2種方法在典型巖溶區地下水質量評價中的對比
——以地蘇地下河為例

喬肖翠，李雪，劉琰*

1.湖泊水污染治理與生態修復技術國家工程實驗室，中國環境科學研究院 2.國家環境保護飲用水水源地保護重點實驗室，中國環境科學研究院

水質評價是水質管理工作的重要基礎，主要是在對水體的一些理化及生物指標進行監測和調查的基礎上，使用一定的方法對水體質量優劣程度做出的定性或定量描述[1]。水質評價對判斷水體的優劣狀況，了解其水質變差成因具有重要的意義，且評價結果可為水資源管理及水污染控制提供科學依據，而適當的評價方法是保證評價結果科學合理的關鍵。目前，較為常用的水質評價方法包括單因子指數法、綜合指數法、灰色關聯評價法、模糊綜合指數法及其他應用多元統計分析法的水質評價法等[2-3]。

我國西南巖溶區巖溶總面積約78萬km2，而地下水是巖溶區的重要水源。由于巖溶含水層抗污染能力弱，水環境脆弱，地下水潛在污染來源復雜，因此巖溶地下水的質量問題應引起人們的重視[4-7]。筆者選取典型西南巖溶區也是廣西目前已知的最大地下河系——地蘇地下河系為研究對象，運用水質指數法和模糊綜合指數法對該地下河系代表性點位的水質進行評價，比較2種方法在巖溶地下水評價中的優缺點和適用性，并了解研究區地下水的水質狀況，以期為地下水質量評價及研究區地下水的開發利用和污染治理等提供參考。

1 評價方法

1.1 水質指數法

表1 水質類別與WI對應關系Table 1 Correspondence between water quality categories and WI

(1) 指標為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類標準時，WI計算公式如下:

(1)

式中：WI(i)為第i個指標所對應的指數；WIl(i)為第i個指標所在水質類別標準下限所對應的指數；WIh(i)為第i個指標所在水質類別標準上限所對應的指數；C(i)為第i個指標的實測濃度；Cl(i)為第i個指標所在水質類別標準的下限濃度；Ch(i)為第i個指標所在水質類別標準的上限濃度。

當GB/T 14848—2017中2個水質等級的標準值相同時，按低分數值區間插值計算。

(2)指標為Ⅴ類標準時，WI計算公式如下:

(2)

式中:C5(i)為第i個指標在GB/T 14848—2017中的Ⅴ類標準濃度限值。

(3)WI確定：

WI=max WI(i)

(3)

1.2 模糊綜合指數法

由于水質評價中的污染程度、水質類別都是一些客觀存在的模糊概念和模糊現象，而模糊綜合評判法是利用模糊變換原理和最大隸屬度原則，將評價的理論和方法與嚴謹的數學模型相結合，通過模糊級別判斷及綜合評價值的計算，客觀地反映地下水水質的實際狀況，可以直觀地判斷水質的優劣。模糊綜合指數法在建立單因素隸屬函數時，需要同時對每一級別逐一建立隸屬函數，過程較復雜，但是該方法能夠較好地解決水質評價中水質分級界限和等級概念的模糊性與不確定性，且綜合考慮了地下水評價因子超標值、水質分級標準、評價因子在總體污染中的貢獻等，彌補了水質指數法的缺點。利用模糊綜合指數法進行地下水質量評價的基本思路：由水質監測數據建立各指標對各級水的隸屬度集，形成隸屬度矩陣，再把各指標的權重集和隸屬度矩陣相乘，得到模糊積，獲得一個綜合評判集，表明水體水質對各級標準的隸屬程度，反映了綜合水質級別的模糊性[12-15]。

1.2.1建立評價標準集與評價因子集

評價標準集合V={v1,v2,…,vn}，其中vn為各污染物對應的水質分級標準值。在本研究中，依據GBT 14848—2017的水質類別劃分方法，取相鄰2個類別水質標準的平均值作為模糊綜合指數法中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級水質的評價分級標準值；Ⅰ級水的評價分級標準值取GBT 14848—2017中Ⅰ類水質上限值的一半；Ⅴ級水的評價分級標準值則取GBT 14848—2017中Ⅴ類水質的下限值[16]。

評價因子集U={u1,u2,…,um}，其中um為影響地下水質量的污染物實測濃度。

1.2.2建立模糊關系矩陣

每個參評指標對于每一級水質的隸屬程度用隸屬度(Fij)表示，且0≤Fij≤1。Fij越大，隸屬程度越高。采用半梯形分布法來計算隸屬度。模糊關系矩陣在水質評價中反映了評價因子對各級水的隸屬度。設評價中有n項水質影響指標，取第k個水樣中指標i的實測值為Xki，其j級標準值為Cij，則該因子對各級水的隸屬度可用下式表示[17]。

Ⅰ級水隸屬度：

(4)

Ⅱ～Ⅳ級水隸屬度：

(5)

Ⅴ級水的隸屬度:

(6)

利用上述公式求得各指標的隸屬度，并得出模糊關系矩陣：

(7)

矩陣的行表示第k個水樣的第i個指標對j級水的隸屬度，矩陣的列表示參評的指標在各水質級別上的隸屬度。

1.2.3各指標權重因子計算

不同的污染物其危害性不同，因此在評價水質的過程中要對各參評指標進行權重因子的計算。一般采用污染物濃度超標加權法進行計算，公式如下：

(8)

(9)

式中：Wki為權重因子；aki為第k個水樣第i個參評指標的權重。

根據以上公式對各參評指標進行權重的計算，并由其組成因子權重集：

A={ak1,ak2,…,akn}

(10)

1.2.4綜合評價方法

綜合評價是對各參評指標進行加權的過程，通過復合運算法則對矩陣R與A進行加權，求得綜合評價值B=A×R。對于綜合評判所得結果按最大隸屬度原則確定，結果對哪級水的隸屬度最大，水質則定為哪級。如果在評價過程中，2個級別的隸屬度都最大時，則考慮次大值，次大值所屬水質級別越接近哪個最大值所屬水質級別，則將該最大值所屬水質級別作為評價結果。

2 地下水質量評價對比分析

2.1 研究區概況

地蘇地下河系位于都安瑤族自治縣的中西部，匯水面積為1 004 km2，是廣西規模最大的地下河系。地蘇地區位于云貴高原與廣西丘陵平原間的斜坡地帶，平均年降水量為1 738.7 mm，水流沿著巖層表面及斷裂侵蝕與溶蝕，巖溶強烈發育，形成峰叢洼地、峰叢谷地與峰林谷地地貌，洼地及谷地中洞穴星羅棋布，大量降水很快被洞穴及裂隙吸收，水交替運動強烈，逐漸發育形成現今的地下河系。長期季節性、周期性的短時間內集中降水形成的暴流沖刷侵蝕，是地蘇地下河系形成的主要原因[18]。

地蘇地下河的水源主要來源于西北部山區，補給區分布在研究區的西部，也就是地蘇河的上游地段。排泄區主要分布在地蘇河的中下游地段，其中中游段排泄區分布在地蘇鄉附近，在平豐水期，大部分洪水通過中游的東廟、九設、大懷、枯桐等各天窗溢出地表，補給地蘇河。其中東廟地段溢流量最大，時間較長，每年4—10月有水流，是地蘇河的源頭。百陵、靈好、文黨、橋孔等天窗向外溢流補給拉棠河。地蘇地下河系的總排泄口是青水出口，匯入紅水河。

2.2 采樣點布設

于2015年6月在地蘇地下河研究區開展樣品采集工作。依據代表性、典型性與均衡性的原則，在地蘇地下河干流及支流上共設置28個采樣點(圖1)。樣品依照《地下水污染地質調查評價規范》[19]中重點區調查水樣測試指標要求進行測試。樣品測試工作由中國地質科學院巖溶地質研究所實驗室完成。

2.3 評價標準和參評指標

2.3.1評價標準

2.3.2參評指標

2.4 評價結果及分析

2.4.1水質指數法評價結果

地蘇地下河28個水樣的水質指數法評價結果如表2所示。在評價過程中，根據各水樣計算所得WI直接進行水質類別劃分，并根據劃分結果，進行主要超標指標的識別。識別時遵照以下原則：1)水質為Ⅲ類或優于Ⅲ類的水樣不做主要超標指標篩選；2)水質劣于Ⅲ類的水樣，從超過Ⅲ類標準限值的指標中取WI最大的前3個指標作為該點位的主要超標指標。

表2 水質指數法評價結果

2.4.2模糊綜合指數法評價結果

按照1.2節所述隸屬函數建立方法，以DS-01為例，計算22個指標對5級水隸屬函數，得到模糊關系矩陣R〔式(11)〕、因子權重集A〔式(12)〕以及模糊綜合評價結果向量B〔式(13)〕。根據計算結果，將各采樣點水樣的地下水水質進行分類(表3)。模糊綜合指數法評價結果表明，在參評的28個地下水樣中，水質為Ⅱ類(良好)、Ⅲ類(較好)的水樣分別有14和8個，分別占全部水樣的50%和28.57%；水質為Ⅳ類(較差)及Ⅴ類(極差)的點位各有3個，均占全部水樣的10.71%，無Ⅰ類水。總體來說，水質劣于Ⅲ類水的點位共有6個，占全部水樣的21.43%。

(11)

A=[0.166,0.049,…,0.198]

(12)

B=A×R=[0.295,0.506,…,0]

(13)

表3 模糊矩陣計算結果

2.4.3評價結果對比

對比2種評價方法所得28個點位的水質類別可知，評價結果一致的有15個點位，有差異的13個點位，但是差異點位的水質類別也僅相差一個級別。將有差異的13個點位的評價結果進行對比，發現雖然2種方法評價所得水質類別不同，但是通過WI可知，水質指數法評價出的有差異的點位，其水質狀況接近于模糊綜合指數法的評價結果。以DS-01點位為例，該點位的WI為42.44，接近于Ⅲ類水質的下限，評價結果為Ⅲ類，與模糊綜合指數法所得的Ⅱ類水質的評價結果相近。對于評價中的差異，主要有以下幾個原因。

(3)水質指數法在評價過程中體現了單因子否決權，適用于個別指標超標嚴重的情況，而模糊綜合指數法則量化了水環境中客觀存在的模糊性和不確定性，并根據各參評指標在總體水質污染中的貢獻率進行權重賦值，由于考慮了指標對地下水水質的影響，評價結果更精確。但是模糊綜合指數法在計算過程中，通常是某點位參評指標實測濃度越大，賦予其的權重也越大，不能確定主要污染因子,并有可能掩蓋有毒有機物、重金屬等對人體健康和生態環境威脅較大的指標的影響。

3 結論

(2)對比模糊綜合指數法與水質指數法評價結果，在28個點位中，評價結果一致的有15個，存在差異的點位評價結果僅差一個水質級別。水質指數法能夠達到水質類別劃分、水質定量評價及主要超標指標識別的要求，但是對于超標指標不同的水樣可比性較差；模糊綜合指數法可精細地反映指標實際濃度對水質分級界限的接近程度，量化了所有參評指標對地下水水質的影響權重，使結果更精確，但是計算比較復雜，可操作性較差，且不能識別主要超標指標，在量化所有參評指標時有可能掩蓋對人體健康和生態環境威脅較大的指標的影響。因此在實際應用中，應根據具體的監測數據和評價目的選擇合適的評價方法，使評價結果滿足管理需要，同時反映水體的實際情況。