單一模型地下水水質評價結果的可靠性探討

劉禮慶,袁乃華,夏蔚蕓

(1.江蘇水文水資源勘測局鎮江分局,江蘇 鎮江　212000; 2.鎮江市節約用水辦公室,江蘇 鎮江　212000)

單一模型地下水水質評價結果的可靠性探討

劉禮慶1,袁乃華2,夏蔚蕓1

(1.江蘇水文水資源勘測局鎮江分局,江蘇 鎮江212000; 2.鎮江市節約用水辦公室,江蘇 鎮江212000)

摘要：分別采用單因子評價法、綜合指數法、模糊綜合評判法對鎮江市淺層地下水水質進行評價，并給出悲觀狀況和樂觀狀況兩種情景的評價結果，與采用傳統單一評價方法所得結果進行比較。結果表明：①悲觀狀況下，Ⅰ類、Ⅱ類監測井占評價監測井總數的5.88%，Ⅲ類監測井占39.22%，Ⅳ～Ⅴ類監測井占54.9%；樂觀狀況下，Ⅰ類、Ⅱ類監測井占評價監測井總數的54.9%，Ⅲ類監測井占5.88%，Ⅳ～Ⅴ類監測井占39.22%。②不同評價方法的評價結果相差較大，依賴單一評價模型的評價結果進行決策，是具有風險的。

關鍵詞：地下水;水質評價;單一模型;單項組分評價法;綜合指數法;模糊綜合評判法

地下水作為水資源的一個重要組成部分,具有分布廣泛且穩定、相對于地表水不易受到污染、便于開采等優點,已經成為人們生活生產的重要供水水源。但是受人類活動和原生地球化學環境的共同影響,地下水水質表現出區域分布和演化的特點[1]。地下水水質評價是地下水資源評價的一項十分重要內容[2],根據地下水的主要物質成分和給定的水質標準,分析地下水水質的時空分布狀況,為地下水資源的管理和開發利用規劃提供科學依據[3]。但由于地下水水質評價指標與水質等級間非常復雜的關系,以及水體污染的隨機性和模糊性,至今仍沒有一個被廣泛接受的評價模型[1, 4]。

1地下水水質評價結果的可靠性

水質評價過程存在模糊不確定性[5]。根據地下水資源評價中不確定性因素產生的原因,束龍倉等[6-8]將其分為客觀隨機性因素和主觀不確定性因素兩大類,并對其進行了較為全面的分析。其中,客觀隨機性是由地下水資源系統內在的隨機特性引起的,主要由水文地質、水文變量的空間和時間變化的不均一性決定;主觀不確定性是由研究者對系統認識的不全面造成的,主要與數學模型的建立、求解及模型中參數的不確定性有關。在地下水水質評價過程中,數學方法的使用可以排除人為評價的主觀性,但也難以避免所采用數學方法的假設和概化對評價結果的影響[4]。目前地下水水質評價方法較多,主要有單項組分評價法、綜合指數法、模糊數學評價法及灰色理論評價法等[4]。然而,由于不同評價模型采用的原理以及考慮問題角度不同,其評價結果也不盡相同。如單項組分評價法對單個水質指標獨立進行評價,評價結果難以全面反映地下水質量的整體狀況;綜合指數法忽略了水質分級分界線的模糊性,評價結果難以滿足水質功能評價的要求和水質污染的真實狀況;模糊數學評價法在評價因子確定方面具有一定的主觀性等。文獻[9]指出依靠單一模型的評價結果,會導致“棄真”和“取偽”的錯誤。Hoeting 等[10]認為傳統理論沒有正確認識模型的不確定性,過分信賴單個模型做出的決策,這是極具風險的。同時,學者們也逐漸認識到,由于問題的復雜性,可以采用多種數學表達和解釋來研究,因此越來越傾向于使用多模型分析方法,而非像以往一樣僅依靠單個模型。由此可見,使用單一傳統模型對地下水水質進行評價,其評價結果的可靠性是值得探討的。

2研究實例

2.1研究區概況

鎮江市地處江蘇省西南部,長江下游南岸,位于長江與大運河十字交匯處,鎮江東南接常州市,西鄰南京市,北與揚州市、泰州市隔江相望。轄句容、揚中、丹陽3市和京口、潤州、丹徒、新區4區。全市總面積3 847 km2,屬北亞熱帶南部氣候區,具有以下氣候特征:季風性較明顯,過渡突出,變異性顯著,溫暖濕潤,四季分明,熱量充裕,雨水豐沛,光照充足,無霜期長等。全市多年(1950—2012年)平均降水量為1 064.2 mm,降水量年內分配不均,年際變化較大。全市劃分為3大水系：秦淮河、太湖湖西和沿江水系,共有流域面積在50 km2及以上的河流32條(跨省2條),其中流域面積在100 km2及以上的河流20條,流域面積在1 000 km2及以上河流2條,流域面積在50 km2以下至鄉鎮級主要河流328條。根據地下水在介質中的賦存條件,可以將區內的地下水分為孔隙水、巖溶水與裂隙水3大類。總體來看,鎮江市淺層地下水分布廣泛、總量豐富,但水質狀況較為復雜,不同區域富水性相差較大。

2.2資料來源及評價方法

圖1　鎮江市淺層地下水水質監測井分布

依據GB/T14848—1993《地下水質量標準》[11],選取其中較為常用的單項組分評價法、綜合指數法和模糊綜合評判法分別進行評價,分析采用單一模型進行地下水水質評價結果的可靠性。

2.2.1單項組分評價法

單項組分評價采用標準指數法進行評價。標準指數大于1,表明該水質因子已超過了規定的水質標準,指數值越大,超標越嚴重。標準指數計算公式分為以下兩種情況:

對于評價標準為定值的水質因子,其標準指數計算公式為

(1)

對于評價標準為區間值的水質因子(如pH值),其標準指數計算公式為

(2)

式中:P為pH的標準指數;Z為pH檢測值;Zsu為標準中pH的上限值;Zsd為標準中pH的下限值。

2.2.2綜合指數法

首先進行各單項組分評價,劃分所屬質量類別。Ⅰ～Ⅴ水質類別對應的單項組評分值Fi分別為0、1、3、6、10。

按式(3)確定綜合評判分值F。

(3)

(4)

根據F值劃分地下水質質量級別:F<0.80,為優良; 0.80≤F<2.50,為良好;2.50≤F<4.25,為較好;4.25≤F<7.20，為較差；F≥7.20,為極差。再將細菌學指標評價類別注在級別定名之后,如“優良(Ⅱ類)”、“較好(Ⅲ類)”,以此類推。

2.2.3模糊綜合評判法

模糊綜合評判問題,實質是模糊變換問題,其原理可用下述模式表示:

(5)

式(6)實際是計算污染物的分指數,具有“權重”的含義。因0≤ai≤1,故采用式(7)更為合適:

(7)

(8)

其中:i=1,2,…,n;j=1,2,…,m。

2.3評價結果

3結論與分析

a. 悲觀狀況下,51眼水質監測井中,Ⅴ類水23眼,占總數的45.10%,Ⅳ類水5眼,占總數的9.80%,Ⅲ類水20眼,占總數的39.22%,Ⅱ類水3眼,占總數的5.88%,由此可見,所取監測井淺層地下水Ⅳ類及Ⅴ類水共占54.90%,超過50%(圖2),即水質適用于各種用途的Ⅰ類、Ⅱ類監測井占評價監測井總數的5.88%,適合集中式生活飲用水水源及工農業用水的Ⅲ類監測井占39.22%,適合除飲用外其他用途的Ⅳ～Ⅴ類監測井占54.9%;樂觀狀況下,51眼水質監測井中,Ⅴ類水8眼,占總數的15.69%,Ⅳ類水12眼,占總數的23.53%,Ⅲ類水3眼,占總數的5.88%,Ⅱ類水6眼,占總數的11.76%,Ⅰ類水22眼,占總數的43.14%。由此可見,所取監測井淺層地下水Ⅳ類及Ⅴ類水共占39.22%(圖3),即水質適用于各種用途的Ⅰ類、Ⅱ類監測井占評價監測井總數的54.9%,適合集中式生活飲用水水源及工農業用水的Ⅲ類監測井占5.88%,適合除飲用外其他用途的Ⅳ～Ⅴ類監測井占39.22%。兩種情境下各水質監測點評價結果分布分別見圖4、圖5。

圖2　悲觀狀況下淺層地下水水質類別比例

表1　鎮江市淺層地下水水質評價結果

圖3　樂觀狀況下淺層地下水水質類別比例

圖4　悲觀狀況下水質評價結果

圖5　樂觀狀況下水質評價結果

b. 不同評價方法的評價結果相差較大,由表1可知,3種評價方法評價結果完全一致的水樣僅有7份,占總數的13.7%;而評價結果完全不同的水樣有17份,占總數的33.3%。由此可知,依賴單一評價模型的評價結果進行決策是具有風險的。

d. 本研究選擇不同評價方法對研究區進行評價,并考慮悲觀狀況和樂觀狀況兩種情景,結果更具說服力。

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[11] GB/T14848地下水質量標準[S].

Study of reliability of groundwater quality evaluation results using a single model

LIU Liqing1, YUAN Naihua2, XIA Weiyun1

(1.JiangsuProvinceHydrologyandWaterResourcesInvestigationBureau,Zhenjiang212000,China;2.WaterSavingOfficeofZhenjiangCity,Zhenjiang212000,China)

Abstract：The water quality of shallow groundwater in Zhenjiang City was evaluated using the single factor evaluation method, the comprehensive index method, and the fuzzy comprehensive evaluation method. The evaluation results in regards to a pessimistic situation and an optimistic situation were obtained, and the results were compared with those obtained with the traditional single evaluation method. The study shows the following results: (1) In the pessimistic situation, the monitoring wells of the grade I and grade II levels accounted for 5.88% of the total monitoring wells evaluated, the monitoring wells of the grade III level accounted for 39.22%, and those of the grade IV and V levels accounted for 54.9%; in the optimistic situation, the monitoring wells of the grade I and grade II levels accounted for 54.9%, the monitoring wells of grade III accounted for 5.88%, and those of the grade IV and V levels accounted for 39.22%. (2) These evaluation methods generate remarkably different results, indicating that it is risky to make a decision based on a single evaluation method.

Key words：groundwater; water quality evaluation; single model; single component evaluation method; comprehensive index method; fuzzy comprehensive evaluation

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.03.002

作者簡介:劉禮慶(1969—),男,工程師,從事地下水監測、規劃、管理工作。E-mail:llq84447132@163.com

中圖分類號：X824

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)03-0010-04

(收稿日期：2015-05-20編輯：徐娟)