李揚(yáng)，竇炳臣，陳振，王學(xué)民，原明考

(山東省物化探勘查院，山東 濟(jì)南　250013)

?

地下水水質(zhì)評價(jià)與預(yù)測方法綜述

李揚(yáng)，竇炳臣，陳振，王學(xué)民，原明考

(山東省物化探勘查院，山東 濟(jì)南250013)

近年來，地下水水質(zhì)安全引起了社會廣泛的關(guān)注，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量水質(zhì)評價(jià)與預(yù)測研究，本文綜合了當(dāng)前幾種廣泛應(yīng)用的水質(zhì)評價(jià)與預(yù)測方法，對比了各自的適用性與局限性，展望了今后水質(zhì)評價(jià)與預(yù)測發(fā)展的趨勢，以期為地下水管理、開發(fā)利用提供參考依據(jù)。

水質(zhì)評價(jià)；水質(zhì)預(yù)測；適用性；局限性；發(fā)展趨勢

引文格式：李揚(yáng)，竇炳臣，陳振，等.地下水水質(zhì)評價(jià)與預(yù)測方法綜述[J].山東國土資源，2015,31(8)：33-36.LI Yang, DOU Bingchen, CHEN Zhen, etc. Study on Evaluation and Predication Methods of Groundwater Quality[J].Shandong Land and Resources, 2015,31(8):33-36.

水是生命的源泉，是人類賴以生存和發(fā)展的不可缺少的最重要的物質(zhì)資源之一[1]。水質(zhì)是水體質(zhì)量的簡稱，它標(biāo)志著水體的物理、化學(xué)和生物的特性及其組成的狀況，而隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，危險(xiǎn)廢物堆、地下排污管道的泄漏、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的化肥農(nóng)藥等化學(xué)用品、各種礦場和工業(yè)廢水都能對地下水環(huán)境造成污染，使原本極為短缺的水資源更為“雪上加霜”。當(dāng)前我國的城市化進(jìn)程加快，工業(yè)經(jīng)濟(jì)在整個(gè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)中依然是主體，很多地區(qū)的地下水超采嚴(yán)重，地下水位不斷下降，人為因素對地下水水環(huán)境的污染越來越嚴(yán)重，因此地下水水質(zhì)評價(jià)與預(yù)測顯得尤為重要，許多學(xué)者開展了一系列相關(guān)的研究，衍生了一系列的地下水水質(zhì)評價(jià)與預(yù)測方法，這些評價(jià)與預(yù)測方法在水資源的管理、開發(fā)、利用中起著至關(guān)重要的作用。

1　水質(zhì)評價(jià)方法研究進(jìn)展

1.1水質(zhì)評價(jià)方法綜述

水質(zhì)評價(jià)是指對水環(huán)境各個(gè)要素進(jìn)行單項(xiàng)及綜合評價(jià)，通過對水環(huán)境質(zhì)量變化規(guī)律的研究以及對水環(huán)境要素或區(qū)域水環(huán)境性質(zhì)的優(yōu)劣進(jìn)行定量描述，探究改善和提高水環(huán)境質(zhì)量的方法和途徑[2]。在評價(jià)方法領(lǐng)域，隨著大量數(shù)學(xué)方法的應(yīng)用與推廣，水質(zhì)評價(jià)的方法得到了廣泛的發(fā)展，主要的評價(jià)方法有單因子評價(jià)法、基于灰色系統(tǒng)理論的水環(huán)境評價(jià)法、基于模糊理論的水環(huán)境評價(jià)法、指數(shù)評價(jià)法、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境評價(jià)法、基于統(tǒng)計(jì)理論的因子分析法等。

(1)單因子評價(jià)法。單因子評價(jià)法是將每個(gè)評價(jià)因子的實(shí)測濃度與該評價(jià)因子的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)《國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》進(jìn)行逐一對比，將最差因子的類別作為評價(jià)水質(zhì)的類別，其計(jì)算公式表述為：

(1)

式中：Ci為第i類評價(jià)因子的測定值;Lij為第i類評價(jià)因子的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值;Ii為單因子i的水質(zhì)指數(shù)。

(2)灰色評價(jià)法?；疑u價(jià)法將水環(huán)境體系視為一個(gè)灰色系統(tǒng)，將在有限的時(shí)間和空間內(nèi)獲得的水質(zhì)信息定義為已知信息部分與未知信息部分?；疑u價(jià)法首先對水質(zhì)各指標(biāo)的實(shí)測濃度與各級水質(zhì)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行計(jì)算，然后根據(jù)關(guān)聯(lián)度大小確定被測水體水質(zhì)的類別?；疑到y(tǒng)可以通過處理水質(zhì)分級界限的模糊性，提高數(shù)據(jù)信息的利用率，從而有效解決水質(zhì)評價(jià)中的不確定因素[3]。

(3)模糊綜合評價(jià)法。模糊數(shù)學(xué)綜合評價(jià)法的基本思路是：依照檢測數(shù)據(jù)建立各指標(biāo)對各級標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度集，形成隸屬度矩陣，計(jì)算指標(biāo)權(quán)重集與隸屬度矩陣的積，形成模糊集，得到綜合評價(jià)集，來闡述被評價(jià)水體水質(zhì)對各級標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)的隸屬程度，最后通過該隸屬程度反映出水質(zhì)級別的模糊性[4]。

(4)污染指數(shù)評價(jià)法。污染指數(shù)就是水體各指標(biāo)的檢測值與其評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之比，將各指標(biāo)的分指數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)綜合運(yùn)算，得出綜合指數(shù)，用綜合指數(shù)代表水體的污染程度，以此來評價(jià)水質(zhì)。常用的污染指數(shù)法主要有綜合指數(shù)法、加權(quán)均值法和尼梅羅指數(shù)法等[5-6]。

(5)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，而且模擬人類的思維方式，直觀判斷事物的特征特點(diǎn)。在進(jìn)行人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)時(shí)，首先確定水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)，將參評的水質(zhì)監(jiān)測值與標(biāo)準(zhǔn)樣本進(jìn)行比較分析，模式識別參評水質(zhì)與哪種標(biāo)準(zhǔn)樣本更為接近，目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究中基本采用人工BP網(wǎng)絡(luò)[7-9]。

(6)因子分析法。因子分析法可以依據(jù)相關(guān)性的大小把變量分組，使同組內(nèi)的變量之間相關(guān)性較高，不同組的變量相關(guān)性則較低或不相關(guān)，形成的每一組變量稱為公共的因子，使研究的問題得到簡化，在水質(zhì)評價(jià)中廣泛應(yīng)用。

1.2水質(zhì)評價(jià)方法適用性分析

水質(zhì)評價(jià)方法各有適用性與局限性，從表1中可以看出，單因子評價(jià)法與污染指數(shù)評價(jià)法計(jì)算較為簡便，但局限性也較明顯，均缺乏對水質(zhì)總體的評價(jià)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)法與因子分析法均可進(jìn)行定量與定性分析，但對樣本數(shù)量有一定的要求，如樣本數(shù)量少，則評價(jià)精度會降低。灰色評價(jià)法在一定程度上能夠避免水質(zhì)參數(shù)異常值的干擾性，但是評價(jià)因子序列只有在滿足“曲線相似”的情況下評價(jià)精度較高。模糊綜合評價(jià)法符合客觀規(guī)律，能夠體現(xiàn)出水環(huán)境中客觀存在的模糊性與不確定性，但計(jì)算較復(fù)雜，存在對水質(zhì)類別判別不準(zhǔn)確的問題。

2　水質(zhì)預(yù)測方法研究進(jìn)展

2.1水質(zhì)預(yù)測方法綜述

水質(zhì)預(yù)測是水質(zhì)監(jiān)督和管理的基礎(chǔ)工作，是預(yù)防水質(zhì)污染事件的有效措施，在水環(huán)境保護(hù)中占有舉足輕重的地位。關(guān)于水質(zhì)預(yù)測方法主要有時(shí)間序列預(yù)測法、灰色預(yù)測法、模糊數(shù)學(xué)法、回歸分析法、溶質(zhì)運(yùn)移模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在水質(zhì)動(dòng)態(tài)預(yù)測等方法[10-13]。

(1)回歸分析法。根據(jù)地下水環(huán)境形成和演變的基本規(guī)律，在充分分析已有觀測資料的基礎(chǔ)上，建立預(yù)測要素與前期因子之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，利用近期的地下水環(huán)境信息，從所建立的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系中獲取所需的預(yù)測值。

(2)模糊聚類分析法。模糊聚類分析法是一種通過建立模糊相似關(guān)系將客觀事物進(jìn)行分類的方法，水環(huán)境要素模糊聚類分析預(yù)測方法就是通過模糊聚類分析，把預(yù)測因子狀態(tài)分類，建立起待預(yù)測水環(huán)境要素變量與因子狀態(tài)之間的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對水環(huán)境變量的狀態(tài)預(yù)測。

(3)時(shí)間序列法。時(shí)間序列指水質(zhì)指標(biāo)中的某一指標(biāo)監(jiān)測值，按其出現(xiàn)時(shí)間的先后次序，且間隔時(shí)間相同而排列的一列數(shù)值。時(shí)間序列預(yù)測是用水質(zhì)變化的過去和現(xiàn)在的觀測數(shù)據(jù)，構(gòu)造依時(shí)間變化的序列模型，通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，并借助一定規(guī)則推測未來水質(zhì)。

(4)灰色預(yù)測法。灰色系統(tǒng)理論將隨機(jī)變量看作是在一定范圍內(nèi)變化的灰色參量，將隨機(jī)過程視為在一定范圍內(nèi)變化，且與時(shí)間有關(guān)的灰色過程。應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論建立的模型GM(1，1)進(jìn)行預(yù)測，稱為灰色預(yù)測。

(5)溶質(zhì)運(yùn)移模型。在溶質(zhì)運(yùn)移模型方面，MODFLOW是全世界范圍內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的模擬地下水流的應(yīng)用程序。它是一套用于孔隙介質(zhì)中地下水流動(dòng)數(shù)值模擬的軟件，采用單元中心有限差分法模擬地下水在含水層中的運(yùn)動(dòng)，有限差分方程組可以用強(qiáng)隱式法或超松弛法進(jìn)行求解，誤差較小，精度較高[14]。

(6)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是20世紀(jì)50年代產(chǎn)生的一門處理非線性復(fù)雜系統(tǒng)的科學(xué)，其在結(jié)構(gòu)上由多層分布的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，各節(jié)點(diǎn)按照一定的規(guī)則相互連接，構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有分布式聯(lián)想、自學(xué)習(xí)和自組織能力，在函數(shù)逼近、模式識別等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。該模型具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，為建立水環(huán)境預(yù)測模型提供了新的研究手段[15]。

2.2水質(zhì)評價(jià)方法適用性分析

水質(zhì)評價(jià)方法如表2所示，可以看出，回歸分析法和時(shí)間序列法操作的局限性較為明顯，準(zhǔn)確性稍差；模糊聚類分析法可以有效解決評價(jià)過程中的不確定性，但是計(jì)算工作量大；灰色預(yù)測法操作簡便，適用于實(shí)際監(jiān)測資料水質(zhì)系統(tǒng)信息井不完整的情況，準(zhǔn)確性較高；溶質(zhì)運(yùn)移模型在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐下，模型精度較高；而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法預(yù)測具備較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，但計(jì)算較為繁瑣。

3　水質(zhì)評價(jià)與預(yù)測方法發(fā)展方向

3.1水質(zhì)模型的統(tǒng)一

在水質(zhì)評價(jià)和預(yù)測的方法中，存在多種不同的理論模式，在應(yīng)用的過程中，尤其是在對同一水質(zhì)樣本進(jìn)行評價(jià)預(yù)測，評價(jià)和預(yù)測的結(jié)果不夠穩(wěn)定，各種評價(jià)方法存在不統(tǒng)一的情況，因此需要研究統(tǒng)一的評價(jià)與預(yù)測模式，以評判各種方法的合理性。

表2　水質(zhì)預(yù)測方法分析

3.2不確定性模擬預(yù)測的研究

由于實(shí)際水環(huán)境系統(tǒng)中會存在較大的偶然性與隨機(jī)性，各種因素之間相互作用和影響，而且這種作用和影響是不明確的，從而導(dǎo)致最終結(jié)果的不確定性。如何克服不確定性對模擬預(yù)測帶來的負(fù)面作用也將是水質(zhì)模擬預(yù)測研究的發(fā)展方向之一。

3.3地理信息系統(tǒng)的利用

地理信息系統(tǒng)是一門綜合性學(xué)科，結(jié)合地理學(xué)與地圖學(xué)以及遙感和計(jì)算機(jī)科學(xué)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，是用于輸入、存儲、查詢、分析和顯示地理數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，近年來GIS已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，而且在水質(zhì)模擬與管理規(guī)劃方面發(fā)揮了重要作用，將GIS技術(shù)如何更好地運(yùn)用于水環(huán)境的預(yù)測、規(guī)劃決策將是以后研究的熱點(diǎn)之一。

3.4可視化與虛擬技術(shù)的應(yīng)用

可視化技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。它涉及到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域，成為研究數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)處理、決策分析等一系列問題的綜合技術(shù)，包括科學(xué)計(jì)算可視化和信息可視化。目前國內(nèi)外許多學(xué)者都積極將可視化技術(shù)引入到水質(zhì)模擬和環(huán)境管理中。

虛擬化技術(shù)是對計(jì)算機(jī)仿真與視覺技術(shù)的延伸，就是把物理資源轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嬌峡梢怨芾淼馁Y源，以打破物理結(jié)構(gòu)之間的壁壘。未來，所有的資源都透明地在虛擬世界運(yùn)行在各種各樣的物理平臺上，資源的管理都將按邏輯方式進(jìn)行，完全實(shí)現(xiàn)資源的自動(dòng)化分配。目前，虛擬調(diào)度水質(zhì)已經(jīng)成為一種重要的研究方向。

4　結(jié)語

不同的地下水評價(jià)與預(yù)測方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)與適用環(huán)境條件，在進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)與預(yù)測時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況選擇適合的方法進(jìn)行分析，盡量減小因選擇方法不當(dāng)而導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差。隨著科技的進(jìn)步，更多先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用于這一領(lǐng)域，評價(jià)與預(yù)測的精度將會進(jìn)一步提高，為地下水管理與開發(fā)利用提供更為可靠的理論參考依據(jù)。

[1]嚴(yán)立冬，崔元鋒.綠色農(nóng)業(yè)概念的經(jīng)濟(jì)學(xué)審視[J].中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會科學(xué)版)，2009，9(3):40-43.

[2]張志祥，陸曉華．漢江水質(zhì)評價(jià)的化學(xué)計(jì)量學(xué)研究[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2004，20(l)：47-51．

[3]宋印勝．地下水水質(zhì)污染的灰色綜合評價(jià)[J].勘察科學(xué)技術(shù)，1990，(6)：20-22．

[4]翟由濤，趙玉軍．模糊綜合指數(shù)在判斷水質(zhì)變化趨勢和水體管理中的應(yīng)用[J]．中國環(huán)境科學(xué)．2010，13(6)：44-50．

[5]張中祥，徐建國，彭玉明，等.山東省地下水污染特征與初步評價(jià)[J].山東國土資源，2013，29(12)：26-31.

[6]王玉蓮，王振興，鐘振楠.威海市地下水防污性能評價(jià)[J].山東國土資源，2014，30(2):47-49，53.

[7]秦傳玉，趙勇勝，張偉紅，等.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的齊齊哈爾地區(qū)地下水水質(zhì)評價(jià)[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)，2007，19(2):15-18.

[8]婁申，干曉蓉.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)評價(jià)[J].云南民族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，61(2):165-167.

[9]趙曉亮，周揚(yáng).基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地下水質(zhì)量評價(jià)模型[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，9(28)：172-174.

[10]從樹錚.水文學(xué)的概率統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京:水利電力出版社，1981.

[11]施仁杰，盧科學(xué).時(shí)間序列分析引論[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1988:15-23.

[12]李如忠.水質(zhì)預(yù)測理論模式研究進(jìn)展與趨勢分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，29(1):26-30.

[13]李常鎖，胡愛民，游其軍，等.濟(jì)南泉域巖溶水水質(zhì)演變趨勢研究[J].山東國土資源，2004，20(1):35-38.

[14]肖華，郭加朋，朱寧，等.基于Visual Modflow的苑莊水源地地下水位預(yù)測[J].山東國土資源，2012，28(10):37-40.

[15]過仲陽，陳中原，李綠芊，等.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在水質(zhì)動(dòng)態(tài)預(yù)測中的應(yīng)用[J].華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2001，9(1):84-89.

Study on Evaluation and Predication Methods of Groundwater Quality

LI Yang, DOU Bingchen, CHEN Zhen, WANG Xuemin, YUAN Mingkao

(Shandong Geophysical and Geochemical Exploration Institute, Shandong Jinnan 250013, China )

In recent years, groundwater quality security has aroused widespread concern, and scholars have carried out a number of research about water quality evaluation and predication. In this paper, on the basis of integrating a few kinds of water quality evaluation and predication methods which have been widely used at present, applicability and limitations of these methods have been compared, and the trend of water quality evaluation and prediction in the future has been expected. It will provide some references for management, development and utilization of groundwater in the future.

Evaluation; predication; applicability; limitations; development trend

2014-10-12；

2014-12-01；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局地質(zhì)勘查科研項(xiàng)目“巖溶地下水水質(zhì)演化機(jī)制及趨勢預(yù)測研究”(KY201515)

李揚(yáng)(1986—)，男，山東莒南人，主要從事地下水可持續(xù)發(fā)展研究工作；E-mail：liyangbfu@163.com

X824

B