陳和軍

(新疆地礦局第二水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆昌吉831100)

多年以來(lái)，在評(píng)價(jià)某一區(qū)域的地下水質(zhì)量時(shí)，選用的方法因評(píng)價(jià)者個(gè)人的喜好和實(shí)際資料條件的限制而有所不同，至于何種評(píng)價(jià)方法具有較高的準(zhǔn)確性，更能貼近實(shí)際情況，目前尚無(wú)明確的定論。而且，除地下水質(zhì)量和生活飲用水質(zhì)量國(guó)家頒布標(biāo)準(zhǔn)外，對(duì)評(píng)價(jià)方法無(wú)具體規(guī)定。本文以奎屯河流域平原區(qū)為例，運(yùn)用多種方法對(duì)該地區(qū)地下水質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，以比較各種方法的優(yōu)點(diǎn)和不足。

1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

各種評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)有一個(gè)統(tǒng)一的尺度，以便于各種評(píng)價(jià)方法結(jié)果的分析對(duì)比，判斷不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性。本文采用《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-93）中的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為各種方法的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。見(jiàn)表1。

表1 地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)表（單位：mg/L）

2 評(píng)價(jià)因子的選擇

地下水水化學(xué)成分不僅與原生的地質(zhì)環(huán)境有關(guān)，亦與外部影響因素（如人類(lèi)活動(dòng)）有關(guān)，在充分考慮反映本地區(qū)地下水類(lèi)型和性質(zhì)的常規(guī)化學(xué)組分外，又兼顧區(qū)域地質(zhì)環(huán)境中所特有的對(duì)人體健康有重要影響的組分及人類(lèi)活動(dòng)可能造成的某些污染組分，確定總硬度、礦化度、SO42-、Cl-、NO3--N、NH+4-N、F-、CN-、C6H5OH、As、Mn、Cr6+、Hg、Pb等14項(xiàng)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子參與地下水質(zhì)量的評(píng)價(jià)。

3 評(píng)價(jià)方法

3.1 濃度法

此種方法是根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分析結(jié)果，用參與評(píng)價(jià)因子的檢出率和超標(biāo)率來(lái)對(duì)評(píng)價(jià)地區(qū)的地下水做出評(píng)價(jià)。

檢出率＝(檢出的某種因子的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量／某種因子的監(jiān)測(cè)點(diǎn)總數(shù))×100%

超標(biāo)率＝(超標(biāo)的某種因子的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量／某種因子的監(jiān)測(cè)點(diǎn)總數(shù))×100%

3.2 綜合指數(shù)法

3.2.1 各單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)

首先進(jìn)行各單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)，根據(jù)單項(xiàng)組分實(shí)際檢測(cè)值，對(duì)照表1劃分組分所屬質(zhì)量類(lèi)別，不同類(lèi)別標(biāo)準(zhǔn)值相同時(shí)，從優(yōu)不從劣。按表2分別確定單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)的評(píng)分值Fi。

表2 地下水水質(zhì)類(lèi)別單項(xiàng)組分分值表

3.2.2 綜合評(píng)價(jià)

計(jì)算綜合評(píng)價(jià)分值F，按表3劃分地下水質(zhì)量級(jí)別。

表3 地下水質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)分級(jí)表

Fmax——各單項(xiàng)組分評(píng)分值Fi的最大值；

n——參與評(píng)價(jià)單項(xiàng)組分?jǐn)?shù)。

3.3 灰色聚類(lèi)法

3.3.1 確定灰類(lèi)白化函數(shù)

灰類(lèi)白化函數(shù)（fj）是表征聚類(lèi)指標(biāo)（評(píng)價(jià)因子j）對(duì)聚類(lèi)灰數(shù)（灰類(lèi)k，k=Ⅰ,Ⅱ,…，Ⅴ）歸屬度的函數(shù)，一般用線性灰類(lèi)白化函數(shù)（見(jiàn)圖1），灰類(lèi)白化函數(shù)一般用圖解法和線性關(guān)系確定，本文采用以下關(guān)系式確定：

圖1 線性灰類(lèi)白化函數(shù)

式中：fj1、fj2、…、fj5——聚類(lèi)灰數(shù)（灰類(lèi)）k對(duì)第j個(gè)聚類(lèi)指標(biāo)（評(píng)價(jià)因子）x值的白化函數(shù)；

λj1、λj2、…、λj5——第j個(gè)聚類(lèi)指標(biāo)（評(píng)價(jià)因子）的地下水灰類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；

xj——第j個(gè)評(píng)價(jià)因子的實(shí)測(cè)含量。

3.3.2 求灰色聚類(lèi)權(quán)

灰色聚類(lèi)權(quán)，是以分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)求算的某評(píng)價(jià)因子對(duì)某級(jí)水的權(quán)重。評(píng)價(jià)因子(聚類(lèi)指標(biāo))j對(duì)于灰類(lèi)k的灰色聚類(lèi)權(quán)ηjk按下式計(jì)算：

式中:λ′jk——第j個(gè)評(píng)價(jià)因子對(duì)于灰類(lèi)k的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的均勻化無(wú)量綱處理，λ′jk=λjk/λjb；

λjb——第j個(gè)評(píng)價(jià)因子的飲用水標(biāo)準(zhǔn)；

λjk——第j個(gè)評(píng)價(jià)因子對(duì)于聚類(lèi)灰數(shù)（灰類(lèi)）k的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；

m——評(píng)價(jià)因子(聚類(lèi)指標(biāo))個(gè)數(shù)。

3.3.3 求聚類(lèi)系數(shù)及聚類(lèi)

聚類(lèi)系數(shù)是標(biāo)定聚類(lèi)對(duì)象（監(jiān)測(cè)點(diǎn)，i=1，2，3,…,n）屬于某灰類(lèi)程度的系數(shù)。

根據(jù)上式計(jì)算結(jié)果，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)即形成一個(gè)以聚類(lèi)系數(shù)表示的聚類(lèi)行向量：σi＝（σi1，σi2，…，σik），按擇大原則即可確定監(jiān)測(cè)井的地下水質(zhì)量級(jí)別。

3.4 模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法

3.4.1 數(shù)學(xué)模型

B=A·R

式中：B——由隸屬度表示的水質(zhì)級(jí)別模糊評(píng)價(jià)向量；

A——參加評(píng)價(jià)因子經(jīng)歸一化后的權(quán)重組成的行距陣；

R——各單因子評(píng)價(jià)行距陣組成的模糊關(guān)系矩陣。

3.4.2 權(quán)重行矩陣A的確定

式中：Wi——i指標(biāo)的權(quán)系數(shù)；

Ci——i指標(biāo)實(shí)測(cè)濃度，i=1,2，…，n；

n——指標(biāo)個(gè)數(shù)；

m——水質(zhì)分級(jí)級(jí)數(shù)；

C0ˉij——水質(zhì)為j級(jí)i指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)濃度。

由上述指標(biāo)組成一個(gè)權(quán)重行矩陣A：

3.4.3 計(jì)算隸屬度，建立模糊關(guān)系矩陣

各項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度計(jì)算同（1）～（5）公式，可得到n項(xiàng)指標(biāo)的單因素模糊矩陣R。

3.4.4 模糊綜合評(píng)價(jià)

模糊綜合評(píng)價(jià)合成運(yùn)算中的算子較多，本文采用〈·—max〉法進(jìn)行合成運(yùn)算，即以行矩陣A的元素與模糊矩陣R的各列中對(duì)應(yīng)元素相乘后取最大值作為各水質(zhì)級(jí)別的隸屬度，據(jù)最大隸屬度原則評(píng)判出水體的水質(zhì)級(jí)別。

4 評(píng)價(jià)結(jié)果及簡(jiǎn)析

按以上評(píng)價(jià)步驟，選取流域內(nèi)有代表性的18組地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，對(duì)流域內(nèi)地下水質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。

濃度法僅能夠?qū)δ骋坏貐^(qū)的地下水質(zhì)量進(jìn)行粗略評(píng)價(jià)，表明評(píng)價(jià)地區(qū)地下水中的超標(biāo)因子的數(shù)量及超標(biāo)率，不能對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)總體的地下水質(zhì)量得出清晰的輪廓；其優(yōu)點(diǎn)是較為直觀明了，一般多用于環(huán)境水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，超標(biāo)因子單一的地區(qū)，或者是在地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)的初期使用。

綜合指數(shù)法、灰色聚類(lèi)法和模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法3種方法的共同之處是都可以使用相同的地下水質(zhì)量級(jí)別劃分標(biāo)準(zhǔn)，3種評(píng)價(jià)方法亦表現(xiàn)出不同的優(yōu)缺點(diǎn)。

綜合指數(shù)法全面考慮了所有評(píng)價(jià)因子的質(zhì)量級(jí)別，突出單個(gè)因子的質(zhì)量對(duì)整個(gè)地下水質(zhì)量的影響，計(jì)算方法簡(jiǎn)單易行，評(píng)價(jià)結(jié)果直觀，精確度高，信息利用率較高，缺點(diǎn)是地下水水質(zhì)類(lèi)別單項(xiàng)組分分值和地下水質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)分級(jí)人為性較大。

灰色聚類(lèi)法突出強(qiáng)調(diào)了地下水質(zhì)“中間過(guò)渡”的灰色性，具有分辨力較強(qiáng)、靈敏度較高等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是雖然全面考慮了所有評(píng)價(jià)因子的質(zhì)量級(jí)別，但評(píng)價(jià)因子所屬質(zhì)量級(jí)別的多寡對(duì)最終地下水質(zhì)量有一定的影響，有對(duì)單個(gè)評(píng)價(jià)因子質(zhì)量級(jí)別綜合平均的傾向，沒(méi)有突出單個(gè)超標(biāo)因子對(duì)整個(gè)地下水質(zhì)量的制約作用。

模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法具有很強(qiáng)的分辨力和靈敏度，能真實(shí)地反映地下水客觀實(shí)際，以多個(gè)指標(biāo)的隸屬函數(shù)（隸屬度）刻劃地下水質(zhì)量，既突出了單個(gè)因子的質(zhì)量級(jí)別，又綜合考慮了評(píng)價(jià)因子整體的質(zhì)量級(jí)別。缺點(diǎn)是分析計(jì)算工作量較大。

表4 流域地下水質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表

5 結(jié)論

奎屯河流域平原區(qū)主要開(kāi)采含水層地下水質(zhì)量較好，地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果多為Ⅰ-Ⅲ級(jí)，為完全適宜飲用的地下水。

流域內(nèi)個(gè)別地段地下水已受到污染，地下水質(zhì)量屬Ⅳ-Ⅴ級(jí)，地下水中超標(biāo)組分為礦化度、總硬度、SO42-，局部地段為NO3--N、F-、AS，流域下游125團(tuán)—126團(tuán)沿線地下水中F-離子含量普遍較高，部分地段地下水質(zhì)量屬Ⅳ-Ⅴ級(jí)。

通過(guò)使用濃度法、綜合指數(shù)法、灰色聚類(lèi)法和模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法等方法對(duì)流域平原區(qū)地下水質(zhì)量的評(píng)價(jià)及結(jié)果分析，可以看出，綜合指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果更符合實(shí)際。

[1]蔣輝.環(huán)境水文地質(zhì)學(xué)[M].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,1993.

[2]張俊福.應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,1988.

[3]潘乃禮.地下水水質(zhì)現(xiàn)狀和預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)的理論與方法[M].北京:原子能出版社,1995.