對建水縣集中式地下水飲用水水源地不同評價方法驗證研究

聶晶晶 ，梅洪波 ，黃 成

(1.云南省生態(tài)環(huán)境應(yīng)急調(diào)查投訴中心，云南 昆明 650034；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430000；3.云南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，云南 昆明 650000)

0 引言

地下水作為重要的城鄉(xiāng)供水水源，在維護經(jīng)濟社會健康發(fā)展等方面發(fā)揮著不可替代的作用[1]。地下水資源占全國總供水量的近20%，是支撐經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源。據(jù)統(tǒng)計，全國60%的人口以地下水作為飲用水水源。隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，地下水環(huán)境壓力逐漸增大，地下水污染問題日益凸現(xiàn)，局部地區(qū)地下水污染問題十分突出。我國目前地下水環(huán)境管理基礎(chǔ)相當(dāng)薄弱，地下水基礎(chǔ)環(huán)境狀況不清，法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)滯后，地下水環(huán)境監(jiān)管體系不完善，對我國經(jīng)濟社會發(fā)展、飲水安全保障產(chǎn)生嚴重影響，成為我國經(jīng)濟、社會和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的制約。

為貫徹落實《全國地下水污染防治規(guī)劃(2011—2020年)》，全面摸清我國地下水基礎(chǔ)環(huán)境狀況，環(huán)境保護部、國土資源部、水利部和財政部從2011年開始啟動了“全國地下水基礎(chǔ)環(huán)境狀況調(diào)查評估”工作。對地下水水質(zhì)進行評價是調(diào)查任務(wù)中很重要的內(nèi)容。本項目采用三種不同的水質(zhì)評價方法，對同一地下水飲用水源地進行評價，相互驗證結(jié)果，為地下水水質(zhì)評價提供不同的評價方法。

1 調(diào)查區(qū)域概況

1.1 地理位置

建水縣位于云南省南部，紅河哈尼族彝族自治州西北部，紅河中游北岸，滇東高原南緣。地跨東經(jīng)102°33′～103°11′、北緯23°12′～24°10′。東鄰彌勒縣、開遠市和個舊市，南隔紅河與元陽縣相望，西接石屏縣，北連通?？h和華寧縣。東西橫距58km，南北縱距107km，總面積3759km2，其中壩區(qū)面積占總面積的8%?？h城臨安鎮(zhèn)位于區(qū)域中部偏西，海拔1324m，距昆明220km，距蒙自縣76km。

1.2 監(jiān)測點位

監(jiān)測點位信息表如表1所示。

1.3 監(jiān)測結(jié)果(表2)1.4 地下水質(zhì)量評價

根據(jù)收集的資料和調(diào)查的結(jié)果，對地下水質(zhì)量進行分層評價，但以目前在飲用的淺層地下水為主，評價方法采用《GB/T 14848-93地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的單項組分評價方法和綜合評價。

對于《GB/T 14848-93地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》之外的指標(biāo)，采用《GB5749-2006生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》進行評價，指明超標(biāo)因子與超標(biāo)倍數(shù)。

對于未列入《GB/T 14848-93地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和《GB 5749-2006生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的指標(biāo)，指明檢出組分名稱和檢出值。

1.4.1 單項指數(shù)法

采用單項指數(shù)法進行環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評價，計算模式為：

式中：I—第i項評價因子的水質(zhì)指數(shù)；C—第i項評價因子的實測濃度；C0—第i項評價因子的評價標(biāo)準(zhǔn)。

表1 監(jiān)測點位信息表

表2 集中式地下水飲用水源區(qū)地下水監(jiān)測結(jié)果

pH計算公式為：

VpH>7.0

VpH≤7.0

式中：IpH—pH值的水質(zhì)指數(shù)；VpH—地下水pH值實測值；Vd—pH值標(biāo)準(zhǔn)的下限值；Vu—pH值標(biāo)準(zhǔn)的上限值。

1.4.2 多項指標(biāo)的綜合水質(zhì)指數(shù)

計算公式為：

根據(jù)計算結(jié)果，按F值進行地下水質(zhì)量分級(優(yōu)良、良好、較好、較差、極差)。

1.4.3 模糊綜合評價法

模糊綜合評價方法以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用模糊關(guān)系合成的理論，將一些邊界不清晰，不易定量化的因素定量化后進行綜合評價，是解決多指標(biāo)綜合問題的一種有效方法。由于地下水水質(zhì)污染程度、水質(zhì)好壞的劃分都是一些客觀存在的模糊概念和模糊現(xiàn)象，因此，模糊集理論更適合于水質(zhì)污染級別劃分的模糊性。使評價的理論和方法建立在比較嚴謹?shù)臄?shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，通過模糊級別判斷及綜合評價值的計算，可以直觀地判斷水質(zhì)的優(yōu)劣，并從總體上對地下水所屬質(zhì)量類別做出判斷，得到的模糊評價結(jié)果可以更加客觀地反映地下水水質(zhì)的實際狀況，可信度更高。

表3 地下水質(zhì)量級別分類表

本次對建水縣集中式水源地研究區(qū)采樣點水樣采取模糊綜合評價法對區(qū)內(nèi)飲用水水質(zhì)進行進一步評價。其原理是通過選用合適的隸屬函數(shù)求出各評價指標(biāo)的模糊關(guān)系矩陣，采用合理的賦權(quán)方法確定各指標(biāo)的權(quán)重模糊矩陣，最后根據(jù)模糊算子對模糊關(guān)系矩陣和權(quán)重模糊矩陣進行模糊變換求得最終的綜合評價結(jié)果。其評價的原理可以表示為：

B=A×R

式中：A—由各評價因子的權(quán)重分配構(gòu)成的向量，即指標(biāo)權(quán)重模糊矩陣；R—各評價因子對評價等級的隸屬度，即模糊關(guān)系矩陣；B—評價結(jié)果向量，即表示評價點對評價等級的隸屬度。

為消除各指標(biāo)在地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)分級上存在的數(shù)量級差異，針對各指標(biāo)進行歸一化權(quán)重計算，公式為：

式中：xki—k水樣第i個因子的實測濃度值(mg/L)；si—第i個因子各級水標(biāo)準(zhǔn)值平均值(mg/L)；aki—k水樣中第i個因子的權(quán)重值。

將各單因子的實測值和選定的評價標(biāo)準(zhǔn)分別代入上式，可求得各單因子的權(quán)重值，并由其組成模糊矩陣A，即因子權(quán)重集：

A={ak1,ak2,…,akn}

模糊關(guān)系矩陣R建立在各指標(biāo)在不同標(biāo)準(zhǔn)上的隸屬度值基礎(chǔ)上，隸屬度采用降半梯形法計算，具體計算公式見表5。

表4 地下水質(zhì)量分類指標(biāo)(部分)

表5 隸屬度計算表

由此可建立各采樣點評價指標(biāo)的模糊關(guān)系矩陣R：

式中：yij—隸屬度；i—評價因子數(shù)；j—水質(zhì)級別數(shù)。

對模糊關(guān)系矩陣R與權(quán)重模糊矩陣A進行矩陣運算，得到模糊評價矩陣B，該結(jié)果表示某水樣相對于各個質(zhì)量類別的綜合評判隸屬度。通常用的做法是用最大隸屬度原則來識別水質(zhì)的類別，然而在某些情況下最大隸屬度原則會造成許多信息的損失，從而影響評價結(jié)果的客觀性和有效性。為充分表達模糊評價矩陣B中的隸屬度信息量，用加權(quán)平均等級的方法。加權(quán)平均原則是將等級看成一系列連續(xù)變化的值，對各個質(zhì)量類別賦予一定的分值：

質(zhì)量類別={Ⅰ類，Ⅱ類，Ⅲ類，Ⅳ類，Ⅴ類}={20，40，60，80，100}

最終，第k個水樣的綜合評價值由下式給出：

Bk=b1·20+b2·40+b3·60+b4·80+b5·100

2 質(zhì)量評價結(jié)果

2.1 單項指數(shù)法評價結(jié)果

從監(jiān)測結(jié)果的指標(biāo)中選取除現(xiàn)場指標(biāo)(不除去pH)、鉀、鎂、鈣外的指標(biāo)作為評價因子。

選取《GB/T 14848-93地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅲ類地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值作為地下水質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)，其它選取《GB 5749-2006生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中的生活飲用水水質(zhì)參考指標(biāo)及限值作為地下水質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)。

單項指數(shù)法評價結(jié)果見表6。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知：

①在采集的水樣中，JCJ005、JCJ006以及JCJ004的監(jiān)測指標(biāo)pH都出現(xiàn)了不同程度的超標(biāo)情況，超標(biāo)倍數(shù)分別為3.440、3.600和1.660。同時，JCJ005的錳也出現(xiàn)了超標(biāo)的情況，超標(biāo)倍數(shù)為1.620。JCJ006和JCJ001的硝酸鹽超標(biāo)倍數(shù)分別為1.547和4.080；

②JCJ006的錳雖不像JCJ005一樣超標(biāo)但有檢出；

③其它監(jiān)測指標(biāo)或低于檢出限，或滿足地下水Ⅲ類水質(zhì)要求以及生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 多項指數(shù)法評價結(jié)果

根據(jù)多項指標(biāo)的綜合水質(zhì)指數(shù)評價法計算得出：建水縣1#監(jiān)測點位的地下水綜合水質(zhì)指數(shù)F為8.56，地下水水質(zhì)級別為極差；2#監(jiān)測點位的地下水綜合水質(zhì)指數(shù)F為0.61，地下水水質(zhì)級別為優(yōu)良；3#監(jiān)測點位的地下水綜合水質(zhì)指數(shù)F為0.348，地下水水質(zhì)級別為優(yōu)良；4#監(jiān)測點位的地下水綜合水質(zhì)指數(shù)F為1.18，地下水水質(zhì)級別為良好；5#監(jiān)測點位的地下水綜合水質(zhì)指數(shù)F為2.44，地下水水質(zhì)級別為良好；6#監(jiān)測點位的地下水綜合水質(zhì)指數(shù)F為2.62，地下水水質(zhì)級別為較好；7#監(jiān)測點位的地下水綜合水質(zhì)指數(shù)F為0.44，地下水水質(zhì)級別為優(yōu)良。建水縣此次調(diào)查的地下水綜合水質(zhì)指數(shù)評價結(jié)果見表7。

2.3 模糊綜合評價法結(jié)果

根據(jù)各采樣點指標(biāo)的實測濃度值，計算各評價指標(biāo)的歸一化權(quán)重值，得到矩陣A見表8。

最終通過矩陣運算得到模糊評價矩陣B見表9。

從而進一步計算得到各采樣點地下水水質(zhì)級別見表10。

表8 地下水水質(zhì)評價指標(biāo)權(quán)重

表9 模糊評價矩陣

表10 水質(zhì)模糊綜合評價結(jié)果表

從綜合評價表中可以看出，JCJ007與JCJ003水質(zhì)優(yōu)良，JCJ004與JCJ002水質(zhì)良好，JCJ005水質(zhì)較好，JCJ006水質(zhì)較差，JCJ001水質(zhì)極差。與原始數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，JCJ001硝酸鹽含量嚴重超標(biāo)，JCJ006硝酸鹽含量與pH均為較差水平，這些指標(biāo)的異?？赡苁菍?dǎo)致JCJ001、JCJ006在評價結(jié)果中水質(zhì)極差或較差的原因；JCJ005 pH與錳含量處于較差水平，而其他指標(biāo)均良好或優(yōu)良，評價結(jié)果中綜合等級為較好水平；JCJ004、JCJ002各項指標(biāo)均處于良好或較好水平，JCJ007與JCJ003各項指標(biāo)均在良好或優(yōu)良水平。

3 評價結(jié)果對比

針對建水縣集中式水源地分別采用了以上三種方法對區(qū)內(nèi)采樣點水樣水質(zhì)進行了評價，其中單項指標(biāo)法是將監(jiān)測結(jié)果與評價標(biāo)準(zhǔn)對照，直觀地檢出某些超標(biāo)過大的指標(biāo)，評價出發(fā)點是為體現(xiàn)單因子否決權(quán)。而往往某處地下水質(zhì)等級的確定是由各項指標(biāo)所共同決定的，因此考慮多項指標(biāo)對水質(zhì)進行綜合評價能客觀地反映多因子共同作用下的水質(zhì)狀況，結(jié)論更符合客觀實際。

表11 水質(zhì)評價結(jié)果對比

表11列出了采用多項指標(biāo)綜合評價以及模糊綜合評價法得出的7個采樣點水質(zhì)類別對比情況。

從表中可以看出兩種評價方法最終得到的水質(zhì)級別對應(yīng)性較好，從側(cè)面反映出采樣點水質(zhì)評價結(jié)果的真實可靠性。