梁乃森，錢 程，穆文平，段 揚(yáng)，朱 閣，張日升，武 雄

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；2.中國地質(zhì)災(zāi)害防治工程行業(yè)協(xié)會，北京 100043；3.深圳市大鵬新區(qū)住房和建設(shè)局，廣東 深圳 518116；4.鄂爾多斯市東辰煤炭有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)

水質(zhì)評價(jià)是水資源評價(jià)的重要內(nèi)容之一，也是水資源規(guī)劃利用和管理的重要依據(jù)。自20世紀(jì)70年代以來，地下水環(huán)境質(zhì)量研究越來越多，地下水水質(zhì)評價(jià)工作由單因子評價(jià)到綜合評價(jià)，由數(shù)理統(tǒng)計(jì)到建立數(shù)學(xué)模型，評價(jià)方法和體系日趨完善[1-2]。近年來，模糊評價(jià)[3-5]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[6]、灰色系統(tǒng)理論[7]、層次分析法[8]、集對分析法[9]、物元可拓法[10]等模型或方法被引入水質(zhì)評價(jià)中，以期取得更全面的評價(jià)結(jié)果。模糊評價(jià)法是由美國Zadeh教授于1965年在模糊數(shù)學(xué)理論的基礎(chǔ)上開發(fā)的[11]，它充分考慮了地下水水質(zhì)指標(biāo)分類界限的過渡，結(jié)果更加科學(xué)準(zhǔn)確[12]。隨著地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)的發(fā)展，GIS技術(shù)在水資源研究領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[13-15]。劉明柱等[16]運(yùn)用GIS建立了考慮各子系統(tǒng)影響的地下水資源評價(jià)系統(tǒng)，對安徽省天長市地下水資源進(jìn)行了富水性評價(jià)；劉明柱等[17]提出基于GIS結(jié)構(gòu)的集成框架，將地下水資源評價(jià)模型與GIS緊密集成，并將其成功應(yīng)用于哈爾濱市水資源管理。在水質(zhì)評價(jià)方面，GIS技術(shù)與水質(zhì)評價(jià)模型或方法的結(jié)合已經(jīng)成為重要的發(fā)展趨勢，有許多學(xué)者做了有益的嘗試。萬幼川等[18]在GIS支持下應(yīng)用BP 改進(jìn)模型對東湖水質(zhì)、富營養(yǎng)化情況進(jìn)行了綜合評價(jià)，并實(shí)現(xiàn)了結(jié)果的可視化輸出；蘇耀明[19]在ArcGIS平臺上實(shí)現(xiàn)了鄂爾多斯盆地三層地下水水質(zhì)模糊綜合評價(jià)結(jié)果的可視化表達(dá)；張成才等[20]利用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了GIS與模糊綜合評價(jià)模型之間的數(shù)據(jù)交換，將三者系統(tǒng)整合，并運(yùn)用該系統(tǒng)對地表河流水質(zhì)進(jìn)行了評價(jià)；羅畏[21]通過Matlab編程和組件式GIS開發(fā)將GIS與投影尋蹤模型集成，應(yīng)用于地表水體環(huán)境質(zhì)量研究；Venkatramanan等[22]利用GIS平臺實(shí)現(xiàn)了模糊集理論對地下水水質(zhì)現(xiàn)狀的評價(jià)。雖然前人在GIS與水質(zhì)評價(jià)方法結(jié)合研究和應(yīng)用方面取得了一定的進(jìn)展[19-24]，但忽略了水質(zhì)數(shù)據(jù)的非連續(xù)性，對于地區(qū)尺度的基于GIS的地下水水質(zhì)模糊綜合評價(jià)研究較少。本文利用地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)和Visual Basic for Applications((VBA)技術(shù)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)模糊綜合評價(jià)模型，既考慮了地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)的非連續(xù)性，又使評價(jià)過程系統(tǒng)化、結(jié)果可視化，利用該方法對毛烏素沙地大牛地氣田區(qū)淺層地下水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行比較客觀的評價(jià)，為該區(qū)地下水資源的開發(fā)利用和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)獲取

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)地理位置

大牛地氣田位于毛烏素沙地東北部，內(nèi)蒙古自治區(qū)與陜西省交界處(圖1)。研究區(qū)面積約為2 322.4 km2，地勢平坦，地形完整，東北部為基巖剝蝕波狀高原，西北部及南部為固定半固定沙丘地貌。其氣候?qū)儆谂瘻貛Ш蜏貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均降水量約400 mm，多年平均蒸發(fā)量為2 485.2 mm。區(qū)內(nèi)最大的地表水體為紅堿淖，最大的河流為流入紅堿淖的扎薩克河(已多年斷流)。研究區(qū)具有供水意義的含水系統(tǒng)為第四系孔隙含水系統(tǒng)和白堊系下統(tǒng)孔隙裂隙含水系統(tǒng)，二者水力聯(lián)系較密切。第四系孔隙水主要接受大氣降水補(bǔ)給和側(cè)向徑流補(bǔ)給，局部地段存在頂托補(bǔ)給。白堊系孔隙裂隙水主要受第四系下滲補(bǔ)給和大氣降水補(bǔ)給，其次是側(cè)向補(bǔ)給。淺層地下水徑流情況見圖2。地形低洼處和湖泊是研究區(qū)地下水主要排泄點(diǎn)，蒸發(fā)排泄為主要的排泄方式。由于研究區(qū)地表水水質(zhì)較差，淺層地下水成為該區(qū)主要供水水源。

圖2 研究區(qū)地下水采樣點(diǎn)位圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

為確保地下水樣品均來自淺層地下水，于2012年10月選取40 個(gè)具有代表性的居民水井進(jìn)行水樣采集，采樣點(diǎn)平面位置見圖2。

測試得到研究區(qū)地下水水化學(xué)數(shù)據(jù)，部分水化學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)特征值見表1。

表1 水化學(xué)分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)特征值

2 研究方法

2.1 模糊綜合評價(jià)法

模糊綜合評價(jià)法基本原理為：以隸屬度描述地下水水質(zhì)指標(biāo)的模糊界限，模糊評價(jià)的結(jié)果由評價(jià)因子的權(quán)重矩陣和隸屬度組成的模糊關(guān)系矩陣決定。模糊綜合評價(jià)的一般步驟見圖3，其中核心的內(nèi)容是模糊關(guān)系矩陣和權(quán)重向量的確定。

圖3 模糊評價(jià)法一般步驟

2.1.1隸屬度及模糊關(guān)系矩陣的確定

模糊關(guān)系矩陣由各指標(biāo)的隸屬度構(gòu)成。隸屬度表示評價(jià)指標(biāo)屬于各評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(級別)的程度，由隸屬度函數(shù)計(jì)算得出。目前，隸屬度函數(shù)的確定還未形成一套成熟的方法，一般水質(zhì)模糊評價(jià)的隸屬度函數(shù)采用分級函數(shù)法確定。分級函數(shù)包括三角形函數(shù)法和梯形函數(shù)法，其中降半梯形分布函數(shù)符合水質(zhì)評價(jià)特點(diǎn)，即指標(biāo)越小越好。參考前人經(jīng)驗(yàn)[4]，本文選用降半梯形函數(shù)構(gòu)造隸屬度函數(shù)，具體隸屬度函數(shù)公式如下：

對Ⅰ級水的隸屬度函數(shù)：

(1)

對Ⅱ～Ⅳ級水的隸屬度函數(shù)：

(2)

對Ⅴ級水的隸屬度函數(shù)：

(3)

式中：Ci——第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)的實(shí)測濃度，i=1，2，…，m；

j——水質(zhì)等級，Ⅰ～Ⅴ級水j對應(yīng)1～5；

Sij——第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)的j級標(biāo)準(zhǔn)值；

Rij——第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)對j級水的隸屬度。

對于不同級別標(biāo)準(zhǔn)值相同的情況，參照從優(yōu)不從劣的原則確定其隸屬度。對于給定的濃度值按照以上隸屬度函數(shù)計(jì)算隸屬度，i×j階的模糊關(guān)系矩陣R：

(4)

2.1.2評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

確定權(quán)重的方法有多種，如主成分分析法、超標(biāo)法、層次分析法等[26]，如何合理確定各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，目前沒有統(tǒng)一的方法，比較常用的是超標(biāo)法。超標(biāo)法根據(jù)評價(jià)指標(biāo)超標(biāo)程度大、權(quán)重大的原則確定權(quán)重，采用超標(biāo)法確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重：

(5)

式中：Wi——第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值；

Ci——第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)的實(shí)測濃度；

Si0——第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)各級標(biāo)準(zhǔn)值的平均值；

m——評價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

根據(jù)式(5)求出每個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，組成權(quán)重向量或權(quán)重矩陣A：

A={W1，W2，…，Wm}

(6)

2.1.3矩陣復(fù)合運(yùn)算及處理

矩陣復(fù)合運(yùn)算包括4種模型[27]，其中加權(quán)平均模型的運(yùn)算模型既強(qiáng)調(diào)了最大濃度指標(biāo)的影響，又兼顧所有參評因子(或指標(biāo))應(yīng)有的作用，避免了在模糊矩陣的復(fù)合運(yùn)算中部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失造成的不利影響。確定模糊關(guān)系矩陣R和權(quán)重矩陣A后，選擇加權(quán)平均型運(yùn)算模型對權(quán)重矩陣A和模糊關(guān)系矩陣R進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算，得到模糊評價(jià)結(jié)果矩陣B。

模糊評價(jià)結(jié)果矩陣B的最常用處理方法是最大隸屬度原則，但此方法存在有效性問題，特殊情況下可能得出不合理的評價(jià)結(jié)果[28]。因此采用加權(quán)平均原則[29]，被評事物的相對位置，即評價(jià)結(jié)果，可表示為：

(7)

式中：bj——隸屬于第j等級的隸屬度；

k——待定系數(shù)(k=2)；

G——模糊評價(jià)結(jié)果。G值與地下水水質(zhì)級別的對應(yīng)關(guān)系見表2[20-23]。

表2 G值與地下水水質(zhì)級別的對應(yīng)關(guān)系

2.2 GIS與模糊綜合評價(jià)模型結(jié)合

模糊綜合評價(jià)模型只能對水化學(xué)數(shù)據(jù)(即屬性數(shù)據(jù))進(jìn)行處理，不能增加或修改空間數(shù)據(jù)，而GIS可以創(chuàng)建或修改空間數(shù)據(jù)。利用ArcGIS平臺采集和編輯空間數(shù)據(jù)，并將水樣點(diǎn)的屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)結(jié)合，使屬性數(shù)據(jù)空間可視化，以利于評價(jià)結(jié)果的綜合分析?？臻g數(shù)據(jù)與Excel表中水化學(xué)數(shù)據(jù)通過ArcGIS圖層連接功能結(jié)合后，對Excel表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以修改相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)。

GIS和模糊綜合評價(jià)模型結(jié)合，可以將GIS的空間分析功能、顯示功能以及模糊綜合評價(jià)方法的計(jì)算功能整合在一起。GIS與地下水水質(zhì)模糊綜合評價(jià)模型結(jié)合后具備強(qiáng)大的地圖顯示功能，地下水水質(zhì)評價(jià)和結(jié)果分析更為方便。水質(zhì)評價(jià)集成于地理信息系統(tǒng)，可為水資源的開發(fā)利用和保護(hù)提供決策支持。

2.3 評價(jià)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)確定

3 結(jié)果與討論

3.1 評價(jià)結(jié)果

利用ArcGIS的地圖顯示與制圖功能，對評價(jià)結(jié)果進(jìn)行顯示和出圖，并結(jié)合空間數(shù)據(jù)對評價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析。經(jīng)過ArcGIS處理，得到研究區(qū)地下水水質(zhì)評價(jià)結(jié)果見圖4。

圖4 研究區(qū)地下水水質(zhì)模糊綜合評價(jià)結(jié)果

由圖4可知，研究區(qū)淺層地下水水質(zhì)總體較好，局部地點(diǎn)淺層地下水水質(zhì)較差，水質(zhì)級別在Ⅳ類以下。利用ArcGIS對模糊評價(jià)結(jié)果(圖4)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可知Ⅰ類水分布最廣，占地下水取樣點(diǎn)總數(shù)的65.0%，主要分布于臺格廟—松道溝—敖包村—昌雞兔一帶，呼吉爾圖鄉(xiāng)以北門克慶—大牛地一帶，沙則汗—阿盧太—溝掌村以北，小壕兔鄉(xiāng)東南，以及爾林兔鎮(zhèn)東南；研究區(qū)Ⅱ類淺層地下水水樣點(diǎn)有5個(gè)，占地下水取樣點(diǎn)總數(shù)的12.5%，分別位于研究區(qū)西北的查汗淖兒村、壕賴村西南部，研究區(qū)西南部的呼吉爾特村、小壕兔鄉(xiāng)小豪兔村，以及石板太南部；Ⅲ類水水樣點(diǎn)共有7個(gè)，分別位于壕賴村東北，西葫蘆素南部，大牛地一隊(duì)，史不扣村附近，以及研究區(qū)南部的采氣四隊(duì)，占地下水取樣點(diǎn)總數(shù)的17.5%；Ⅳ類水和Ⅴ類水水樣點(diǎn)僅有2處，分別位于察汗淖四隊(duì)(G31)及許記海子(G22監(jiān)測點(diǎn))附近，共占地下水取樣點(diǎn)總數(shù)的5.0%。根據(jù)模糊綜合評價(jià)結(jié)果，研究區(qū)Ⅲ類以上淺層地下水水樣點(diǎn)約占總數(shù)的95.0%，所以研究區(qū)淺層地下水水質(zhì)狀況總體良好。

3.2 討論

為進(jìn)一步驗(yàn)證評價(jià)結(jié)果的合理性與可靠性，將基于GIS的模糊綜合評價(jià)結(jié)果與《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的內(nèi)梅羅指數(shù)法[31](F值法)評價(jià)結(jié)果(圖5)進(jìn)行比較。從圖上看，基于GIS的模糊綜合評價(jià)結(jié)果整體上優(yōu)于內(nèi)梅羅指數(shù)法評價(jià)結(jié)果，但水質(zhì)相對較差的位置大體一致。與內(nèi)梅羅指數(shù)法相比，模糊綜合評價(jià)結(jié)果的Ⅰ類和Ⅲ類水水樣點(diǎn)數(shù)目明顯較多，Ⅱ類和Ⅳ類水水樣點(diǎn)明顯較少，Ⅴ類水水樣點(diǎn)所占比重也較小(表3)。究其原因，是兩種方法的原理不同造成的。內(nèi)梅羅指數(shù)法放大了最大濃度因子的影響，使部分評價(jià)結(jié)果偏高，而模糊綜合評價(jià)法綜合考慮了各評價(jià)因子對水質(zhì)的影響，評價(jià)結(jié)果更客觀、更合理。

4 結(jié)論

(1)基于GIS的地下水模糊綜合評價(jià)結(jié)果，大牛地氣田淺層地下水水質(zhì)狀況總體良好，水質(zhì)級別以Ⅰ～Ⅲ類水為主，局部地區(qū)淺層地下水水質(zhì)較差，水質(zhì)級別在Ⅳ類以下。Ⅰ類水分布最廣，占所取地下水總量的65.0%，其次是Ⅲ類水，其水樣點(diǎn)數(shù)量占地下水取樣點(diǎn)總數(shù)的17.5%，Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ類地下水分別占地下水取樣總量的12.5%、2.5%和2.5%。

表3 基于兩種方法的評價(jià)結(jié)果對比

圖5 基于內(nèi)梅羅指數(shù)法的水質(zhì)評價(jià)結(jié)果

(2)局部淺層地下水水質(zhì)較差主要是由于地下水中氨氮或硝酸鹽氮濃度超標(biāo)，超標(biāo)的主要原因是局部地段淺層地下水受到人類生產(chǎn)生活污廢水中含氮物質(zhì)的污染。

(3)通過對比分析可知，基于GIS的水質(zhì)模糊綜合評價(jià)方法實(shí)現(xiàn)了評價(jià)結(jié)果的系統(tǒng)化，可視化，能夠較合理、客觀地評價(jià)取樣點(diǎn)地下水水質(zhì)。同時(shí)，模糊綜合評價(jià)法采用超標(biāo)法確定評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，雖然剔除了主觀因素，但夸大了實(shí)測濃度大的指標(biāo)影響，對其它指標(biāo)兼顧不夠，需進(jìn)一步改進(jìn)。