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        對建水縣集中式地下水飲用水水源地不同評價(jià)方法驗(yàn)證研究

        2022-02-23 04:47:06聶晶晶梅洪波
        環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊 2022年1期
        關(guān)鍵詞:水質(zhì)評價(jià)

        聶晶晶 ,梅洪波 ,黃 成

        (1.云南省生態(tài)環(huán)境應(yīng)急調(diào)查投訴中心,云南 昆明 650034;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢),湖北 武漢 430000;3.云南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,云南 昆明 650000)

        0 引言

        地下水作為重要的城鄉(xiāng)供水水源,在維護(hù)經(jīng)濟(jì)社會健康發(fā)展等方面發(fā)揮著不可替代的作用[1]。地下水資源占全國總供水量的近20%,是支撐經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源。據(jù)統(tǒng)計(jì),全國60%的人口以地下水作為飲用水水源。隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,地下水環(huán)境壓力逐漸增大,地下水污染問題日益凸現(xiàn),局部地區(qū)地下水污染問題十分突出。我國目前地下水環(huán)境管理基礎(chǔ)相當(dāng)薄弱,地下水基礎(chǔ)環(huán)境狀況不清,法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)滯后,地下水環(huán)境監(jiān)管體系不完善,對我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、飲水安全保障產(chǎn)生嚴(yán)重影響,成為我國經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的制約。

        為貫徹落實(shí)《全國地下水污染防治規(guī)劃(2011—2020年)》,全面摸清我國地下水基礎(chǔ)環(huán)境狀況,環(huán)境保護(hù)部、國土資源部、水利部和財(cái)政部從2011年開始啟動了“全國地下水基礎(chǔ)環(huán)境狀況調(diào)查評估”工作。對地下水水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)是調(diào)查任務(wù)中很重要的內(nèi)容。本項(xiàng)目采用三種不同的水質(zhì)評價(jià)方法,對同一地下水飲用水源地進(jìn)行評價(jià),相互驗(yàn)證結(jié)果,為地下水水質(zhì)評價(jià)提供不同的評價(jià)方法。

        1 調(diào)查區(qū)域概況

        1.1 地理位置

        建水縣位于云南省南部,紅河哈尼族彝族自治州西北部,紅河中游北岸,滇東高原南緣。地跨東經(jīng)102°33′~103°11′、北緯23°12′~24°10′。東鄰彌勒縣、開遠(yuǎn)市和個(gè)舊市,南隔紅河與元陽縣相望,西接石屏縣,北連通??h和華寧縣。東西橫距58km,南北縱距107km,總面積3759km2,其中壩區(qū)面積占總面積的8%。縣城臨安鎮(zhèn)位于區(qū)域中部偏西,海拔1324m,距昆明220km,距蒙自縣76km。

        1.2 監(jiān)測點(diǎn)位

        監(jiān)測點(diǎn)位信息表如表1所示。

        1.3 監(jiān)測結(jié)果(表2)1.4 地下水質(zhì)量評價(jià)

        根據(jù)收集的資料和調(diào)查的結(jié)果,對地下水質(zhì)量進(jìn)行分層評價(jià),但以目前在飲用的淺層地下水為主,評價(jià)方法采用《GB/T 14848-93地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的單項(xiàng)組分評價(jià)方法和綜合評價(jià)。

        對于《GB/T 14848-93地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》之外的指標(biāo),采用《GB5749-2006生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行評價(jià),指明超標(biāo)因子與超標(biāo)倍數(shù)。

        對于未列入《GB/T 14848-93地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和《GB 5749-2006生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的指標(biāo),指明檢出組分名稱和檢出值。

        1.4.1 單項(xiàng)指數(shù)法

        采用單項(xiàng)指數(shù)法進(jìn)行環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評價(jià),計(jì)算模式為:

        式中:I—第i項(xiàng)評價(jià)因子的水質(zhì)指數(shù);C—第i項(xiàng)評價(jià)因子的實(shí)測濃度;C0—第i項(xiàng)評價(jià)因子的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

        表1 監(jiān)測點(diǎn)位信息表

        表2 集中式地下水飲用水源區(qū)地下水監(jiān)測結(jié)果

        pH計(jì)算公式為:

        VpH>7.0

        VpH≤7.0

        式中:IpH—pH值的水質(zhì)指數(shù);VpH—地下水pH值實(shí)測值;Vd—pH值標(biāo)準(zhǔn)的下限值;Vu—pH值標(biāo)準(zhǔn)的上限值。

        1.4.2 多項(xiàng)指標(biāo)的綜合水質(zhì)指數(shù)

        計(jì)算公式為:

        根據(jù)計(jì)算結(jié)果,按F值進(jìn)行地下水質(zhì)量分級(優(yōu)良、良好、較好、較差、極差)。

        1.4.3 模糊綜合評價(jià)法

        模糊綜合評價(jià)方法以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ),應(yīng)用模糊關(guān)系合成的理論,將一些邊界不清晰,不易定量化的因素定量化后進(jìn)行綜合評價(jià),是解決多指標(biāo)綜合問題的一種有效方法。由于地下水水質(zhì)污染程度、水質(zhì)好壞的劃分都是一些客觀存在的模糊概念和模糊現(xiàn)象,因此,模糊集理論更適合于水質(zhì)污染級別劃分的模糊性。使評價(jià)的理論和方法建立在比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上,通過模糊級別判斷及綜合評價(jià)值的計(jì)算,可以直觀地判斷水質(zhì)的優(yōu)劣,并從總體上對地下水所屬質(zhì)量類別做出判斷,得到的模糊評價(jià)結(jié)果可以更加客觀地反映地下水水質(zhì)的實(shí)際狀況,可信度更高。

        表3 地下水質(zhì)量級別分類表

        本次對建水縣集中式水源地研究區(qū)采樣點(diǎn)水樣采取模糊綜合評價(jià)法對區(qū)內(nèi)飲用水水質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步評價(jià)。其原理是通過選用合適的隸屬函數(shù)求出各評價(jià)指標(biāo)的模糊關(guān)系矩陣,采用合理的賦權(quán)方法確定各指標(biāo)的權(quán)重模糊矩陣,最后根據(jù)模糊算子對模糊關(guān)系矩陣和權(quán)重模糊矩陣進(jìn)行模糊變換求得最終的綜合評價(jià)結(jié)果。其評價(jià)的原理可以表示為:

        B=A×R

        式中:A—由各評價(jià)因子的權(quán)重分配構(gòu)成的向量,即指標(biāo)權(quán)重模糊矩陣;R—各評價(jià)因子對評價(jià)等級的隸屬度,即模糊關(guān)系矩陣;B—評價(jià)結(jié)果向量,即表示評價(jià)點(diǎn)對評價(jià)等級的隸屬度。

        為消除各指標(biāo)在地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)分級上存在的數(shù)量級差異,針對各指標(biāo)進(jìn)行歸一化權(quán)重計(jì)算,公式為:

        式中:xki—k水樣第i個(gè)因子的實(shí)測濃度值(mg/L);si—第i個(gè)因子各級水標(biāo)準(zhǔn)值平均值(mg/L);aki—k水樣中第i個(gè)因子的權(quán)重值。

        將各單因子的實(shí)測值和選定的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分別代入上式,可求得各單因子的權(quán)重值,并由其組成模糊矩陣A,即因子權(quán)重集:

        A={ak1,ak2,…,akn}

        模糊關(guān)系矩陣R建立在各指標(biāo)在不同標(biāo)準(zhǔn)上的隸屬度值基礎(chǔ)上,隸屬度采用降半梯形法計(jì)算,具體計(jì)算公式見表5。

        表4 地下水質(zhì)量分類指標(biāo)(部分)

        表5 隸屬度計(jì)算表

        由此可建立各采樣點(diǎn)評價(jià)指標(biāo)的模糊關(guān)系矩陣R:

        式中:yij—隸屬度;i—評價(jià)因子數(shù);j—水質(zhì)級別數(shù)。

        對模糊關(guān)系矩陣R與權(quán)重模糊矩陣A進(jìn)行矩陣運(yùn)算,得到模糊評價(jià)矩陣B,該結(jié)果表示某水樣相對于各個(gè)質(zhì)量類別的綜合評判隸屬度。通常用的做法是用最大隸屬度原則來識別水質(zhì)的類別,然而在某些情況下最大隸屬度原則會造成許多信息的損失,從而影響評價(jià)結(jié)果的客觀性和有效性。為充分表達(dá)模糊評價(jià)矩陣B中的隸屬度信息量,用加權(quán)平均等級的方法。加權(quán)平均原則是將等級看成一系列連續(xù)變化的值,對各個(gè)質(zhì)量類別賦予一定的分值:

        質(zhì)量類別={Ⅰ類,Ⅱ類,Ⅲ類,Ⅳ類,Ⅴ類}={20,40,60,80,100}

        最終,第k個(gè)水樣的綜合評價(jià)值由下式給出:

        Bk=b1·20+b2·40+b3·60+b4·80+b5·100

        2 質(zhì)量評價(jià)結(jié)果

        2.1 單項(xiàng)指數(shù)法評價(jià)結(jié)果

        從監(jiān)測結(jié)果的指標(biāo)中選取除現(xiàn)場指標(biāo)(不除去pH)、鉀、鎂、鈣外的指標(biāo)作為評價(jià)因子。

        選取《GB/T 14848-93地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅲ類地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值作為地下水質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),其它選取《GB 5749-2006生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中的生活飲用水水質(zhì)參考指標(biāo)及限值作為地下水質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

        單項(xiàng)指數(shù)法評價(jià)結(jié)果見表6。

        根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知:

        ①在采集的水樣中,JCJ005、JCJ006以及JCJ004的監(jiān)測指標(biāo)pH都出現(xiàn)了不同程度的超標(biāo)情況,超標(biāo)倍數(shù)分別為3.440、3.600和1.660。同時(shí),JCJ005的錳也出現(xiàn)了超標(biāo)的情況,超標(biāo)倍數(shù)為1.620。JCJ006和JCJ001的硝酸鹽超標(biāo)倍數(shù)分別為1.547和4.080;

        ②JCJ006的錳雖不像JCJ005一樣超標(biāo)但有檢出;

        ③其它監(jiān)測指標(biāo)或低于檢出限,或滿足地下水Ⅲ類水質(zhì)要求以及生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

        2.2 多項(xiàng)指數(shù)法評價(jià)結(jié)果

        根據(jù)多項(xiàng)指標(biāo)的綜合水質(zhì)指數(shù)評價(jià)法計(jì)算得出:建水縣1#監(jiān)測點(diǎn)位的地下水綜合水質(zhì)指數(shù)F為8.56,地下水水質(zhì)級別為極差;2#監(jiān)測點(diǎn)位的地下水綜合水質(zhì)指數(shù)F為0.61,地下水水質(zhì)級別為優(yōu)良;3#監(jiān)測點(diǎn)位的地下水綜合水質(zhì)指數(shù)F為0.348,地下水水質(zhì)級別為優(yōu)良;4#監(jiān)測點(diǎn)位的地下水綜合水質(zhì)指數(shù)F為1.18,地下水水質(zhì)級別為良好;5#監(jiān)測點(diǎn)位的地下水綜合水質(zhì)指數(shù)F為2.44,地下水水質(zhì)級別為良好;6#監(jiān)測點(diǎn)位的地下水綜合水質(zhì)指數(shù)F為2.62,地下水水質(zhì)級別為較好;7#監(jiān)測點(diǎn)位的地下水綜合水質(zhì)指數(shù)F為0.44,地下水水質(zhì)級別為優(yōu)良。建水縣此次調(diào)查的地下水綜合水質(zhì)指數(shù)評價(jià)結(jié)果見表7。

        2.3 模糊綜合評價(jià)法結(jié)果

        根據(jù)各采樣點(diǎn)指標(biāo)的實(shí)測濃度值,計(jì)算各評價(jià)指標(biāo)的歸一化權(quán)重值,得到矩陣A見表8。

        最終通過矩陣運(yùn)算得到模糊評價(jià)矩陣B見表9。

        從而進(jìn)一步計(jì)算得到各采樣點(diǎn)地下水水質(zhì)級別見表10。

        表8 地下水水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

        表9 模糊評價(jià)矩陣

        表10 水質(zhì)模糊綜合評價(jià)結(jié)果表

        從綜合評價(jià)表中可以看出,JCJ007與JCJ003水質(zhì)優(yōu)良,JCJ004與JCJ002水質(zhì)良好,JCJ005水質(zhì)較好,JCJ006水質(zhì)較差,JCJ001水質(zhì)極差。與原始數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn),JCJ001硝酸鹽含量嚴(yán)重超標(biāo),JCJ006硝酸鹽含量與pH均為較差水平,這些指標(biāo)的異??赡苁菍?dǎo)致JCJ001、JCJ006在評價(jià)結(jié)果中水質(zhì)極差或較差的原因;JCJ005 pH與錳含量處于較差水平,而其他指標(biāo)均良好或優(yōu)良,評價(jià)結(jié)果中綜合等級為較好水平;JCJ004、JCJ002各項(xiàng)指標(biāo)均處于良好或較好水平,JCJ007與JCJ003各項(xiàng)指標(biāo)均在良好或優(yōu)良水平。

        3 評價(jià)結(jié)果對比

        針對建水縣集中式水源地分別采用了以上三種方法對區(qū)內(nèi)采樣點(diǎn)水樣水質(zhì)進(jìn)行了評價(jià),其中單項(xiàng)指標(biāo)法是將監(jiān)測結(jié)果與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對照,直觀地檢出某些超標(biāo)過大的指標(biāo),評價(jià)出發(fā)點(diǎn)是為體現(xiàn)單因子否決權(quán)。而往往某處地下水質(zhì)等級的確定是由各項(xiàng)指標(biāo)所共同決定的,因此考慮多項(xiàng)指標(biāo)對水質(zhì)進(jìn)行綜合評價(jià)能客觀地反映多因子共同作用下的水質(zhì)狀況,結(jié)論更符合客觀實(shí)際。

        表11 水質(zhì)評價(jià)結(jié)果對比

        表11列出了采用多項(xiàng)指標(biāo)綜合評價(jià)以及模糊綜合評價(jià)法得出的7個(gè)采樣點(diǎn)水質(zhì)類別對比情況。

        從表中可以看出兩種評價(jià)方法最終得到的水質(zhì)級別對應(yīng)性較好,從側(cè)面反映出采樣點(diǎn)水質(zhì)評價(jià)結(jié)果的真實(shí)可靠性。

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