王莉元 譚曉慧 高愛麗 劉志強

(1.青島理工大學環(huán)境與市政工程學院，山東 青島 266033； 2.四川國環(huán)環(huán)境工程咨詢有限公司青島分公司，山東 青島 266061； 3.青島華益環(huán)保科技有限公司，山東 青島 266000)

1 概述

地下水水質(zhì)評價主要是根據(jù)地下水的化學成分、物理性質(zhì)、生物學特性及其用途，通過采用合理的評價方法，對照相應的地下水質(zhì)量標準，將真實的地下水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為水質(zhì)狀況信息或水質(zhì)等級。在監(jiān)測數(shù)據(jù)真實可靠的前提下，地下水水質(zhì)評價結(jié)果客觀與否的關(guān)鍵是評價方法的選取。常用的評價方法有：單因子評價法[1]、綜合指數(shù)評價法[2,3]、模糊綜合評價法[4,5]、灰色綜合評價法[6]及人工神經(jīng)網(wǎng)絡評價法[7,8]等。由于地下水水質(zhì)受到區(qū)域水文地質(zhì)條件、氣候條件及人類活動等諸多復雜因素的綜合影響，在不同時段具有“空間差異性”“隨機不確定性”“模糊不確定性”等特性。因此，基于地下水的復雜性，國內(nèi)外學者采用綜合指數(shù)評價法和模糊綜合評價法對地下水質(zhì)量的評價應用較多。本文以臨沂經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)的地下水水質(zhì)狀況為研究對象，對綜合指數(shù)評價法中應用較為廣泛的加附注評分法和模糊綜合評價法進行比較分析，優(yōu)選出適用性更強、結(jié)果更為客觀的評價方法。

2 材料與方法

2.1 評價方法

2.1.1加附注評分法

加附注評分法是我國《地下水質(zhì)量標準》中優(yōu)先推薦使用的地下水水質(zhì)綜合評價方法。該方法評價的具體步驟如下：

1)做參評指標的單項組分評價。對比參評指標實測值和標準限值，依據(jù)《地下水質(zhì)量標準》劃分的5類指標，確定參評指標所屬質(zhì)量類別。

2)確定參評指標評價分值Fi。參評指標質(zhì)量類別按照表1的規(guī)定確定值Fi。

表1 單項組分評價分值表

3)計算綜合評價分值Fi。計算公式如下：

(1)

(2)

4)確定地下水質(zhì)量級別。將F值按表2的規(guī)定確定地下水質(zhì)量級別。

表2 地下水質(zhì)量綜合評價分級表

2.1.2模糊綜合評價法

模糊綜合評價法是在模糊理論的基礎(chǔ)上將邊界模糊不清、不易定量化的因素定量化后進行綜合評價。具體評價步驟如下：

1)計算隸屬度矩陣R。

對Ⅰ級水的隸屬函數(shù)：即j=1時：

(3)

對j級至m-1級水的隸屬函數(shù)：即j=2，3，…，m-1時：

(4)

對m級水的隸屬函數(shù)：即j=m時：

(5)

通過利用以上隸屬函數(shù)確定一個i×j階的隸屬度矩陣R：

2)確定權(quán)重矩陣A。

(6)

對Wki作歸一化處理：

(7)

其中，Wki為權(quán)重因子；Xki為k水樣污染指標i的實測值；Si為污染指標i的各級水質(zhì)標準值的平均值；Cij為污染指標i的各級水質(zhì)標準值；aki為k水樣污染指標的權(quán)重值。

通過上式計算求得各指標的權(quán)重值，由其構(gòu)成權(quán)重矩陣A：

A=(ak1,ak2,…,akn)。

3)模糊矩陣的復合運算。

確定了隸屬度矩陣R和權(quán)重矩陣A后，通過進行復合運算來確定水體的綜合隸屬度。研究采用“加權(quán)平均型”得到模糊子集B(B=AR)。

4)確定水質(zhì)級別。

水質(zhì)級別的確定依據(jù)是最大隸屬度原則，即隸屬度最大值所在的級別為該水樣點位最終的水質(zhì)類別。

5)確定研究區(qū)模糊綜合評價法的數(shù)學模型。

根據(jù)篩選出的選評價指標及相應的評價標準，確定水質(zhì)綜合評價因子集K、評價標準集J和因子權(quán)重集A。

2.2 研究區(qū)概況

本文以臨沂經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)為研究區(qū)，位于臨沂市東南部，規(guī)劃控制面積223 km2，地理坐標為東經(jīng)118°23′～118°32′、北緯34°53′～35°02′。由于研究區(qū)大部分區(qū)域地下水富水性較差，不具備形成大、中型水源地的水文地質(zhì)條件，僅有臨近沂河和沭河一帶的區(qū)域為集中富水區(qū)。根據(jù)開發(fā)區(qū)水利局有關(guān)資料，近年來開發(fā)區(qū)地下水嚴重匱乏，且污染日趨加重。

研究采用的水樣采樣點共計18個，采樣時間為2017年11月，各采樣點的分布如圖1所示。通過對水質(zhì)數(shù)據(jù)進行采樣分析，篩選出該研究區(qū)主要污染物亞硝酸鹽、陰離子表面活性劑、氨氮、氟化物、鈉、硝酸鹽、高錳酸鹽指數(shù)、硫酸鹽、氯化物、總硬度、溶解性總固體共11項指標作為地下水水質(zhì)評價指標。并依照GB/T 14848—2017地下水質(zhì)量標準中的相關(guān)要求作為評價標準。

3 結(jié)果與分析

表3為采用加附注評分法得到研究區(qū)2017年11月的18個淺層地下水監(jiān)測井位的水質(zhì)評價結(jié)果。結(jié)果表明，研究區(qū)2017年11月淺層地下水水質(zhì)評價級別為較差和極差的井位分布較為平均并且占比為最大，地下水質(zhì)量總體不太理想。根據(jù)式(1),式(2)計算可知，研究區(qū)多為硝酸鹽和總硬度的普遍嚴重超標以及氟化物的個別超標導致了整體水質(zhì)評價級別偏差。

表4為采用模糊綜合評價法得到研究區(qū)2017年11月的18個淺層地下水監(jiān)測井位的水質(zhì)評價結(jié)果。評價結(jié)果表明，Ⅴ類級別水在研究區(qū)2017年11月淺層地下水中均有分布，監(jiān)測井位中屬于Ⅴ類水的分布偏多，地下水質(zhì)量總體不太理想?？偟膩砜?，研究區(qū)地下水水質(zhì)除部分區(qū)域較差之外，其他水質(zhì)較好，屬于可接受水平。

表3 研究區(qū)加附注評分法評價結(jié)果

表4 研究區(qū)模糊綜合評價法評價結(jié)果

通過表3和表4對比分析可以看出，4號、8號、10號、12號和17號共5個監(jiān)測點位的水質(zhì)評價結(jié)果分別由加附注評分法的Ⅳ類變?yōu)槟：C合評價法的Ⅲ類、Ⅲ類、Ⅲ類、Ⅰ類、Ⅱ類，模糊綜合評價法評價水質(zhì)的結(jié)果偏優(yōu)；13號和15號點位的水質(zhì)評價結(jié)果分別由加附注評分法的Ⅴ類變?yōu)槟：C合評價法的Ⅱ類和Ⅳ類，模糊綜合評價法評價水質(zhì)的結(jié)果偏優(yōu)；1號、5號和16號點位的水質(zhì)評價結(jié)果分別由加附注評分法的Ⅱ類、Ⅳ類、Ⅳ類變?yōu)槟：C合評價法的Ⅲ類、Ⅴ類、Ⅴ類，模糊綜合評價法評價水質(zhì)的結(jié)果偏差；其他點位的水質(zhì)在加附注評分法和模糊綜合評價法的評價中評價結(jié)果相同，沒有變化。

4 結(jié)語

通過實例分析可以看出，在水樣分值包含了相似的水質(zhì)信息并且在分值相差極小的情況下，采用加附注評分法進行評價容易出現(xiàn)“一刀切”現(xiàn)象，將同一個水質(zhì)級別劃分為兩個水質(zhì)級別，造成不合理的評價結(jié)果。以研究區(qū)2017年5號和9號的地下水水質(zhì)綜合評價結(jié)果為例，兩個水樣均是硝酸鹽指標嚴重超標。采用加附注評分法得到5號的綜合評價分值F為7.187，9號的綜合評價分值F為7.211。根據(jù)表3綜合評價分級表規(guī)定的Ⅳ類和Ⅴ類水的分界線數(shù)值7.20，5號的水質(zhì)應劃分為Ⅳ類，而9號應劃分為Ⅴ類，兩個點位綜合評價分值數(shù)值僅相差小數(shù)位，水質(zhì)等級卻差了一個級別，很明顯，加附注評分法的劃分是不合理的。模糊綜合評價法通過確定隸屬關(guān)系的方法劃分水質(zhì)級別，能夠精細地反映出指標實際濃度對水質(zhì)分級界限的接近程度，克服了加附注評分法在此方面的不足。而在模糊綜合評價結(jié)果中，5號和9號兩個點位水質(zhì)均屬于Ⅴ類。上述分析表明，針對地下水質(zhì)量綜合評價，模糊綜合評價法評價結(jié)果更為客觀、合理。