新疆奎屯河流域平原區地下水質量評價方法探討

陳和軍

(新疆地礦局第二水文工程地質大隊，新疆昌吉831100)

多年以來，在評價某一區域的地下水質量時，選用的方法因評價者個人的喜好和實際資料條件的限制而有所不同，至于何種評價方法具有較高的準確性，更能貼近實際情況，目前尚無明確的定論。而且，除地下水質量和生活飲用水質量國家頒布標準外，對評價方法無具體規定。本文以奎屯河流域平原區為例，運用多種方法對該地區地下水質量進行評價，以比較各種方法的優點和不足。

1 評價標準

各種評價方法的評價標準應有一個統一的尺度，以便于各種評價方法結果的分析對比，判斷不同方法的優缺點和適用性。本文采用《地下水質量標準》（GB/T14848-93）中的分級標準作為各種方法的評價標準。見表1。

表1 地下水質量評價等級表（單位：mg/L）

2 評價因子的選擇

地下水水化學成分不僅與原生的地質環境有關，亦與外部影響因素（如人類活動）有關，在充分考慮反映本地區地下水類型和性質的常規化學組分外，又兼顧區域地質環境中所特有的對人體健康有重要影響的組分及人類活動可能造成的某些污染組分，確定總硬度、礦化度、SO42-、Cl-、NO3--N、NH+4-N、F-、CN-、C6H5OH、As、Mn、Cr6+、Hg、Pb等14項指標作為評價因子參與地下水質量的評價。

3 評價方法

3.1 濃度法

此種方法是根據水質監測點的分析結果，用參與評價因子的檢出率和超標率來對評價地區的地下水做出評價。

檢出率＝(檢出的某種因子的監測點數量／某種因子的監測點總數)×100%

超標率＝(超標的某種因子的監測點數量／某種因子的監測點總數)×100%

3.2 綜合指數法

3.2.1 各單項組分評價

首先進行各單項組分評價，根據單項組分實際檢測值，對照表1劃分組分所屬質量類別，不同類別標準值相同時，從優不從劣。按表2分別確定單項組分評價的評分值Fi。

表2 地下水水質類別單項組分分值表

3.2.2 綜合評價

計算綜合評價分值F，按表3劃分地下水質量級別。

表3 地下水質量綜合評價分級表

Fmax——各單項組分評分值Fi的最大值；

n——參與評價單項組分數。

3.3 灰色聚類法

3.3.1 確定灰類白化函數

灰類白化函數（fj）是表征聚類指標（評價因子j）對聚類灰數（灰類k，k=Ⅰ,Ⅱ,…，Ⅴ）歸屬度的函數，一般用線性灰類白化函數（見圖1），灰類白化函數一般用圖解法和線性關系確定，本文采用以下關系式確定：

圖1 線性灰類白化函數

式中：fj1、fj2、…、fj5——聚類灰數（灰類）k對第j個聚類指標（評價因子）x值的白化函數；

λj1、λj2、…、λj5——第j個聚類指標（評價因子）的地下水灰類分級標準；

xj——第j個評價因子的實測含量。

3.3.2 求灰色聚類權

灰色聚類權，是以分級標準為基礎求算的某評價因子對某級水的權重。評價因子(聚類指標)j對于灰類k的灰色聚類權ηjk按下式計算：

式中:λ′jk——第j個評價因子對于灰類k的分級標準的均勻化無量綱處理，λ′jk=λjk/λjb；

λjb——第j個評價因子的飲用水標準；

λjk——第j個評價因子對于聚類灰數（灰類）k的分級標準；

m——評價因子(聚類指標)個數。

3.3.3 求聚類系數及聚類

聚類系數是標定聚類對象（監測點，i=1，2，3,…,n）屬于某灰類程度的系數。

根據上式計算結果，每個監測點即形成一個以聚類系數表示的聚類行向量：σi＝（σi1，σi2，…，σik），按擇大原則即可確定監測井的地下水質量級別。

3.4 模糊數學綜合評價法

3.4.1 數學模型

B=A·R

式中：B——由隸屬度表示的水質級別模糊評價向量；

A——參加評價因子經歸一化后的權重組成的行距陣；

R——各單因子評價行距陣組成的模糊關系矩陣。

3.4.2 權重行矩陣A的確定

式中：Wi——i指標的權系數；

Ci——i指標實測濃度，i=1,2，…，n；

n——指標個數；

m——水質分級級數；

C0ˉij——水質為j級i指標標準濃度。

由上述指標組成一個權重行矩陣A：

3.4.3 計算隸屬度，建立模糊關系矩陣

各項指標的隸屬度計算同（1）～（5）公式，可得到n項指標的單因素模糊矩陣R。

3.4.4 模糊綜合評價

模糊綜合評價合成運算中的算子較多，本文采用〈·—max〉法進行合成運算，即以行矩陣A的元素與模糊矩陣R的各列中對應元素相乘后取最大值作為各水質級別的隸屬度，據最大隸屬度原則評判出水體的水質級別。

4 評價結果及簡析

按以上評價步驟，選取流域內有代表性的18組地下水水質監測資料，對流域內地下水質量進行綜合評價，評價結果見表4。

濃度法僅能夠對某一地區的地下水質量進行粗略評價，表明評價地區地下水中的超標因子的數量及超標率，不能對評價區總體的地下水質量得出清晰的輪廓；其優點是較為直觀明了，一般多用于環境水文地質條件簡單，超標因子單一的地區，或者是在地下水質量評價的初期使用。

綜合指數法、灰色聚類法和模糊數學綜合評價法3種方法的共同之處是都可以使用相同的地下水質量級別劃分標準，3種評價方法亦表現出不同的優缺點。

綜合指數法全面考慮了所有評價因子的質量級別，突出單個因子的質量對整個地下水質量的影響，計算方法簡單易行，評價結果直觀，精確度高，信息利用率較高，缺點是地下水水質類別單項組分分值和地下水質量綜合評價分級人為性較大。

灰色聚類法突出強調了地下水質“中間過渡”的灰色性，具有分辨力較強、靈敏度較高等優點。缺點是雖然全面考慮了所有評價因子的質量級別，但評價因子所屬質量級別的多寡對最終地下水質量有一定的影響，有對單個評價因子質量級別綜合平均的傾向，沒有突出單個超標因子對整個地下水質量的制約作用。

模糊數學綜合評價法具有很強的分辨力和靈敏度，能真實地反映地下水客觀實際，以多個指標的隸屬函數（隸屬度）刻劃地下水質量，既突出了單個因子的質量級別，又綜合考慮了評價因子整體的質量級別。缺點是分析計算工作量較大。

表4 流域地下水質量綜合評價結果表

5 結論

奎屯河流域平原區主要開采含水層地下水質量較好，地下水質量評價結果多為Ⅰ-Ⅲ級，為完全適宜飲用的地下水。

流域內個別地段地下水已受到污染，地下水質量屬Ⅳ-Ⅴ級，地下水中超標組分為礦化度、總硬度、SO42-，局部地段為NO3--N、F-、AS，流域下游125團—126團沿線地下水中F-離子含量普遍較高，部分地段地下水質量屬Ⅳ-Ⅴ級。

通過使用濃度法、綜合指數法、灰色聚類法和模糊數學綜合評價法等方法對流域平原區地下水質量的評價及結果分析，可以看出，綜合指數法和模糊數學綜合評價法評價結果更符合實際。

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