淮河流域洪汝河段淺層地下水質量評價方法淺析

劉海風，鄧 斌，楊小雙

(河南省地質礦產勘查開發局第一地質工程院，河南 鄭州 450007)

淮河流域洪汝河段淺層地下水質量評價方法淺析

劉海風，鄧 斌，楊小雙

(河南省地質礦產勘查開發局第一地質工程院，河南 鄭州 450007)

依據2008年度淮河流域洪汝段(河南省域)536組淺層地下水水質化驗資料，選取49個評價指標，分別采用內梅羅指數法和模糊數學法進行地下水質量評價，對兩種方法的評價結果進行對比淺析，闡述二者的適用條件。結果表明:模糊數學法更好地揭示了水質等級劃分上的模糊性，能均衡反映各指標的綜合影響，評價結果更符合實際情況，更適用于評價指標較多的水質評價。

地下水水質評;內梅羅指數法;模糊數學法

洪汝河河流域位于淮河流域河南段域南部，行政區劃包括許昌市、鄭州市、周口市、平頂山、開封、漯河市、駐馬店 7個市，涉及24個縣、市和區，面積約22 627.8 km2。多年平均降水量634～1 200 mm。工作區西部為山地、丘陵，中、東部為平原，西部崗狀平原區。海拔高度約為80～220 m，由崗區向平緩區傾斜［1］。是我國重要的糧棉油基地，人類活動已對地下水產生不同程度的污染，而地下水的水質評價已成為當務之急。

1 地下水質量評價

1.1 測試指標

2007年由中國地調局下發，查明淮河流域河南平原地區地下水水質和污染狀況，綜合評價地下水水質和污染程度，建立地下水污染調查評價信息系統，為該區地下水污染防治、地下水資源保護及保障飲水安全提供科學依據。特在該區布設了536組樣品，包括淺層和深層，2008年對該區地下水進行了取樣化驗。

參考《地下水污染調查評價規范》(DD2008－01)和《地下水質量標準》(GB/T14848－2007)(報批稿)，確定參評基礎指標共49項，分類如下:

1.1.1 常規指標(20項)

(1)無機指標(18項)

pH、鐵、錳、鋅、鋁、氯離子、硫酸根離子、總硬度、溶解性總固體、耗氧量、砷、鎘、六價鉻、鉛、汞、硒、氟離子、硝酸根離子。

(2)有機指標(2項)

三氯甲烷、四氯化碳。

1.1.2 非常規指標(29項)

(1)揮發性有機物指標(21項)

1，1，1 － 三氯乙烷、三氯乙烯、四氯乙烯、二氯甲烷、1，2－二氯乙烷、1，1，2－三氯乙烷、1，2－二氯丙烷、溴二氯甲烷、一氯二溴甲烷、溴仿、氯乙烯、1，1－二氯乙烯、1，2－二氯乙烯、氯苯、鄰二氯苯、對二氯苯、苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯;

(2)半揮發性有機物指標(5項)

總六六六、γ－BHC(林丹)、總滴滴涕、六氯苯、苯并(a)芘;

(3)無機指標(3項))

銨離子、鈉、亞硝酸根。

1.2 評價標準及依據

按照地下水質量標準(GB/T 14848－93)》對項城地下水水質進行評價，該標準依據我國地下水水質現狀、人體健康基準值及地下水質量保護目標，參照生活飲用水、工業、農業用水水質要求，將地下水質量劃分為五類:

Ⅰ類:主要反映地下水化學組分的低天然背景含量，適用于各種用途(適用于集中式生活飲用水水源及工農業用水);

Ⅱ類:主要反映地下水化學組分的天然背景含量，適用于各種用途(適用于集中式生活飲用水水源及工農業用水);

Ⅲ類:以人體健康基準為依據，適用于集中式生活飲用水水源及工農業用水;

Ⅳ類:以農業和工業用水要求為依據，除適用于農業和部分工業用水外，適當處理后可作為生活飲用水;

Ⅴ類:不宜飲用，其它用水可根據地使用目的再進行專門評價。

1.3 評價方法

1.3.1 內梅羅指數法

內梅羅指數法最初建立在河水污染評價的基礎上，目前在地下水評價上應用較多。

式中:PI為水質指數;Ci為i污染物的實測濃度;Si為 i污染物的水質標準。

地下水水質評價分級(內梅羅指數法)見表1。

表1 地下水水質評價分級標準

該方法的水質指標考慮了各污染物的平均污染水平和個別污染物的最大污染狀況，但指數劃分同樣是人為的，依據該方法得出的結論與地下水水質標準沒有一定的對應關系。

1.3.2 模糊數學評價方法

1)計算隸屬度矩陣R

采用比較成熟的"降半梯形分布法"來計算函數，設評價中取n個污染因子，取第k個水樣中某一污染因子 i的實測值為 Xki，其 j級標準值為 Cij(i=1，2，…….，n;j=1，2，……，m)，則污染因子對各級水的隸屬函數如下:

對I級水的隸屬函數:即j=1

對 j級至 m － 1 級水的隸屬函數:即 j=2，3，.......，n－1

對n級水的隸屬函數:即j=m

當Xki已知，就可以利用上述隸屬函數求出k水樣中第i個污染因子分別對各級水質標準的隸屬度，從而可以得到一個i×j階模糊關系矩陣R:

2)權重因子的確定

在綜合評價中，考慮到各單項指標對水質影響的高低差別，不僅同實測數據大小有關，而且與某種用途中各元素的允許濃度有關，實測數據相同時允許濃度含量高而標準低的，對污染程度影響要小，因此要進行權重計算。一般采用地下水 III類指標加權法，公式如下:

式中:Wki為權重因子;Xi為 K水樣第 i個因子的實測值;Si為第i個因子各級水標準值的均值;aki為K水樣中第i個因子的權重值。

將各單因子的實測值和選定的評價標準分別代入上式，便可求得各單因子的權重值，并由其組成的模糊矩陣 A，即因子權重集:

3)復合運算

確定了隸屬度矩陣R和權重矩陣A后，可以進行矩陣間的復合運算。共有四種模型可供選擇:

模型I記做 M(∨，∧)，即主因素突出型，其中∨，∧ －分別代表取大、取小

其中:B=(b1，b2，……，bm)

模型II記做 M(·，∨)，即主因素突出型，其中·代表求積

模型III記做M(·，⊕)，即加權平均型，⊕表示求和

模型IV記做M(∧，⊕)即不均衡平均型

選擇好模型進行復合運算后，每個取樣點都得到一個1×5階的結果矩陣，對其進行歸一化處理后，最大值所對應的水質等級即為該水樣點最后的評價等級結果［2、3］。

1.4 內梅羅指數法評價結果

由內梅羅指數法評價結果見表2，適當處理后可作為生活飲用的Ⅳ類地下水樣品占91.4%。Ⅳ類和Ⅴ類水定類因子以鐵、錳、氟化物和溶解性總固體為主。

表2 內梅羅指數法評價結果

1.5 模糊數學法評價結果

模糊數學方法采用濃度超標法進行權重的計算，權系數是由各污染因子對各等級標準的平均值的貢獻，同時考慮了每種污染物對不同等級的貢獻大小(即隸屬程度)，最后的結果說明了所有污染物對所有不同等級的貢獻大小，而不是某一等級，這就能更客觀、更科學的評價水質質量的問題。本次評價目標是為了均衡反映各指標的綜合影響，故選取相乘相加和取小相加兩種算子模型。

由相乘相加法所得評價結果見表3:適用于集中式生活飲用水水源及工農業用水的Ⅲ類地下水樣最多，其次為不適宜飲用水。

表3 模糊數學法(相乘相加法)評價結果

由取小相加法所得評價結果見表4，適用于集中式生活飲用水水源及工農業用水的Ⅲ類地下水樣最多，其次為不適宜飲用水。

表4 模糊數學(取小相加法)評價結果

2 內梅羅指數法和模糊數學法評價結果的比較

從以上評價可得出兩種方法評價洪汝河流域地下水，如表5和圖1所示:

內梅羅指數法179 11 225 101 20 1 490 2 40 3取小相加 122 5 269 119 21相乘相加

從兩種評價方法的評價結果來看，二者差異還是比較大。

內梅羅指數法突出最高濃度的單項指標作用，評價的水質類別往往由某一種因子所控制，而其它因子所起作用甚微，且各類別由數值指標來劃分，界限明顯，從而會出現兩樣本數據相差甚微，評價結果卻相差一級的不合理現象。所得出的結論多集中于同一類，即本次評價結果Ⅳ類水樣品點極多，占所有樣品的91.4%。從概率學原理分析其536個點的結果，這顯然是不合理的，這種方法評價結果的表達形式缺乏與級別間的關系。所以內梅羅指數法要求不是很嚴格的一般地下水以及一些平常用途水質評價，例如當水質評價的目的是為了判斷地下水是否適于飲用時，這種方法的評價結果還是較為理想的。

模糊綜合評判法考慮到水質分類界線的模糊性，通過最佳隸屬度來判斷某一水體所屬水質等級的最

大可能性;使用隸屬函數刻劃污染物對相鄰兩等級的隸屬程度，較好地揭示了水質等級劃分上的模糊性，可以克服當分析結果逼近評價標準臨界值兩側時，更能顯示出該方法的優劣;采用多因子超標加權計算權重，評價結果更符合實際情況。本次評價指標較多，為均衡反映各指標的綜合影響，從評價結果可以看出這種方法也更切實際。

圖1 兩種評價結果曲線對比圖

3 結語

根據內梅羅指數法和模糊數學法評價結果的比較分析可知，模糊數學法更適合于要求更高的水質評價，雖然受限于計算量較大以及數學模型在水質評價中實踐較少。不過可以預見，隨著工農業更為迅速的發展，人們對于地下水水質評價的要求也會越來越嚴格，加之將計算機輔助運用于水質評價計算，模糊數學法在今后的水質評價中將占據主導地位。

特別需要指出的是不管何種方法，評價因子的選擇直接影響評價結果，因此評價因子的選擇應客觀具有代表性。

［1］左正金，等.淮河流域(河南段)1:25萬環境地質調查報告.河南省地質調查源，2003.

［2］羅定貴，徐輝.模糊數學在地下水環境評價中的應用.華東地質學院學報，1994－12.

［3］張燕君，許廣明.模糊數學方法在博山區地下水水質綜合評價中的意義.河北地質學院學報，1995.

P641.12

B

1004－1184(2012)01－0020－03

2011－09－14

劉海風(1983－)女，寧縣中衛人，助理工程師，主要從事水工環工作。