對建水縣集中式地下水飲用水水源地不同評價方法驗證研究

聶晶晶 ，梅洪波 ，黃 成

(1.云南省生態環境應急調查投訴中心，云南 昆明 650034；2.中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430000；3.云南省地質環境監測院，云南 昆明 650000)

0 引言

地下水作為重要的城鄉供水水源，在維護經濟社會健康發展等方面發揮著不可替代的作用[1]。地下水資源占全國總供水量的近20%，是支撐經濟社會可持續發展的重要戰略資源。據統計，全國60%的人口以地下水作為飲用水水源。隨著我國社會經濟的發展，地下水環境壓力逐漸增大，地下水污染問題日益凸現，局部地區地下水污染問題十分突出。我國目前地下水環境管理基礎相當薄弱，地下水基礎環境狀況不清，法律法規和標準建設滯后，地下水環境監管體系不完善，對我國經濟社會發展、飲水安全保障產生嚴重影響，成為我國經濟、社會和環境協調發展的制約。

為貫徹落實《全國地下水污染防治規劃(2011—2020年)》，全面摸清我國地下水基礎環境狀況，環境保護部、國土資源部、水利部和財政部從2011年開始啟動了“全國地下水基礎環境狀況調查評估”工作。對地下水水質進行評價是調查任務中很重要的內容。本項目采用三種不同的水質評價方法，對同一地下水飲用水源地進行評價，相互驗證結果，為地下水水質評價提供不同的評價方法。

1 調查區域概況

1.1 地理位置

建水縣位于云南省南部，紅河哈尼族彝族自治州西北部，紅河中游北岸，滇東高原南緣。地跨東經102°33′～103°11′、北緯23°12′～24°10′。東鄰彌勒縣、開遠市和個舊市，南隔紅河與元陽縣相望，西接石屏縣，北連通海縣和華寧縣。東西橫距58km，南北縱距107km，總面積3759km2，其中壩區面積占總面積的8%。縣城臨安鎮位于區域中部偏西，海拔1324m，距昆明220km，距蒙自縣76km。

1.2 監測點位

監測點位信息表如表1所示。

1.3 監測結果(表2)1.4 地下水質量評價

根據收集的資料和調查的結果，對地下水質量進行分層評價，但以目前在飲用的淺層地下水為主，評價方法采用《GB/T 14848-93地下水質量標準》中的單項組分評價方法和綜合評價。

對于《GB/T 14848-93地下水質量標準》之外的指標，采用《GB5749-2006生活飲用水衛生標準》進行評價，指明超標因子與超標倍數。

對于未列入《GB/T 14848-93地下水質量標準》和《GB 5749-2006生活飲用水衛生標準》的指標，指明檢出組分名稱和檢出值。

1.4.1 單項指數法

采用單項指數法進行環境質量現狀評價，計算模式為：

式中：I—第i項評價因子的水質指數；C—第i項評價因子的實測濃度；C0—第i項評價因子的評價標準。

表1 監測點位信息表

表2 集中式地下水飲用水源區地下水監測結果

pH計算公式為：

VpH>7.0

VpH≤7.0

式中：IpH—pH值的水質指數；VpH—地下水pH值實測值；Vd—pH值標準的下限值；Vu—pH值標準的上限值。

1.4.2 多項指標的綜合水質指數

計算公式為：

根據計算結果，按F值進行地下水質量分級(優良、良好、較好、較差、極差)。

1.4.3 模糊綜合評價法

模糊綜合評價方法以模糊數學為基礎，應用模糊關系合成的理論，將一些邊界不清晰，不易定量化的因素定量化后進行綜合評價，是解決多指標綜合問題的一種有效方法。由于地下水水質污染程度、水質好壞的劃分都是一些客觀存在的模糊概念和模糊現象，因此，模糊集理論更適合于水質污染級別劃分的模糊性。使評價的理論和方法建立在比較嚴謹的數學模型基礎上，通過模糊級別判斷及綜合評價值的計算，可以直觀地判斷水質的優劣，并從總體上對地下水所屬質量類別做出判斷，得到的模糊評價結果可以更加客觀地反映地下水水質的實際狀況，可信度更高。

表3 地下水質量級別分類表

本次對建水縣集中式水源地研究區采樣點水樣采取模糊綜合評價法對區內飲用水水質進行進一步評價。其原理是通過選用合適的隸屬函數求出各評價指標的模糊關系矩陣，采用合理的賦權方法確定各指標的權重模糊矩陣，最后根據模糊算子對模糊關系矩陣和權重模糊矩陣進行模糊變換求得最終的綜合評價結果。其評價的原理可以表示為：

B=A×R

式中：A—由各評價因子的權重分配構成的向量，即指標權重模糊矩陣；R—各評價因子對評價等級的隸屬度，即模糊關系矩陣；B—評價結果向量，即表示評價點對評價等級的隸屬度。

為消除各指標在地下水質量標準分級上存在的數量級差異，針對各指標進行歸一化權重計算，公式為：

式中：xki—k水樣第i個因子的實測濃度值(mg/L)；si—第i個因子各級水標準值平均值(mg/L)；aki—k水樣中第i個因子的權重值。

將各單因子的實測值和選定的評價標準分別代入上式，可求得各單因子的權重值，并由其組成模糊矩陣A，即因子權重集：

A={ak1,ak2,…,akn}

模糊關系矩陣R建立在各指標在不同標準上的隸屬度值基礎上，隸屬度采用降半梯形法計算，具體計算公式見表5。

表4 地下水質量分類指標(部分)

表5 隸屬度計算表

由此可建立各采樣點評價指標的模糊關系矩陣R：

式中：yij—隸屬度；i—評價因子數；j—水質級別數。

對模糊關系矩陣R與權重模糊矩陣A進行矩陣運算，得到模糊評價矩陣B，該結果表示某水樣相對于各個質量類別的綜合評判隸屬度。通常用的做法是用最大隸屬度原則來識別水質的類別，然而在某些情況下最大隸屬度原則會造成許多信息的損失，從而影響評價結果的客觀性和有效性。為充分表達模糊評價矩陣B中的隸屬度信息量，用加權平均等級的方法。加權平均原則是將等級看成一系列連續變化的值，對各個質量類別賦予一定的分值：

質量類別={Ⅰ類，Ⅱ類，Ⅲ類，Ⅳ類，Ⅴ類}={20，40，60，80，100}

最終，第k個水樣的綜合評價值由下式給出：

Bk=b1·20+b2·40+b3·60+b4·80+b5·100

2 質量評價結果

2.1 單項指數法評價結果

從監測結果的指標中選取除現場指標(不除去pH)、鉀、鎂、鈣外的指標作為評價因子。

選取《GB/T 14848-93地下水環境質量標準》中的Ⅲ類地下水環境質量標準限值作為地下水質量評價標準，其它選取《GB 5749-2006生活飲用水衛生標準》中的生活飲用水水質參考指標及限值作為地下水質量評價標準。

單項指數法評價結果見表6。

根據監測結果可知：

①在采集的水樣中，JCJ005、JCJ006以及JCJ004的監測指標pH都出現了不同程度的超標情況，超標倍數分別為3.440、3.600和1.660。同時，JCJ005的錳也出現了超標的情況，超標倍數為1.620。JCJ006和JCJ001的硝酸鹽超標倍數分別為1.547和4.080；

②JCJ006的錳雖不像JCJ005一樣超標但有檢出；

③其它監測指標或低于檢出限，或滿足地下水Ⅲ類水質要求以及生活飲用水衛生標準。

2.2 多項指數法評價結果

根據多項指標的綜合水質指數評價法計算得出：建水縣1#監測點位的地下水綜合水質指數F為8.56，地下水水質級別為極差；2#監測點位的地下水綜合水質指數F為0.61，地下水水質級別為優良；3#監測點位的地下水綜合水質指數F為0.348，地下水水質級別為優良；4#監測點位的地下水綜合水質指數F為1.18，地下水水質級別為良好；5#監測點位的地下水綜合水質指數F為2.44，地下水水質級別為良好；6#監測點位的地下水綜合水質指數F為2.62，地下水水質級別為較好；7#監測點位的地下水綜合水質指數F為0.44，地下水水質級別為優良。建水縣此次調查的地下水綜合水質指數評價結果見表7。

2.3 模糊綜合評價法結果

根據各采樣點指標的實測濃度值，計算各評價指標的歸一化權重值，得到矩陣A見表8。

最終通過矩陣運算得到模糊評價矩陣B見表9。

從而進一步計算得到各采樣點地下水水質級別見表10。

表8 地下水水質評價指標權重

表9 模糊評價矩陣

表10 水質模糊綜合評價結果表

從綜合評價表中可以看出，JCJ007與JCJ003水質優良，JCJ004與JCJ002水質良好，JCJ005水質較好，JCJ006水質較差，JCJ001水質極差。與原始數據對比可以發現，JCJ001硝酸鹽含量嚴重超標，JCJ006硝酸鹽含量與pH均為較差水平，這些指標的異常可能是導致JCJ001、JCJ006在評價結果中水質極差或較差的原因；JCJ005 pH與錳含量處于較差水平，而其他指標均良好或優良，評價結果中綜合等級為較好水平；JCJ004、JCJ002各項指標均處于良好或較好水平，JCJ007與JCJ003各項指標均在良好或優良水平。

3 評價結果對比

針對建水縣集中式水源地分別采用了以上三種方法對區內采樣點水樣水質進行了評價，其中單項指標法是將監測結果與評價標準對照，直觀地檢出某些超標過大的指標，評價出發點是為體現單因子否決權。而往往某處地下水質等級的確定是由各項指標所共同決定的，因此考慮多項指標對水質進行綜合評價能客觀地反映多因子共同作用下的水質狀況，結論更符合客觀實際。

表11 水質評價結果對比

表11列出了采用多項指標綜合評價以及模糊綜合評價法得出的7個采樣點水質類別對比情況。

從表中可以看出兩種評價方法最終得到的水質級別對應性較好，從側面反映出采樣點水質評價結果的真實可靠性。