張新鈺，辛寶東，劉文臣，王曉紅，郭高軒，陸海燕

（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195）

三種地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用對(duì)比分析

張新鈺，辛寶東，劉文臣，王曉紅，郭高軒，陸海燕

（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195）

本文給出了目前地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)中，常用的單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)方法、F值法和模糊綜合評(píng)判法基本原理。并運(yùn)用這三種方法分析了北京市大興區(qū)地下水水質(zhì)，闡述各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件，為地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)方法選用提供依據(jù)。

地下水；水質(zhì)評(píng)價(jià)；對(duì)比分析

0 引言

水是人類賴以生存的重要資源之一，是社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要的物質(zhì)基礎(chǔ),近年來隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展以及人口的急劇增加，用水量劇增,污水排放量增加，水污染成為嚴(yán)重的環(huán)境問題之一。目前，我國(guó)有關(guān)城市70%～80%的淺層地下水和30%的中深層地下水已經(jīng)被污染，有關(guān)資料表明，全國(guó)1/4城市地下水飲用水不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，約有30%的人口飲用水受到不同程度的污染，由水質(zhì)污染帶來的水質(zhì)危機(jī)日趨嚴(yán)重[1]。

20世紀(jì)以來，地表水常用單因子指數(shù)法、綜合指數(shù)法等評(píng)價(jià)水質(zhì)，地下水的水質(zhì)評(píng)價(jià)中也沿用這種方法。20世紀(jì)60年代以來，國(guó)外有人運(yùn)用數(shù)學(xué)模型定量描述水質(zhì)，如Zadeh LA.（1971），Tamura S et al（1971）將模糊數(shù)學(xué)理論應(yīng)用于地下水水質(zhì)的研究；90年代以來，國(guó)內(nèi)開展了大量相關(guān)方面的研究和應(yīng)用，如鄭成德探討了灰色聚類法在地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[3]，肖紅等用灰色聚類法研究許昌市中淺層地下水的水質(zhì)[4]，許順國(guó)[5]、王淑臣[8]分別應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)法對(duì)成都市的府河水及深圳東昌區(qū)的地下水進(jìn)行了分析。水質(zhì)新評(píng)價(jià)方法的研究取得了一定的進(jìn)展，但目前還沒有一個(gè)通用的地下水水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)模型。

客觀、科學(xué)描述地下水水質(zhì)是地下水環(huán)境規(guī)劃和管理的必要前提，也是地下水污染防治的依據(jù)，由于評(píng)價(jià)因子與水質(zhì)等級(jí)間之非常復(fù)雜的非線性關(guān)系及水體污染的隨機(jī)性和模糊性[9][10]，評(píng)價(jià)方法的選擇尤為重要，評(píng)價(jià)方法的研究是近年來水環(huán)境領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題[11][13]。

本文介紹了近年來關(guān)于地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)方法方面的進(jìn)展，介紹了模糊數(shù)學(xué)法、F值法及水質(zhì)分級(jí)法等地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)方法的基本原理，對(duì)北京市大興區(qū)地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，為合理選擇水質(zhì)評(píng)價(jià)方法提供依據(jù)。

1 地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

目前常用的地下水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，有單因子評(píng)價(jià)方法、綜合評(píng)價(jià)方法兩大類。

（1）單因子評(píng)價(jià)方法

單因子評(píng)價(jià)主要是反映地下水中某一單一污染物的情況。國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局1993年12月30日批準(zhǔn)、1994年10月1日實(shí)施的《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB14848-93) 規(guī)定了地下水39項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的質(zhì)量分類，單項(xiàng)因子評(píng)價(jià)主要依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)。

（2）綜合評(píng)價(jià)方法

綜合評(píng)價(jià)是通過多個(gè)指標(biāo)綜合判斷地下水的水質(zhì)狀況，方法有很多，如綜合指數(shù)法中的F值評(píng)分法、內(nèi)梅羅指數(shù)法等，以及在計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一些方法，比如灰色理論評(píng)價(jià)方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法及模糊數(shù)學(xué)法。F值評(píng)分法是目前地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)的常用方法（GB14848-1993《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中推薦使用），模糊數(shù)學(xué)法在地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用探討較多，其主要的評(píng)價(jià)方法有模糊綜合評(píng)判法、模糊模式識(shí)別法和模糊聚類法。以下簡(jiǎn)介F值評(píng)分法和模糊綜合評(píng)判法。

1.1 F值評(píng)分法

F值評(píng)分法是我國(guó)GB14848- 1993《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中推薦使用的地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，其評(píng)價(jià)步驟如下。

（1）首先進(jìn)行各單項(xiàng)組分評(píng)價(jià), 劃分組分所屬質(zhì)量類別, 對(duì)各類別按表1分別確定單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)分值Fi（共分為Ⅴ類）。

表1 地下水質(zhì)量評(píng)分表

（2）根據(jù)下列公式計(jì)算綜合評(píng)分值F

式中：F 各單項(xiàng)組分評(píng)分值F的平均值；

Fmax單項(xiàng)組分Fi的最大值；

n 項(xiàng)數(shù)。

（3）根據(jù)綜合評(píng)分值F確定水質(zhì)分級(jí)（共分為五級(jí)，見表2）

表2 地下水質(zhì)量分級(jí)表

1.2 模糊綜合評(píng)判法

1965年由美國(guó)專家L.A.Zadeh創(chuàng)始的模糊數(shù)學(xué),近年來在環(huán)境科學(xué)中得到了應(yīng)用。它使系統(tǒng)中的不確定性通過隸屬度加以量化,在環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中顯現(xiàn)出其優(yōu)越性。 模糊綜合評(píng)判是對(duì)多種因素所影響的事物或現(xiàn)象,根據(jù)給出的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)測(cè)值,經(jīng)過模糊變換,對(duì)其做出總評(píng)價(jià)的一種方法。模糊綜合評(píng)判法主要步驟如下。

(1) 建立因素集

選擇對(duì)水質(zhì)影響較大的因子建立評(píng)價(jià)指標(biāo)因素集，根據(jù)不同地區(qū)的水質(zhì)影響因素進(jìn)行不同的選擇。

(2) 確定評(píng)價(jià)評(píng)語集

在地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)中可選用水質(zhì)分級(jí)的Ⅴ級(jí)：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分別代表水質(zhì)優(yōu)良、良好、較好、較差、極差。

(3) 建立隸屬函數(shù)，構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣

用函數(shù)分布形態(tài)曲線求隸屬函數(shù)，通常用降半梯形和升半梯形求兩端等級(jí)的隸屬度，用對(duì)稱山形求中間等級(jí)的隸屬度，根據(jù)評(píng)價(jià)因子個(gè)數(shù)、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量分級(jí)及其在各級(jí)的隸屬度確定模糊矩陣。

各級(jí)水質(zhì)的隸屬度函數(shù)計(jì)算。

屬于第一級(jí)水質(zhì)的隸屬度函數(shù)為：

屬于第j級(jí)水質(zhì)的隸屬度函數(shù)為：

屬于最后一級(jí)水質(zhì)的隸屬度函數(shù)：

rij 為C評(píng)i ≥價(jià)S因in子Cii對(duì) ≥Sjin級(jí) 水質(zhì)的隸屬度；

Ci評(píng)價(jià)因子的實(shí)測(cè)濃度值；

Sij評(píng)價(jià)因子的j級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值；

若有n個(gè)評(píng)價(jià)因子，共有m級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，則可構(gòu)造n m階的模糊矩陣R。

(4) 確定權(quán)重

在綜合評(píng)價(jià)中，考慮到各單項(xiàng)指標(biāo)高低差別，其評(píng)價(jià)因子對(duì)環(huán)境污染及人身健康的影響程度是不同的，在總體污染中的作用大小是不一樣的，當(dāng)多因子共同影響環(huán)境時(shí)，應(yīng)能反映出因子之間的協(xié)同、拮抗作用，進(jìn)行權(quán)重計(jì)算很有必要。

(5) 模糊綜合運(yùn)算

將指標(biāo)權(quán)重矩陣與模糊關(guān)系矩陣進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算, 即可得到評(píng)價(jià)對(duì)象屬于各評(píng)價(jià)等級(jí)的程度矩陣，根據(jù)最大隸屬度原則,取其中的最大值對(duì)應(yīng)的等級(jí)為評(píng)價(jià)對(duì)象的等級(jí)。

2 實(shí)例運(yùn)用分析

以北京市大興區(qū)1908年度淺層地下水水質(zhì)樣本隨機(jī)抽樣15例，采用單項(xiàng)組分水質(zhì)分級(jí)法、F值法、模糊數(shù)學(xué)法進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。

評(píng)價(jià)因子的選擇是進(jìn)行評(píng)價(jià)的至關(guān)重要的一步，根據(jù)前人的研究成果以及對(duì)北京地下水水樣中各指標(biāo)的累積超標(biāo)頻率統(tǒng)計(jì)，評(píng)價(jià)指標(biāo)選用氨氮、氯離子、硫酸根、硝酸根、亞硝酸根、氟化物、錳、總硬度、溶解性總固體等9項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，參考標(biāo)準(zhǔn)采用表3，表4是14個(gè)水樣中各評(píng)價(jià)因子的實(shí)測(cè)值。

表3 地下水質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（mg/l）

表4 北京大興區(qū)淺層地下水檢測(cè)數(shù)據(jù)表（mg/l）

（1）單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)地下水水質(zhì)（表5）

表5 單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)結(jié)果

（2）F值法評(píng)價(jià)地下水水質(zhì)

根據(jù)中華人民共和國(guó)地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB/ T14848-93）評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值及標(biāo)準(zhǔn)值，利用F值法進(jìn)行分類和計(jì)算，其評(píng)價(jià)結(jié)果見表6。

表6 F值法評(píng)價(jià)地下水的等級(jí)表

（3）模糊數(shù)學(xué)法評(píng)價(jià)地下水水質(zhì)

首先根據(jù)降半梯形和升半梯形求第Ⅰ類和第Ⅴ類的隸屬度，用對(duì)稱山形求第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類的隸屬度，構(gòu)造9 5階的模糊矩陣。

以1號(hào)水樣為例，根據(jù)上述公式計(jì)算各評(píng)價(jià)因子各級(jí)的隸屬函數(shù)：

第一級(jí)水質(zhì)的隸屬度計(jì)算公式：

第二級(jí)水質(zhì)的隸屬度計(jì)算公式：

第三級(jí)水質(zhì)的隸屬度計(jì)算公式：

第四級(jí)水質(zhì)的隸屬函度計(jì)算公式：

第五級(jí)水質(zhì)的隸屬度計(jì)算公式：

由各級(jí)隸屬度計(jì)算結(jié)果構(gòu)造9*5階的模糊矩陣R如下：

求取權(quán)重W的方法采用污染物濃度超標(biāo)加權(quán)法，其計(jì)算公式如下：

計(jì)算得到的1號(hào)樣品各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重為：

模糊綜合運(yùn)算求各級(jí)隸屬度B，B = W ·R = (W1,W2, W3,W4,W5)。

計(jì)算結(jié)果表明，1號(hào)樣品屬于Ⅰ類水的可能性為6.4%，屬于Ⅱ類水的可能性為10.3%，屬于Ⅲ類水的可能性為34.8，屬于Ⅳ類水的可能性為41.2%，屬于Ⅴ類水的可能性為7.5%。根據(jù)最大隸屬度原則，1號(hào)樣品的水質(zhì)為Ⅳ類。

同理得出的其它水樣的各級(jí)隸屬度及評(píng)價(jià)結(jié)果見表7。

表7 模糊綜合評(píng)判法評(píng)價(jià)結(jié)果

3 討論與分析

單項(xiàng)組分分析表明研究區(qū)超標(biāo)較嚴(yán)重的因子為總硬度和溶解性總固體，未超標(biāo)的水樣總硬度和溶解性總固體的值基本屬Ⅲ類；其次為錳，14個(gè)水樣中有4個(gè)樣品的錳含量達(dá)到了Ⅳ類；再次為氟，其它離子除氯離子和硝酸根離子各有一個(gè)水樣超標(biāo)外，其余都在Ⅲ類以內(nèi)。

14個(gè)水樣中F值法和模糊綜合評(píng)判法水質(zhì)評(píng)價(jià)的結(jié)果完全相同的為12個(gè)，有差別的為3個(gè)（見表8）。DX-644號(hào)樣品水質(zhì)類型F值法為Ⅱ類，模糊數(shù)學(xué)法為Ⅰ類，這種差別主要是由于模糊數(shù)學(xué)法用隸屬函數(shù)描述水質(zhì)分級(jí)界限更為精細(xì)。DX-667號(hào)和DX-654號(hào)樣品水質(zhì)類型，F(xiàn)值法為Ⅳ類水，而模糊數(shù)學(xué)法分別為Ⅱ類和Ⅰ類，二者差別較大。兩個(gè)樣品中的所有評(píng)價(jià)因子中只有一個(gè)因子超標(biāo)，在這種情況下由于F值法中考慮最大污染因素，即使參評(píng)項(xiàng)目中只有一項(xiàng)指標(biāo)值偏高，而其它指標(biāo)值較低也會(huì)使綜合評(píng)分值偏高，所以這種情況下的F值法的評(píng)價(jià)結(jié)果有待斟酌。而在超標(biāo)因子較多或者沒有超標(biāo)因子的情況下，兩種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果相近。

表8 三種評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)結(jié)果綜合表

4 結(jié)論

以上分析表明：?jiǎn)我蜃釉u(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)單、明了，雖然不能全面的反映水質(zhì)的整體狀況，但評(píng)價(jià)結(jié)果能直觀反映單項(xiàng)組分的超標(biāo)情況，清晰判斷出主要污染因子及其分布區(qū)域。F值法利用綜合評(píng)分值，根據(jù)相應(yīng)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定水質(zhì)類型，在超標(biāo)因子較多或者沒有超標(biāo)因子的情況下可以較合理的反映水質(zhì)狀況。但是它極突出最大污染因素，即使參評(píng)項(xiàng)目中只有一項(xiàng)指標(biāo)值偏高，而其它指標(biāo)值較低也會(huì)使綜合評(píng)分值偏高，一定程度上高估水質(zhì)污染程度。模糊綜合評(píng)判法充分考慮了水質(zhì)分級(jí)界線的過渡性，比F值法直接根據(jù)臨界判據(jù)截然將水質(zhì)進(jìn)行分級(jí)更準(zhǔn)確，并且它考慮了不同的評(píng)價(jià)因子對(duì)地下水水質(zhì)的影響權(quán)重，評(píng)價(jià)結(jié)果更精確。模糊綜合評(píng)判法在工作精度要求較高的情況下，可廣泛應(yīng)用，但是它計(jì)算比較復(fù)雜，在評(píng)價(jià)面積較大、評(píng)價(jià)對(duì)象數(shù)量較多的情況下，應(yīng)用比較困難，需要借助計(jì)算機(jī)輔助編程完成。所以，在實(shí)際運(yùn)用中，要結(jié)合具體的問題，合理選用方法，取得最優(yōu)的評(píng)價(jià)結(jié)果。

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The Comparative Analysis of Three Methods in Groundwater Quality Assessment

ZHANG Xinyu，XIN Baodong，LIU Wenchen，WANG Xiaohong，GUO Gaoxuan，LU Haiyan

(Hydrogeology and Engineering Geology Team of Beijing, Beijing 100195)

The paper describes three methods commonly applied into the assessment of groundwater quality，such as single factor，F(xiàn) value and fuzzy comprehensive evaluation methods. The three methods have been used to evaluate groundwater in Daxing District，Beijing. As a result， the advantages and disadvantages of every method are given，and it is helpful to classify water quality reasonably.

Groundwater；Water quality evaluation；Comparative analysis

X824

A

1007-1903(2011)01-0030-07