李晨晨，徐世光,2*，范柱國，董 懋

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南昆明 650093;2.云南地礦工程勘察集團(tuán)公司，云南昆明 650011；3.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心云南總隊，云南昆明 650118)

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以模糊數(shù)學(xué)和綜合指數(shù)法評價地下水環(huán)境質(zhì)量
——以滇東高原南緣某選礦廠周圍為例

李晨晨1，徐世光1,2*，范柱國1，董 懋3

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南昆明 650093;2.云南地礦工程勘察集團(tuán)公司，云南昆明 650011；3.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心云南總隊，云南昆明 650118)

摘要[目的]采用模糊數(shù)學(xué)法和綜合指數(shù)法，評價薄竹鎮(zhèn)某選礦廠周圍地下水環(huán)境質(zhì)量狀況。[方法]根據(jù)薄竹鎮(zhèn)某選礦廠所在區(qū)域的水文地質(zhì)特征及廠區(qū)和下游監(jiān)測孔的水質(zhì)實測資料，選取19項評價因子，依據(jù)國家《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，采用模糊數(shù)學(xué)和綜合指數(shù)評價的方法對比分析該選礦廠周邊地下水環(huán)境質(zhì)量。[結(jié)果]該廠區(qū)內(nèi)地下水已經(jīng)受到污染，其環(huán)境質(zhì)量較差。[結(jié)論]該研究為政府相關(guān)部門對該選礦廠重金屬處理方案的制定提供了一定的科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞選礦廠；地下水；環(huán)境質(zhì)量；模糊數(shù)學(xué)；綜合評價

地下水作為重要的供水水源，其水質(zhì)的好壞至關(guān)重要。天然狀態(tài)下，地下水具有一定的自凈能力，人為活動或者地質(zhì)成礦作用會使得地下水中的平衡遭到破壞。進(jìn)行地下水質(zhì)量評價可有效地了解該地區(qū)目前的地下水質(zhì)量現(xiàn)狀，為合理地開發(fā)和利用地下水資源，防止地下水污染，保障附近居民身體健康等提供了一定的指導(dǎo)作用。 薄竹鎮(zhèn)某鐵錳選礦廠位于一巖溶洼地內(nèi)，且其尾礦堆放在巖溶洼地內(nèi)，并無任何防滲措施。筆者采用模糊數(shù)學(xué)法和綜合指數(shù)評價的方法，對該選礦廠周邊地下水的狀況進(jìn)行評價，為政府制定該選礦廠下一步的重金屬治理實施方案提供一定的依據(jù)。

1研究區(qū)概況

薄竹鎮(zhèn)位于滇東高原南緣，屬構(gòu)造侵蝕、溶蝕山地及峰叢洼地地形，區(qū)內(nèi)出露三疊系飛仙關(guān)組粉砂巖、永寧鎮(zhèn)組泥灰?guī)r、個舊組灰?guī)r、白云巖，含水層組類型包括基巖裂隙水和碳酸鹽巖類裂隙溶洞水。 該選礦廠位于一山間巖溶洼地處，四周環(huán)山，植被較為發(fā)育，西側(cè)山坡上種植有玉米、水稻等作物，南側(cè)和北側(cè)山坡上見有深灰色石芽發(fā)育，東側(cè)為一采石場。該點出露地層為T2g中三疊統(tǒng)個舊組灰?guī)r，含水層組類型為碳酸鹽巖類裂隙溶洞水，地層富水性強。其選礦設(shè)備放置于公路西側(cè)山坡上，產(chǎn)生的礦渣公路邊和洼地底部，并無任何防滲措施。洼地長軸175°，長約90 m，寬約40 m，深約8 m，洼地底部廢水深約2 m。第一堆礦渣剖面呈直角三角形，體積為3.5×2.5×2.0 m3，堆放于洗礦池下部；第二堆礦渣在第一堆礦渣的330°方向，長約4 m，寬約2 m，沿山坡堆放，山坡坡度為41°；第三堆礦渣呈錐形堆放于公路邊，礦渣長18.6 m，高5 m，寬6 m。

2評價因子及其標(biāo)準(zhǔn)的確定

2.1評價因子的選擇 為了較為全面地監(jiān)測該選礦廠對周圍地下水的影響，在其所在洼地內(nèi)呈“十”字狀布設(shè)5個監(jiān)測孔(ZK01～ZK05)，在洼地長軸方向的下游布設(shè)1個監(jiān)測孔(ZK06)，各監(jiān)測孔自孔口至基巖以下10 m均下套管隔水，盡量避免雨天礦渣的溶濾水從鉆孔直接匯入污染地下水。對每個鉆孔均做抽水試驗，并采集地下水樣，對pH、總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、鐵、錳、銅、鋅、汞、鉛、揮發(fā)性酚類、陰離子合成洗滌劑、硝酸鹽、氨氮、氟化物、氰化物、砷、硒、鎘、鉻(六價)、鉛等指標(biāo)進(jìn)行測定。由于氰化物、揮發(fā)性酚類低于檢出限，因此不列入評價范圍，選取總硬度、亞硝酸鹽、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、鐵、錳、銅、鋅、汞、陰離子合成洗滌劑、硝酸鹽、氨氮、氟化物、氰化物、砷、硒、鎘、鉛、鉻(六價)、鉛等作為評價因子。

2.2評價標(biāo)準(zhǔn)的確定 依據(jù)《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-93)[1](表1)，分別采用模糊綜合評價方法和綜合指數(shù)法對各泉點的水質(zhì)進(jìn)行分析評價。

3評價方法

3.1綜合質(zhì)量評價法 依據(jù)《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-93)，以地下水水質(zhì)調(diào)查分析資料或水質(zhì)監(jiān)測資料為基礎(chǔ)，對地下水質(zhì)量進(jìn)行單項評價和綜合評價。

表1　 地下水環(huán)境質(zhì)量分類標(biāo)準(zhǔn)　mg/L

3.1.1單項污染指數(shù)評價。 首先進(jìn)行單項組分評價，將各評價因子按《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中I～V類標(biāo)準(zhǔn)，對所評價因子劃分所屬類別，并遵循不同類別標(biāo)準(zhǔn)相同時從優(yōu)不從劣的原則。

3.1.2綜合指數(shù)評價。綜合評分值F計算公式為：

(1)

(2)

3.2模糊數(shù)學(xué)法 模糊綜合評價法考慮了水質(zhì)界限的模糊性，通過函數(shù)關(guān)系，將反映各種水質(zhì)污染問題的實測值轉(zhuǎn)化為反映水質(zhì)質(zhì)量優(yōu)劣程度的質(zhì)量值。相對傳統(tǒng)的綜合指數(shù)法而言，該方法計算原理清晰，盡量減小了人為因素的影響，評價結(jié)果較為合理，得到了越來越廣泛的應(yīng)用[2-3]。 模糊數(shù)學(xué)法是利用模糊變換原理和最大隸屬度原則，考慮與被評價事物相關(guān)的各個因素或主要因素，對其所做的綜合評價。其具體步驟如下：①建立水質(zhì)評價因子集合及等級集合；②建立單因子評價矩陣；③確定各因素權(quán)重；④建立水質(zhì)評價模型，計算評價結(jié)果[4-8]。

4評價結(jié)果與分析

4.1超標(biāo)現(xiàn)象依據(jù)《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-93)，ZK01水樣中總硬度、硫酸鹽、氨氮、錳濃度嚴(yán)重超標(biāo)，低于Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)值，溶解性總固體、亞硝酸鹽濃度低于Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)值；ZK02水樣中錳、亞硝酸鹽超標(biāo)，總硬度低于Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)值；ZK03水樣中總硬度、硫酸鹽、氨氮濃度超標(biāo)；ZK04水樣中硫酸鹽、氟化物嚴(yán)重超標(biāo)；ZK05水樣中總硬度、硫酸鹽、氨氮、氟化物、錳嚴(yán)重超標(biāo)，低于Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)值；ZK06水樣中亞硝酸鹽嚴(yán)重超標(biāo)，其余檢測項目均達(dá)到Ⅲ類及以上地下水標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2地下水環(huán)境質(zhì)量狀況依據(jù)環(huán)境質(zhì)量評價中的模糊綜合評價中常使用的加權(quán)平均型模型，在19種因子的共同作用下，確定水質(zhì)級別的隸屬度，依據(jù)最大隸屬度原則得到模糊綜合評價的結(jié)果。為了增強模糊數(shù)學(xué)法的實用性和可比性，采用綜合指數(shù)法對研究區(qū)的水質(zhì)進(jìn)行了分析比較。由表2可知， 該選礦廠所在洼地周圍地下水已經(jīng)受到了嚴(yán)重污染，整體質(zhì)量較差～極差，模糊數(shù)學(xué)法評價洼地內(nèi)地下水水質(zhì)僅為Ⅲ～Ⅴ類水，綜合指數(shù)法評價其地下水環(huán)境質(zhì)量為較差～極差；洼地下游的監(jiān)測孔地下水水質(zhì)用模糊數(shù)學(xué)法評價結(jié)果為Ⅰ類水，綜合指數(shù)法評價結(jié)果為較差，相對洼地內(nèi)監(jiān)測孔的水質(zhì)較好，說明該選礦廠的廢渣已經(jīng)嚴(yán)重污染了其所在區(qū)域的地下水，其污染羽逐漸向下游擴(kuò)展，下游的地下水水質(zhì)已經(jīng)有所污染。 對比以上兩種評價方法的評價結(jié)果，可以看出模糊數(shù)學(xué)法得出的結(jié)果相對較好，綜合指數(shù)法單項組分各類別之間的取值偏差較大，提高了超標(biāo)單項組分的分值。而模糊數(shù)學(xué)法運用最大隸屬度原則和加權(quán)平均法，具有較強的綜合性，在一定程度上避免了綜合指數(shù)法的不合理性；綜合指數(shù)法可以較為明確地突出超標(biāo)因子的狀況。在進(jìn)行地下水質(zhì)量綜合評價時，將二者綜合考慮，可增強評價結(jié)果的合理性，最大限度地減小人為誤差。

表2　模糊數(shù)學(xué)法及綜合指數(shù)法評價結(jié)果

5結(jié)論

采用模糊數(shù)學(xué)法和綜合指數(shù)法，評價薄竹鎮(zhèn)某選礦廠所在洼地的地下水環(huán)境質(zhì)量，結(jié)果表明，該區(qū)地下水已經(jīng)受到了嚴(yán)重污染。若這些礦渣一直堆放于此，礦渣中的重金屬元素隨溶濾作用下滲，進(jìn)入地下水，嚴(yán)重影響該區(qū)域的地下水環(huán)境質(zhì)量。因此，建議政府相關(guān)部門對該選礦廠制定專項污染治理實施方案進(jìn)行治理。

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Evaluation of Groundwater Environmental Quality of a Dressing Plant in Bozhu Town by Fuzzy Mathematics and Comprehensive Index Method

LI Chen-chen1, XU Shi-guang1,2*, FAN Zhu-guo1et al (1. College of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and technology, Kunming, Yunnan 650093; 2. Yunnan Bureau of Geology and Mineral, Kunming, Yunnan 650011)

Abstract[Objective] The aim was to assess the groundwater environmental quality of a dressing plant in Bozhu Town by fuzzy mathematics and comprehensive index method. [Method] Based the hydrogeological characteristics of a dressing plant in Bozhu Town and the monitoring data of groundwater in the plant and drillings in the lower reaches, 19 evaluation factors were chosen, and the environmental quality of the groundwater in this area was assessed by the method of fuzzy mathematics and comprehensive index evaluation according to the nationalGroundwaterEnvironmentQualityStandard. [Result] The groundwater of the dressing plant was polluted, and the environmental quality was worse. [Conclusion] The research could provide scientific basis for the establishment of treatment scheme of heavy metals in this dressing plant.

Key wordsDressing plant; Groundwater; Environmental quality; Fuzzy mathematics; Comparative analysis

收稿日期2015-11-23

作者簡介李晨晨(1990-)，女，河南漯河人，博士研究生，研究方向：水文地質(zhì)與工程地質(zhì)。*通訊作者，教授級高級工程師，博士生導(dǎo)師，從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)的教學(xué)和科研工作。

中圖分類號S 181.3;P 641;X 824

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2015)36-162-02