基于數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法的博州地下水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

(新疆博爾塔拉水文勘測(cè)局，新疆 博樂 833400)

水資源是保障我國(guó)社會(huì)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的根本要素之一[1]。目前我國(guó)的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人口也逐步增加，地下水的的重要程度越來越凸顯，在地表水資源短缺的北方地區(qū)尤其受到關(guān)注。20世紀(jì)以來，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)正處于飛速穩(wěn)定發(fā)展階段，但是地下水的不合理開發(fā)利用限制了其飛速發(fā)展，這一系列地下水問題引起了黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人和政府部門的高度重視，對(duì)地下水資源的開發(fā)利用和地下水監(jiān)測(cè)工作都十分關(guān)注。這兩年，水利部和國(guó)土資源部在《國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程項(xiàng)目建議書》的基礎(chǔ)上，共同組織編制的《國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程可行性研究報(bào)告》[2]，《國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程》正在緊鑼密鼓的施行。

本文對(duì)新疆博州地區(qū)地下水進(jìn)行了相關(guān)水質(zhì)分析研究，評(píng)價(jià)了本研究區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，為博州地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

在新疆維吾爾自治區(qū)西北部的博爾塔拉蒙古自治州(以下簡(jiǎn)稱博州)位于亞歐大陸腹地，東臨準(zhǔn)噶爾盆地，屬溫帶大陸性氣候，主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)冬冷夏熱、日夜溫差大、日照時(shí)間長(zhǎng)、降雨量小、蒸發(fā)量大，歷年平均降水量228 mm。水資源為艾比湖流域，主要包括博爾塔拉河和精河兩大流域以及艾比湖和賽里木湖兩大湖泊。行政區(qū)域包含兩市兩縣，分別是博樂市、溫泉縣、精河縣和阿拉山口市。

2 樣品采集與分析

本次樣品嚴(yán)格按照地下水水樣采集標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行采樣，在博州不同地下水站點(diǎn)共取樣13組。水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為水溫、pH、電導(dǎo)率、色度、嗅和味、渾濁度、肉眼可見物、八大離子、CODMn、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、氟化物、毒性指標(biāo)、重金屬、總大腸菌群、糞大腸菌群。檢測(cè)使用的主要儀器設(shè)備有722E型分光光度計(jì)、723C型分光光度計(jì)、T6新世紀(jì)紫外可見分光光度計(jì)、DDS-307電導(dǎo)率儀、PHS-3C精密酸度計(jì)、AFS-933原子熒光光度計(jì)、TAS-990AFG原子吸收分光光度計(jì)。每組樣品都進(jìn)行平行測(cè)定，取平均值。

3 地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)方法

根據(jù)水物質(zhì)組成給出的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)分析的時(shí)空狀態(tài)是水質(zhì)評(píng)價(jià)的主要任務(wù)[3]，博州區(qū)域地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法，模糊綜合評(píng)價(jià)法是近年來地下水水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)中使用較為普遍的一種方法，因?yàn)樗|(zhì)的優(yōu)劣具有模糊的定義，所以依據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)變?yōu)槎吭u(píng)價(jià)，改變了以往僅用確定性指標(biāo)來評(píng)價(jià)水質(zhì)的方法，根據(jù)地下水污染邊界的模糊描述和地下水與各等級(jí)的隸屬關(guān)系，從而使地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果更客觀、全面[4]。

表1 博州地區(qū)地下水評(píng)價(jià)因素集 mg/L

3.1.1 建立水質(zhì)評(píng)價(jià)因子集合及等級(jí)集合

設(shè)評(píng)價(jià)因子集合為：U = {u1，u2，…，un} ，其中u1，u2，…，un為進(jìn)行評(píng)價(jià)的 n個(gè)評(píng)價(jià)因子。

設(shè)評(píng)價(jià)等級(jí)集合為：V = { v1，v2，…，vm} ，其中 v1，v2，…，vm為進(jìn)行評(píng)價(jià)的 m個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用國(guó)家《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》( GB/T14848—1993)[5]，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定地下水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)一共分五類。

3.1.2 建立隸屬度及模糊矩陣

隸屬函數(shù)通常由隸屬度來表示。為了方便起見，隸屬函數(shù)作為線性函數(shù)：

式中：Y為對(duì)應(yīng)于Xi-1或Xi所規(guī)定的那一級(jí)水的隸屬度；X為實(shí)測(cè)值；Xi-1、Xi為某項(xiàng)參數(shù)相鄰的兩級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值。

分別計(jì)算各單項(xiàng)因子對(duì)各級(jí)水質(zhì)的隸屬度，依次排列成一個(gè)u×v的模糊矩陣，即K=(ruv)，0≤ kuv≤1。

3.1.3 建立權(quán)重集

根據(jù)超標(biāo)參數(shù)進(jìn)行加權(quán)，污染越嚴(yán)重，加權(quán)越大。權(quán)重值為：

為進(jìn)行模糊運(yùn)算，將各單項(xiàng)權(quán)重再進(jìn)行歸一化運(yùn)算：

式中：Wi為第i種污染物以平均標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)的超標(biāo)指數(shù)，即為權(quán)重；Xi為第i種污染物實(shí)測(cè)濃度；Si為第i種污染物各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值的平均值。Ai為第i種污染物的歸一化權(quán)重。

由上計(jì)算方法，每個(gè)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，形成一個(gè)1×n的模糊矩陣A：A=(a1a2… an)。

表2 1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度

表3 博州地區(qū)地下水評(píng)價(jià)因素的權(quán)重集

3.1.4 模糊綜合評(píng)價(jià)

模糊綜合評(píng)價(jià)考慮所有因子的影響，將模糊權(quán)重集A和模糊關(guān)系矩陣K通過模糊復(fù)合運(yùn)算得到綜合評(píng)價(jià)，即對(duì)A和K采用取小取大法進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算得出結(jié)果，再通過比較各級(jí)隸屬度的大小，其中隸屬度最大的所在等級(jí)代表地下水水質(zhì)分類等級(jí)。

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

此次評(píng)價(jià)選取的13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共有21項(xiàng)指標(biāo)組成評(píng)價(jià)因素級(jí)U，分別是總硬度、氯化物、硫酸鹽、溶解性總固體、CODMn、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、氟化物等，見表1。

以國(guó)家《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》( GB/T14848—1993)為依據(jù)，建立評(píng)價(jià)等級(jí)集V={Ⅰ級(jí)，Ⅱ級(jí)，Ⅲ級(jí)，Ⅳ級(jí)，Ⅴ級(jí)}。按3.1.2的方法計(jì)算13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的隸屬度，例如監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的隸屬度見表2。

其他各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的隸屬度按3.1.2的方法均可求得，在此不一一列舉。

按3.1.3的方法，各指標(biāo)建立權(quán)重集，并確定權(quán)重值，最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果見表3。

將3.1.2所得的各評(píng)價(jià)因子的模糊矩陣R和3.1.3中所得的各權(quán)重集A帶入3.1.4中的模糊復(fù)合運(yùn)算，得到模糊綜合評(píng)價(jià)，博州地區(qū)13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。

表4 博州地區(qū)地下水水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析討論

(1)從表2中可以看出所有評(píng)價(jià)因子基本全部達(dá)到了國(guó)家Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但是硫酸鹽和總硬度的影響很大，使水質(zhì)在Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)之間徘徊，個(gè)別站點(diǎn)直接歸為Ⅴ級(jí)。

(2)根據(jù)表3，通過對(duì)權(quán)重值的計(jì)算，硫酸鹽和總硬度是影響水質(zhì)較大的因子。這是因?yàn)椴┲莸貐^(qū)主要含水層屬于寒武、奧陶系碳酸鹽巖海相沉積巖層，因此局部地段含硫酸鹽。這些化學(xué)物質(zhì)在喀斯特地下水補(bǔ)給、徑流和排泄過程中可溶解成大量的地下水，在其徑流條件和排水差的地區(qū)會(huì)造成水質(zhì)超標(biāo)現(xiàn)象。

(3) 經(jīng)過對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的模糊綜合評(píng)價(jià)計(jì)算表明，博州地區(qū)地下水水質(zhì)情況總體較好，符合實(shí)際調(diào)查結(jié)果。13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，有2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)達(dá)到了Ⅰ級(jí)，占全部監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的15.4%；有6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)達(dá)到了Ⅱ級(jí)，占全部監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的46.2%；有2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)達(dá)到了Ⅲ級(jí)，占全部監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的15.4%；有3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)達(dá)到了Ⅴ級(jí)，占全部監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的23.1%；水質(zhì)級(jí)別在Ⅲ級(jí)以上的占占全部監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的76.9%，超整個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的3/4。

4 結(jié)語

(1)研究區(qū)地下水環(huán)境總體較好，尤其是精河地區(qū)，主要超標(biāo)因素有硫酸鹽、總硬度、溶解性總固體、氨氮等。

(2)模糊綜合評(píng)價(jià)比較全面客觀的反應(yīng)了水質(zhì)現(xiàn)狀，采用隸屬度函數(shù)來描述水質(zhì)狀況，體現(xiàn)了實(shí)際界限的模糊性，不僅可以反映各指標(biāo)共同作用下的水質(zhì)狀況，還可以了解主要的超標(biāo)物，權(quán)重的大小是根據(jù)測(cè)量值和標(biāo)準(zhǔn)值來確定的，而且更客觀，最終結(jié)果不僅可以反映水質(zhì)質(zhì)量水平，而且還反映了各種超標(biāo)物的隸屬情況。為政府制定環(huán)境政策和規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)污染控制和合理措施具有指導(dǎo)意義。

(3) 本論文評(píng)價(jià)結(jié)果為科學(xué)評(píng)價(jià)地下水環(huán)境、合理開發(fā)和有效保護(hù)地下水、減輕和預(yù)防地下水污染和生態(tài)環(huán)境提供了重要依據(jù)?？梢灾苯訛樗Y源的管理和保護(hù)，地下水的合理開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)保障。

[1]馬軍.中國(guó)水危機(jī)[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社.1999.

[2]國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程項(xiàng)目可研報(bào)告編寫組.國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程可行性研究報(bào)告[R].2011.[Feasibility Study Report Writing Group. National groundwater monitoring project feasibility study report[R].2011.(in Chinese)].

[3]夏瓊,錢家忠,陳舟.基于支持向量機(jī)的淮南市淺層地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì).2009.(1):56-59.

[4]虞登梅.兩種不同的水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法應(yīng)用與比較[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版) .2006.26( 1) :6 - 9.

[5]國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T14848-93地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.1994.