劉 莎

(陜西省地下水保護與監(jiān)測中心，陜西 西安 710003)

水是生命的源泉，工業(yè)的血液，農(nóng)業(yè)的命脈，是人類不可缺少的寶貴自然資源[1]。近年來，隨著國民經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展、城市化進程的加快和人民生活水平的不斷提高，水資源短缺、水體質(zhì)量惡化等問題日趨嚴重，逐步成為我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素。隨著水利建設(shè)的發(fā)展，水利與環(huán)境的關(guān)系日益密切，水環(huán)境已成為賴以生存的重要場所，也是受人類干擾和破壞最嚴重的領(lǐng)域，可直接或間接影響人類生活與發(fā)展[2]。

圖1 榆林風沙灘區(qū)監(jiān)測站點分布圖

水質(zhì)評價作為水資源保護、水污染防治和水質(zhì)管理的重要依據(jù)，能夠準確反映水質(zhì)污染狀況，體現(xiàn)主要污染物的影響，是水體治理因地制宜的前提，也是水質(zhì)監(jiān)測機制的重要保障[3]。本文采用單指標綜合評價法、多因子評價指數(shù)法和模糊評價法，對榆林風沙灘區(qū)7處地下水監(jiān)測站點水樣中的總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、氟化物和三氯甲烷等6項指標進行分級評價，旨在分析該區(qū)域地下水水質(zhì)優(yōu)良程度及三種評價方法的適用性，為該地區(qū)地下水資源合理開發(fā)與利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

榆林風沙灘位于毛烏素沙漠的東南緣，東至窟野河，西靠寧夏，北接內(nèi)蒙，南界大致與古長城走向一致，東西長約300 km，南北寬約20～100 km，面積12 905 km2，海拔1 200～1 400 m，以風積波狀固定、半固定沙區(qū)地貌為主，湖泊、灘地、梁崗分布其間。該區(qū)域包含定邊縣、靖邊縣、橫山縣、榆陽區(qū)、神木縣等5個行政區(qū)，區(qū)域內(nèi)的淺層地下水主要是風積沖湖積層孔隙潛水和河谷沖積孔隙潛水。

地下水類型主要有第四系風積沙孔隙潛水、黃土裂隙孔隙潛水和白堊系洛河組砂巖裂隙孔隙潛水。北部毛烏素沙漠地帶，易于接受降水入滲補給，亦為低礦化的重碳酸鹽型水。在定邊～吳旗及延川以北大理河中段、無定河一帶，地下水化學(xué)類型復(fù)雜，礦化度一般為1～3 g/L。本文選取7處2020年國家地下水監(jiān)測站水質(zhì)采樣點，對指標中的總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、氟化物和三氯甲烷等6項進行分析研究，水樣檢測結(jié)果見表1。

表1 水樣檢測結(jié)果

2 水質(zhì)評價

目前，針對水質(zhì)評價主要采用的方法有單因子評價法[4-6]、主成分分析法[7]、模糊綜合評價法[8-9]、概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[10]等，不同方法的應(yīng)用為水質(zhì)類別的判定和分析奠定了基礎(chǔ)。本文以《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848-2017)[11]為依據(jù)，分別采用單指標綜合評價法、多因子評價指數(shù)法和模糊評價法對榆林風沙灘區(qū)水質(zhì)進行評價分析，綜合得到相應(yīng)的地下水水質(zhì)等級。

2.1 單指標綜合評價法

單指標綜合評價是依據(jù)《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848-2017)指標分類規(guī)定，判斷指標值所在的限值范圍確定地下水質(zhì)量類別，指標限值相同時，從優(yōu)不從劣，然后按單指標評價結(jié)果最差的類別確定綜合評價等級，并指出最差類別的指標。判斷結(jié)果見表2。

表2 水質(zhì)評價類別

2.2 多因子評價指數(shù)法

多因子評價指數(shù)法是指能綜合反映水質(zhì)特征的多種指標的組合，常采用對某水質(zhì)指標的實測值與評價標準進行比較，確定單指標的評價指數(shù)，然后進行加權(quán)疊加，得到該水樣的綜合評價指數(shù)。評價標準采用《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848-2017)Ⅲ類水質(zhì)標準的上限值。

2.2.1 確定單項指標評價指數(shù)

其公式為

Pij=Cij/Sj

(1)

式中：i=1,2,…,n，j=1,2,…,m，Pij是第i處監(jiān)測站點水樣的第j項指標的評價指數(shù)，Cij是第i處監(jiān)測站點水樣的第j項指標的實測值，Sj是第j項指標Ⅲ類水質(zhì)標準的上限值，若Cij≥Sj，規(guī)定Pij=1。

將各監(jiān)測站點水質(zhì)檢測實測數(shù)據(jù)代入(1)式計算得各項指標的評價指數(shù)，見表3。

表3 監(jiān)測站點單項指標評價指數(shù)

2.2.2 確定水樣綜合評價指數(shù)

其公式為

(2)

式中：Ii是第i處監(jiān)測站點水樣的綜合評價指數(shù)，Wij是第i處監(jiān)測站點水樣的第j項指標的權(quán)重值?？紤]到地下水質(zhì)量標準中對各檢測指標的要求都很重要，因此，本計算采用等權(quán)重的方法進行加權(quán)疊加。

將表3的計算結(jié)果代入公式(2)，并參照《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848-2017)，得到該方法下的水質(zhì)綜合類別，見表4。

表4 水質(zhì)評價類別

2.3 模糊評價法

水質(zhì)級別界限具有一定的模糊性，僅以一個確定性的指標來評價水質(zhì)，往往不能反映真實情況，模糊評價法就是應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論進行水質(zhì)評價。計算步驟如下：

2.3.1 建立因子集和評價集

因子集為參與此次評價的各監(jiān)測站點各項水質(zhì)指標實測數(shù)據(jù)組成的集合，即C=〔總硬度，解性總固體，硫酸鹽，氯化物，氟化物，三氯甲烷〕；評價集是各評價指標相應(yīng)的質(zhì)量標準等級的集合，即X=〔Ⅰ類，Ⅱ類，Ⅲ類，Ⅳ類，Ⅴ類〕，此次計算采用《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848-2017)中各指標類別上下限值的中值作為評價標準集。以氯化物為例，其指標評價標準集合為X氯化物=(25,100,200,300,350)。

2.3.2 隸屬度函數(shù)和模糊矩陣

用隸屬度劃分水質(zhì)分級界限，另y為隸屬度，表示隸屬于某種標準值的百分數(shù)，可用下列隸屬度函數(shù)來表示：

某監(jiān)測站點水樣的第i項指標實測值ci隸屬于Ⅰ類水的隸屬度函數(shù)，j=1：

(3)

某監(jiān)測站點水樣的第i項指標實測值ci隸屬于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類水的隸屬度函數(shù)，j=2,3,4：

(4)

某監(jiān)測站點水樣的第i項指標實測值ci隸屬于Ⅴ類水的隸屬度函數(shù)，j=5：

(5)

式中：y為對應(yīng)于實測值ci相鄰兩級水的隸屬度，xi1,xi2,…xij…xi5為Ⅰ類、Ⅱ類…j類…Ⅴ類水的水質(zhì)標準值。

以1#監(jiān)測站點的水質(zhì)檢測實測數(shù)據(jù)為例，依據(jù)(3)～(5)式，計算隸屬函數(shù)，求出6個單項指標對5級水的隸屬程度，得出6×5模糊矩陣R1：

2.3.3 確定權(quán)重向量

對各評價指標給予權(quán)重，有多種方法可以選擇，總體上分為客觀賦權(quán)法和主觀賦權(quán)法[12]兩種，其中客觀賦權(quán)法主要采用公式計算，可采用各項指標的超標情況進行加權(quán)，超標越多，權(quán)重值越大。

其公式為

(6)

為進行模糊計算，將各項指標權(quán)重進行歸一化，即

(7)

式中：Zij是第i處監(jiān)測站點水樣的第j項指標歸一化后的權(quán)重值，m為評價指標個數(shù)。

根據(jù)式(6)、(7)得到1#監(jiān)測站點各項指標的權(quán)重矩陣B1，即

B1=(0.289 3 0.122 6 0.138 7 0.071 0 0.378 3 0)

2.3.4 模糊綜合評價矩陣

將上述的權(quán)重矩陣B和模糊矩陣R進行復(fù)合運算，確定水體的綜合評價矩陣，即

S=B×R=(si)

(8)

通過式(8)的計算，得到1#監(jiān)測站點的模糊綜合評價矩陣S1，即

S1=(0.377 3 0.472 3 0.150 4 0 0)

2.3.5 確定水質(zhì)類別

按照以上的計算方法，同理可得到其他監(jiān)測站點的模糊綜合評價矩陣：

S2=(0.077 3 0.270 8 0.205 8 0.288 2 0157 9)，

S3=(0.387 9 0.612 1 0 0 0)，

S4=(0 0 0.003 1 0.041 9 0.955 1)，

S5=(0 0 0.011 8 0.084 8 0.903 3)，

S6=(0 0.021 1 0.029 2 0.065 2 0.884 6)，

S7=(0 0.235 1 0.270 3 0.274 4 0.220 2)。

根據(jù)模糊綜合評價矩陣S，分別采用最大隸屬度和級別特征值兩種評價原則，并進行綜合判斷，得最終評判結(jié)果。最大隸屬度原則是取S中的最大隸屬度，該隸屬度對應(yīng)級別為評價結(jié)果；級別特征值原則是計算S中各隸屬度的加權(quán)數(shù)和，進行取整運算后的對應(yīng)級別即為評價結(jié)果。該方法下的水質(zhì)綜合類別見表5。

表5 水質(zhì)評價類別

3 評價結(jié)果對比與分析

3.1 水質(zhì)類別分級

通過三種方法的計算，1#、2#、3#監(jiān)測站點水質(zhì)類別屬于Ⅱ—Ⅲ類水，4#、5#、6#、7#監(jiān)測站點水質(zhì)類別屬于Ⅳ—Ⅴ類水。水質(zhì)類別較差的監(jiān)測站點主要分部在榆林風沙灘區(qū)的西部，特別是定邊縣境域，水質(zhì)相對較好的監(jiān)測站點分布在風沙灘區(qū)的中東部，這與實際情況是相符合的。西部地區(qū)屬于湖盆灘地，地形低洼，湖泊眾多，地下水形成匯集，但蒸發(fā)作用強烈，形成地下水富集和濃縮；同時定邊縣地下水處于干旱封閉內(nèi)陸盆地的獨特儲存環(huán)境和徑流條件，長期灌溉和地下水開采，水環(huán)境氧化作用強，致使水體中Ca2+、Mg2+含量高，總硬度大，水質(zhì)較差；中東部地區(qū)河流水系相對發(fā)達，地下水補給條件好，水循環(huán)周期短，水質(zhì)稍好。

3.2 評價方法對比

單指標綜合評價法計算簡單，可以直接判斷水質(zhì)類別及主要污染超標項，但是采用一票否決制，過于嚴苛，結(jié)果常常比較悲觀，不能全面綜合反映區(qū)域的水質(zhì)狀況；多因子評價指數(shù)法能反映實際水質(zhì)狀況，是對單指標方法的改進；模糊評價法具有結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強的特點，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合非確定性問題的解決。從表6可以看出，單指標綜合評價法相對嚴格，評價結(jié)果較另外兩種更差，多因子評價指數(shù)法和模糊評價法的結(jié)果相對一致，與實際情況更切合。

表6 不同水質(zhì)評價方法對比

4 結(jié)語

(1)本文通過對榆林風沙灘區(qū)7處監(jiān)測站點地下水水質(zhì)進行抽樣檢測，并應(yīng)用單指標綜合評價法、多因子評價指數(shù)法、模糊評價法等三種方法對選取的6項檢測指標進行分析評價，綜合得到該區(qū)域的水質(zhì)分析結(jié)果。經(jīng)分析，采用多因子評價指數(shù)法和模糊評價法能夠全面反應(yīng)該區(qū)域地下水水質(zhì)的實際情況，量化的圈定水質(zhì)級別范圍。

(2)評價結(jié)果表明，研究區(qū)水質(zhì)類別較差的監(jiān)測站點主要分部在榆林風沙灘區(qū)的西部，特別是定邊縣境域，水質(zhì)相對較好的監(jiān)測站點分布在風沙灘區(qū)的中東部，符合客觀實際。為切實有效保護地下水資源，防止水體質(zhì)量進一步惡化，有必要統(tǒng)籌規(guī)劃、因地制宜，采取合理有效的地下水污染防治措施，推動實現(xiàn)水資源合理開發(fā)和可持續(xù)利用，保障區(qū)域生態(tài)安全。