2種方法在典型巖溶區(qū)地下水質(zhì)量評價中的對比
——以地蘇地下河為例

喬肖翠，李雪，劉琰*

1.湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，中國環(huán)境科學(xué)研究院 2.國家環(huán)境保護(hù)飲用水水源地保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國環(huán)境科學(xué)研究院

水質(zhì)評價是水質(zhì)管理工作的重要基礎(chǔ)，主要是在對水體的一些理化及生物指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)查的基礎(chǔ)上，使用一定的方法對水體質(zhì)量優(yōu)劣程度做出的定性或定量描述[1]。水質(zhì)評價對判斷水體的優(yōu)劣狀況，了解其水質(zhì)變差成因具有重要的意義，且評價結(jié)果可為水資源管理及水污染控制提供科學(xué)依據(jù)，而適當(dāng)?shù)脑u價方法是保證評價結(jié)果科學(xué)合理的關(guān)鍵。目前，較為常用的水質(zhì)評價方法包括單因子指數(shù)法、綜合指數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)評價法、模糊綜合指數(shù)法及其他應(yīng)用多元統(tǒng)計分析法的水質(zhì)評價法等[2-3]。

我國西南巖溶區(qū)巖溶總面積約78萬km2，而地下水是巖溶區(qū)的重要水源。由于巖溶含水層抗污染能力弱，水環(huán)境脆弱，地下水潛在污染來源復(fù)雜，因此巖溶地下水的質(zhì)量問題應(yīng)引起人們的重視[4-7]。筆者選取典型西南巖溶區(qū)也是廣西目前已知的最大地下河系——地蘇地下河系為研究對象，運(yùn)用水質(zhì)指數(shù)法和模糊綜合指數(shù)法對該地下河系代表性點(diǎn)位的水質(zhì)進(jìn)行評價，比較2種方法在巖溶地下水評價中的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性，并了解研究區(qū)地下水的水質(zhì)狀況，以期為地下水質(zhì)量評價及研究區(qū)地下水的開發(fā)利用和污染治理等提供參考。

1 評價方法

1.1 水質(zhì)指數(shù)法

表1 水質(zhì)類別與WI對應(yīng)關(guān)系Table 1 Correspondence between water quality categories and WI

(1) 指標(biāo)為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)時，WI計算公式如下:

(1)

式中：WI(i)為第i個指標(biāo)所對應(yīng)的指數(shù)；WIl(i)為第i個指標(biāo)所在水質(zhì)類別標(biāo)準(zhǔn)下限所對應(yīng)的指數(shù)；WIh(i)為第i個指標(biāo)所在水質(zhì)類別標(biāo)準(zhǔn)上限所對應(yīng)的指數(shù)；C(i)為第i個指標(biāo)的實(shí)測濃度；Cl(i)為第i個指標(biāo)所在水質(zhì)類別標(biāo)準(zhǔn)的下限濃度；Ch(i)為第i個指標(biāo)所在水質(zhì)類別標(biāo)準(zhǔn)的上限濃度。

當(dāng)GB/T 14848—2017中2個水質(zhì)等級的標(biāo)準(zhǔn)值相同時，按低分?jǐn)?shù)值區(qū)間插值計算。

(2)指標(biāo)為Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)時，WI計算公式如下:

(2)

式中:C5(i)為第i個指標(biāo)在GB/T 14848—2017中的Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)濃度限值。

(3)WI確定：

WI=max WI(i)

(3)

1.2 模糊綜合指數(shù)法

由于水質(zhì)評價中的污染程度、水質(zhì)類別都是一些客觀存在的模糊概念和模糊現(xiàn)象，而模糊綜合評判法是利用模糊變換原理和最大隸屬度原則，將評價的理論和方法與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)模型相結(jié)合，通過模糊級別判斷及綜合評價值的計算，客觀地反映地下水水質(zhì)的實(shí)際狀況，可以直觀地判斷水質(zhì)的優(yōu)劣。模糊綜合指數(shù)法在建立單因素隸屬函數(shù)時，需要同時對每一級別逐一建立隸屬函數(shù)，過程較復(fù)雜，但是該方法能夠較好地解決水質(zhì)評價中水質(zhì)分級界限和等級概念的模糊性與不確定性，且綜合考慮了地下水評價因子超標(biāo)值、水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)、評價因子在總體污染中的貢獻(xiàn)等，彌補(bǔ)了水質(zhì)指數(shù)法的缺點(diǎn)。利用模糊綜合指數(shù)法進(jìn)行地下水質(zhì)量評價的基本思路：由水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)建立各指標(biāo)對各級水的隸屬度集，形成隸屬度矩陣，再把各指標(biāo)的權(quán)重集和隸屬度矩陣相乘，得到模糊積，獲得一個綜合評判集，表明水體水質(zhì)對各級標(biāo)準(zhǔn)的隸屬程度，反映了綜合水質(zhì)級別的模糊性[12-15]。

1.2.1建立評價標(biāo)準(zhǔn)集與評價因子集

評價標(biāo)準(zhǔn)集合V={v1,v2,…,vn}，其中vn為各污染物對應(yīng)的水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)值。在本研究中，依據(jù)GBT 14848—2017的水質(zhì)類別劃分方法，取相鄰2個類別水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的平均值作為模糊綜合指數(shù)法中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級水質(zhì)的評價分級標(biāo)準(zhǔn)值；Ⅰ級水的評價分級標(biāo)準(zhǔn)值取GBT 14848—2017中Ⅰ類水質(zhì)上限值的一半；Ⅴ級水的評價分級標(biāo)準(zhǔn)值則取GBT 14848—2017中Ⅴ類水質(zhì)的下限值[16]。

評價因子集U={u1,u2,…,um}，其中um為影響地下水質(zhì)量的污染物實(shí)測濃度。

1.2.2建立模糊關(guān)系矩陣

每個參評指標(biāo)對于每一級水質(zhì)的隸屬程度用隸屬度(Fij)表示，且0≤Fij≤1。Fij越大，隸屬程度越高。采用半梯形分布法來計算隸屬度。模糊關(guān)系矩陣在水質(zhì)評價中反映了評價因子對各級水的隸屬度。設(shè)評價中有n項(xiàng)水質(zhì)影響指標(biāo)，取第k個水樣中指標(biāo)i的實(shí)測值為Xki，其j級標(biāo)準(zhǔn)值為Cij，則該因子對各級水的隸屬度可用下式表示[17]。

Ⅰ級水隸屬度：

(4)

Ⅱ～Ⅳ級水隸屬度：

(5)

Ⅴ級水的隸屬度:

(6)

利用上述公式求得各指標(biāo)的隸屬度，并得出模糊關(guān)系矩陣：

(7)

矩陣的行表示第k個水樣的第i個指標(biāo)對j級水的隸屬度，矩陣的列表示參評的指標(biāo)在各水質(zhì)級別上的隸屬度。

1.2.3各指標(biāo)權(quán)重因子計算

不同的污染物其危害性不同，因此在評價水質(zhì)的過程中要對各參評指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重因子的計算。一般采用污染物濃度超標(biāo)加權(quán)法進(jìn)行計算，公式如下：

(8)

(9)

式中：Wki為權(quán)重因子；aki為第k個水樣第i個參評指標(biāo)的權(quán)重。

根據(jù)以上公式對各參評指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重的計算，并由其組成因子權(quán)重集：

A={ak1,ak2,…,akn}

(10)

1.2.4綜合評價方法

綜合評價是對各參評指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)的過程，通過復(fù)合運(yùn)算法則對矩陣R與A進(jìn)行加權(quán)，求得綜合評價值B=A×R。對于綜合評判所得結(jié)果按最大隸屬度原則確定，結(jié)果對哪級水的隸屬度最大，水質(zhì)則定為哪級。如果在評價過程中，2個級別的隸屬度都最大時，則考慮次大值，次大值所屬水質(zhì)級別越接近哪個最大值所屬水質(zhì)級別，則將該最大值所屬水質(zhì)級別作為評價結(jié)果。

2 地下水質(zhì)量評價對比分析

2.1 研究區(qū)概況

地蘇地下河系位于都安瑤族自治縣的中西部，匯水面積為1 004 km2，是廣西規(guī)模最大的地下河系。地蘇地區(qū)位于云貴高原與廣西丘陵平原間的斜坡地帶，平均年降水量為1 738.7 mm，水流沿著巖層表面及斷裂侵蝕與溶蝕，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，形成峰叢洼地、峰叢谷地與峰林谷地地貌，洼地及谷地中洞穴星羅棋布，大量降水很快被洞穴及裂隙吸收，水交替運(yùn)動強(qiáng)烈，逐漸發(fā)育形成現(xiàn)今的地下河系。長期季節(jié)性、周期性的短時間內(nèi)集中降水形成的暴流沖刷侵蝕，是地蘇地下河系形成的主要原因[18]。

地蘇地下河的水源主要來源于西北部山區(qū)，補(bǔ)給區(qū)分布在研究區(qū)的西部，也就是地蘇河的上游地段。排泄區(qū)主要分布在地蘇河的中下游地段，其中中游段排泄區(qū)分布在地蘇鄉(xiāng)附近，在平豐水期，大部分洪水通過中游的東廟、九設(shè)、大懷、枯桐等各天窗溢出地表，補(bǔ)給地蘇河。其中東廟地段溢流量最大，時間較長，每年4—10月有水流，是地蘇河的源頭。百陵、靈好、文黨、橋孔等天窗向外溢流補(bǔ)給拉棠河。地蘇地下河系的總排泄口是青水出口，匯入紅水河。

2.2 采樣點(diǎn)布設(shè)

于2015年6月在地蘇地下河研究區(qū)開展樣品采集工作。依據(jù)代表性、典型性與均衡性的原則，在地蘇地下河干流及支流上共設(shè)置28個采樣點(diǎn)(圖1)。樣品依照《地下水污染地質(zhì)調(diào)查評價規(guī)范》[19]中重點(diǎn)區(qū)調(diào)查水樣測試指標(biāo)要求進(jìn)行測試。樣品測試工作由中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所實(shí)驗(yàn)室完成。

2.3 評價標(biāo)準(zhǔn)和參評指標(biāo)

2.3.1評價標(biāo)準(zhǔn)

2.3.2參評指標(biāo)

2.4 評價結(jié)果及分析

2.4.1水質(zhì)指數(shù)法評價結(jié)果

地蘇地下河28個水樣的水質(zhì)指數(shù)法評價結(jié)果如表2所示。在評價過程中，根據(jù)各水樣計算所得WI直接進(jìn)行水質(zhì)類別劃分，并根據(jù)劃分結(jié)果，進(jìn)行主要超標(biāo)指標(biāo)的識別。識別時遵照以下原則：1)水質(zhì)為Ⅲ類或優(yōu)于Ⅲ類的水樣不做主要超標(biāo)指標(biāo)篩選；2)水質(zhì)劣于Ⅲ類的水樣，從超過Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值的指標(biāo)中取WI最大的前3個指標(biāo)作為該點(diǎn)位的主要超標(biāo)指標(biāo)。

表2 水質(zhì)指數(shù)法評價結(jié)果

2.4.2模糊綜合指數(shù)法評價結(jié)果

按照1.2節(jié)所述隸屬函數(shù)建立方法，以DS-01為例，計算22個指標(biāo)對5級水隸屬函數(shù)，得到模糊關(guān)系矩陣R〔式(11)〕、因子權(quán)重集A〔式(12)〕以及模糊綜合評價結(jié)果向量B〔式(13)〕。根據(jù)計算結(jié)果，將各采樣點(diǎn)水樣的地下水水質(zhì)進(jìn)行分類(表3)。模糊綜合指數(shù)法評價結(jié)果表明，在參評的28個地下水樣中，水質(zhì)為Ⅱ類(良好)、Ⅲ類(較好)的水樣分別有14和8個，分別占全部水樣的50%和28.57%；水質(zhì)為Ⅳ類(較差)及Ⅴ類(極差)的點(diǎn)位各有3個，均占全部水樣的10.71%，無Ⅰ類水。總體來說，水質(zhì)劣于Ⅲ類水的點(diǎn)位共有6個，占全部水樣的21.43%。

(11)

A=[0.166,0.049,…,0.198]

(12)

B=A×R=[0.295,0.506,…,0]

(13)

表3 模糊矩陣計算結(jié)果

2.4.3評價結(jié)果對比

對比2種評價方法所得28個點(diǎn)位的水質(zhì)類別可知，評價結(jié)果一致的有15個點(diǎn)位，有差異的13個點(diǎn)位，但是差異點(diǎn)位的水質(zhì)類別也僅相差一個級別。將有差異的13個點(diǎn)位的評價結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)雖然2種方法評價所得水質(zhì)類別不同，但是通過WI可知，水質(zhì)指數(shù)法評價出的有差異的點(diǎn)位，其水質(zhì)狀況接近于模糊綜合指數(shù)法的評價結(jié)果。以DS-01點(diǎn)位為例，該點(diǎn)位的WI為42.44，接近于Ⅲ類水質(zhì)的下限，評價結(jié)果為Ⅲ類，與模糊綜合指數(shù)法所得的Ⅱ類水質(zhì)的評價結(jié)果相近。對于評價中的差異，主要有以下幾個原因。

(3)水質(zhì)指數(shù)法在評價過程中體現(xiàn)了單因子否決權(quán)，適用于個別指標(biāo)超標(biāo)嚴(yán)重的情況，而模糊綜合指數(shù)法則量化了水環(huán)境中客觀存在的模糊性和不確定性，并根據(jù)各參評指標(biāo)在總體水質(zhì)污染中的貢獻(xiàn)率進(jìn)行權(quán)重賦值，由于考慮了指標(biāo)對地下水水質(zhì)的影響，評價結(jié)果更精確。但是模糊綜合指數(shù)法在計算過程中，通常是某點(diǎn)位參評指標(biāo)實(shí)測濃度越大，賦予其的權(quán)重也越大，不能確定主要污染因子,并有可能掩蓋有毒有機(jī)物、重金屬等對人體健康和生態(tài)環(huán)境威脅較大的指標(biāo)的影響。

3 結(jié)論

(2)對比模糊綜合指數(shù)法與水質(zhì)指數(shù)法評價結(jié)果，在28個點(diǎn)位中，評價結(jié)果一致的有15個，存在差異的點(diǎn)位評價結(jié)果僅差一個水質(zhì)級別。水質(zhì)指數(shù)法能夠達(dá)到水質(zhì)類別劃分、水質(zhì)定量評價及主要超標(biāo)指標(biāo)識別的要求，但是對于超標(biāo)指標(biāo)不同的水樣可比性較差；模糊綜合指數(shù)法可精細(xì)地反映指標(biāo)實(shí)際濃度對水質(zhì)分級界限的接近程度，量化了所有參評指標(biāo)對地下水水質(zhì)的影響權(quán)重，使結(jié)果更精確，但是計算比較復(fù)雜，可操作性較差，且不能識別主要超標(biāo)指標(biāo)，在量化所有參評指標(biāo)時有可能掩蓋對人體健康和生態(tài)環(huán)境威脅較大的指標(biāo)的影響。因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的監(jiān)測數(shù)據(jù)和評價目的選擇合適的評價方法，使評價結(jié)果滿足管理需要，同時反映水體的實(shí)際情況。