汪名鵬，吳建春

(江蘇省水文地質(zhì)海洋地質(zhì)勘查院，江蘇淮安 223005)

地下水是人類賴以生存的重要資源。地下水環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響城市的可持續(xù)發(fā)展，正確合理地評(píng)價(jià)地下水水環(huán)境質(zhì)量，對(duì)保護(hù)地下水資源、準(zhǔn)確掌握污染狀況具有積極意義。

目前，國(guó)內(nèi)水環(huán)境評(píng)價(jià)的方法較多，主要有內(nèi)梅羅指數(shù)綜合評(píng)價(jià)法、模糊數(shù)學(xué)法、灰色關(guān)聯(lián)法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，其中內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)法是GB/T14848—93《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》推薦的方法。地下水水環(huán)境評(píng)價(jià)中，污染程度、水環(huán)境類別的評(píng)價(jià)存在概念模糊的現(xiàn)象［1-2］，因此，模糊數(shù)學(xué)法在地下水水環(huán)境評(píng)價(jià)中的應(yīng)用也較廣泛。筆者在分析江蘇沭陽(yáng)主城區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，應(yīng)用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法和模糊數(shù)學(xué)法對(duì)江蘇沭陽(yáng)主城區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

沭陽(yáng)主城區(qū)位于淮、沂、沭、泗流域下游，素有“洪水走廊”之稱。新沂河和淮沭河貫穿沭陽(yáng)主城區(qū)，地表水系相當(dāng)發(fā)育。隨著工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)和城區(qū)人口密度的劇增，沭陽(yáng)主城區(qū)地表水受污染的程度越發(fā)嚴(yán)重。由于沭陽(yáng)的河堤、河漫灘多為粉土、砂土，大量工業(yè)及生活污水通過無防滲的溝渠排入河流，使污染水體連續(xù)滲漏，以直接或間接方式進(jìn)入地下含水層，造成沭陽(yáng)地下水特別是淺層地下水遭受污染。此外，沭陽(yáng)主城區(qū)自20世紀(jì)80年代中期地下水持續(xù)過量開采，導(dǎo)致局部地區(qū)形成水位降落漏斗。地下水位的不斷下降，加快了水質(zhì)下降的速度。

針對(duì)沭陽(yáng)的水質(zhì)現(xiàn)狀，以“沭陽(yáng)主城區(qū)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查與評(píng)價(jià)”項(xiàng)目為依托，在工作區(qū)共采集地下水樣10組(圖1)，其中淺層(第Ⅰ含水層組)地下水4組，深層(第Ⅱ、Ⅲ含水層組)地下水6組。

圖1 工作區(qū)地下水采樣位置示意圖

沭陽(yáng)主城區(qū)各含水層水質(zhì)特征見表1。

2 評(píng)價(jià)因子的選擇和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 評(píng)價(jià)因子的確定

地下水化學(xué)成分復(fù)雜，一般根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)涉及指標(biāo)共39項(xiàng)，其中20項(xiàng)指標(biāo)規(guī)定為水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目［3］，如果把測(cè)試項(xiàng)目都參與評(píng)價(jià)，或者參與評(píng)價(jià)的因子較多，不但增加評(píng)價(jià)計(jì)算的工作量，且不具代表性。因此，選擇評(píng)價(jià)因子時(shí)要考慮到以下幾個(gè)方面［3-4］:①所選指標(biāo)的涵蓋面要廣，要覆蓋各種污染類型的污染因子，能夠較全面地反映當(dāng)?shù)氐叵滤|(zhì)污染的特點(diǎn)和污染程度。②反映人為污染的原則，所選因子應(yīng)盡可能反映人為污染這一特點(diǎn)，顧及對(duì)人體健康影響的因素。根據(jù)沭陽(yáng)主城區(qū)地下水特征和地下水水質(zhì)特點(diǎn)，選擇對(duì)水質(zhì)有較大影響的總硬度、TDS、F－、NO－3、Cl－、SO2－4、Mn、揮發(fā)酚類共8個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子。

2.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的選擇

依據(jù)我國(guó)地下水水質(zhì)現(xiàn)狀、人體健康基準(zhǔn)值及地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并參照生活飲用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水水質(zhì)的最高要求，選擇GB/T14848—93《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》［5］將地下水質(zhì)量劃分為5類。地下水質(zhì)量分類指標(biāo)見表2。

表1 沭陽(yáng)主城區(qū)主要含水層水質(zhì)分布 mg/L

表2 GB/T14848—93《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》分類指標(biāo) mg/L

3 地下水水環(huán)境評(píng)價(jià)

3.1 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

3.1.1 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法的原理

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法計(jì)算公式［6］為

情況 4.1 若f3(v)=0,此時(shí)最壞的情況是v點(diǎn)關(guān)聯(lián)6個(gè)6-面,v的鄰點(diǎn)全部為3-點(diǎn)且這些3-點(diǎn)均關(guān)聯(lián)著一個(gè)三角形。由R1,R2.1,R3.1或R3.2或R3.4得

其中 Fmax=max(ρi/Si)

i=1，2，…，n;j=1，2，…，m

式中:Pj為第j種用途的內(nèi)梅羅綜合指數(shù);ρi為第i種評(píng)價(jià)因子的實(shí)測(cè)質(zhì)量濃度值;Si為第i種評(píng)價(jià)因子對(duì)應(yīng)的各水質(zhì)級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)值之和的平均值;sij為第i種評(píng)價(jià)因子j種用途的標(biāo)準(zhǔn)值;ˉF為ρi/sij相加后的平均值;Fmax為ρi/sij值中最大值;

根據(jù)研究區(qū)各評(píng)價(jià)因子的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，選用GB/T14848—93《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，將區(qū)內(nèi)水質(zhì)類別劃分為5個(gè)級(jí)別，見表3。

表3 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)與水質(zhì)類別的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.1.2 內(nèi)梅羅指數(shù)法的評(píng)判結(jié)果

3.2 模糊數(shù)學(xué)法

3.2.1 模糊數(shù)學(xué)法的原理

模糊數(shù)學(xué)方法［7］是系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法的一種，在滿足每一個(gè)集合都必須由確定的元素構(gòu)成和元素對(duì)集合的隸屬關(guān)系必須是明確的條件下，通過加權(quán)線性變換，弱化了指標(biāo)和層次之間相互的獨(dú)立性，使得評(píng)價(jià)結(jié)果中包括所有因素的共同作用，體現(xiàn)了評(píng)價(jià)方法綜合性的特點(diǎn)。利用模糊數(shù)學(xué)法綜合評(píng)判地下水水質(zhì)的核心是，根據(jù)水質(zhì)評(píng)價(jià)因子建立權(quán)重模糊矩陣，確定評(píng)價(jià)因子的權(quán)向量，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)最大隸屬度原則評(píng)定水樣的等級(jí)。利用模糊數(shù)學(xué)法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的步驟參見文獻(xiàn)［8］。

表4 地下水質(zhì)量級(jí)別

3.2.2 模糊數(shù)學(xué)法評(píng)判的過程

a.計(jì)算隸屬度，建立模糊關(guān)系矩陣R。根據(jù)各因子5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立5個(gè)級(jí)別的隸屬函數(shù)，rij表示評(píng)價(jià)因子實(shí)測(cè)質(zhì)量濃度ρi與其對(duì)應(yīng)的第i個(gè)評(píng)價(jià)因子對(duì)應(yīng)第j級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度(0≤rij≤1)。當(dāng)?shù)叵滤廴疚飳?shí)測(cè)質(zhì)量濃度ρi小于或等于j級(jí)地下水標(biāo)準(zhǔn)值ρij時(shí)，其隸屬度取0;當(dāng)?shù)叵滤廴疚飳?shí)測(cè)質(zhì)量濃度ρi大于或等于j+1級(jí)地下水標(biāo)準(zhǔn)值ρij+1時(shí)，其隸屬度取1。介于j與j+1級(jí)的地下水質(zhì)量濃度，其隸屬度按式(2)和式(3)內(nèi)插法確定。

b.確定權(quán)重分配模糊向量A。根據(jù)分指標(biāo)超標(biāo)比，可計(jì)算出各單項(xiàng)目參數(shù)的權(quán)重值，并對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的權(quán)重值進(jìn)行歸一化處理，得出參數(shù)的權(quán)重。根據(jù)各因子指數(shù)計(jì)算各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重矩陣為A=［a1，a2，…，am］(m 為指標(biāo)項(xiàng)目數(shù))

c.模糊矩陣復(fù)合運(yùn)算。模糊矩陣復(fù)合運(yùn)算［9］是A與R矩陣進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算B=A·R，實(shí)際是對(duì)各評(píng)價(jià)因子進(jìn)行加權(quán)的過程。模糊矩陣復(fù)合運(yùn)算在模糊數(shù)學(xué)里是通過模糊算子進(jìn)行的，常用的模糊算子有取小取大法、相乘取大法、取小相加法、相乘相加法，其中取小取大法為主因素突出型，相乘取大法為半主因素突出型，取小相加法、相乘相加法為加權(quán)平均型［10］。在模糊評(píng)判中，常用模糊算子為取小取大法和相乘取大法，計(jì)算公式如下:

通過對(duì)研究區(qū)地下水水樣進(jìn)行模糊矩陣復(fù)合運(yùn)算，得出每個(gè)水樣相對(duì)于各個(gè)質(zhì)量類別的綜合評(píng)判隸屬度，比較各級(jí)隸屬度的大小，其中隸屬度最大者所在的等級(jí)就是水樣點(diǎn)的分類等級(jí)。若在評(píng)判結(jié)果中出現(xiàn)兩個(gè)最大值，取靠近最大值的那個(gè)大值來確定級(jí)別。各取樣點(diǎn)隸屬度水質(zhì)計(jì)算結(jié)果見表5。

從選用的兩種模糊算子復(fù)合運(yùn)算結(jié)果的對(duì)比表明，在本地區(qū)兩種算法對(duì)水質(zhì)級(jí)別的評(píng)判基本一致，只有10%的差別，且這10%隸屬度很接近。

4 結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

a.采用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法與模糊數(shù)學(xué)法在沭陽(yáng)主城區(qū)地下水水環(huán)境評(píng)價(jià)的應(yīng)用中，結(jié)果一致性較好，見表6。從表6可以看出，兩種評(píng)價(jià)方法的結(jié)果相同率達(dá)80%，尤其是第Ⅱ、第Ⅲ含水層組地下水評(píng)價(jià)結(jié)果相同率達(dá)100%。

表5 沭陽(yáng)主城區(qū)主要含水層地下水水質(zhì)模糊評(píng)價(jià)結(jié)果

表6 兩種方法水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

b.內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法與模糊數(shù)學(xué)法在沭陽(yáng)主城區(qū)地下水水環(huán)境評(píng)價(jià)的應(yīng)用中各有優(yōu)缺點(diǎn)。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法簡(jiǎn)潔、運(yùn)算方便;模糊數(shù)學(xué)法是采用隸屬度函數(shù)來評(píng)判地下水污染狀況，避免了平均值或簡(jiǎn)單值的累加，體現(xiàn)了實(shí)際界限的模糊性，其優(yōu)點(diǎn)是綜合、客觀，使評(píng)價(jià)結(jié)果更符合實(shí)際且合理、可信［11］。內(nèi)梅羅指數(shù)法過分突出極大值對(duì)水質(zhì)污染的影響，只要一項(xiàng)因子的ρi/si值偏高，即使其他因子值較低，也會(huì)使內(nèi)梅羅綜合指數(shù)偏高;采用模糊數(shù)學(xué)法不足之處是計(jì)算較為繁瑣，并且過分強(qiáng)調(diào)了極大值的作用，使評(píng)價(jià)結(jié)果朝污染重的方向偏移［12］。

c.根據(jù)沭陽(yáng)主城區(qū)對(duì)3層地下水含水層共10個(gè)水樣的綜合評(píng)判，第Ⅰ含水層101、D1兩個(gè)取樣點(diǎn)分別是錳和溶解性總固體、總硬度嚴(yán)重超標(biāo)，揮發(fā)酚、氟指標(biāo)偏高。根據(jù)污染因子的主要毒副作用及危害性分類［13］，揮發(fā)酚屬于Ⅰ類危害因子，對(duì)人產(chǎn)生極大危害和嚴(yán)重后果;氟化物和錳屬于Ⅱ類危害因子;溶解性總固體、總硬度屬于Ⅲ類危害因子，一般不會(huì)產(chǎn)生特別嚴(yán)重后果。根據(jù)內(nèi)梅羅指數(shù)法與模糊數(shù)學(xué)法的評(píng)判結(jié)果，第Ⅰ含水層101、D1兩個(gè)取樣點(diǎn)水質(zhì)類別為Ⅴ類，表明研究區(qū)該層地下水局部地段已遭受嚴(yán)重污染，不適宜飲用(101取樣點(diǎn)被污染的主要原因是城市居民生活污水的直接排放以及城市河流污染地表水的滲透所致;D1取樣點(diǎn)位于垃圾堆積場(chǎng)附近，污染是滲濾液入滲所致);研究區(qū)第Ⅱ、第Ⅲ含水層地下水達(dá)到了Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可以適用于各種用途。

5 結(jié)論

a.在分析沭陽(yáng)主城區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，運(yùn)用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法與模糊數(shù)學(xué)法，對(duì)沭陽(yáng)主城區(qū)各含水層地下水水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)判。評(píng)判結(jié)果表明，兩種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果在沭陽(yáng)主城區(qū)的一致性較好:沭陽(yáng)主城區(qū)第Ⅰ含水層水質(zhì)因舊城區(qū)和現(xiàn)狀垃圾堆積場(chǎng)周邊受到嚴(yán)重污染，水質(zhì)類別為Ⅴ類，不適宜飲用;其他地點(diǎn)第Ⅰ含水層水質(zhì)達(dá)到Ⅰ～Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)較好，第Ⅱ、第Ⅲ含水層地下水達(dá)到了Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可以適用于各種用途。

b.在進(jìn)行定量評(píng)判水環(huán)境質(zhì)量的同時(shí)，應(yīng)結(jié)合水環(huán)境污染因子對(duì)人類的毒副作用與危害性開展研究，彌補(bǔ)采用不同方法評(píng)價(jià)水環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生的差異，以保證評(píng)價(jià)的合理性。

［1］梅學(xué)彬，王福剛，曹劍鋒.模糊綜合評(píng)判法在水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用及探討［J］.世界地質(zhì)，2000，19(2):172-177.(MEIXuebin，WANG Fugang，CAO Jianfeng.The application of fuzzy comprehensive evaluation on water quality and discussion［J］.World Geology，2000，19(2):172-177.(in Chinese))

［2］束龍倉(cāng)，邱漢學(xué).濟(jì)寧市開采層地下水水質(zhì)的FUZZY綜合評(píng)判及FORTRAN程序［J］.長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，18(4):431-440.(SHU Longcang，QIU Hanxue.Fuzzy comprehensive method and the devised FORTRAN program evaluating the quality ofgroundwaterfrom producing in Jining City［J］.Journal of Changchun University of Earth science，1998，18(4)，431-440.(in Chinese))

［3］韓銀富，楊林.運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法評(píng)價(jià)寶應(yīng)縣地下水質(zhì)量［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2000，11(1):17-20.(HAN Yinfu，YANG Lin.Evaluation of the quality of groundwater in Baoying using fuzzy mathematics comprehensive judgement［J］.Journal of Geological Hazards and Environment Preservation，2000，11(1):17-20.(in Chinese))

［4］羅海江，朱建平，蔣火華.我國(guó)河流水質(zhì)評(píng)價(jià)污染因子選擇方案探討［J］.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2002，18(4):51-55.(LUO Haijiang，ZHU Jianping，JIANG Huohua.The suggestion of selecting pollution items on water quality evaluation［J］.Environmental Monitoring in China，2002，18(4):51-55.(in Chinese))

［5］GB/T14848—93地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［6］谷朝君，潘穎，潘明杰.內(nèi)梅羅指數(shù)法在地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用及存在問題［J］.環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2002，28(1):45-47.(GU Zhaojun，PAN Ying，PAN Mingjie.The application and existed problems of nemero index in groundwater quality evaluation［J］.Environmental Protection Science，2002，28(1):45-47.(in Chinese))

［7］吳萬鐸.模糊數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1998.

［8］張華僑，竇明，趙輝，等.鄭州市水安全模糊綜合評(píng)價(jià)［J］.水資 源 保護(hù)，2010，26(6):42-46.(ZHANG Huaqiao， DOU Ming， ZHAO Hui， etal. Fuzzy comprehensive evaluation of water security in Zhengzhou City［J］.Water Resources Protection，2010，26(6):42-46.(in Chinese))

［9］涂向陽(yáng)，高學(xué)平.模糊數(shù)學(xué)在海水入侵地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.水利學(xué)報(bào)，2003(8):64-69.(TU Xiangyang， Gao Xueping. Application of fuzzy mathematical method in evaluation of seawater intrusion［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2003(8):64-69.(in Chinese))

［10］劉洪，孫國(guó)曦.南京市巖溶地下水質(zhì)量的模糊評(píng)價(jià)［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2007，18(3):76-79.(LIU Hong，SUN Guoxi.The application of fuzz judgement in karst groundwater quality of Nanjing City［J］.Journal of Geological Hazards and Environment Preservation，2007，18(3):76-79.(in Chinese))

［11］王淑文，劉臣.水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的模糊數(shù)學(xué)法［J］.吉林水利，2001(2):20-22.(WANG Shuwen，LIU Chen.Brief discussion on fuzzy math method used in evaluation of quality for water environment［J］.Jilin Water Resources，2001(2):20-22.(in Chinese))

［12］王勇，曹麗文，劉勇，等.淮北某礦區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2011，39(2):34-37.(WANG Yong，CAO Liwen，LIU Yong，etal.Groundwater environmental quality assessment for a mine area in Huaibei［J］.Coal Geology ＆ Exploration，2011，39(2):34-37.(in Chinese))

［13］范建華.環(huán)滇池城區(qū)地質(zhì)環(huán)境資源綜合評(píng)價(jià)與規(guī)劃［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2008.