不同評價方法在阿克蘇市地下水水質(zhì)評價中的應(yīng)用分析

劉 誠

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

阿克蘇市位于新疆維吾爾自治區(qū)西南部，塔里木盆地的西北邊緣，天山南麓，阿克蘇河沖積扇上，地理坐標(biāo)為北緯39°30′-41°27′，東經(jīng)79°39′-82°01′。阿克蘇河作為境內(nèi)主要河流，隨著社會不斷發(fā)展，城市建設(shè)與工農(nóng)業(yè)的發(fā)展不僅對地下水的形成和補給產(chǎn)生了一定的影響，同是使地下水水質(zhì)也出現(xiàn)不同程度上的變化[1]，從2011年到2014年，阿克蘇河實際來水量從93.31 億m3降低到61.04 億m3[2]，降幅顯著，近年來，由于阿克蘇市的人口增加與農(nóng)業(yè)開發(fā)導(dǎo)致水資源供需矛盾更加突顯，使灌溉水資源的需求量不斷增加，伴隨著綠洲耕地面積擴大與耗水量增加的同時，水質(zhì)惡化和水體污染等問題也隨之而來，如在2009年和2011年對阿克蘇地區(qū)英麥力鎮(zhèn)地下水水質(zhì)的分析結(jié)果顯示，Ⅲ類水質(zhì)的比重<50%，與2009年水質(zhì)相比總體上呈變差趨勢，地下水作為水循環(huán)系統(tǒng)中的重要構(gòu)成成分，通常是水質(zhì)較好、水源穩(wěn)定的供水水源[3]，因此地下水的合理開發(fā)與利用不僅是灌溉水資源的重要來源，更是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。而水資源可持續(xù)開發(fā)利用的前提是水環(huán)境質(zhì)量的定量化客觀評價，這也是環(huán)境管理與決策的依據(jù)。目前，在水環(huán)境質(zhì)量的綜合評價中應(yīng)用較多的主要有單因子評價法[4]、F值評價法[5]、層次分析法[6]、模糊綜合評價法[7]、灰色關(guān)聯(lián)評價法[8]和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[9]及綜合污染標(biāo)識指數(shù)法[10]等。出于評價指標(biāo)與水質(zhì)類型間比較復(fù)雜的非線性關(guān)系，以及地下水實際水體污染的隨機性和模糊性，對于地下水水質(zhì)評價難以用單一的模型進行準(zhǔn)確評價，大多數(shù)研究者均采用多個評價模型對所研究的水體進行綜合評價[11-14]，從而得到較穩(wěn)定可信的定性評價。本文根據(jù)前人研究進展，采用單因子評價法、F值評價法、灰色關(guān)聯(lián)分析法和模糊綜合評價法4種評價方法，對阿克蘇市16處地下水監(jiān)測井的地下水水質(zhì)進行綜合評價，通過綜合比較分析評價結(jié)果，探討各評價方法的適用性與優(yōu)缺點，使評價結(jié)果能更客觀更科學(xué)的反映水體的實際情況。

1 水質(zhì)評價方法

當(dāng)前，在地下水水質(zhì)評價方法中有單因子評價法、F值評分法、綜合評價法、綜合污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法等、模糊綜合評價法、灰色理論評價法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法等，在國家層面上對地下水水質(zhì)評價中最常用的方法是F值評分法，而研究最多的是綜合污染指數(shù)法、模糊綜合評價法和灰色理論評價法。本文對地下水水質(zhì)評價的研究，根據(jù)前人普遍采用的評價方法，應(yīng)用單因子評價法、F值評分法、灰色關(guān)聯(lián)法、模糊綜合評價法對地下水水質(zhì)進行綜合評價，并根據(jù)結(jié)果對不同評價方法的適用性和優(yōu)缺點進行探討。

1.1 單因子評價法

單因子評價法是分別對單個指標(biāo)進行分析評價，根據(jù)地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(DZ/T0290-2015)[15]，將評價對象的實測值與對應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn)值進行比較，按照地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[16]，將地下水質(zhì)量劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ類，再選取評價指標(biāo)中最差的類別作為水體的水質(zhì)類別。計算公式為：

G=MAX(Gi)

(1)

式中：Gi為第i項評價指標(biāo)的水質(zhì)類別。

1.2 F值評價法

F值評價法是GB/T14848-2017中推薦使用的綜合評價法。首先根據(jù)地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對各指標(biāo)進行單項指標(biāo)評價，按五類分類指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)出現(xiàn)不同類別標(biāo)注值一樣時，按照從優(yōu)不從劣的原則劃分各單項指標(biāo)所屬的質(zhì)量類別，再根據(jù)各單項指標(biāo)所屬的質(zhì)量類別來分別確定其對應(yīng)的評價分值Fi(表1)。

表1 地下水水質(zhì)級別與賦分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Grade and standard of groundwater quality

然后綜合對比各項指標(biāo)的評價結(jié)果，通過公式(2)和公式(3)計算出水質(zhì)樣口的綜合評價分值F。

(2)

(3)

最后根據(jù)各水質(zhì)樣品的綜合評價分值F，對照表1來進行地下水質(zhì)量綜合級別的劃分。

1.3 灰色關(guān)聯(lián)分析法

灰色關(guān)聯(lián)分析法是灰色系統(tǒng)理論的基本方法，它是通過對研究系統(tǒng)內(nèi)各要素的相互關(guān)系、作用與影響進行關(guān)聯(lián)度量化，從而確定參考序列與多個對比序列間的關(guān)聯(lián)性。如在進行地下水水質(zhì)評價時，將水體實測值作為參考數(shù)列，將地下水的分級標(biāo)準(zhǔn)值作為比較數(shù)列，然后通過參考數(shù)列求出的五個關(guān)聯(lián)度中最大關(guān)聯(lián)度所對應(yīng)的比較數(shù)列的級別就是待評價水體所對應(yīng)的水質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)[8,11]。

(1)對原數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，建立參考數(shù)列與對比數(shù)列。

設(shè)實測樣品序列有m個，包含n個評價指標(biāo)，則第i個實測樣品數(shù)列為：

Xi={xi(1),xi(x),…,xi(k),…,xi(n)} (i=1,2,…,m)

(4)

設(shè)對比序列共s級，第j級標(biāo)準(zhǔn)的對比數(shù)列為：

Yj={yj(1),yj(2),…,yj(k),…,yj(n)} (j=1,2,…,s)

(5)

式中：xi(k)為第i個樣品數(shù)列中第k項評價指標(biāo)的實測值；yj(k)為第j級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中第k項指標(biāo)的取值。

(6)

(2)求差數(shù)列。

(7)

(3)計算關(guān)聯(lián)系數(shù)。

(8)

式中：Δmax為Δji(k)的最大值；Δmin為Δji(k)的最小值；ρ取0.5。

(4)計算關(guān)聯(lián)度。

(9)

(5)關(guān)聯(lián)度排序。根據(jù)公式(9)計算出的關(guān)聯(lián)度矩陣中找到每行的最大值，則為監(jiān)測水體所屬的水質(zhì)等級。

1.4 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法是對多種模糊因素所影響的事物或現(xiàn)象進行總體的評價。在水質(zhì)類型模糊綜合評價上是通過建立水質(zhì)各指標(biāo)與對應(yīng)各級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度集，然后形成隸屬度矩陣，再將各指標(biāo)因子的權(quán)重與隸屬度矩陣相乘，得到一個綜合評價集，從而表明出水質(zhì)指標(biāo)對各級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度，最終反映綜合水質(zhì)級別的模糊性[17]。具體步驟為：

1.4.1 建立評價對象因子集

要對一個對象進行全面準(zhǔn)確的評價，首先要對該對象的各個因子進行相應(yīng)的評價，在地下水水質(zhì)的評價中，評價因子集合可以是地下水水體中的多項指標(biāo)，本文選取監(jiān)測得到的PH值、總硬度、總?cè)芙庑怨绦挝铩⒙然铩⒎铩⒘蛩猁}、氨氮和高錳酸鹽指數(shù)作為評價因子集。記為：

U={U1,U2,…,Ui,…,Un} (i=1,2,…,n)

(10)

式中：n為評價因子數(shù)；Ui為第i個評價因子實測值。

1.4.2 建立評價等級集

評價標(biāo)準(zhǔn)等級集合是水質(zhì)評價的基礎(chǔ)，各個評價因子相應(yīng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等級的集合記為：

V={V1,V2,…,Vi,…,Vn} (i=1,2,…,n)

(11)

式中：n為評價等級級別數(shù)；Vi為與Ui相對應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn)集。

1.4.3 確定評價因子的模糊權(quán)向量

在地下水水質(zhì)評價過程中，要對每個評價因子Ui都賦予一個相應(yīng)的權(quán)重ai，最終構(gòu)成權(quán)重集A，記為：

A(a1,a2,…,ai,…,an)

(12)

對因子賦權(quán)，由于每個參評因子對水質(zhì)影響的貢獻(xiàn)率不同，就有不同的權(quán)數(shù)分配，因此需要對各因子加權(quán)。目前以污染物的超標(biāo)情況決定權(quán)重的方法應(yīng)用較為廣泛，通常情況下，各水質(zhì)評價因子的監(jiān)測值越大，其相對于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的超標(biāo)倍數(shù)就越大，權(quán)重也就越大，這是因為超標(biāo)倍數(shù)越大，污染貢獻(xiàn)率就越大，所以權(quán)重也就越大。但有個別因子除外，如水質(zhì)中的DO，超標(biāo)越多，權(quán)重反而越小。

利用超標(biāo)法計算權(quán)重，公式如下：

(13)

1.4.4 建立相應(yīng)的單因素評判矩陣

通常用函數(shù)分布形態(tài)曲線求隸屬函數(shù)，本文采用降半梯形法建立隸屬度函數(shù)，建立一元線性隸屬函數(shù)[18]，再根據(jù)評價因子個數(shù)、水質(zhì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)分級和在各級的隸屬度來確定模糊矩陣，各級水質(zhì)的隸屬度函數(shù)計算公式如下：

(1)當(dāng)Ci屬于第Ⅰ等級的隸屬度函數(shù)為：

(14)

(2)當(dāng)Ci屬于第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等級的隸屬度函數(shù)為：

(15)

(3)當(dāng)Ci屬于第Ⅴ等級的隸屬度函數(shù)為：

(16)

式中：Ci為評價因子實測值；rij為評價指標(biāo)i對j級水質(zhì)的隸屬度；Sij為評價指標(biāo)的j級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值。

如有n個水質(zhì)評價指標(biāo)，分m級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，則可構(gòu)造n×m階的模糊矩陣R。

(17)

1.4.5 模糊綜合計算

單因子的模糊綜合評價存在一定的局限性，因為它僅反映出了單個評價因子對評價對象的影響，而不能綜合反映出所有評價因子對評價對象的影響。因此，必須將模糊權(quán)重集A與單因素模糊評價矩陣R進行復(fù)合，然后采用加權(quán)算術(shù)平均合成法，對綜合評價模型B=A×R，記為B=(b1，b1，…，bm)，進行模糊復(fù)合運算，最后根據(jù)最大隸屬度原則，其中的最大值所對應(yīng)的等級判定水質(zhì)等級。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)阿克蘇市16處地下水監(jiān)測井的水樣數(shù)據(jù)，采用單因子評價法、F值評價法、灰色關(guān)聯(lián)分析法和模糊綜合評價法對水質(zhì)進行評價。根據(jù)監(jiān)測指標(biāo)數(shù)量，選取pH值、總硬度、總?cè)芙庑怨绦挝铩⒙然铩⒎铩⒘蛩猁}、氨氮和高錳酸鹽指數(shù)共8項評價指標(biāo)，各觀測點實測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 樣品中各評價指標(biāo)的實測值Tab.2 The measured values of each evaluation index in the sample

2.1 單因子評價法評價地下水水質(zhì)

依據(jù)參考文獻(xiàn)[16]對16個樣品的各指標(biāo)按從優(yōu)不從劣的原則進行單項指標(biāo)評價，評價結(jié)果見表3，可以看出，1號和7號水質(zhì)為Ⅳ類，而其他水樣的水質(zhì)等級均為Ⅲ類。

表3 單因子評價法評價結(jié)果Tab.3 Single factor evaluation method

2.2 F值評價法評價地下水水質(zhì)

根據(jù)各水樣評價指標(biāo)的實測值及地下水水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)值，利用單項組分評價賦分標(biāo)準(zhǔn)(表1)和公式(2)與公式(3)計算出各指標(biāo)綜合評價分值，再結(jié)合表1確定地下水質(zhì)量級別，結(jié)果如表4所示。從表4中可看出，1號、2號和6號為Ⅲ類，而其余樣品的水質(zhì)較好，均為Ⅱ類。

表4 F值評價法評價結(jié)果Tab.4 Evaluation results of F evaluation method

2.3 灰色關(guān)聯(lián)法評價地下水水質(zhì)

采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對阿克蘇地下水水質(zhì)的評價結(jié)果如表5所示，從表中可以看出，1號和7號是Ⅲ類，2號和11號是Ⅱ類，其他均為Ⅰ類。

表5 灰色關(guān)聯(lián)分析法評價結(jié)果Tab.5 Grey correlation analysis method to evaluate the result

2.4 模糊綜合評價法評價地下水水質(zhì)

采用模糊綜合評價法計算得到的水質(zhì)各樣品等級結(jié)果見表6，由表可知，1號、2號和16號水樣為Ⅱ類，其余水樣均為Ⅰ類。

表6 模糊綜合法評價結(jié)果Tab.6 Fuzzy comprehensive evaluation results

2.5 不同水質(zhì)評價方法結(jié)果對比

綜合對比單因子評價法、F值評價法、灰色關(guān)聯(lián)分析法和模糊綜合評價法4種評價方法對實測水質(zhì)樣品的評價結(jié)果如表7所示。總體上看，單因子評價法與F值評分法的評價結(jié)果比較接近，而灰色關(guān)聯(lián)分析法和模糊綜合評價法的評價結(jié)果比較接近，而且采用模糊綜合評價法的水質(zhì)最好，灰色關(guān)聯(lián)分析法次之，然后是F值評價法，而單因子評價法的水質(zhì)最差。從各評價方法上看，在16處監(jiān)測點中其中，單因子評價法中Ⅲ類水質(zhì)的有14處，占87.5%；Ⅳ類水質(zhì)的有2處，占12.5%，沒有Ⅰ類和Ⅱ類及Ⅴ類水質(zhì)。F值評價結(jié)果中，水質(zhì)類別為Ⅱ類的有13處，占81.25%；水質(zhì)類別為Ⅲ類有3處，占18.75%，評價結(jié)果中沒有Ⅰ類、Ⅳ類和Ⅴ類水質(zhì)。灰色關(guān)聯(lián)分析法評價結(jié)果中，Ⅰ類水質(zhì)11處，占68.75；Ⅱ類水質(zhì)3處，占18.75；Ⅲ類水質(zhì)的有2處，占12.5%；沒有Ⅳ類Ⅴ類水質(zhì)。模糊綜合評價法結(jié)果中，水質(zhì)類別為Ⅰ類的有13處，占81.25；水質(zhì)類別為Ⅱ類的有3處，占18.75，沒有Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類水質(zhì)。

對比4種評價方法可發(fā)現(xiàn)，單因子評價法與模糊綜合評價法差異最大，是由于在單因子評價法中是以水質(zhì)最差的單項指標(biāo)確定水質(zhì)類別，如1號水樣中，除pH值、氨氮和高錳酸鹽指數(shù)3個指標(biāo)外，其他指標(biāo)按地下水水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)均為Ⅳ類，因此，該水樣為Ⅳ類，此結(jié)果表明該評價方法較為嚴(yán)苛，它只考慮了監(jiān)測指標(biāo)中污染狀況最嚴(yán)重的因子對整體評價結(jié)果的影響，而弱化了其他評價因子對水質(zhì)的影響，使相同類別的水體無法進行比較。而在模糊綜合評價法中，因為忽略了少數(shù)監(jiān)測指標(biāo)中超標(biāo)的污染因子所產(chǎn)生的影響，從而使整體的評價結(jié)果過于樂觀，得到的較好的水質(zhì)類別。

表7 不同評價方法水質(zhì)評價結(jié)果Tab.7 Water quality evaluation results of different evaluation methods

3 結(jié) 論

利用阿克蘇市16處地下水觀監(jiān)井的監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用4種評價方法對地下水水質(zhì)進行評價，結(jié)果表明，單因子評價法雖然可以直觀的反映出超標(biāo)項目，但不能對整體水質(zhì)類別進行綜合判定，因而評價出的水質(zhì)類別偏劣；F值法相比單因子評價法，應(yīng)用綜合評分值可以反映出水質(zhì)整體狀況，但僅局限在各評價指標(biāo)分類級別較分明的情況下，且超標(biāo)項目多或沒有的條件下，使得評價結(jié)果中更加凸顯了超標(biāo)污染指標(biāo)的級別，而且評價結(jié)果不連續(xù)；灰色關(guān)聯(lián)分析法由于排除了以一個監(jiān)測指標(biāo)值作為分界點的缺點，更全面有效地利用了水樣的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而得到比較一致的水質(zhì)評價結(jié)果，也比較符合水樣的實際水質(zhì)狀況；模糊綜合評價法由于在計算過程中充分考慮了不同水質(zhì)類別分界線的模糊性，而且考慮了評價因子對水質(zhì)權(quán)重的影響，從而可以體現(xiàn)出各評價因子對水質(zhì)的綜合影響，但同時，該評價方法計算比較復(fù)雜，不易實際操作，且不能確定出主要的污染指標(biāo)，如重金屬和有毒有機物等污染物指標(biāo)可能被掩蓋。因此，在對水質(zhì)進行評價時因根據(jù)實際的監(jiān)測數(shù)據(jù)與評價目的選擇不同的評價方法，使評價結(jié)果更加準(zhǔn)確，從而更科學(xué)客觀地反映出水體的實際情況。