計算公式為[8]：

(5)

(6)

式(5)、(6)中：αi為第i種評價因子的權重；xi為第i種評價因子的濃度實測值；si為第i種評價因子各評價級別濃度標準值總和的平均值；sij為第i種評價因子的第j類評價級別濃度標準值；m為水質分類級別數(shù)。

得到的評價因子權重集為：

α=(α1，α2，…，αi，…，αn)

(7)

對評價因子權重集，即式(7)進行歸一化處理，得到評價因子權重系數(shù)矩陣：

A=(A1，A2，…，Ai，…，An)

(8)

(9)

2.5.2 實例說明

α=(0.021 8，0.035 7，0.845 7，0.009 3，0.133 9，0.009 8，0.073 7，0.120 8，0.096 6)

A=(0.016 2，0.026 5，0.627 6，0.006 9，0.099 4，0.007 3，0.054 7，0.089 7，0.071 7)

2.6 模糊矩陣的復合運算

2.6.1 復合運算方法的確定

模糊綜合評價的結果是通過權重系數(shù)矩陣A和模糊隸屬度評價矩陣R的復合運算得到：

B=A。R=(A1，A2，…，Ai，…，An)。

(10)

式(10)中運算符號“。”為合成算子，通常采用以下兩種方法：(1)按模糊矩陣合成算法；(2)普通矩陣算法。模糊矩陣合成算法與普通矩陣算法相比，運算的過程一樣，只是將實數(shù)乘法改為邏輯乘“∧”，實數(shù)加法改為邏輯加“∨”，即兩數(shù)相乘取小者為“積”，諸數(shù)相加取大者為“和”。由于模糊矩陣合成算法只突出了隸屬度很大和很小項的作用，其運算結果B中的值有時會出現(xiàn)等值，評價不出優(yōu)劣，這在實際的評價中是不合理的。因此本次研究采用了普通矩陣算法來進行復合運算，其在評價結果向量中包括了所有因素的共同作用，真正體現(xiàn)了綜合性，在實際評價中更具合理性[9]。

2.6.2 實例說明

以樣品sw03為例：

B=A°R=(0.273 0，0.063 4，0.331 4，0.332 2，0.000 0)

表3 海口地區(qū)淺層地下水水質模糊綜合評價結果 mg/L

注：共有243組水樣，由于篇幅所限，僅節(jié)選其中10組水樣實測數(shù)據(jù)。

2.7 模糊水質綜合評價結果

模糊矩陣復合運算結果矩陣B中的值是對應于水質評價級別集V的各項隸屬度，反映了評價水質對Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ類水質標準的所屬程度。按照最大隸屬度為原則確定水質綜合評價級別，即隸屬度最大值所在級別為該樣品的水質類別。由計算結果綜合評價樣品sw03水質類別屬于Ⅳ類，同理可得其余樣品的水質類別(表3)。

根據(jù)以上模糊水質綜合評價結果，海口地區(qū)淺層地下水所取246組地下水樣品中，水質屬于Ⅰ類水的樣品點有191個，占總樣品的78.60%；水質屬于Ⅱ類水的樣品點有19個，占總樣品的7.82%；水質屬于Ⅲ類水的樣品點有12個，占總樣品的4.94%；水質屬于Ⅳ類水的樣品點有14個，占總樣品的5.76%；水質屬于Ⅴ類水的樣品點有7個，占總樣品的2.88%。整體來看Ⅰ、Ⅱ類水的樣品約占86.42%。

3 結語

本次研究采用了模糊數(shù)學綜合評價法對?？诘貐^(qū)淺層地下水水質進行評價，根據(jù)《地下水水質標準》(DZ / T 0290-2015)，選取具有代表性的9項評價因子，對水質評價因子賦予了相應的權重值，其評價結果角準確合理，客觀的反映了各種因子共同作用下的水質情況。評價結果表明?？诘貐^(qū)淺層地下水水質多屬Ⅰ至Ⅱ類水，這與實際情況比較相符。

[1]李奇珍，何俊仕．水質綜合評價方法探討[J]．人民黃河.2007.29(1)：50-52.

[2]海南省地質調查院．2016年海南國際旅游島水文地質工程地質調查評價.

[3]田欽謨．模糊綜合評價中的權向量與合成算子[J]．大連水產(chǎn)學院學報.2000.15(1)：55-59.

[4]DZ / T 0064-93.地下水質檢驗方法[S].

[5]DZ / T 0130．6-2006.地質礦產(chǎn)實驗室測試質量管理規(guī)范[S].

[6]DZ / T 0290-2015.地下水水質標準[S].

[7]何錦峰．水資源價值評價—以成都市為例[D]．北京：中國科學院.2000.

[8]陳劍，白艷麗．模糊數(shù)學在渾河(撫順段)水質綜合評價中的應用[J]．遼寧城鄉(xiāng)環(huán)境科技.2003.23(2)：21-24.

[9]劉彬，周玉娟，奕清華．模糊數(shù)學在地下水質綜合評價中的應用[J]．河北建筑科技學院學報.2006.23(1)：8-10.

Evaluation of Shallow Groundwater Quality in Haikou Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation Method

YANG Yong-peng，SHAN Ning

(Hainan Geological Survey Institute, Hainan Haikou 570206)

Based on the data of shallow groundwater sampling in Haikou, nine evaluation indexes of sulfate, chloride, iron, nitrate, nitrite, ammonia nitrogen, fluoride, total hardness and total dissolved solids are selected. The whole process of the application of fuzzy comprehensive evaluation method in groundwater quality evaluation is introduced in detail from the aspects of membership degree, weight calculation and selection of fuzzy comprehensive evaluation model of water quality. The results show that the quality of shallow groundwater in Haikou area is mostly of classⅠtoⅡ, the evaluation result is accurate and reasonable, and the water quality situation under the common effect of various factors is reflected objectively, which is consistent with the actual situation. This proves that the fuzzy comprehensive evaluation method is an effective evaluation method.

fuzzy comprehensive evaluation; evaluation factor; evaluation level; membership degree; water quality evaluation

2017-04-27

珠三角—環(huán)北部灣經(jīng)濟區(qū)地質環(huán)境調查評價項目(1212011220016)

楊永鵬(1986-)，男，海南萬寧人，工程師，主要從事水工環(huán)地質調查方面工作。

P641.12

A

1004-1184(2017)04-0020-03