王春懿，梁　川，*，景　楠，趙　鵬

(1. 四川大學 水利水電學院，成都 610065；2.水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065)

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巖溶區(qū)地下水質量評價方法的對比分析

王春懿1,2，梁川1,2，*，景楠1,2，趙鵬1,2

(1. 四川大學 水利水電學院，成都 610065；2.水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065)

摘要：巖溶區(qū)地下水質量評價對該地區(qū)人類生存環(huán)境及經濟的可持續(xù)發(fā)展有著重要意義，但評價方法多樣。為更好地了解單因子指數(shù)評價法、F值評分法和模糊綜合評價法3種應用較廣泛的方法在巖溶地下水質量評價的應用，分別運用上述方法對廣西河池市4個水廠的地下水水源進行水質綜合評價，并對評價結果進行對比分析。結果表明：研究區(qū)內地下水水質良好；單因子指數(shù)評價法片面反映水質整體情況；F值評分法和模糊綜合評價法的評價結果更為準確和客觀，后者計算量更大。綜上可知，F(xiàn)值評分法和模糊綜合評價法優(yōu)于單因子指數(shù)評價法。

關鍵詞：巖溶地下水；水質評價方法；對比分析；廣西河池中圖分類號：P641.8；X824

文獻標志碼：A

文章編號：2095-008X(2016)01-0001-06

0引言

廣西壯族自治區(qū)巖溶地下水具有水量豐富、暗河較發(fā)育、空間和時間分布不均、開發(fā)局限性大的特點，是重要的供水水源。隨著經濟的發(fā)展，工業(yè)化和城市化速度的增高，對水資源尤其對地下水資源的需求逐漸增加，地下水資源面臨一定的威脅，加之人們對環(huán)境污染愈來愈重視，故監(jiān)測和評價地下水水質對該地區(qū)經濟的可持續(xù)發(fā)展有著重要意義，而選取合適的方法是評價地下水質量的關鍵。目前國內外已經對地下水質量評價的方法做出了諸多研究，建立了以不同理論為基礎的評價方法[1-2]，主要有單因子評價法、綜合評價法、人工神經網(wǎng)絡模型[3]、灰色聚類法[4]、遺傳算法[5]、物元可拓法[6]等。單因子評價法不能完全反映地下水質量的綜合情況,可能導致較大的偏差；綜合評價法比單項組分評價全面、綜合，但現(xiàn)行的評價方法還無法全面考慮地下水水質的成因、演變規(guī)律；此外各評價方法之間對不同地區(qū)的適應性也有所不同。為此，根據(jù)文獻[7]對河池市六圩水廠、加遼水廠、城北水廠、肯沖水廠 4 個地下水供水水源地, 16 種水體污染物的監(jiān)測點位監(jiān)測值Cj，采用單因子指數(shù)評價法、F值評分法和模糊綜合評價法對各水廠地下水水源地水質進行評價，并與地下水污染指數(shù)法的評價結果相互比較，進而分析3種方法的優(yōu)缺點和適用性，以期為保護和合理開發(fā)地下水資源，提前預防和控制地下水的污染等提供科學依據(jù)，保障飲水健康及安全。

1評價方法

1.1單因子指數(shù)評價法

單因子指數(shù)評價法是利用實測數(shù)據(jù)和標準對比分類，即計算出各個評價指標的污染指數(shù)，并與1比較大小，若污染指數(shù)>1，則超過所選標準，反之則滿足標準，逐項計算，選取水質最差的類別為評價結果，兩類評價指標的污染指數(shù)計算公式如下。

1)一般污染物的標準指數(shù)

(1)

式中Si為某污染物的標準指數(shù)；Ci為某污染物的實測平均濃度，mg/L；CS為某污染物的評價標準，mg/L。

2)pH值的標準指數(shù)

(2)

(3)

式中SpH,i為pH值的標準指數(shù)；pHi為pH的實測值；pHsd為評價標準的下限值；pHsu為評價標準的上限值。

3)當Si≤1時，表示水體未污染；當Si>1時，表示該水質因子已超過了規(guī)定的水質標準，數(shù)值越大，超標越嚴重。

1.2F值評分法

根據(jù)《地下水環(huán)境質量標準》(GB/T 14848-93)[8]，地下水質量綜合評價采用加附注的評分方法，其中要求選擇參評項目不少于標準規(guī)定的監(jiān)測項目，但不包括細菌學指標,并能反應本地區(qū)主要水質問題。首先，進行各單項組分評價，確定所屬質量類別；其次，根據(jù)類別，按表1分別確定單項組分評價分值Fi；再按(4)式計算綜合評價分值F。最后，根據(jù)F值，按表2劃分地下水質量級別。

(4)

(5)

表2　地下水質量綜合評價分級表

1.3模糊綜合評價法

水質模糊綜合評價方法[9-12]，采用概率統(tǒng)計中矩陣的數(shù)量積的計算形式，引入隸屬度和權重值兩個概念，從而使評價的地下水質狀況更接近實際，反映水質整體情況更綜合。

1.3.1水質指標矩陣(X)

X為n個取水點組成的樣本集合，每個取水點有m項評價指標,這里n=4，m=16。則實際觀測水質指標矩陣為：

(6)

1.3.2水質評價標準集合(Y)

Y為水質評價標準集合，其中m項水質指標按照地下水5級分類標準[8]評價，則有：

(7)

其中h=1,2,3,4,5，表示h級的標準值。

1.3.3模糊關系矩陣R

模糊關系矩陣R是由各采樣點單項水質指標(Xi)對各水質級別(Yi)的隸屬度所構成的矩陣,模糊綜合評價法以隸屬度來描述水質的模糊界線,隸屬度可用隸屬度函數(shù)來表示。各水質指標對各級水的模糊關系矩陣用下列公式進行計算。

1)屬于第一級水質的隸屬度函數(shù)為：

(8)

2)屬于第k(k=2,3,4)級水質的隸屬度函數(shù)為:

(9)

3)屬于第五級的隸屬度函數(shù)為:

(10)

1.3.4權重矩陣A

A是由各評價因子的權重分配構成的向量，即權重矩陣。目前確定權重的方法較多，本文采用超標法[13]來決定各評價因子的權重。權重矩陣中權數(shù)ai反映各因子(Xi)的重要程度，計算公式為:

(11)

式中ci為第i個評價因子的濃度實測值，mg/L；si為第i個評價因子的各級評價標準的均值，mg/L；ai為第i個評價因子的權重值，并且各權數(shù)ai(i=1，2，…，m)應滿足歸一性和非負性的條件，即:

(12)

其中歸一化公式為：

(13)

1.3.5綜合評判結果B

通過權重矩陣和模糊關系矩陣的復合運算，得出綜合評判結果B矩陣，再根據(jù)一定原則確定各監(jiān)測斷面水質的評價結果。計算公式如下:

B=AT·R

(14)

2方法應用

本文評價數(shù)據(jù)來自2009年1月對河池市六圩水廠、加遼水廠、城北水廠、肯沖水廠4 個地下水供水水源地19種水體污染物的監(jiān)測點位監(jiān)測值Cj[7]，采用單因子指數(shù)評價法、F值評分法和模糊綜合評價法對各監(jiān)測點水質進行評價。評價標準依據(jù)《地下水質量標準》(GB/T14848-93),按照標準中的要求，選取評價因子有pH、氨氮、銅(Cu)、鋅(Zn)、氟化物、硒(Se)、砷(As)、汞(Hg)、鎘(Cd)、鉻(六價)、揮發(fā)酚、硫酸根、氯化物、鐵(Fe)、錳(Mn)、陰離子合成洗滌劑共16項。各地各評價指標的實測濃度值見表3。

2.1單因子指數(shù)法評價結果

據(jù)《地下水質量標準》(GB/T14848-93)中第Ⅲ類污染物標準濃度限值，由式(1)～式(3)選擇適合不同評價指標的計算式進行評價，各單項水質評價結果見表3中Si欄。由結果可知，各單項水質因子Si≤1，水質達到III類水的環(huán)境要求，能滿足該地區(qū)地下水水體的基本功能。

2.2F值評分法及模糊綜合評價法評價結果

表3　各地各評價指標實測濃度值及單因子指數(shù)法評價結果表

(15)

2.3評價結果比較與分析

由表4可見，F(xiàn)值評分法的評價結果表明各監(jiān)測點F值都在0.8～2.50范圍內，水質等級都屬于良好，且高于單因子指數(shù)法的評價結果。模糊綜合評價法的評價結果顯示水質等級都在Ⅱ類以上，同樣高于單因子指數(shù)法的評價結果，其中最大隸屬度原則評價結果顯示各監(jiān)測點水質等級都為Ⅰ類，且比F值評分法的水質等級評價結果更高；而模糊綜合評價指數(shù)FCL原則評價結果與F值評分法的水質等級評價結果一致。將3種方法的評價結果與文獻[7]的評價結果比較可知，F(xiàn)值評分法和按FCL原則評價的模糊綜合評價法的評價結果與文獻[7]的評價結果一致，且更符合實際情況。

綜上可知，單因子指數(shù)法雖然簡單明了，能清晰判斷出主要污染因子及其分布區(qū)域，但其以最差因子的評價結果作為最終的評價結果，體現(xiàn)了單個因子的否決權，具有很強的從嚴性，不能全面反映水質的整體情況。F值評分法利用綜合評分值，根據(jù)相應的分級標準確定水質類型，因此其評價結果可以較合理地反映水質狀況，適用于多種情況，雖然由式(5)知，它強調了最大的污染因子，某種程度上將水污染的程度高估了，如F值評分法與按最大隸屬度原則評價的模糊綜合評價法的不同評價結果，前者評價結果顯示水污染程度高于后者，但在本例中F值評分法更符合實際情況。而模糊綜合評價法結合主要評價因子的權重和隸屬度來確定水質類別，雖然計算相對更為復雜,但比F值評分法更綜合地考慮所有的水質影響評價指標的權重，更準確直接，而采用模糊綜合評價指數(shù)FCL原則的模糊綜合評價法使結果進而更為準確和客觀。

3結論

文中3種方法的評價結果都表明各監(jiān)測點地下水質量總體較好，且滿足該地地下水水體的基本功能。其中，單因子指數(shù)法評價結果為各監(jiān)測點水質達到III類水的環(huán)境要求，其中氨氮、鎘(Cd)、揮發(fā)酚3個指標的濃度較大；F值評分法與按模糊綜合評價指數(shù)FCL原則評價的模糊綜合評價法的評價結果一致，水質等級評價結果為Ⅱ類，且與實際情況相符；而按最大隸屬度原則評價的模糊綜合評價法的水質等級更高，為Ⅰ類。產生差異的原因可歸結為：1)單因子標準指數(shù)法具有很強的從嚴性，評價結果不夠全面；2)F值評分法強調最大的污染因子，高估了水污染的程度；同時以上2種方法均未考慮主要污染因子的權重和隸屬度；3)由于模糊綜合評價法較為充分地考慮了水質分級界線的連續(xù)性，更加全面，但計算量也更多更復雜；4)相比最大隸屬度原則，模糊綜合評價指數(shù)FCL原則考慮了水質標準類別的權重。模糊綜合評價法和F值評分法優(yōu)于單因子指數(shù)評價法，但在實踐中應結合研究區(qū)的水質分布特征，合理選擇評價方法及評價原則，以獲得最佳的評價結果。

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Comparative analysis on evaluation method for karst groundwater quality

WANG Chun-Yi1,2，LIANG Chuan1,2，*，JING Nan1,2，ZHAO Peng1,2

(1.CollegeofWaterResourceandHydropower,SichuanUniversity,Chengdu610065,China；2.StateKeyLaboratoryofHydraulicsandMountainRiverEngineering，SichuanUniversity，Chengdu610065,China)

Abstract：Karst groundwater quality evaluation is important to the sustainable development of human survival environment and the region economy,but the methods are diversiform,such as the single factor index method,the F value method and the fuzzy comprehensive evaluation method have been widely used. In order to better understand the application of three methods in karst groundwater quality evaluation,three methods are used to evaluate and analyze the water quality of groundwater source of four water plants in Hechi of Guangxi. The results showed that the water quality is good, the single factor index method cannot reflect the overall water quality, the results of the F value method and the fuzzy comprehensive evaluation method are more accurate and objective except a large amount of calculation. In conclusion, the F value method and the fuzzy comprehensive evaluation method were superior to the single factor index method.

Key words：karst groundwater；water quality evaluation method；comparative analysis；Hechi of Guangxi

DOI:10.13524/j.2095-008x.2016.01.001

收稿日期：2016-02-18

基金項目：國家自然科學基金資助項目(41271045)

作者簡介：王春懿(1993-)，女，重慶人，碩士研究生，研究方向：水文水資源，E-mail：474340093@qq.com；*通訊作者：梁川(1957-)，男，四川雅安人，教授，博士，博士研究生導師，研究方向：水文水資源與水環(huán)境，E-mail: lshester@shou.com。