模糊綜合評判法在府谷西王寨井田地下水水質(zhì)評價中的應用

李家棟

(咸陽市勘察測繪院，陜西 咸陽 712000)

0 引言

西王寨井田位于陜西省榆林市府谷礦區(qū)中部，距府谷縣城北北東方向直距約20 km處，行政區(qū)劃隸屬府谷縣黃甫鎮(zhèn)管轄。地理位置為北緯39°11′00″～39°16′00″，東經(jīng)111°06′00″～111°11′45″，井田東界為黃河，西至墻頭—高石崖?lián)像迬В弦郧逅ū睌嗔褳榻?，北與堯峁、段寨井田相接。井田北西-南東向長約10.4 km，北東-南西向?qū)捈s2.2～5.8 km，井田面積約41.6 km2。

井田煤炭資源的大規(guī)模開發(fā)引發(fā)了區(qū)域地下水位下降及地下水徑流、排泄條件的較大改變和泉水漏失、地表水與地下水污染等一系列水環(huán)境水文地質(zhì)問題，不僅造成井田水資源供需矛盾進一步加劇，也使得井田地下水環(huán)境受到較大的影響。所以，西王寨井田的地下水水質(zhì)評價對區(qū)內(nèi)地下水資源的保護與可持續(xù)開發(fā)具有非常重要的意義。

模糊綜合評判法是一種基于模糊數(shù)學的綜合評判方法[1-5]。它克服了單因子指數(shù)評價法僅僅利用水質(zhì)評價中最差的測試指標決定水質(zhì)級別的片面性，能客觀、合理的反映地下水監(jiān)測點的質(zhì)量狀況[6-8]。因此，本文采用模糊綜合評判法對西王寨井田地下水水質(zhì)進行評價。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)西王寨井田地下水水源井分布情況，以及取樣點盡可能分布全區(qū)的原則，2014年6月在井田區(qū)選擇16個水源井進行地下水水樣的采集。地下水水樣的采集、保存及送檢依據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)部編制的《地下水污染調(diào)查評價規(guī)范》(DD2008-01)進行。選擇Na+、Mg2+、Ca2+、NH4+、Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-、NO2-、F-、TH、TDS作為模糊綜合評判法的評價指標，以《地下水質(zhì)量標準》(GB/T14848-93)為水質(zhì)分級原則，進行地下水水質(zhì)評價。水質(zhì)檢測結果見表1，地下水質(zhì)量標準見表2。

1.2 模糊綜合評判法

模糊綜合評判法是根據(jù)模糊數(shù)學的隸屬度理論對地下水水質(zhì)進行定量評價。根據(jù)各評價指標的檢測數(shù)據(jù)，首先計算各評價指標相對I～Ⅴ級水質(zhì)的隸屬度和權重，建立評價指標的隸屬度集和權重集，然后通過計算得到所有監(jiān)測點對I～Ⅴ級水質(zhì)級別的隸屬度，最后選擇隸屬度中最大值對應的水質(zhì)級別即為監(jiān)測點的地下水水質(zhì)級別。計算過程如下：

表1 西王寨井田水質(zhì)檢測結果

表2 地下水質(zhì)量標準

1.2.1 隸屬度的確定

根據(jù)《地下水質(zhì)量標準》(GB/T14848-93)中將地下水質(zhì)量等級分為m=5個(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類)，那么對應的評價等級集合為V={v1，v2，…，v5}，本次地下水水質(zhì)評價指標n=12項(Na+、Mg2+、Ca2+、NH4+、Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-、NO2-、F-、TH、TDS)，可構成評價指標因子集合為U={u1，u2，…，u12}。設x為所取地下水樣品各評價指標的實測值，則x對于V的隸屬關系：

第Ⅰ類水(j=1)，隸屬度函數(shù)為：

第Ⅱ至Ⅳ類水(j=2,3,4)，隸屬度函數(shù)為：

第Ⅴ類水(j=5)，隸屬度函數(shù)為:

通過計算便可以得到地下水監(jiān)測點所有評價指標的隸屬度矩陣：

即，

式中：xi為評價指標的實測值；cij為各評價指標對應的第j類地下水水質(zhì)標準；rij為評價指標對第j類地下水的隸屬度。

1.2.2 權重的確定

權重的計算公式為：

(1)

式中：xi為第i項評價指標的實測值； cij為第i項評價指標的第j類地下水的標準值；m為地下水質(zhì)量等級，m=5。這樣就得到權重系數(shù)矩陣：A=(a1，a2，a3，K，an)，即A=(a1，a2，a3，K，a12)。

1.2.3 模糊矩陣復合運算

經(jīng)權重集A和模糊評級矩陣R的復合運算，最終的綜合評判結果：

圖1 piper三線圖

表3 西王寨井田地下水水質(zhì)評價指標統(tǒng)計表

1.2.4 模糊綜合評判

水質(zhì)級別的判別可將B中的最大值所對應的水質(zhì)等級作為某一監(jiān)測點的最終水質(zhì)級別：

δi=maxB

(2)

式中：δi為監(jiān)測點i最終的水質(zhì)級別。

2 結果與分析

利用AquaChem3.7軟件對西王寨井田地下水水質(zhì)資料進行分析繪制成Piper三線圖(圖1)，通過三線圖圖解上可以看出西王寨井田地下水水化學類型以HCO3-Mg型、HCO3-Ca·Mg型為主，堿土金屬離子含量超過堿金屬離子含量，弱酸根超過強酸根，碳酸鹽硬度大于50%。

對16組水樣的Na+、Mg2+、Ca2+、NH4+、Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-、NO2-、F-、TH、TDS 12項測試指標進行統(tǒng)計分析，見表3。從表3可以看出，陽離子中，Na+含量在11.1 mg/L(水樣DX06)～299.7mg/L(水樣DX08)，平均值為101.38 mg/L，Mg2+含量在11.78 mg/L(水樣DX12)～186.8 mg/L(水樣DX15)，平均值為76.38 mg/L，Ca2+含量在19.65 mg/L(水樣DX11)～100.8 mg/L(水樣DX15)，平均值為48.55 mg/L，NH4+含量在0.03 mg/L(水樣DX03、DX08、DX10、DX11、DX12、DX13、DX14、DX15、DX16)～0.08mg/L(水樣DX06)，平均值為0.04 mg/L；陰離子中，Cl-含量從24.8 mg/L(水樣DX10)到744.5 mg/L(水樣DX07)，平均值為123.29 mg/L，SO42-含量從74.4 mg/L(水樣DX10)到468.3 mg/L(水樣DX07)，平均值為179.66 mg/L，HCO3-含量從80.41 mg/L(水樣DX06)到1 037.61 mg/L(水樣DX07)，平均值為450.87 mg/L，NO3-含量從2.5 mg/L(水樣DX09)到271.19 mg/L(水樣DX06)，平均值為57.15 mg/L，NO2-含量從0.003 mg/L(水樣DX09、DX11、DX13、DX16)到2.02 mg/L(水樣DX06)，平均值為0.25 mg/L，F(xiàn)-含量從0.35 mg/L(水樣DX07)到4.36 mg/L(水樣DX05)，平均值為1.17 mg/L。從各組分質(zhì)量濃度的變異系數(shù)看，陽離子中Na+變異系數(shù)最大(88.69%) ，說明其含量分布差異較大，是隨環(huán)境因素而變化的敏感因子，其次為Mg2+(82.85%) ，而Ca2+的變異系數(shù)最小(43.25%)，說明其含量相對穩(wěn)定，人類活動影響程度最小；陰離子中NO2-變異系數(shù)最大(204.00%) ，說明其含量分布差異較大，HCO3-的變異系數(shù)最小(53.20%)，說明其含量相對穩(wěn)定。從標準偏差看，總體上陰離子的變化程度大于陽離子的，說明陰離子質(zhì)量濃度偏離其算術平均值大而陽離子的較小。

利用模糊綜合評判法對西王寨井田采集的16組地下水水樣進行水質(zhì)分析。根據(jù)1.2.1-1.2.2中公式計算DX01等16個水質(zhì)監(jiān)測點的Na+、Mg2+、Ca2+、NH4+、Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-、NO2-、F-、TH、TDS 對I～Ⅴ級水質(zhì)的隸屬度和權重，建立評價指標的隸屬度集和權重集(表4)，然后利用1.2.3-1.2.4中公式確定16個水質(zhì)監(jiān)測點的最終水質(zhì)級別δi(表5)。

通過表5可以看出，西王寨井田地下水的綜合環(huán)境質(zhì)量中等偏下，大部分地區(qū)水質(zhì)已出現(xiàn)較為嚴重的問題?？傮w來看，井田區(qū)無Ⅰ、Ⅳ類水，Ⅱ類水(樣品DX16)1個，占總監(jiān)測點的6.25%，Ⅲ類水(樣品DJ01、DJ03、DJ13)3個，占總監(jiān)測點的18.75%，Ⅴ類水(樣品DJ02、DJ04、DJ05、DJ06、DJ07、DJ08、DJ09、DJ10、DJ11、DJ12、DJ14、DJ15)12個，占總監(jiān)測點的75%。

適宜直接飲用的Ⅱ、Ⅲ類水分布在西王寨井田中部的黃土梁崗區(qū)，不適宜飲用的Ⅴ類水分布在井田北部的黃土斜坡區(qū)、黃甫川河谷區(qū)以及井田南部的黃土斜坡區(qū)。

表4 各評價指標歸一化后權重值

表5 西王寨井田地下水水質(zhì)模糊綜合評判結果

3 結語

(1)西王寨井田地下水水化學類型以HCO3-Mg型、HCO3-Ca·Mg型為主，堿土金屬離子含量超過堿金屬離子含量，弱酸根超過強酸根，碳酸鹽硬度大于50%

(2)西王寨井田采集的16組地下水水樣的12項測試指標中8項(Na+、Mg2+、SO42-、NO3-、NO2-、F-、TH、TDS)有超標現(xiàn)象，其中Na+超標數(shù)2個(DX08、DX15)，超標率為12.5%，Mg2+超標數(shù)7個(DX01、DX04、DX06、DX13、DX14、DX15、DX16)，超標率為43.75%，SO42-超標數(shù)2個(DX06、DX09)，超標率為12.5%，NO3-超標數(shù)7個(DX01、DX04、DX06、DX07、DX12、DX14、DX17)，超標率為43.75%，NO2-超標數(shù)11個(DX01、DX02、DX04、DX05、DX06、DX07、DX08、DX10、DX12、DX14、DX15)，超標率為68.75%，F(xiàn)-超標數(shù)7個(DX02、DX03、DX05、DX08、DX09、DX10、DX11)，超標率為43.75%，TH超標數(shù)2個(DX07、DX15)，超標率為12.5%，TDS超標數(shù)2個(DX07、DX09)，超標率為12.5%。從變異系數(shù)看，陽離子中Na+、陰離子中NO2-含量分布差異較大，是隨環(huán)境因素而變化的敏感因子。

(3)運用模糊綜合評判法對西王寨井田采集的16組地下水水樣的12項測試指標進行評價。評價結果表明，西王寨井田地下水的綜合環(huán)境質(zhì)量中等偏下，大部分地下水水質(zhì)已經(jīng)出現(xiàn)較為嚴重的問題，井田內(nèi)無Ⅰ、Ⅳ類水，適宜直接飲用的Ⅱ、Ⅲ類水分布在井田中部的黃土梁崗區(qū)，不適宜飲用的Ⅴ類水分布在井田北部的黃土斜坡區(qū)、黃甫川河谷區(qū)以及井田南部的黃土斜坡區(qū)。