安達(dá)，姜永海，楊昱，馬志飛，張進(jìn)保

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012 2.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100875

海明距離模糊法在垃圾填埋場(chǎng)地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

安達(dá)1,2，姜永海1*，楊昱1，馬志飛1，張進(jìn)保1

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012 2.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100875

模糊評(píng)價(jià)法可將水質(zhì)評(píng)價(jià)過(guò)程中的模糊問(wèn)題定量化，從而更準(zhǔn)確、更科學(xué)地評(píng)價(jià)水體污染程度。基于現(xiàn)有模糊數(shù)學(xué)法在水環(huán)境評(píng)價(jià)中的研究成果，選取簡(jiǎn)潔且可操作性強(qiáng)的海明距離模糊評(píng)價(jià)法應(yīng)用于垃圾填埋場(chǎng)地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)中，以北京市三座垃圾填埋場(chǎng)的地下水為評(píng)價(jià)對(duì)象開(kāi)展研究，并與常規(guī)模糊綜合評(píng)價(jià)法等四種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。應(yīng)用海明距離模糊評(píng)價(jià)法得出，三座垃圾填埋場(chǎng)地下水質(zhì)量分別為Ⅳ級(jí)、Ⅳ級(jí)和Ⅲ級(jí)，該結(jié)論與模糊綜合評(píng)價(jià)等四種方法得到的評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。結(jié)果表明，海明距離模糊評(píng)價(jià)方法應(yīng)用在垃圾填埋場(chǎng)地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)中是可行的，結(jié)論是可靠的。進(jìn)一步通過(guò)對(duì)處于同一水質(zhì)級(jí)別的海明距離大小的對(duì)比，可表征地下水污染程度，說(shuō)明海明距離模糊評(píng)價(jià)法具有較好的分辨率。

地下水；垃圾填埋場(chǎng)；模糊評(píng)價(jià)；水質(zhì)評(píng)價(jià)；海明距離

垃圾衛(wèi)生填埋因其構(gòu)筑簡(jiǎn)單，建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較低，成為國(guó)內(nèi)外城市生活垃圾處理的主要方式[1-2]。衛(wèi)生填埋過(guò)程中產(chǎn)生大量的滲濾液，滲濾液為污染性極強(qiáng)的高濃度有機(jī)廢水，如果處理不當(dāng)，將會(huì)對(duì)地下水造成嚴(yán)重污染[3-5]。因此，正確評(píng)價(jià)垃圾填埋場(chǎng)地下水質(zhì)量是對(duì)垃圾填埋場(chǎng)地下水污染進(jìn)行有效控制與科學(xué)管理的重要依據(jù)。目前，對(duì)地下水質(zhì)量的評(píng)價(jià)通常是按照污染物的單項(xiàng)污染值及綜合污染值來(lái)判定污染程度屬于哪一級(jí)別[6]。然而，地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)中“污染程度”本身是一個(gè)模糊的概念，且污染級(jí)別間的轉(zhuǎn)變是一個(gè)連續(xù)的漸變過(guò)程，用污染指數(shù)值來(lái)判定污染程度，并不能客觀地反映出污染狀況。模糊綜合評(píng)價(jià)模型作為一種重要的評(píng)價(jià)方法，是在評(píng)價(jià)過(guò)程中引入模糊性概念，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)方法來(lái)處理水質(zhì)分級(jí)界限和等級(jí)概念的模糊性與不確定性問(wèn)題，該方法近年來(lái)廣泛應(yīng)用于水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中，并在實(shí)踐中進(jìn)行了必要改進(jìn)[7]。

陳守煜等[8]在可變模糊集理論基礎(chǔ)上，結(jié)合二元比較確定指標(biāo)權(quán)重方法，提出地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)可變模糊評(píng)價(jià)方法，對(duì)常規(guī)模糊評(píng)價(jià)進(jìn)行改進(jìn)，增強(qiáng)了評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性；彭兆亮等[9]將熵權(quán)理論與多目標(biāo)模糊決策理論結(jié)合，建立基于熵權(quán)重的多目標(biāo)模糊評(píng)價(jià)模型，增強(qiáng)指標(biāo)權(quán)重的客觀性；席北斗等[10-11]在物元分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合模糊權(quán)重理論、層次分析方法或熵權(quán)法，構(gòu)建了用于評(píng)價(jià)地下水質(zhì)量的模糊物元分析模型，解決了權(quán)重不確定性的問(wèn)題；斯藹等[12]利用均方差賦權(quán)法對(duì)模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行改進(jìn)，建立了基于均方差-模糊綜合評(píng)判復(fù)合模型；馬玉杰等[13]在評(píng)價(jià)因子選擇、權(quán)重確定、算子選擇和綜合評(píng)判結(jié)果向量分析等環(huán)節(jié)采用了累積頻率法、修正的聚類(lèi)權(quán)法、加權(quán)平均型算子和級(jí)別特征值法對(duì)傳統(tǒng)模糊綜合評(píng)判模型進(jìn)行了改進(jìn)。上述對(duì)于常規(guī)模糊綜合評(píng)價(jià)法的改進(jìn)，主要集中在通過(guò)改進(jìn)權(quán)重確定方法來(lái)增強(qiáng)評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性，但仍未完全克服評(píng)價(jià)方法公式較為繁瑣、計(jì)算過(guò)程復(fù)雜的問(wèn)題。

筆者選取了較為簡(jiǎn)潔的海明距離模糊評(píng)價(jià)法，應(yīng)用于北京市三座垃圾填埋場(chǎng)地下水質(zhì)量的評(píng)價(jià)，并將其結(jié)果與常規(guī)模糊綜合評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，擬說(shuō)明海明距離模糊評(píng)價(jià)法在垃圾填埋場(chǎng)地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)中的適用性和可靠性，及海明矩陣模糊評(píng)價(jià)法的優(yōu)勢(shì)所在。

1 海明距離模糊評(píng)價(jià)法

1.1 確定評(píng)價(jià)因子和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)有n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象(垃圾填埋場(chǎng))，每個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的地下水環(huán)境質(zhì)量有m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，則有n×m階的實(shí)測(cè)指標(biāo)值矩陣(Cn×m)：

(1)

若評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有t個(gè)級(jí)別，則有t×m階評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)矩陣(St×m)：

(2)

如設(shè)S1i、Shi和Sti分別為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的1、h和t級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，則利用線性內(nèi)插公式(3)將式(1)轉(zhuǎn)化為式(4)：

(3)

(4)

式中，fji為實(shí)測(cè)指標(biāo)值對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)值的線性內(nèi)插函數(shù)，F(xiàn)n×m為由n×m個(gè)fji構(gòu)成的矩陣。若規(guī)定1級(jí)和t級(jí)地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)濃度的隸屬度分別為0和1，則：

(5)

利用式(5)將式(2)轉(zhuǎn)化為：

(6)

式中，ehi為Shi的隸屬度，Et×m為由ehi構(gòu)成的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)隸屬度矩陣。

1.2 評(píng)價(jià)原則與方法

為簡(jiǎn)化計(jì)算步驟，提高評(píng)價(jià)結(jié)果的分辨率，在求評(píng)價(jià)對(duì)象與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象的相似程度時(shí)，采用海明距離法[14]。設(shè)評(píng)價(jià)對(duì)象A與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象B均包括m個(gè)評(píng)價(jià)項(xiàng)目(x1,x2,…,xm)；A對(duì)xi的隸屬度為μA(xi)，B對(duì)xi的隸屬度為μB(xi)，A與B之間的海明距離〔D(A,B)〕[15]為：

(7)

μA(xi)可由式(3)計(jì)算得到；μB(xi)可由式(5)計(jì)算得到。

若各評(píng)價(jià)項(xiàng)目的權(quán)重分別為ω1，ω2，…，ωm，則定義加權(quán)海明距離〔Dω(A,B)〕為：

(8)

實(shí)測(cè)值隸屬度〔式(4)〕與標(biāo)準(zhǔn)值隸屬度〔式(6)〕之間的加權(quán)海明矩陣為：

(9)

所求出的t個(gè)海明矩陣中，其中最小的二者之間最相似。

對(duì)于ωi評(píng)價(jià)權(quán)重集的確定，采用比重法進(jìn)行計(jì)算，公式為：

(10)

式中，Ci為第i種評(píng)價(jià)因子的濃度實(shí)測(cè)值；Csi表示第i種評(píng)價(jià)因子的各級(jí)濃度標(biāo)準(zhǔn)值的算術(shù)平均值；Sji為

第i種評(píng)價(jià)因子第j級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)值；t為所分級(jí)數(shù)。

2 方法應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

以北京市三座生活垃圾填埋場(chǎng)的地下水為研究對(duì)象，三座垃圾填埋場(chǎng)的基本概況如表1所示。三座垃圾填埋場(chǎng)所處區(qū)域的地下水埋藏類(lèi)型以第四系空隙潛水為主，地下水埋深18～22 m，地下水補(bǔ)給來(lái)源為上游徑流及大氣降水，排泄方式主要為人工開(kāi)采及下游徑流，其水文地質(zhì)條件如表2所示。因垃圾填埋場(chǎng)防滲措施的缺陷，以及衛(wèi)生填埋過(guò)程中襯墊層破損致使垃圾滲瀝液泄漏等原因[16]，使得填埋過(guò)程中產(chǎn)生的垃圾滲濾液可能對(duì)其周邊地下水造成污染風(fēng)險(xiǎn)。因此，有必要對(duì)垃圾填埋場(chǎng)周邊的地下水質(zhì)量做出客觀、可靠的綜合評(píng)判。

表1 三座垃圾填埋場(chǎng)基本概況

表2 三座垃圾填埋場(chǎng)水文地質(zhì)條件

以2010年三座垃圾填埋場(chǎng)多點(diǎn)位地下水質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)年均值為基礎(chǔ)，應(yīng)用海明距離模糊評(píng)價(jià)法，對(duì)三座垃圾填埋場(chǎng)地下水質(zhì)量情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 三座垃圾填埋場(chǎng)地2010年下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

Table 3 Monitoring data of three landfills’ groundwater quality of 2010 mgL

表3 三座垃圾填埋場(chǎng)地2010年下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

監(jiān)測(cè)對(duì)象高錳酸鹽指數(shù)總硬度氨氮濃度氯化物濃度氟化物濃度揮發(fā)性酚濃度總大腸菌群1)砷濃度六價(jià)鉻濃度填埋場(chǎng)11 13213 980 2418 190 820 001373 340 0090 006填埋場(chǎng)21 51163 450 2630 460 790 0020113 790 0240 028填埋場(chǎng)30 523100 2211 050 200 00233 660 0070 006

1)總大腸菌群?jiǎn)挝粸閭€(gè)L。

2.2 評(píng)價(jià)因子與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

由于影響地下水質(zhì)量的因子較多，評(píng)價(jià)因子的選取直接影響到綜合評(píng)價(jià)的效果，在綜合考慮地下水背景值以及填埋物滲濾液中各種污染組分濃度的情況下，從監(jiān)測(cè)指標(biāo)中，選取了對(duì)垃圾填埋場(chǎng)地下水質(zhì)量貢獻(xiàn)率較大的九項(xiàng)地下水指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子，包括高錳酸鹽指數(shù)、總硬度、氨氮濃度、氯化物濃度、氟化物濃度、揮發(fā)性酚濃度、總大腸菌群、砷濃度、六價(jià)鉻濃度。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用GBT 14848—93《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，其評(píng)價(jià)等級(jí)及標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

Table 4 Quality standard for groundwater mgL

表4 地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

評(píng)價(jià)等級(jí)1)高錳酸鹽指數(shù)總硬度氨氮濃度氯化物濃度氟化物濃度揮發(fā)性酚濃度總大腸菌群2)砷濃度六價(jià)鉻濃度Ⅰ級(jí)11500 02501 00 0013 00 0050 005Ⅱ級(jí)23000 021501 00 0013 00 010 01Ⅲ級(jí)34500 22501 00 0023 00 050 05Ⅳ級(jí)105500 53502 00 011000 050 1Ⅴ級(jí)3016501 5105060 033000 150 3

1)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為GBT 14848—93《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》；2)總大腸菌群?jiǎn)挝粸閭€(gè)L。

2.3 結(jié)果與討論

2.3.1 評(píng)價(jià)結(jié)果

由式(1)可知，三座垃圾填埋場(chǎng)地下水中九項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)成的矩陣為：

C3×9=

(11)

由式(3)將矩陣C3×9轉(zhuǎn)換為：

F3×9=

(12)

由式(2)可知，三座垃圾填埋場(chǎng)地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)成的矩陣為：

(13)

由式(5)將矩陣S5×9轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)矩陣：

E5×9=

(14)

再由式(10)得到九個(gè)指標(biāo)的權(quán)重矩陣：

W3×9=

(15)

權(quán)重矩陣經(jīng)歸一化轉(zhuǎn)化后矩陣為：

(16)

由式(9)計(jì)算出的海明距離結(jié)果如表5所示。

表5 北京市三座垃圾填埋場(chǎng)地下水質(zhì)量情況與各評(píng)價(jià)等級(jí)的海明距離

從表5可以看出，三座垃圾填埋場(chǎng)地下水質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)值之間的最小海明距離分別為0.116、0.154和0.054。因此，三座垃圾填埋場(chǎng)地下水質(zhì)量分別為Ⅳ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅲ級(jí)。由此可知，填埋場(chǎng)1和填埋場(chǎng)2的地下水已受到一定污染，不適合飲用。從指標(biāo)超標(biāo)情況來(lái)看，主要污染物為總硬度和總大腸菌群。

2.3.2 對(duì)比分析與討論

表6為模糊綜合評(píng)判(綜合評(píng)判法、屬性識(shí)別法、可變模糊評(píng)價(jià)和改進(jìn)TOPSIS)四種評(píng)價(jià)方法計(jì)算的評(píng)價(jià)結(jié)果與海明距離模糊評(píng)價(jià)法(筆者方法)結(jié)果的比對(duì)。

表6 評(píng)價(jià)結(jié)果的比對(duì)

從表6可知，五種評(píng)價(jià)方法的結(jié)果基本一致，即填埋場(chǎng)1、填埋場(chǎng)2和填埋場(chǎng)3的地下水質(zhì)量分別處于Ⅳ級(jí)、Ⅳ級(jí)和Ⅲ級(jí)，說(shuō)明海明距離模糊評(píng)價(jià)法的結(jié)果是可靠的。

此外，運(yùn)用海明距離模糊評(píng)價(jià)法，還可得知填埋場(chǎng)1和填埋場(chǎng)2地下水質(zhì)量處于同一級(jí)別時(shí)，二者之間的地下水質(zhì)量為填埋場(chǎng)1(D=0.116)劣于填埋場(chǎng)2(D=0.154)。說(shuō)明定量化的D值有利于確切掌握地下水污染的具體情況，以量化概念表征模糊事物進(jìn)展程度，可更加直觀表征地下水污染動(dòng)態(tài)。

3 結(jié)論

(1)將海明距離模糊評(píng)價(jià)法應(yīng)用于北京市三座垃圾填埋場(chǎng)地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)中，得到的評(píng)價(jià)結(jié)果為填埋場(chǎng)1、填埋場(chǎng)2和填埋場(chǎng)3的地下水質(zhì)量分別處于Ⅳ級(jí)、Ⅳ級(jí)和Ⅲ級(jí)，填埋場(chǎng)1和填埋場(chǎng)2的地下水已經(jīng)受到污染。且從計(jì)算過(guò)程可知，填埋場(chǎng)1和填埋場(chǎng)2主要污染物分別為總硬度和總大腸菌群。

(2)將海明距離模糊評(píng)價(jià)法的結(jié)論與其他評(píng)價(jià)方法得到的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，得出結(jié)果基本一致。說(shuō)明海明距離模糊評(píng)價(jià)法應(yīng)用在垃圾填埋場(chǎng)地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)中是可行的，結(jié)論是可靠的。

(3)當(dāng)被評(píng)價(jià)的幾個(gè)垃圾填埋場(chǎng)的地下水質(zhì)量處于同一級(jí)別時(shí)，運(yùn)用海明距離模糊評(píng)價(jià)法，可以判斷評(píng)價(jià)對(duì)象間的優(yōu)先次序。因此，海明距離模糊評(píng)價(jià)法能夠區(qū)分同一水質(zhì)級(jí)別、不同評(píng)價(jià)對(duì)象間污染程度的差異，具有比其他評(píng)價(jià)方法更好的分辨率。

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[19]張先起,梁川,劉慧卿.基于熵權(quán)的改進(jìn)TOPSIS法在水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,39(10):1670-1672. ○

ApplicationofHammingDistanceFuzzyMathematicsMethodinGroundwaterQualityAssessmentofMunicipalSolidWasteLandfills

AN Da1,2, JIANG Yong-hai1, YANG Yu1, MA Zhi-fei1, ZHANG Jin-bao1

1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China2.School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China

Fuzzy evaluation method can quantify fuzzy issues in water quality evaluation, and can thus evaluate water pollution levels more accurately and scientifically. On the basis of existing researches in water quality evaluation, Hamming Distance Fuzzy Assessment Method, a kind of brief and feasible method, was selected for groundwater quality assessment of three municipal solid waste (MSW) landfills in Beijing. The assessment results were compared with those by other methods such as conventional fuzzy comprehensive evaluation method. The results of Hamming Distance Fuzzy Assessment Method showed that the groundwater quality levels of three MSW landfills were Ⅳ, Ⅳ and Ⅲ, respectively, which was almost consistent with the conclusions by other four methods including conventional fuzzy comprehensive evaluation method. The results showed that Hamming Distance Fuzzy Assessment Method was feasible for groundwater quality assessment of MSW landfills and the assessment results were reliable. The groundwater pollution degree could be characterized by further contrasting the values of Hamming distance under the same groundwater quality level, which demonstrated that the method had a high resolution.

groundwater; municipal solid waste landfill; fuzzy assessment; groundwater quality assessment; Hamming distance

1674991X(2013)02-0119-05

2012-05-24

國(guó)家環(huán)境保護(hù)公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201009009-04)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2012AA062603)

安達(dá)(1979—)，女，助理研究員，博士研究生，主要從事地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與控制，anda7977@163.com

*責(zé)任作者:姜永海(1975—)，男，副研究員，博士，主要從事地下水污染控制研究，jyhai@126.com

X523

A

10.3969j.issn.1674-991X.2013.02.020