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        模糊綜合評判法在府谷西王寨井田地下水水質(zhì)評價中的應(yīng)用

        2022-10-18 13:46:06李家棟
        地下水 2022年5期
        關(guān)鍵詞:水質(zhì)評價

        李家棟

        (咸陽市勘察測繪院,陜西 咸陽 712000)

        0 引言

        西王寨井田位于陜西省榆林市府谷礦區(qū)中部,距府谷縣城北北東方向直距約20 km處,行政區(qū)劃隸屬府谷縣黃甫鎮(zhèn)管轄。地理位置為北緯39°11′00″~39°16′00″,東經(jīng)111°06′00″~111°11′45″,井田東界為黃河,西至墻頭—高石崖?lián)像迬?,南以清水川北斷裂為界,北與堯峁、段寨井田相接。井田北西-南東向長約10.4 km,北東-南西向?qū)捈s2.2~5.8 km,井田面積約41.6 km2。

        井田煤炭資源的大規(guī)模開發(fā)引發(fā)了區(qū)域地下水位下降及地下水徑流、排泄條件的較大改變和泉水漏失、地表水與地下水污染等一系列水環(huán)境水文地質(zhì)問題,不僅造成井田水資源供需矛盾進一步加劇,也使得井田地下水環(huán)境受到較大的影響。所以,西王寨井田的地下水水質(zhì)評價對區(qū)內(nèi)地下水資源的保護與可持續(xù)開發(fā)具有非常重要的意義。

        模糊綜合評判法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評判方法[1-5]。它克服了單因子指數(shù)評價法僅僅利用水質(zhì)評價中最差的測試指標(biāo)決定水質(zhì)級別的片面性,能客觀、合理的反映地下水監(jiān)測點的質(zhì)量狀況[6-8]。因此,本文采用模糊綜合評判法對西王寨井田地下水水質(zhì)進行評價。

        1 數(shù)據(jù)來源與方法

        1.1 數(shù)據(jù)來源

        根據(jù)西王寨井田地下水水源井分布情況,以及取樣點盡可能分布全區(qū)的原則,2014年6月在井田區(qū)選擇16個水源井進行地下水水樣的采集。地下水水樣的采集、保存及送檢依據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)部編制的《地下水污染調(diào)查評價規(guī)范》(DD2008-01)進行。選擇Na+、Mg2+、Ca2+、NH4+、Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-、NO2-、F-、TH、TDS作為模糊綜合評判法的評價指標(biāo),以《地下水質(zhì)量標(biāo)準》(GB/T14848-93)為水質(zhì)分級原則,進行地下水水質(zhì)評價。水質(zhì)檢測結(jié)果見表1,地下水質(zhì)量標(biāo)準見表2。

        1.2 模糊綜合評判法

        模糊綜合評判法是根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論對地下水水質(zhì)進行定量評價。根據(jù)各評價指標(biāo)的檢測數(shù)據(jù),首先計算各評價指標(biāo)相對I~Ⅴ級水質(zhì)的隸屬度和權(quán)重,建立評價指標(biāo)的隸屬度集和權(quán)重集,然后通過計算得到所有監(jiān)測點對I~Ⅴ級水質(zhì)級別的隸屬度,最后選擇隸屬度中最大值對應(yīng)的水質(zhì)級別即為監(jiān)測點的地下水水質(zhì)級別。計算過程如下:

        表1 西王寨井田水質(zhì)檢測結(jié)果

        表2 地下水質(zhì)量標(biāo)準

        1.2.1 隸屬度的確定

        根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準》(GB/T14848-93)中將地下水質(zhì)量等級分為m=5個(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類),那么對應(yīng)的評價等級集合為V={v1,v2,…,v5},本次地下水水質(zhì)評價指標(biāo)n=12項(Na+、Mg2+、Ca2+、NH4+、Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-、NO2-、F-、TH、TDS),可構(gòu)成評價指標(biāo)因子集合為U={u1,u2,…,u12}。設(shè)x為所取地下水樣品各評價指標(biāo)的實測值,則x對于V的隸屬關(guān)系:

        第Ⅰ類水(j=1),隸屬度函數(shù)為:

        第Ⅱ至Ⅳ類水(j=2,3,4),隸屬度函數(shù)為:

        第Ⅴ類水(j=5),隸屬度函數(shù)為:

        通過計算便可以得到地下水監(jiān)測點所有評價指標(biāo)的隸屬度矩陣:

        即,

        式中:xi為評價指標(biāo)的實測值;cij為各評價指標(biāo)對應(yīng)的第j類地下水水質(zhì)標(biāo)準;rij為評價指標(biāo)對第j類地下水的隸屬度。

        1.2.2 權(quán)重的確定

        權(quán)重的計算公式為:

        (1)

        式中:xi為第i項評價指標(biāo)的實測值; cij為第i項評價指標(biāo)的第j類地下水的標(biāo)準值;m為地下水質(zhì)量等級,m=5。這樣就得到權(quán)重系數(shù)矩陣:A=(a1,a2,a3,K,an),即A=(a1,a2,a3,K,a12)。

        1.2.3 模糊矩陣復(fù)合運算

        經(jīng)權(quán)重集A和模糊評級矩陣R的復(fù)合運算,最終的綜合評判結(jié)果:

        圖1 piper三線圖

        表3 西王寨井田地下水水質(zhì)評價指標(biāo)統(tǒng)計表

        1.2.4 模糊綜合評判

        水質(zhì)級別的判別可將B中的最大值所對應(yīng)的水質(zhì)等級作為某一監(jiān)測點的最終水質(zhì)級別:

        δi=maxB

        (2)

        式中:δi為監(jiān)測點i最終的水質(zhì)級別。

        2 結(jié)果與分析

        利用AquaChem3.7軟件對西王寨井田地下水水質(zhì)資料進行分析繪制成Piper三線圖(圖1),通過三線圖圖解上可以看出西王寨井田地下水水化學(xué)類型以HCO3-Mg型、HCO3-Ca·Mg型為主,堿土金屬離子含量超過堿金屬離子含量,弱酸根超過強酸根,碳酸鹽硬度大于50%。

        對16組水樣的Na+、Mg2+、Ca2+、NH4+、Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-、NO2-、F-、TH、TDS 12項測試指標(biāo)進行統(tǒng)計分析,見表3。從表3可以看出,陽離子中,Na+含量在11.1 mg/L(水樣DX06)~299.7mg/L(水樣DX08),平均值為101.38 mg/L,Mg2+含量在11.78 mg/L(水樣DX12)~186.8 mg/L(水樣DX15),平均值為76.38 mg/L,Ca2+含量在19.65 mg/L(水樣DX11)~100.8 mg/L(水樣DX15),平均值為48.55 mg/L,NH4+含量在0.03 mg/L(水樣DX03、DX08、DX10、DX11、DX12、DX13、DX14、DX15、DX16)~0.08mg/L(水樣DX06),平均值為0.04 mg/L;陰離子中,Cl-含量從24.8 mg/L(水樣DX10)到744.5 mg/L(水樣DX07),平均值為123.29 mg/L,SO42-含量從74.4 mg/L(水樣DX10)到468.3 mg/L(水樣DX07),平均值為179.66 mg/L,HCO3-含量從80.41 mg/L(水樣DX06)到1 037.61 mg/L(水樣DX07),平均值為450.87 mg/L,NO3-含量從2.5 mg/L(水樣DX09)到271.19 mg/L(水樣DX06),平均值為57.15 mg/L,NO2-含量從0.003 mg/L(水樣DX09、DX11、DX13、DX16)到2.02 mg/L(水樣DX06),平均值為0.25 mg/L,F(xiàn)-含量從0.35 mg/L(水樣DX07)到4.36 mg/L(水樣DX05),平均值為1.17 mg/L。從各組分質(zhì)量濃度的變異系數(shù)看,陽離子中Na+變異系數(shù)最大(88.69%) ,說明其含量分布差異較大,是隨環(huán)境因素而變化的敏感因子,其次為Mg2+(82.85%) ,而Ca2+的變異系數(shù)最小(43.25%),說明其含量相對穩(wěn)定,人類活動影響程度最小;陰離子中NO2-變異系數(shù)最大(204.00%) ,說明其含量分布差異較大,HCO3-的變異系數(shù)最小(53.20%),說明其含量相對穩(wěn)定。從標(biāo)準偏差看,總體上陰離子的變化程度大于陽離子的,說明陰離子質(zhì)量濃度偏離其算術(shù)平均值大而陽離子的較小。

        利用模糊綜合評判法對西王寨井田采集的16組地下水水樣進行水質(zhì)分析。根據(jù)1.2.1-1.2.2中公式計算DX01等16個水質(zhì)監(jiān)測點的Na+、Mg2+、Ca2+、NH4+、Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-、NO2-、F-、TH、TDS 對I~Ⅴ級水質(zhì)的隸屬度和權(quán)重,建立評價指標(biāo)的隸屬度集和權(quán)重集(表4),然后利用1.2.3-1.2.4中公式確定16個水質(zhì)監(jiān)測點的最終水質(zhì)級別δi(表5)。

        通過表5可以看出,西王寨井田地下水的綜合環(huán)境質(zhì)量中等偏下,大部分地區(qū)水質(zhì)已出現(xiàn)較為嚴重的問題??傮w來看,井田區(qū)無Ⅰ、Ⅳ類水,Ⅱ類水(樣品DX16)1個,占總監(jiān)測點的6.25%,Ⅲ類水(樣品DJ01、DJ03、DJ13)3個,占總監(jiān)測點的18.75%,Ⅴ類水(樣品DJ02、DJ04、DJ05、DJ06、DJ07、DJ08、DJ09、DJ10、DJ11、DJ12、DJ14、DJ15)12個,占總監(jiān)測點的75%。

        適宜直接飲用的Ⅱ、Ⅲ類水分布在西王寨井田中部的黃土梁崗區(qū),不適宜飲用的Ⅴ類水分布在井田北部的黃土斜坡區(qū)、黃甫川河谷區(qū)以及井田南部的黃土斜坡區(qū)。

        表4 各評價指標(biāo)歸一化后權(quán)重值

        表5 西王寨井田地下水水質(zhì)模糊綜合評判結(jié)果

        3 結(jié)語

        (1)西王寨井田地下水水化學(xué)類型以HCO3-Mg型、HCO3-Ca·Mg型為主,堿土金屬離子含量超過堿金屬離子含量,弱酸根超過強酸根,碳酸鹽硬度大于50%

        (2)西王寨井田采集的16組地下水水樣的12項測試指標(biāo)中8項(Na+、Mg2+、SO42-、NO3-、NO2-、F-、TH、TDS)有超標(biāo)現(xiàn)象,其中Na+超標(biāo)數(shù)2個(DX08、DX15),超標(biāo)率為12.5%,Mg2+超標(biāo)數(shù)7個(DX01、DX04、DX06、DX13、DX14、DX15、DX16),超標(biāo)率為43.75%,SO42-超標(biāo)數(shù)2個(DX06、DX09),超標(biāo)率為12.5%,NO3-超標(biāo)數(shù)7個(DX01、DX04、DX06、DX07、DX12、DX14、DX17),超標(biāo)率為43.75%,NO2-超標(biāo)數(shù)11個(DX01、DX02、DX04、DX05、DX06、DX07、DX08、DX10、DX12、DX14、DX15),超標(biāo)率為68.75%,F(xiàn)-超標(biāo)數(shù)7個(DX02、DX03、DX05、DX08、DX09、DX10、DX11),超標(biāo)率為43.75%,TH超標(biāo)數(shù)2個(DX07、DX15),超標(biāo)率為12.5%,TDS超標(biāo)數(shù)2個(DX07、DX09),超標(biāo)率為12.5%。從變異系數(shù)看,陽離子中Na+、陰離子中NO2-含量分布差異較大,是隨環(huán)境因素而變化的敏感因子。

        (3)運用模糊綜合評判法對西王寨井田采集的16組地下水水樣的12項測試指標(biāo)進行評價。評價結(jié)果表明,西王寨井田地下水的綜合環(huán)境質(zhì)量中等偏下,大部分地下水水質(zhì)已經(jīng)出現(xiàn)較為嚴重的問題,井田內(nèi)無Ⅰ、Ⅳ類水,適宜直接飲用的Ⅱ、Ⅲ類水分布在井田中部的黃土梁崗區(qū),不適宜飲用的Ⅴ類水分布在井田北部的黃土斜坡區(qū)、黃甫川河谷區(qū)以及井田南部的黃土斜坡區(qū)。

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