以模糊數學和綜合指數法評價地下水環境質量——以滇東高原南緣某選礦廠周圍為例

李晨晨，徐世光,2*，范柱國，董 懋

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650093;2.云南地礦工程勘察集團公司，云南昆明 650011；3.中國建筑材料工業地質勘查中心云南總隊，云南昆明 650118)

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以模糊數學和綜合指數法評價地下水環境質量
——以滇東高原南緣某選礦廠周圍為例

李晨晨1，徐世光1,2*，范柱國1，董 懋3

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650093;2.云南地礦工程勘察集團公司，云南昆明 650011；3.中國建筑材料工業地質勘查中心云南總隊，云南昆明 650118)

摘要[目的]采用模糊數學法和綜合指數法，評價薄竹鎮某選礦廠周圍地下水環境質量狀況。[方法]根據薄竹鎮某選礦廠所在區域的水文地質特征及廠區和下游監測孔的水質實測資料，選取19項評價因子，依據國家《地下水環境質量標準》，采用模糊數學和綜合指數評價的方法對比分析該選礦廠周邊地下水環境質量。[結果]該廠區內地下水已經受到污染，其環境質量較差。[結論]該研究為政府相關部門對該選礦廠重金屬處理方案的制定提供了一定的科學依據。

關鍵詞選礦廠；地下水；環境質量；模糊數學；綜合評價

地下水作為重要的供水水源，其水質的好壞至關重要。天然狀態下，地下水具有一定的自凈能力，人為活動或者地質成礦作用會使得地下水中的平衡遭到破壞。進行地下水質量評價可有效地了解該地區目前的地下水質量現狀，為合理地開發和利用地下水資源，防止地下水污染，保障附近居民身體健康等提供了一定的指導作用。 薄竹鎮某鐵錳選礦廠位于一巖溶洼地內，且其尾礦堆放在巖溶洼地內，并無任何防滲措施。筆者采用模糊數學法和綜合指數評價的方法，對該選礦廠周邊地下水的狀況進行評價，為政府制定該選礦廠下一步的重金屬治理實施方案提供一定的依據。

1研究區概況

薄竹鎮位于滇東高原南緣，屬構造侵蝕、溶蝕山地及峰叢洼地地形，區內出露三疊系飛仙關組粉砂巖、永寧鎮組泥灰巖、個舊組灰巖、白云巖，含水層組類型包括基巖裂隙水和碳酸鹽巖類裂隙溶洞水。 該選礦廠位于一山間巖溶洼地處，四周環山，植被較為發育，西側山坡上種植有玉米、水稻等作物，南側和北側山坡上見有深灰色石芽發育，東側為一采石場。該點出露地層為T2g中三疊統個舊組灰巖，含水層組類型為碳酸鹽巖類裂隙溶洞水，地層富水性強。其選礦設備放置于公路西側山坡上，產生的礦渣公路邊和洼地底部，并無任何防滲措施。洼地長軸175°，長約90 m，寬約40 m，深約8 m，洼地底部廢水深約2 m。第一堆礦渣剖面呈直角三角形，體積為3.5×2.5×2.0 m3，堆放于洗礦池下部；第二堆礦渣在第一堆礦渣的330°方向，長約4 m，寬約2 m，沿山坡堆放，山坡坡度為41°；第三堆礦渣呈錐形堆放于公路邊，礦渣長18.6 m，高5 m，寬6 m。

2評價因子及其標準的確定

2.1評價因子的選擇 為了較為全面地監測該選礦廠對周圍地下水的影響，在其所在洼地內呈“十”字狀布設5個監測孔(ZK01～ZK05)，在洼地長軸方向的下游布設1個監測孔(ZK06)，各監測孔自孔口至基巖以下10 m均下套管隔水，盡量避免雨天礦渣的溶濾水從鉆孔直接匯入污染地下水。對每個鉆孔均做抽水試驗，并采集地下水樣，對pH、總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、鐵、錳、銅、鋅、汞、鉛、揮發性酚類、陰離子合成洗滌劑、硝酸鹽、氨氮、氟化物、氰化物、砷、硒、鎘、鉻(六價)、鉛等指標進行測定。由于氰化物、揮發性酚類低于檢出限，因此不列入評價范圍，選取總硬度、亞硝酸鹽、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、鐵、錳、銅、鋅、汞、陰離子合成洗滌劑、硝酸鹽、氨氮、氟化物、氰化物、砷、硒、鎘、鉛、鉻(六價)、鉛等作為評價因子。

2.2評價標準的確定 依據《地下水環境質量標準》(GB/T 14848-93)[1](表1)，分別采用模糊綜合評價方法和綜合指數法對各泉點的水質進行分析評價。

3評價方法

3.1綜合質量評價法 依據《地下水環境質量標準》(GB/T 14848-93)，以地下水水質調查分析資料或水質監測資料為基礎，對地下水質量進行單項評價和綜合評價。

表1　 地下水環境質量分類標準　mg/L

3.1.1單項污染指數評價。 首先進行單項組分評價，將各評價因子按《地下水環境質量標準》中I～V類標準，對所評價因子劃分所屬類別，并遵循不同類別標準相同時從優不從劣的原則。

3.1.2綜合指數評價。綜合評分值F計算公式為：

(1)

(2)

3.2模糊數學法 模糊綜合評價法考慮了水質界限的模糊性，通過函數關系，將反映各種水質污染問題的實測值轉化為反映水質質量優劣程度的質量值。相對傳統的綜合指數法而言，該方法計算原理清晰，盡量減小了人為因素的影響，評價結果較為合理，得到了越來越廣泛的應用[2-3]。 模糊數學法是利用模糊變換原理和最大隸屬度原則，考慮與被評價事物相關的各個因素或主要因素，對其所做的綜合評價。其具體步驟如下：①建立水質評價因子集合及等級集合；②建立單因子評價矩陣；③確定各因素權重；④建立水質評價模型，計算評價結果[4-8]。

4評價結果與分析

4.1超標現象依據《地下水環境質量標準》(GB/T14848-93)，ZK01水樣中總硬度、硫酸鹽、氨氮、錳濃度嚴重超標，低于Ⅴ類水標準值，溶解性總固體、亞硝酸鹽濃度低于Ⅳ類水標準值；ZK02水樣中錳、亞硝酸鹽超標，總硬度低于Ⅳ類水標準值；ZK03水樣中總硬度、硫酸鹽、氨氮濃度超標；ZK04水樣中硫酸鹽、氟化物嚴重超標；ZK05水樣中總硬度、硫酸鹽、氨氮、氟化物、錳嚴重超標，低于Ⅴ類水標準值；ZK06水樣中亞硝酸鹽嚴重超標，其余檢測項目均達到Ⅲ類及以上地下水標準要求。

4.2地下水環境質量狀況依據環境質量評價中的模糊綜合評價中常使用的加權平均型模型，在19種因子的共同作用下，確定水質級別的隸屬度，依據最大隸屬度原則得到模糊綜合評價的結果。為了增強模糊數學法的實用性和可比性，采用綜合指數法對研究區的水質進行了分析比較。由表2可知， 該選礦廠所在洼地周圍地下水已經受到了嚴重污染，整體質量較差～極差，模糊數學法評價洼地內地下水水質僅為Ⅲ～Ⅴ類水，綜合指數法評價其地下水環境質量為較差～極差；洼地下游的監測孔地下水水質用模糊數學法評價結果為Ⅰ類水，綜合指數法評價結果為較差，相對洼地內監測孔的水質較好，說明該選礦廠的廢渣已經嚴重污染了其所在區域的地下水，其污染羽逐漸向下游擴展，下游的地下水水質已經有所污染。 對比以上兩種評價方法的評價結果，可以看出模糊數學法得出的結果相對較好，綜合指數法單項組分各類別之間的取值偏差較大，提高了超標單項組分的分值。而模糊數學法運用最大隸屬度原則和加權平均法，具有較強的綜合性，在一定程度上避免了綜合指數法的不合理性；綜合指數法可以較為明確地突出超標因子的狀況。在進行地下水質量綜合評價時，將二者綜合考慮，可增強評價結果的合理性，最大限度地減小人為誤差。

表2　模糊數學法及綜合指數法評價結果

5結論

采用模糊數學法和綜合指數法，評價薄竹鎮某選礦廠所在洼地的地下水環境質量，結果表明，該區地下水已經受到了嚴重污染。若這些礦渣一直堆放于此，礦渣中的重金屬元素隨溶濾作用下滲，進入地下水，嚴重影響該區域的地下水環境質量。因此，建議政府相關部門對該選礦廠制定專項污染治理實施方案進行治理。

參考文獻

[1] 國家技術監督局.地下水質量標準：GB/T14848-93[S].北京：中國標準出版社，1993.

[2] 賀仲雄.模糊數學及其應用[M].天津：天津科技出版社，1983.

[3] 萬金保，李媛媛.模糊綜合評價方法在鄱陽湖水質評價中的應用[J].上海環境科學，2007,26(5)：215-218.

[4] 曾永，樊引琴，王麗偉，等.水質模糊綜合評價方法與單因子指數評價法比較[J].人民黃河，2007,29(2)：64-65.

[5] 周沛潔，李峰，李保珠，等.模糊數學法在深部礦坑水環境質量評價中的應用[J].環境保護科學，2012,38(2)：86-89.

[6] 談恒文，張子軍，安豐芹.日照市東港區地下水環境質量現狀評價[J].地球學報，2005,26(2)：173-177.

[7] 沈繼紅，付肖燕，趙玉新.模糊綜合評估模型的改進[J].模糊系統與數學，2011,25(3)：127-132.

[8] 常明慶，王平，李娟，等.地下水環境質量評價常用方法對比分析[J].人民黃河，2010，32(4)：74-76.

Evaluation of Groundwater Environmental Quality of a Dressing Plant in Bozhu Town by Fuzzy Mathematics and Comprehensive Index Method

LI Chen-chen1, XU Shi-guang1,2*, FAN Zhu-guo1et al (1. College of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and technology, Kunming, Yunnan 650093; 2. Yunnan Bureau of Geology and Mineral, Kunming, Yunnan 650011)

Abstract[Objective] The aim was to assess the groundwater environmental quality of a dressing plant in Bozhu Town by fuzzy mathematics and comprehensive index method. [Method] Based the hydrogeological characteristics of a dressing plant in Bozhu Town and the monitoring data of groundwater in the plant and drillings in the lower reaches, 19 evaluation factors were chosen, and the environmental quality of the groundwater in this area was assessed by the method of fuzzy mathematics and comprehensive index evaluation according to the nationalGroundwaterEnvironmentQualityStandard. [Result] The groundwater of the dressing plant was polluted, and the environmental quality was worse. [Conclusion] The research could provide scientific basis for the establishment of treatment scheme of heavy metals in this dressing plant.

Key wordsDressing plant; Groundwater; Environmental quality; Fuzzy mathematics; Comparative analysis

收稿日期2015-11-23

作者簡介李晨晨(1990-)，女，河南漯河人，博士研究生，研究方向：水文地質與工程地質。*通訊作者，教授級高級工程師，博士生導師，從事水文地質、工程地質的教學和科研工作。

中圖分類號S 181.3;P 641;X 824

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2015)36-162-02