王春懿，梁　川，*，景　楠，趙　鵬

(1. 四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，成都 610065；2.水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065)

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巖溶區(qū)地下水質(zhì)量評價方法的對比分析

王春懿1,2，梁川1,2，*，景楠1,2，趙鵬1,2

(1. 四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，成都 610065；2.水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065)

摘要：巖溶區(qū)地下水質(zhì)量評價對該地區(qū)人類生存環(huán)境及經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展有著重要意義，但評價方法多樣。為更好地了解單因子指數(shù)評價法、F值評分法和模糊綜合評價法3種應(yīng)用較廣泛的方法在巖溶地下水質(zhì)量評價的應(yīng)用，分別運用上述方法對廣西河池市4個水廠的地下水水源進行水質(zhì)綜合評價，并對評價結(jié)果進行對比分析。結(jié)果表明：研究區(qū)內(nèi)地下水水質(zhì)良好；單因子指數(shù)評價法片面反映水質(zhì)整體情況；F值評分法和模糊綜合評價法的評價結(jié)果更為準(zhǔn)確和客觀，后者計算量更大。綜上可知，F(xiàn)值評分法和模糊綜合評價法優(yōu)于單因子指數(shù)評價法。

關(guān)鍵詞：巖溶地下水；水質(zhì)評價方法；對比分析；廣西河池中圖分類號：P641.8；X824

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-008X(2016)01-0001-06

0引言

廣西壯族自治區(qū)巖溶地下水具有水量豐富、暗河較發(fā)育、空間和時間分布不均、開發(fā)局限性大的特點，是重要的供水水源。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)化和城市化速度的增高，對水資源尤其對地下水資源的需求逐漸增加，地下水資源面臨一定的威脅，加之人們對環(huán)境污染愈來愈重視，故監(jiān)測和評價地下水水質(zhì)對該地區(qū)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展有著重要意義，而選取合適的方法是評價地下水質(zhì)量的關(guān)鍵。目前國內(nèi)外已經(jīng)對地下水質(zhì)量評價的方法做出了諸多研究，建立了以不同理論為基礎(chǔ)的評價方法[1-2]，主要有單因子評價法、綜合評價法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[3]、灰色聚類法[4]、遺傳算法[5]、物元可拓法[6]等。單因子評價法不能完全反映地下水質(zhì)量的綜合情況,可能導(dǎo)致較大的偏差；綜合評價法比單項組分評價全面、綜合，但現(xiàn)行的評價方法還無法全面考慮地下水水質(zhì)的成因、演變規(guī)律；此外各評價方法之間對不同地區(qū)的適應(yīng)性也有所不同。為此，根據(jù)文獻[7]對河池市六圩水廠、加遼水廠、城北水廠、肯沖水廠 4 個地下水供水水源地, 16 種水體污染物的監(jiān)測點位監(jiān)測值Cj，采用單因子指數(shù)評價法、F值評分法和模糊綜合評價法對各水廠地下水水源地水質(zhì)進行評價，并與地下水污染指數(shù)法的評價結(jié)果相互比較，進而分析3種方法的優(yōu)缺點和適用性，以期為保護和合理開發(fā)地下水資源，提前預(yù)防和控制地下水的污染等提供科學(xué)依據(jù)，保障飲水健康及安全。

1評價方法

1.1單因子指數(shù)評價法

單因子指數(shù)評價法是利用實測數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)對比分類，即計算出各個評價指標(biāo)的污染指數(shù)，并與1比較大小，若污染指數(shù)>1，則超過所選標(biāo)準(zhǔn)，反之則滿足標(biāo)準(zhǔn)，逐項計算，選取水質(zhì)最差的類別為評價結(jié)果，兩類評價指標(biāo)的污染指數(shù)計算公式如下。

1)一般污染物的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)

(1)

式中Si為某污染物的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)；Ci為某污染物的實測平均濃度，mg/L；CS為某污染物的評價標(biāo)準(zhǔn)，mg/L。

2)pH值的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)

(2)

(3)

式中SpH,i為pH值的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)；pHi為pH的實測值；pHsd為評價標(biāo)準(zhǔn)的下限值；pHsu為評價標(biāo)準(zhǔn)的上限值。

3)當(dāng)Si≤1時，表示水體未污染；當(dāng)Si>1時，表示該水質(zhì)因子已超過了規(guī)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)值越大，超標(biāo)越嚴重。

1.2F值評分法

根據(jù)《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-93)[8]，地下水質(zhì)量綜合評價采用加附注的評分方法，其中要求選擇參評項目不少于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的監(jiān)測項目，但不包括細菌學(xué)指標(biāo),并能反應(yīng)本地區(qū)主要水質(zhì)問題。首先，進行各單項組分評價，確定所屬質(zhì)量類別；其次，根據(jù)類別，按表1分別確定單項組分評價分值Fi；再按(4)式計算綜合評價分值F。最后，根據(jù)F值，按表2劃分地下水質(zhì)量級別。

(4)

(5)

表2　地下水質(zhì)量綜合評價分級表

1.3模糊綜合評價法

水質(zhì)模糊綜合評價方法[9-12]，采用概率統(tǒng)計中矩陣的數(shù)量積的計算形式，引入隸屬度和權(quán)重值兩個概念，從而使評價的地下水質(zhì)狀況更接近實際，反映水質(zhì)整體情況更綜合。

1.3.1水質(zhì)指標(biāo)矩陣(X)

X為n個取水點組成的樣本集合，每個取水點有m項評價指標(biāo),這里n=4，m=16。則實際觀測水質(zhì)指標(biāo)矩陣為：

(6)

1.3.2水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)集合(Y)

Y為水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)集合，其中m項水質(zhì)指標(biāo)按照地下水5級分類標(biāo)準(zhǔn)[8]評價，則有：

(7)

其中h=1,2,3,4,5，表示h級的標(biāo)準(zhǔn)值。

1.3.3模糊關(guān)系矩陣R

模糊關(guān)系矩陣R是由各采樣點單項水質(zhì)指標(biāo)(Xi)對各水質(zhì)級別(Yi)的隸屬度所構(gòu)成的矩陣,模糊綜合評價法以隸屬度來描述水質(zhì)的模糊界線,隸屬度可用隸屬度函數(shù)來表示。各水質(zhì)指標(biāo)對各級水的模糊關(guān)系矩陣用下列公式進行計算。

1)屬于第一級水質(zhì)的隸屬度函數(shù)為：

(8)

2)屬于第k(k=2,3,4)級水質(zhì)的隸屬度函數(shù)為:

(9)

3)屬于第五級的隸屬度函數(shù)為:

(10)

1.3.4權(quán)重矩陣A

A是由各評價因子的權(quán)重分配構(gòu)成的向量，即權(quán)重矩陣。目前確定權(quán)重的方法較多，本文采用超標(biāo)法[13]來決定各評價因子的權(quán)重。權(quán)重矩陣中權(quán)數(shù)ai反映各因子(Xi)的重要程度，計算公式為:

(11)

式中ci為第i個評價因子的濃度實測值，mg/L；si為第i個評價因子的各級評價標(biāo)準(zhǔn)的均值，mg/L；ai為第i個評價因子的權(quán)重值，并且各權(quán)數(shù)ai(i=1，2，…，m)應(yīng)滿足歸一性和非負性的條件，即:

(12)

其中歸一化公式為：

(13)

1.3.5綜合評判結(jié)果B

通過權(quán)重矩陣和模糊關(guān)系矩陣的復(fù)合運算，得出綜合評判結(jié)果B矩陣，再根據(jù)一定原則確定各監(jiān)測斷面水質(zhì)的評價結(jié)果。計算公式如下:

B=AT·R

(14)

2方法應(yīng)用

本文評價數(shù)據(jù)來自2009年1月對河池市六圩水廠、加遼水廠、城北水廠、肯沖水廠4 個地下水供水水源地19種水體污染物的監(jiān)測點位監(jiān)測值Cj[7]，采用單因子指數(shù)評價法、F值評分法和模糊綜合評價法對各監(jiān)測點水質(zhì)進行評價。評價標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-93),按照標(biāo)準(zhǔn)中的要求，選取評價因子有pH、氨氮、銅(Cu)、鋅(Zn)、氟化物、硒(Se)、砷(As)、汞(Hg)、鎘(Cd)、鉻(六價)、揮發(fā)酚、硫酸根、氯化物、鐵(Fe)、錳(Mn)、陰離子合成洗滌劑共16項。各地各評價指標(biāo)的實測濃度值見表3。

2.1單因子指數(shù)法評價結(jié)果

據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-93)中第Ⅲ類污染物標(biāo)準(zhǔn)濃度限值，由式(1)～式(3)選擇適合不同評價指標(biāo)的計算式進行評價，各單項水質(zhì)評價結(jié)果見表3中Si欄。由結(jié)果可知，各單項水質(zhì)因子Si≤1，水質(zhì)達到III類水的環(huán)境要求，能滿足該地區(qū)地下水水體的基本功能。

2.2F值評分法及模糊綜合評價法評價結(jié)果

表3　各地各評價指標(biāo)實測濃度值及單因子指數(shù)法評價結(jié)果表

(15)

2.3評價結(jié)果比較與分析

由表4可見，F(xiàn)值評分法的評價結(jié)果表明各監(jiān)測點F值都在0.8～2.50范圍內(nèi)，水質(zhì)等級都屬于良好，且高于單因子指數(shù)法的評價結(jié)果。模糊綜合評價法的評價結(jié)果顯示水質(zhì)等級都在Ⅱ類以上，同樣高于單因子指數(shù)法的評價結(jié)果，其中最大隸屬度原則評價結(jié)果顯示各監(jiān)測點水質(zhì)等級都為Ⅰ類，且比F值評分法的水質(zhì)等級評價結(jié)果更高；而模糊綜合評價指數(shù)FCL原則評價結(jié)果與F值評分法的水質(zhì)等級評價結(jié)果一致。將3種方法的評價結(jié)果與文獻[7]的評價結(jié)果比較可知，F(xiàn)值評分法和按FCL原則評價的模糊綜合評價法的評價結(jié)果與文獻[7]的評價結(jié)果一致，且更符合實際情況。

綜上可知，單因子指數(shù)法雖然簡單明了，能清晰判斷出主要污染因子及其分布區(qū)域，但其以最差因子的評價結(jié)果作為最終的評價結(jié)果，體現(xiàn)了單個因子的否決權(quán)，具有很強的從嚴性，不能全面反映水質(zhì)的整體情況。F值評分法利用綜合評分值，根據(jù)相應(yīng)的分級標(biāo)準(zhǔn)確定水質(zhì)類型，因此其評價結(jié)果可以較合理地反映水質(zhì)狀況，適用于多種情況，雖然由式(5)知，它強調(diào)了最大的污染因子，某種程度上將水污染的程度高估了，如F值評分法與按最大隸屬度原則評價的模糊綜合評價法的不同評價結(jié)果，前者評價結(jié)果顯示水污染程度高于后者，但在本例中F值評分法更符合實際情況。而模糊綜合評價法結(jié)合主要評價因子的權(quán)重和隸屬度來確定水質(zhì)類別，雖然計算相對更為復(fù)雜,但比F值評分法更綜合地考慮所有的水質(zhì)影響評價指標(biāo)的權(quán)重，更準(zhǔn)確直接，而采用模糊綜合評價指數(shù)FCL原則的模糊綜合評價法使結(jié)果進而更為準(zhǔn)確和客觀。

3結(jié)論

文中3種方法的評價結(jié)果都表明各監(jiān)測點地下水質(zhì)量總體較好，且滿足該地地下水水體的基本功能。其中，單因子指數(shù)法評價結(jié)果為各監(jiān)測點水質(zhì)達到III類水的環(huán)境要求，其中氨氮、鎘(Cd)、揮發(fā)酚3個指標(biāo)的濃度較大；F值評分法與按模糊綜合評價指數(shù)FCL原則評價的模糊綜合評價法的評價結(jié)果一致，水質(zhì)等級評價結(jié)果為Ⅱ類，且與實際情況相符；而按最大隸屬度原則評價的模糊綜合評價法的水質(zhì)等級更高，為Ⅰ類。產(chǎn)生差異的原因可歸結(jié)為：1)單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法具有很強的從嚴性，評價結(jié)果不夠全面；2)F值評分法強調(diào)最大的污染因子，高估了水污染的程度；同時以上2種方法均未考慮主要污染因子的權(quán)重和隸屬度；3)由于模糊綜合評價法較為充分地考慮了水質(zhì)分級界線的連續(xù)性，更加全面，但計算量也更多更復(fù)雜；4)相比最大隸屬度原則，模糊綜合評價指數(shù)FCL原則考慮了水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)類別的權(quán)重。模糊綜合評價法和F值評分法優(yōu)于單因子指數(shù)評價法，但在實踐中應(yīng)結(jié)合研究區(qū)的水質(zhì)分布特征，合理選擇評價方法及評價原則，以獲得最佳的評價結(jié)果。

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Comparative analysis on evaluation method for karst groundwater quality

WANG Chun-Yi1,2，LIANG Chuan1,2，*，JING Nan1,2，ZHAO Peng1,2

(1.CollegeofWaterResourceandHydropower,SichuanUniversity,Chengdu610065,China；2.StateKeyLaboratoryofHydraulicsandMountainRiverEngineering，SichuanUniversity，Chengdu610065,China)

Abstract：Karst groundwater quality evaluation is important to the sustainable development of human survival environment and the region economy,but the methods are diversiform,such as the single factor index method,the F value method and the fuzzy comprehensive evaluation method have been widely used. In order to better understand the application of three methods in karst groundwater quality evaluation,three methods are used to evaluate and analyze the water quality of groundwater source of four water plants in Hechi of Guangxi. The results showed that the water quality is good, the single factor index method cannot reflect the overall water quality, the results of the F value method and the fuzzy comprehensive evaluation method are more accurate and objective except a large amount of calculation. In conclusion, the F value method and the fuzzy comprehensive evaluation method were superior to the single factor index method.

Key words：karst groundwater；water quality evaluation method；comparative analysis；Hechi of Guangxi

DOI:10.13524/j.2095-008x.2016.01.001

收稿日期：2016-02-18

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(41271045)

作者簡介：王春懿(1993-)，女，重慶人，碩士研究生，研究方向：水文水資源，E-mail：474340093@qq.com；*通訊作者：梁川(1957-)，男，四川雅安人，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師，研究方向：水文水資源與水環(huán)境，E-mail: lshester@shou.com。