模糊評(píng)判法和綜合指數(shù)法在巖溶地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用
——以清鎮(zhèn)市工業(yè)西區(qū)為例

羊永夫,褚學(xué)偉

(1.貴州有色地質(zhì)工程勘察公司,貴陽(yáng) 550000；2.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,貴陽(yáng) 550000)

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模糊評(píng)判法和綜合指數(shù)法在巖溶地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用
——以清鎮(zhèn)市工業(yè)西區(qū)為例

羊永夫1,褚學(xué)偉2

(1.貴州有色地質(zhì)工程勘察公司,貴陽(yáng) 550000；2.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,貴陽(yáng) 550000)

巖溶地下水；地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)；模糊評(píng)判法；綜合指數(shù)法；清鎮(zhèn)市工業(yè)西區(qū)

and found that the main reason for the difference is the comprehensive index evaluation method using the category of the worst water quality indicators as a comprehensive water quality category, and comprehensive index evaluation method enhances the pollution index of pollutant and the pollution index of the most serious pollutant, the evaluation of the weight of the most serious pollutants has also been increased,so the results showed excessive protection.Fuzzy evaluation method based on fuzzy mathematics, it can quantify some factors of border blurred and quantify not easy quantitative factors, and also take into account the various factors on the comprehensive impact of water quality, fairly and objectively reflecting the impact of each pollution factor on the evaluation results. Key words：Karst groundwater; quality evaluation of groundwater; fuzzy evaluation method; comprehensive index evaluation method; industrial area of Qingzhen city

0 前 言

中國(guó)是世界上巖溶發(fā)育最復(fù)雜、類型最齊全、面積分布最廣的國(guó)家，巖溶區(qū)總面積約為344×l04km2，巖溶水資源總量為2039×108m3/a，占全國(guó)地下水資源總量的23.4%。貴州位于中國(guó)巖溶復(fù)雜的西南地區(qū)，可溶巖分布面積超過(guò)全省國(guó)土面積的2/3。巖溶以裸露類型為主，地下水與地表水、降水之間的關(guān)系頻繁轉(zhuǎn)換，因地下水系統(tǒng)缺乏保護(hù)，故地下水污染方式以直接污染為主[1]。巖溶含水系統(tǒng)抗污染能力弱，巖溶水資源環(huán)境十分脆弱[2]。

20世紀(jì)50年代起，地下水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)逐漸引起人們重視，對(duì)比環(huán)境科學(xué)的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，其評(píng)價(jià)思想和方法與環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法密切相關(guān)。水質(zhì)評(píng)價(jià)是對(duì)水環(huán)境質(zhì)量變化規(guī)律的研究，直觀地反映水體特征，并對(duì)水環(huán)境要素或區(qū)域水環(huán)境性質(zhì)的優(yōu)劣性進(jìn)行科學(xué)的定量描述，并且能夠科學(xué)的提高和改善人類水環(huán)境質(zhì)量的方法和途徑[3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法上不斷創(chuàng)新，不斷完善了水體質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)。根據(jù)反映地下水物理化學(xué)特性的多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行地下水質(zhì)評(píng)價(jià)，采用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算，最后得到較為適宜的地下水質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果[4]。由于近年來(lái)數(shù)學(xué)方法廣泛應(yīng)用于水質(zhì)評(píng)價(jià)領(lǐng)域，直接導(dǎo)致水質(zhì)質(zhì)量評(píng)價(jià)成為環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)科中發(fā)展速度最快、進(jìn)步較為顯著的一個(gè)分支。

通過(guò)對(duì)清鎮(zhèn)市工業(yè)西區(qū)水文地質(zhì)分析，在研究區(qū)內(nèi)對(duì)各泉、暗河出口和入口及機(jī)井水質(zhì)監(jiān)測(cè)，得到共9個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，以《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-9)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用綜合指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)法等方法對(duì)區(qū)內(nèi)水質(zhì)評(píng)價(jià)，并分析各種評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果。

1 評(píng)價(jià)方法

1.1 綜合指數(shù)法

綜合指數(shù)法是以地下水水質(zhì)調(diào)查分析資料或水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料為基礎(chǔ)，首先進(jìn)行各單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)，劃分所屬質(zhì)量類別，對(duì)各類別按下列規(guī)定分布，確定單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)分值Fi，進(jìn)行單項(xiàng)染組分評(píng)價(jià)，依照表1確定單項(xiàng)組分評(píng)分值Fi。

表1 單項(xiàng)組分評(píng)分值Fi

再根據(jù)以下公式(1)及(2)計(jì)算綜合評(píng)分值F：

(1)

(2)

依據(jù)F值按表2劃分地下水質(zhì)量級(jí)別。

表2 地下水質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.2 模糊評(píng)判法

1.2.1 建立隸屬函數(shù)

1)設(shè)定兩個(gè)評(píng)價(jià)集：在水質(zhì)監(jiān)測(cè)的若干監(jiān)測(cè)指標(biāo)中根據(jù)一定的原則，以及《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-93)中對(duì)地下水功能區(qū)和保護(hù)目標(biāo)，將地下水質(zhì)劃分成了5類，選取水體中主要污染因子構(gòu)成評(píng)判因素集，建立評(píng)價(jià)因子集。

U={u1,u2,u3,…,un}

(3)

V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}

(4)

式中：U為綜合評(píng)判所涉及的因素集合，即參加水質(zhì)評(píng)價(jià)所選定的因素；V為最終評(píng)價(jià)所組成的集合。

2)構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣R：文章采用半梯形分布法來(lái)計(jì)算隸屬函數(shù)。設(shè)評(píng)價(jià)中取n個(gè)污染因子，取第k個(gè)水樣中某一污染因子i的實(shí)測(cè)值為Xki，其j級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值為cij(i=1,2,……,n；j=1,2,……,m)則污染因子對(duì)各級(jí)水的隸屬函數(shù)如下:

對(duì)I級(jí)水的隸屬函數(shù):即j=1

(5)

對(duì)j級(jí)至m-1級(jí)水的隸屬函數(shù):即j=2,3,……,n-1

(6)

對(duì)n級(jí)水的隸屬函數(shù):即j=m

0xki

1

(7)

當(dāng)xki給定，可以用以上隸屬函數(shù)求出K水樣中第i個(gè)污染因子分別對(duì)各級(jí)水的隸屬度，由此確定一個(gè)與水質(zhì)類別的模糊關(guān)系矩陣R：

(8)

式中：m代表評(píng)價(jià)因子數(shù)，即i=1,2，…,m；n代表水質(zhì)級(jí)別，即j=1,2,3,4,5。

1.2.2 權(quán)重向量的計(jì)算

當(dāng)每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的超標(biāo)比都計(jì)算完之后，將其進(jìn)行歸一化處理，便能計(jì)算出每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

(9)

由此即得到了權(quán)重集：W={w1,w2,…,wm}。

1.2.3 建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型

確定了模糊評(píng)價(jià)矩陣R和權(quán)重集W后，可以得到如下的模糊綜合評(píng)價(jià)模型：

=(b1,b2,…,bn)

(10)

建立模糊評(píng)價(jià)模型后，根據(jù)最大隸屬度原則，bj=max(b1,b2,…,bn)，即待評(píng)價(jià)水體的水質(zhì)級(jí)別應(yīng)該為第j類。

2 地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.1 研究區(qū)概況

2.1.1 地質(zhì)環(huán)境背景

區(qū)內(nèi)水系較發(fā)達(dá)，屬長(zhǎng)江流域?yàn)踅担瑸踅患?jí)支流貓?zhí)又Я靼盗骱?又名跳蹬河)。為清鎮(zhèn)市工業(yè)西區(qū)片區(qū)的地下水排泄基準(zhǔn)面。暗流河為貓?zhí)右患?jí)支流，是清鎮(zhèn)市第三大河，發(fā)源于平壩縣楊家莊。

研究區(qū)主要為溶丘洼地及溶蝕溝谷、峽谷地貌，區(qū)域東側(cè)為侵蝕溝谷斜坡地貌，低中山山峰呈圓形，海拔多數(shù)在1100-1473m之間，一般高差約為40-120m。溶丘間洼地、落水洞發(fā)育，呈串珠狀分布，洼地呈橢。圓形、圓形，落水洞呈圓形，該地貌類型植被不發(fā)育，巖石裸露，土層較薄；流向南至北的貓?zhí)忧懈钶^深，形成峽谷、嶂谷地貌，主要分布于研究區(qū)的西部，為U字型峽谷。

清鎮(zhèn)市工業(yè)西區(qū)位于華南板塊的揚(yáng)子陸塊西南部，地層區(qū)劃屬黔中分區(qū)，區(qū)內(nèi)出露地層主要為三疊系、二疊系、石炭系及寒武系，其中，以三疊系出露的地層最廣。研究區(qū)地處華南板塊的揚(yáng)子陸塊西南部黔北臺(tái)隆遵義拱斷貴陽(yáng)復(fù)雜構(gòu)造變形區(qū)中段，構(gòu)造線的展布方向以南北向?yàn)橹鳎浯螢楸睎|-南西向。區(qū)內(nèi)發(fā)育斷裂構(gòu)造主要為南北、北東-南西方向。

2.1.2 巖溶區(qū)水文地質(zhì)特征

1)巖溶發(fā)育特點(diǎn):研究區(qū)內(nèi)出露的碳酸鹽巖為下三疊統(tǒng)安順組(T1a)白云巖和大冶組二段(T1d2)灰?guī)r、三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組(T2g)白云巖。呈裸露型和半裸露型兩種巖溶類型，半裸露型主要發(fā)育在大冶組(T1d)灰?guī)r、關(guān)嶺組(T2g)地層中，位于調(diào)查區(qū)東南部，面積約18.69km2。裸露型巖溶發(fā)育于安順組(T1a)灰?guī)r地層中，面積約106.42km2，海拔標(biāo)高1100-1473m，呈南北走向巖溶槽谷，槽谷第四系厚0.5-10m，出露串珠狀落水洞、天窗、溶溝、暗河標(biāo)志明顯，地下巖溶管道發(fā)育，為該區(qū)主要巖溶含水系統(tǒng)。在調(diào)查區(qū)內(nèi)落水洞、井、巖溶洼地平均16-25個(gè)/km2，地下巖溶以暗河、巖溶管道、大溶縫和巖溶裂隙構(gòu)成地下水的逕流排泄通道。研究區(qū)水文地質(zhì)圖見(jiàn)圖1。

2)水文地質(zhì)條件：研究區(qū)位于清鎮(zhèn)市中部，為溶蝕峰叢谷地類型為主，谷地開(kāi)闊，覆蓋較厚殘積黏土層。工業(yè)區(qū)所處水文地質(zhì)單元北以白鵝井?dāng)鄬訛榻纾弦缘乇矸炙畮X，東以龍?zhí)督M(P3l)煤系地層，西以跳蹬河為界，面積77km2(圖1)。地表水系有南北向徑流的跳蹬河，為本區(qū)排泄基準(zhǔn)面，標(biāo)高為1108m。

區(qū)內(nèi)出露地層為安順組(T1a)、大冶組(T1d)，地表巖溶、落水洞、地下天窗發(fā)育。安順組(T1a)為主要的含水地層，亦為區(qū)內(nèi)包氣帶介質(zhì)，土層較薄或者缺失，地下水主要接受大氣降水直接補(bǔ)給。大氣降水補(bǔ)給地下水的方式大體有灌入型和滲入型兩種。補(bǔ)給方式主要取決于巖性及地表第四紀(jì)覆蓋層厚度，在純碳酸鹽巖及地表覆蓋層較薄的分布區(qū)，地下水的補(bǔ)給方式以灌入型為主，即大氣降水形成的地表散流及常年性、季節(jié)性地表溪流，經(jīng)各類巖溶(豎井、落水洞，巖溶漏斗及小型洼地下伏的隱伏落水洞)，灌入補(bǔ)給巖溶地下徑流系統(tǒng)。其補(bǔ)給量大但不均勻，補(bǔ)給速度快但不連續(xù)。如處于新壩、涂家寨、周家寨及黑石頭等地區(qū)，在有利的地形地貌和地層結(jié)構(gòu)條件，以及眾多的垂直型地表巖溶為大氣降水、地表散流、常年和季節(jié)性溪流灌入補(bǔ)給地下水提供了補(bǔ)給通道。

在非純碳酸鹽巖及碎屑巖分布區(qū)，地下水的補(bǔ)給方式以滲入型為主。由大氣降水直接通過(guò)風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙、層面裂隙、植被壤土以及補(bǔ)給區(qū)溪流溝床地表水的緩慢滲入補(bǔ)給，具補(bǔ)給緩慢、補(bǔ)給連續(xù)均勻等特點(diǎn)。除此以外，區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉、生活污水、工業(yè)廢水等排放，均為區(qū)內(nèi)地下水的補(bǔ)給來(lái)源。

區(qū)內(nèi)總體地形東高西低，地下水總體徑流方向?yàn)橛蓶|向西徑流排泄。受區(qū)內(nèi)南北向構(gòu)造帶影響，地下水在由東向西徑流主方向的基礎(chǔ)上，受區(qū)內(nèi)構(gòu)造裂隙、跳蹬河地表支流及區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)排關(guān)系的影響，存在向北西方向偏流的特點(diǎn)。

1.寒武系下統(tǒng)牛蹄湯組；2.寒武系下統(tǒng)清虛洞組；3.寒武系下統(tǒng)金頂山組；4.寒武系中統(tǒng)高臺(tái)-石冷水組；5.石炭系下統(tǒng)擺佐組；6.二疊系中統(tǒng)棲霞組；7.二疊系中統(tǒng)茅口組；8.二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M；9.二疊系上統(tǒng)長(zhǎng)興組；10.三疊系下統(tǒng)大冶組；11.三疊系下統(tǒng)夜郎組；12.三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組；13.三疊系下統(tǒng)安順組；14.三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組；15.地質(zhì)界線；16.斷層；17.向斜；18.泉編號(hào)及流量；19.地下水流向；20.機(jī)井及編號(hào)；21.暗河出口及編號(hào)；22.暗河入口及編號(hào)；23.地表分水嶺；24.工業(yè)區(qū)規(guī)劃征地范圍

2.2 地下水采樣監(jiān)測(cè)

文章利用2013年豐水期采樣點(diǎn)中的9個(gè)進(jìn)行地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)(圖1、表3)。

2.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及參評(píng)因子

2.3.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)中國(guó)地下水質(zhì)現(xiàn)狀、人體健康基準(zhǔn)值及地下水質(zhì)量保護(hù)目標(biāo)，并參照了國(guó)家《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/14848一93)，將地下水質(zhì)量劃分為五類：

1)Ⅰ類水質(zhì)優(yōu)良，主要反映地下水化學(xué)組分的天然低背景含量。適用于各種用途。

2)Ⅱ類水質(zhì)良好，主要反映地下水化學(xué)組分的天然背景含量。適用于各種用途。

3)Ⅲ類水質(zhì)較好，以人體健康基準(zhǔn)值為依據(jù)。主要適用于集中式生活飲用水水源及工、農(nóng)業(yè)用水。

4)Ⅳ類水質(zhì)較差，以農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水要求為依據(jù)。除適用于農(nóng)業(yè)和部分工業(yè)用水外，適當(dāng)處理后可作生活飲用水。

5)Ⅴ類水質(zhì)極差，不宜飲用，其他用水可根據(jù)使用目的選用。

表3 研究區(qū)地下水采樣點(diǎn)一覽表

表4 水樣測(cè)試指標(biāo)一覽表

2.3.2 評(píng)價(jià)因子

清鎮(zhèn)市工業(yè)西區(qū)規(guī)劃建設(shè)初期，工業(yè)污染物排放量相對(duì)小，根據(jù)地下水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀的主要成分及對(duì)人體的危害選用SO42-、Cl-、總硬度、NO3-、N02-、NH4、溶解性總固體、F-、MnO4-等九項(xiàng)化學(xué)組分作為評(píng)價(jià)因子，對(duì)工業(yè)區(qū)水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)價(jià)。

2.4 評(píng)價(jià)結(jié)果

各評(píng)價(jià)因子質(zhì)量類別評(píng)價(jià)見(jiàn)表5，從表5中可以看出，有5個(gè)點(diǎn)3個(gè)水質(zhì)指標(biāo)超出了Ⅲ類水指標(biāo)，分別為MnO4-、NH4、N02-，最嚴(yán)重的為C24點(diǎn)，有3個(gè)水質(zhì)指標(biāo)超出Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)研究區(qū)實(shí)際監(jiān)測(cè)資料及上述隸屬函數(shù)公式(5)、(6)、(7)，計(jì)算各單項(xiàng)因子對(duì)于水質(zhì)級(jí)別(評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn))的隸屬度，獲得模糊評(píng)判法的最終的綜合評(píng)判集B(式10)。

(10)

通過(guò)對(duì)各評(píng)價(jià)因子質(zhì)量類別取值并經(jīng)過(guò)(1)式、(2)式的計(jì)算，即可得到綜合指數(shù)法地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果。模糊綜合法地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果則按最大隸屬度原則由模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判集矩陣(10)式得到。表6是兩種方法地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果。

表5 各因子質(zhì)量類別評(píng)價(jià)表

表6 兩種方法地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果表

從表6可以看出以上兩種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果基本趨于一致，9個(gè)采樣點(diǎn)中7個(gè)點(diǎn)的評(píng)價(jià)結(jié)果是一致的，2個(gè)點(diǎn)結(jié)果有出入，但也是僅相差一個(gè)級(jí)別。引起結(jié)果差異的原因如下：

1)綜合指數(shù)法是按計(jì)算指數(shù)的大小，將各種污染物的污染指數(shù)和最嚴(yán)重污染物的污染指數(shù)情況納入?yún)⒖挤秶瑫r(shí)將最嚴(yán)重污染物的權(quán)重加大，其以最差水質(zhì)指標(biāo)所屬類別作為綜合水質(zhì)類別，評(píng)價(jià)結(jié)果表現(xiàn)為過(guò)度保護(hù)。表6中，通過(guò)綜合指數(shù)法對(duì)71號(hào)、45號(hào)水樣點(diǎn)評(píng)價(jià)得出的結(jié)果略高于模糊評(píng)價(jià)法所得的結(jié)果。其原因是綜合指數(shù)法沒(méi)有考慮權(quán)重因素，只是把各項(xiàng)污染因子同等對(duì)待，即認(rèn)為各污染物對(duì)水質(zhì)的影響程度一致；同時(shí)又過(guò)于突出單項(xiàng)污染因子，因此當(dāng)某種污染物的Fi較高時(shí)，綜合評(píng)分值就會(huì)正向升高。

2)模糊綜合評(píng)價(jià)法屬于函數(shù)法，模糊數(shù)學(xué)是其基礎(chǔ)工具，模糊關(guān)系合成是其應(yīng)用原理，具體評(píng)價(jià)方法是將體系中邊界模糊不清，不易定量的因素定量化，充分考慮各個(gè)評(píng)價(jià)因子對(duì)水質(zhì)的綜合影響，因此可以能客觀公正的反映出各個(gè)污染因子對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。

3 結(jié) 論

2)綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法和模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果整體上趨于一致，9個(gè)采樣點(diǎn)中7個(gè)采樣點(diǎn)的評(píng)價(jià)結(jié)果相差不大，僅2個(gè)采樣點(diǎn)結(jié)果有出入，但也只是相差一個(gè)級(jí)別。綜合指數(shù)法以最差水質(zhì)指標(biāo)所屬類別作為綜合水質(zhì)類別，評(píng)價(jià)結(jié)果表現(xiàn)為過(guò)度保護(hù)，強(qiáng)化污染物的污染指數(shù)和最嚴(yán)重污染物的污染指數(shù)情況，同時(shí)將最嚴(yán)重污染物的權(quán)重加大；模糊綜合評(píng)價(jià)法屬于函數(shù)法，模糊數(shù)學(xué)是其基礎(chǔ)工具，模糊關(guān)系合成是其應(yīng)用原理，具體評(píng)價(jià)方法是將體系中邊界模糊不清，不易定量的因素定量化，充分考慮各個(gè)評(píng)價(jià)因子對(duì)水質(zhì)的綜合影響，因此可以能客觀公正的反映出各個(gè)污染因子對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。

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[2]丁堅(jiān)平,王中美,毛健全,等.巖溶地下水滲漏污染研究[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2003，32(04)：98-102.

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Application of Fuzzy Evaluation Method and Comprehensive Index Evaluation Method in Groundwater Quality Assessment of Karst Region —A case study of Qingzhen industrial area

YANG Yong-fu1and CHU Xue-wei2

(1.Guizhou Nonferrous Geological Engineering Survey Company, Guiyang 550000, China; 2.College of Resources and Environmental Engineering of Guizhou University, Guiyang 550000, China)

1007-7596(2017)05-0131-06

2017-04-22

貴州省水利廳科技專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(KT201506)

X523

A

羊永夫(1988-)，男，海南儋州人，助理工程師，碩士研究生，從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)工作；褚學(xué)偉(1979-)，男，山東濰坊人，講師，博士研究生，從事巖溶水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)研究工作。