地下水質(zhì)量綜合評價方法優(yōu)選分析

王莉元 譚曉慧 高愛麗 劉志強

(1.青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033； 2.四川國環(huán)環(huán)境工程咨詢有限公司青島分公司，山東 青島 266061； 3.青島華益環(huán)保科技有限公司，山東 青島 266000)

1 概述

地下水水質(zhì)評價主要是根據(jù)地下水的化學(xué)成分、物理性質(zhì)、生物學(xué)特性及其用途，通過采用合理的評價方法，對照相應(yīng)的地下水質(zhì)量標準，將真實的地下水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為水質(zhì)狀況信息或水質(zhì)等級。在監(jiān)測數(shù)據(jù)真實可靠的前提下，地下水水質(zhì)評價結(jié)果客觀與否的關(guān)鍵是評價方法的選取。常用的評價方法有：單因子評價法[1]、綜合指數(shù)評價法[2,3]、模糊綜合評價法[4,5]、灰色綜合評價法[6]及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法[7,8]等。由于地下水水質(zhì)受到區(qū)域水文地質(zhì)條件、氣候條件及人類活動等諸多復(fù)雜因素的綜合影響，在不同時段具有“空間差異性”“隨機不確定性”“模糊不確定性”等特性。因此，基于地下水的復(fù)雜性，國內(nèi)外學(xué)者采用綜合指數(shù)評價法和模糊綜合評價法對地下水質(zhì)量的評價應(yīng)用較多。本文以臨沂經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)的地下水水質(zhì)狀況為研究對象，對綜合指數(shù)評價法中應(yīng)用較為廣泛的加附注評分法和模糊綜合評價法進行比較分析，優(yōu)選出適用性更強、結(jié)果更為客觀的評價方法。

2 材料與方法

2.1 評價方法

2.1.1加附注評分法

加附注評分法是我國《地下水質(zhì)量標準》中優(yōu)先推薦使用的地下水水質(zhì)綜合評價方法。該方法評價的具體步驟如下：

1)做參評指標的單項組分評價。對比參評指標實測值和標準限值，依據(jù)《地下水質(zhì)量標準》劃分的5類指標，確定參評指標所屬質(zhì)量類別。

2)確定參評指標評價分值Fi。參評指標質(zhì)量類別按照表1的規(guī)定確定值Fi。

表1 單項組分評價分值表

3)計算綜合評價分值Fi。計算公式如下：

(1)

(2)

4)確定地下水質(zhì)量級別。將F值按表2的規(guī)定確定地下水質(zhì)量級別。

表2 地下水質(zhì)量綜合評價分級表

2.1.2模糊綜合評價法

模糊綜合評價法是在模糊理論的基礎(chǔ)上將邊界模糊不清、不易定量化的因素定量化后進行綜合評價。具體評價步驟如下：

1)計算隸屬度矩陣R。

對Ⅰ級水的隸屬函數(shù)：即j=1時：

(3)

對j級至m-1級水的隸屬函數(shù)：即j=2，3，…，m-1時：

(4)

對m級水的隸屬函數(shù)：即j=m時：

(5)

通過利用以上隸屬函數(shù)確定一個i×j階的隸屬度矩陣R：

2)確定權(quán)重矩陣A。

(6)

對Wki作歸一化處理：

(7)

其中，Wki為權(quán)重因子；Xki為k水樣污染指標i的實測值；Si為污染指標i的各級水質(zhì)標準值的平均值；Cij為污染指標i的各級水質(zhì)標準值；aki為k水樣污染指標的權(quán)重值。

通過上式計算求得各指標的權(quán)重值，由其構(gòu)成權(quán)重矩陣A：

A=(ak1,ak2,…,akn)。

3)模糊矩陣的復(fù)合運算。

確定了隸屬度矩陣R和權(quán)重矩陣A后，通過進行復(fù)合運算來確定水體的綜合隸屬度。研究采用“加權(quán)平均型”得到模糊子集B(B=AR)。

4)確定水質(zhì)級別。

水質(zhì)級別的確定依據(jù)是最大隸屬度原則，即隸屬度最大值所在的級別為該水樣點位最終的水質(zhì)類別。

5)確定研究區(qū)模糊綜合評價法的數(shù)學(xué)模型。

根據(jù)篩選出的選評價指標及相應(yīng)的評價標準，確定水質(zhì)綜合評價因子集K、評價標準集J和因子權(quán)重集A。

2.2 研究區(qū)概況

本文以臨沂經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)為研究區(qū)，位于臨沂市東南部，規(guī)劃控制面積223 km2，地理坐標為東經(jīng)118°23′～118°32′、北緯34°53′～35°02′。由于研究區(qū)大部分區(qū)域地下水富水性較差，不具備形成大、中型水源地的水文地質(zhì)條件，僅有臨近沂河和沭河一帶的區(qū)域為集中富水區(qū)。根據(jù)開發(fā)區(qū)水利局有關(guān)資料，近年來開發(fā)區(qū)地下水嚴重匱乏，且污染日趨加重。

研究采用的水樣采樣點共計18個，采樣時間為2017年11月，各采樣點的分布如圖1所示。通過對水質(zhì)數(shù)據(jù)進行采樣分析，篩選出該研究區(qū)主要污染物亞硝酸鹽、陰離子表面活性劑、氨氮、氟化物、鈉、硝酸鹽、高錳酸鹽指數(shù)、硫酸鹽、氯化物、總硬度、溶解性總固體共11項指標作為地下水水質(zhì)評價指標。并依照GB/T 14848—2017地下水質(zhì)量標準中的相關(guān)要求作為評價標準。

3 結(jié)果與分析

表3為采用加附注評分法得到研究區(qū)2017年11月的18個淺層地下水監(jiān)測井位的水質(zhì)評價結(jié)果。結(jié)果表明，研究區(qū)2017年11月淺層地下水水質(zhì)評價級別為較差和極差的井位分布較為平均并且占比為最大，地下水質(zhì)量總體不太理想。根據(jù)式(1),式(2)計算可知，研究區(qū)多為硝酸鹽和總硬度的普遍嚴重超標以及氟化物的個別超標導(dǎo)致了整體水質(zhì)評價級別偏差。

表4為采用模糊綜合評價法得到研究區(qū)2017年11月的18個淺層地下水監(jiān)測井位的水質(zhì)評價結(jié)果。評價結(jié)果表明，Ⅴ類級別水在研究區(qū)2017年11月淺層地下水中均有分布，監(jiān)測井位中屬于Ⅴ類水的分布偏多，地下水質(zhì)量總體不太理想。總的來看，研究區(qū)地下水水質(zhì)除部分區(qū)域較差之外，其他水質(zhì)較好，屬于可接受水平。

表3 研究區(qū)加附注評分法評價結(jié)果

表4 研究區(qū)模糊綜合評價法評價結(jié)果

通過表3和表4對比分析可以看出，4號、8號、10號、12號和17號共5個監(jiān)測點位的水質(zhì)評價結(jié)果分別由加附注評分法的Ⅳ類變?yōu)槟：C合評價法的Ⅲ類、Ⅲ類、Ⅲ類、Ⅰ類、Ⅱ類，模糊綜合評價法評價水質(zhì)的結(jié)果偏優(yōu)；13號和15號點位的水質(zhì)評價結(jié)果分別由加附注評分法的Ⅴ類變?yōu)槟：C合評價法的Ⅱ類和Ⅳ類，模糊綜合評價法評價水質(zhì)的結(jié)果偏優(yōu)；1號、5號和16號點位的水質(zhì)評價結(jié)果分別由加附注評分法的Ⅱ類、Ⅳ類、Ⅳ類變?yōu)槟：C合評價法的Ⅲ類、Ⅴ類、Ⅴ類，模糊綜合評價法評價水質(zhì)的結(jié)果偏差；其他點位的水質(zhì)在加附注評分法和模糊綜合評價法的評價中評價結(jié)果相同，沒有變化。

4 結(jié)語

通過實例分析可以看出，在水樣分值包含了相似的水質(zhì)信息并且在分值相差極小的情況下，采用加附注評分法進行評價容易出現(xiàn)“一刀切”現(xiàn)象，將同一個水質(zhì)級別劃分為兩個水質(zhì)級別，造成不合理的評價結(jié)果。以研究區(qū)2017年5號和9號的地下水水質(zhì)綜合評價結(jié)果為例，兩個水樣均是硝酸鹽指標嚴重超標。采用加附注評分法得到5號的綜合評價分值F為7.187，9號的綜合評價分值F為7.211。根據(jù)表3綜合評價分級表規(guī)定的Ⅳ類和Ⅴ類水的分界線數(shù)值7.20，5號的水質(zhì)應(yīng)劃分為Ⅳ類，而9號應(yīng)劃分為Ⅴ類，兩個點位綜合評價分值數(shù)值僅相差小數(shù)位，水質(zhì)等級卻差了一個級別，很明顯，加附注評分法的劃分是不合理的。模糊綜合評價法通過確定隸屬關(guān)系的方法劃分水質(zhì)級別，能夠精細地反映出指標實際濃度對水質(zhì)分級界限的接近程度，克服了加附注評分法在此方面的不足。而在模糊綜合評價結(jié)果中，5號和9號兩個點位水質(zhì)均屬于Ⅴ類。上述分析表明，針對地下水質(zhì)量綜合評價，模糊綜合評價法評價結(jié)果更為客觀、合理。