劉禮慶,袁乃華,夏蔚蕓

(1.江蘇水文水資源勘測局鎮(zhèn)江分局,江蘇 鎮(zhèn)江　212000; 2.鎮(zhèn)江市節(jié)約用水辦公室,江蘇 鎮(zhèn)江　212000)

單一模型地下水水質(zhì)評價(jià)結(jié)果的可靠性探討

劉禮慶1,袁乃華2,夏蔚蕓1

(1.江蘇水文水資源勘測局鎮(zhèn)江分局,江蘇 鎮(zhèn)江212000; 2.鎮(zhèn)江市節(jié)約用水辦公室,江蘇 鎮(zhèn)江212000)

摘要：分別采用單因子評價(jià)法、綜合指數(shù)法、模糊綜合評判法對鎮(zhèn)江市淺層地下水水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)，并給出悲觀狀況和樂觀狀況兩種情景的評價(jià)結(jié)果，與采用傳統(tǒng)單一評價(jià)方法所得結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明：①悲觀狀況下，Ⅰ類、Ⅱ類監(jiān)測井占評價(jià)監(jiān)測井總數(shù)的5.88%，Ⅲ類監(jiān)測井占39.22%，Ⅳ～Ⅴ類監(jiān)測井占54.9%；樂觀狀況下，Ⅰ類、Ⅱ類監(jiān)測井占評價(jià)監(jiān)測井總數(shù)的54.9%，Ⅲ類監(jiān)測井占5.88%，Ⅳ～Ⅴ類監(jiān)測井占39.22%。②不同評價(jià)方法的評價(jià)結(jié)果相差較大，依賴單一評價(jià)模型的評價(jià)結(jié)果進(jìn)行決策，是具有風(fēng)險(xiǎn)的。

關(guān)鍵詞：地下水;水質(zhì)評價(jià);單一模型;單項(xiàng)組分評價(jià)法;綜合指數(shù)法;模糊綜合評判法

地下水作為水資源的一個(gè)重要組成部分,具有分布廣泛且穩(wěn)定、相對于地表水不易受到污染、便于開采等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為人們生活生產(chǎn)的重要供水水源。但是受人類活動(dòng)和原生地球化學(xué)環(huán)境的共同影響,地下水水質(zhì)表現(xiàn)出區(qū)域分布和演化的特點(diǎn)[1]。地下水水質(zhì)評價(jià)是地下水資源評價(jià)的一項(xiàng)十分重要內(nèi)容[2],根據(jù)地下水的主要物質(zhì)成分和給定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),分析地下水水質(zhì)的時(shí)空分布狀況,為地下水資源的管理和開發(fā)利用規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)[3]。但由于地下水水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)與水質(zhì)等級間非常復(fù)雜的關(guān)系,以及水體污染的隨機(jī)性和模糊性,至今仍沒有一個(gè)被廣泛接受的評價(jià)模型[1, 4]。

1地下水水質(zhì)評價(jià)結(jié)果的可靠性

水質(zhì)評價(jià)過程存在模糊不確定性[5]。根據(jù)地下水資源評價(jià)中不確定性因素產(chǎn)生的原因,束龍倉等[6-8]將其分為客觀隨機(jī)性因素和主觀不確定性因素兩大類,并對其進(jìn)行了較為全面的分析。其中,客觀隨機(jī)性是由地下水資源系統(tǒng)內(nèi)在的隨機(jī)特性引起的,主要由水文地質(zhì)、水文變量的空間和時(shí)間變化的不均一性決定;主觀不確定性是由研究者對系統(tǒng)認(rèn)識的不全面造成的,主要與數(shù)學(xué)模型的建立、求解及模型中參數(shù)的不確定性有關(guān)。在地下水水質(zhì)評價(jià)過程中,數(shù)學(xué)方法的使用可以排除人為評價(jià)的主觀性,但也難以避免所采用數(shù)學(xué)方法的假設(shè)和概化對評價(jià)結(jié)果的影響[4]。目前地下水水質(zhì)評價(jià)方法較多,主要有單項(xiàng)組分評價(jià)法、綜合指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)評價(jià)法及灰色理論評價(jià)法等[4]。然而,由于不同評價(jià)模型采用的原理以及考慮問題角度不同,其評價(jià)結(jié)果也不盡相同。如單項(xiàng)組分評價(jià)法對單個(gè)水質(zhì)指標(biāo)獨(dú)立進(jìn)行評價(jià),評價(jià)結(jié)果難以全面反映地下水質(zhì)量的整體狀況;綜合指數(shù)法忽略了水質(zhì)分級分界線的模糊性,評價(jià)結(jié)果難以滿足水質(zhì)功能評價(jià)的要求和水質(zhì)污染的真實(shí)狀況;模糊數(shù)學(xué)評價(jià)法在評價(jià)因子確定方面具有一定的主觀性等。文獻(xiàn)[9]指出依靠單一模型的評價(jià)結(jié)果,會(huì)導(dǎo)致“棄真”和“取偽”的錯(cuò)誤。Hoeting 等[10]認(rèn)為傳統(tǒng)理論沒有正確認(rèn)識模型的不確定性,過分信賴單個(gè)模型做出的決策,這是極具風(fēng)險(xiǎn)的。同時(shí),學(xué)者們也逐漸認(rèn)識到,由于問題的復(fù)雜性,可以采用多種數(shù)學(xué)表達(dá)和解釋來研究,因此越來越傾向于使用多模型分析方法,而非像以往一樣僅依靠單個(gè)模型。由此可見,使用單一傳統(tǒng)模型對地下水水質(zhì)進(jìn)行評價(jià),其評價(jià)結(jié)果的可靠性是值得探討的。

2研究實(shí)例

2.1研究區(qū)概況

鎮(zhèn)江市地處江蘇省西南部,長江下游南岸,位于長江與大運(yùn)河十字交匯處,鎮(zhèn)江東南接常州市,西鄰南京市,北與揚(yáng)州市、泰州市隔江相望。轄句容、揚(yáng)中、丹陽3市和京口、潤州、丹徒、新區(qū)4區(qū)。全市總面積3 847 km2,屬北亞熱帶南部氣候區(qū),具有以下氣候特征:季風(fēng)性較明顯,過渡突出,變異性顯著,溫暖濕潤,四季分明,熱量充裕,雨水豐沛,光照充足,無霜期長等。全市多年(1950—2012年)平均降水量為1 064.2 mm,降水量年內(nèi)分配不均,年際變化較大。全市劃分為3大水系：秦淮河、太湖湖西和沿江水系,共有流域面積在50 km2及以上的河流32條(跨省2條),其中流域面積在100 km2及以上的河流20條,流域面積在1 000 km2及以上河流2條,流域面積在50 km2以下至鄉(xiāng)鎮(zhèn)級主要河流328條。根據(jù)地下水在介質(zhì)中的賦存條件,可以將區(qū)內(nèi)的地下水分為孔隙水、巖溶水與裂隙水3大類?？傮w來看,鎮(zhèn)江市淺層地下水分布廣泛、總量豐富,但水質(zhì)狀況較為復(fù)雜,不同區(qū)域富水性相差較大。

2.2資料來源及評價(jià)方法

圖1　鎮(zhèn)江市淺層地下水水質(zhì)監(jiān)測井分布

依據(jù)GB/T14848—1993《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[11],選取其中較為常用的單項(xiàng)組分評價(jià)法、綜合指數(shù)法和模糊綜合評判法分別進(jìn)行評價(jià),分析采用單一模型進(jìn)行地下水水質(zhì)評價(jià)結(jié)果的可靠性。

2.2.1單項(xiàng)組分評價(jià)法

單項(xiàng)組分評價(jià)采用標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法進(jìn)行評價(jià)。標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)大于1,表明該水質(zhì)因子已超過了規(guī)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),指數(shù)值越大,超標(biāo)越嚴(yán)重。標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)計(jì)算公式分為以下兩種情況:

對于評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為定值的水質(zhì)因子,其標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)計(jì)算公式為

(1)

對于評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為區(qū)間值的水質(zhì)因子(如pH值),其標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)計(jì)算公式為

(2)

式中:P為pH的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù);Z為pH檢測值;Zsu為標(biāo)準(zhǔn)中pH的上限值;Zsd為標(biāo)準(zhǔn)中pH的下限值。

2.2.2綜合指數(shù)法

首先進(jìn)行各單項(xiàng)組分評價(jià),劃分所屬質(zhì)量類別。Ⅰ～Ⅴ水質(zhì)類別對應(yīng)的單項(xiàng)組評分值Fi分別為0、1、3、6、10。

按式(3)確定綜合評判分值F。

(3)

(4)

根據(jù)F值劃分地下水質(zhì)質(zhì)量級別:F<0.80,為優(yōu)良; 0.80≤F<2.50,為良好;2.50≤F<4.25,為較好;4.25≤F<7.20，為較差；F≥7.20,為極差。再將細(xì)菌學(xué)指標(biāo)評價(jià)類別注在級別定名之后,如“優(yōu)良(Ⅱ類)”、“較好(Ⅲ類)”,以此類推。

2.2.3模糊綜合評判法

模糊綜合評判問題,實(shí)質(zhì)是模糊變換問題,其原理可用下述模式表示:

(5)

式(6)實(shí)際是計(jì)算污染物的分指數(shù),具有“權(quán)重”的含義。因0≤ai≤1,故采用式(7)更為合適:

(7)

(8)

其中:i=1,2,…,n;j=1,2,…,m。

2.3評價(jià)結(jié)果

3結(jié)論與分析

a. 悲觀狀況下,51眼水質(zhì)監(jiān)測井中,Ⅴ類水23眼,占總數(shù)的45.10%,Ⅳ類水5眼,占總數(shù)的9.80%,Ⅲ類水20眼,占總數(shù)的39.22%,Ⅱ類水3眼,占總數(shù)的5.88%,由此可見,所取監(jiān)測井淺層地下水Ⅳ類及Ⅴ類水共占54.90%,超過50%(圖2),即水質(zhì)適用于各種用途的Ⅰ類、Ⅱ類監(jiān)測井占評價(jià)監(jiān)測井總數(shù)的5.88%,適合集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水的Ⅲ類監(jiān)測井占39.22%,適合除飲用外其他用途的Ⅳ～Ⅴ類監(jiān)測井占54.9%;樂觀狀況下,51眼水質(zhì)監(jiān)測井中,Ⅴ類水8眼,占總數(shù)的15.69%,Ⅳ類水12眼,占總數(shù)的23.53%,Ⅲ類水3眼,占總數(shù)的5.88%,Ⅱ類水6眼,占總數(shù)的11.76%,Ⅰ類水22眼,占總數(shù)的43.14%。由此可見,所取監(jiān)測井淺層地下水Ⅳ類及Ⅴ類水共占39.22%(圖3),即水質(zhì)適用于各種用途的Ⅰ類、Ⅱ類監(jiān)測井占評價(jià)監(jiān)測井總數(shù)的54.9%,適合集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水的Ⅲ類監(jiān)測井占5.88%,適合除飲用外其他用途的Ⅳ～Ⅴ類監(jiān)測井占39.22%。兩種情境下各水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)評價(jià)結(jié)果分布分別見圖4、圖5。

圖2　悲觀狀況下淺層地下水水質(zhì)類別比例

表1　鎮(zhèn)江市淺層地下水水質(zhì)評價(jià)結(jié)果

圖3　樂觀狀況下淺層地下水水質(zhì)類別比例

圖4　悲觀狀況下水質(zhì)評價(jià)結(jié)果

圖5　樂觀狀況下水質(zhì)評價(jià)結(jié)果

b. 不同評價(jià)方法的評價(jià)結(jié)果相差較大,由表1可知,3種評價(jià)方法評價(jià)結(jié)果完全一致的水樣僅有7份,占總數(shù)的13.7%;而評價(jià)結(jié)果完全不同的水樣有17份,占總數(shù)的33.3%。由此可知,依賴單一評價(jià)模型的評價(jià)結(jié)果進(jìn)行決策是具有風(fēng)險(xiǎn)的。

d. 本研究選擇不同評價(jià)方法對研究區(qū)進(jìn)行評價(jià),并考慮悲觀狀況和樂觀狀況兩種情景,結(jié)果更具說服力。

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Study of reliability of groundwater quality evaluation results using a single model

LIU Liqing1, YUAN Naihua2, XIA Weiyun1

(1.JiangsuProvinceHydrologyandWaterResourcesInvestigationBureau,Zhenjiang212000,China;2.WaterSavingOfficeofZhenjiangCity,Zhenjiang212000,China)

Abstract：The water quality of shallow groundwater in Zhenjiang City was evaluated using the single factor evaluation method, the comprehensive index method, and the fuzzy comprehensive evaluation method. The evaluation results in regards to a pessimistic situation and an optimistic situation were obtained, and the results were compared with those obtained with the traditional single evaluation method. The study shows the following results: (1) In the pessimistic situation, the monitoring wells of the grade I and grade II levels accounted for 5.88% of the total monitoring wells evaluated, the monitoring wells of the grade III level accounted for 39.22%, and those of the grade IV and V levels accounted for 54.9%; in the optimistic situation, the monitoring wells of the grade I and grade II levels accounted for 54.9%, the monitoring wells of grade III accounted for 5.88%, and those of the grade IV and V levels accounted for 39.22%. (2) These evaluation methods generate remarkably different results, indicating that it is risky to make a decision based on a single evaluation method.

Key words：groundwater; water quality evaluation; single model; single component evaluation method; comprehensive index method; fuzzy comprehensive evaluation

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.03.002

作者簡介:劉禮慶(1969—),男,工程師,從事地下水監(jiān)測、規(guī)劃、管理工作。E-mail:llq84447132@163.com

中圖分類號：X824

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)03-0010-04

(收稿日期：2015-05-20編輯：徐娟)