三種地下水水質評價方法的應用對比分析

張新鈺，辛寶東，劉文臣，王曉紅，郭高軒，陸海燕

（北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195）

三種地下水水質評價方法的應用對比分析

張新鈺，辛寶東，劉文臣，王曉紅，郭高軒，陸海燕

（北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195）

本文給出了目前地下水水質評價中，常用的單項組分評價方法、F值法和模糊綜合評判法基本原理。并運用這三種方法分析了北京市大興區地下水水質，闡述各種方法的優缺點及適用條件，為地下水水質評價評價方法選用提供依據。

地下水；水質評價；對比分析

0 引言

水是人類賴以生存的重要資源之一，是社會發展和經濟發展重要的物質基礎,近年來隨著我國國民經濟的迅速發展以及人口的急劇增加，用水量劇增,污水排放量增加，水污染成為嚴重的環境問題之一。目前，我國有關城市70%～80%的淺層地下水和30%的中深層地下水已經被污染，有關資料表明，全國1/4城市地下水飲用水不符合國家標準，約有30%的人口飲用水受到不同程度的污染，由水質污染帶來的水質危機日趨嚴重[1]。

20世紀以來，地表水常用單因子指數法、綜合指數法等評價水質，地下水的水質評價中也沿用這種方法。20世紀60年代以來，國外有人運用數學模型定量描述水質，如Zadeh LA.（1971），Tamura S et al（1971）將模糊數學理論應用于地下水水質的研究；90年代以來，國內開展了大量相關方面的研究和應用，如鄭成德探討了灰色聚類法在地下水質量評價中的應用[3]，肖紅等用灰色聚類法研究許昌市中淺層地下水的水質[4]，許順國[5]、王淑臣[8]分別應用模糊數學法對成都市的府河水及深圳東昌區的地下水進行了分析。水質新評價方法的研究取得了一定的進展，但目前還沒有一個通用的地下水水質現狀評價模型。

客觀、科學描述地下水水質是地下水環境規劃和管理的必要前提，也是地下水污染防治的依據，由于評價因子與水質等級間之非常復雜的非線性關系及水體污染的隨機性和模糊性[9][10]，評價方法的選擇尤為重要，評價方法的研究是近年來水環境領域的一個熱點和難點問題[11][13]。

本文介紹了近年來關于地下水水質評價方法方面的進展，介紹了模糊數學法、F值法及水質分級法等地下水水質評價方法的基本原理，對北京市大興區地下水水質評價結果進行了對比分析，為合理選擇水質評價方法提供依據。

1 地下水水質評價方法

目前常用的地下水質評價方法，有單因子評價方法、綜合評價方法兩大類。

（1）單因子評價方法

單因子評價主要是反映地下水中某一單一污染物的情況。國家技術監督局1993年12月30日批準、1994年10月1日實施的《地下水質量標準》(GB14848-93) 規定了地下水39項評價因子的質量分類，單項因子評價主要依據該標準。

（2）綜合評價方法

綜合評價是通過多個指標綜合判斷地下水的水質狀況，方法有很多，如綜合指數法中的F值評分法、內梅羅指數法等，以及在計算機和數學基礎上發展起來的一些方法，比如灰色理論評價方法、人工神經網絡分析法及模糊數學法。F值評分法是目前地下水水質評價的常用方法（GB14848-1993《地下水質量標準》中推薦使用），模糊數學法在地下水水質評價中的應用探討較多，其主要的評價方法有模糊綜合評判法、模糊模式識別法和模糊聚類法。以下簡介F值評分法和模糊綜合評判法。

1.1 F值評分法

F值評分法是我國GB14848- 1993《地下水質量標準》中推薦使用的地下水水質評價方法，其評價步驟如下。

（1）首先進行各單項組分評價, 劃分組分所屬質量類別, 對各類別按表1分別確定單項組分評價分值Fi（共分為Ⅴ類）。

表1 地下水質量評分表

（2）根據下列公式計算綜合評分值F

式中：F 各單項組分評分值F的平均值；

Fmax單項組分Fi的最大值；

n 項數。

（3）根據綜合評分值F確定水質分級（共分為五級，見表2）

表2 地下水質量分級表

1.2 模糊綜合評判法

1965年由美國專家L.A.Zadeh創始的模糊數學,近年來在環境科學中得到了應用。它使系統中的不確定性通過隸屬度加以量化,在環境質量評價中顯現出其優越性。 模糊綜合評判是對多種因素所影響的事物或現象,根據給出的評價標準和實測值,經過模糊變換,對其做出總評價的一種方法。模糊綜合評判法主要步驟如下。

(1) 建立因素集

選擇對水質影響較大的因子建立評價指標因素集，根據不同地區的水質影響因素進行不同的選擇。

(2) 確定評價評語集

在地下水水質評價中可選用水質分級的Ⅴ級：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分別代表水質優良、良好、較好、較差、極差。

(3) 建立隸屬函數，構造模糊關系矩陣

用函數分布形態曲線求隸屬函數，通常用降半梯形和升半梯形求兩端等級的隸屬度，用對稱山形求中間等級的隸屬度，根據評價因子個數、水質標準質量分級及其在各級的隸屬度確定模糊矩陣。

各級水質的隸屬度函數計算。

屬于第一級水質的隸屬度函數為：

屬于第j級水質的隸屬度函數為：

屬于最后一級水質的隸屬度函數：

rij 為C評i ≥價S因in子Cii對 ≥Sjin級 水質的隸屬度；

Ci評價因子的實測濃度值；

Sij評價因子的j級水質標準值；

若有n個評價因子，共有m級水質標準，則可構造n m階的模糊矩陣R。

(4) 確定權重

在綜合評價中，考慮到各單項指標高低差別，其評價因子對環境污染及人身健康的影響程度是不同的，在總體污染中的作用大小是不一樣的，當多因子共同影響環境時，應能反映出因子之間的協同、拮抗作用，進行權重計算很有必要。

(5) 模糊綜合運算

將指標權重矩陣與模糊關系矩陣進行復合運算, 即可得到評價對象屬于各評價等級的程度矩陣，根據最大隸屬度原則,取其中的最大值對應的等級為評價對象的等級。

2 實例運用分析

以北京市大興區1908年度淺層地下水水質樣本隨機抽樣15例，采用單項組分水質分級法、F值法、模糊數學法進行水質評價。

評價因子的選擇是進行評價的至關重要的一步，根據前人的研究成果以及對北京地下水水樣中各指標的累積超標頻率統計，評價指標選用氨氮、氯離子、硫酸根、硝酸根、亞硝酸根、氟化物、錳、總硬度、溶解性總固體等9項評價指標，參考標準采用表3，表4是14個水樣中各評價因子的實測值。

表3 地下水質量分級標準（mg/l）

表4 北京大興區淺層地下水檢測數據表（mg/l）

（1）單項組分評價地下水水質（表5）

表5 單項組分評價結果

（2）F值法評價地下水水質

根據中華人民共和國地下水質量標準（GB/ T14848-93）評價指標的實測值及標準值，利用F值法進行分類和計算，其評價結果見表6。

表6 F值法評價地下水的等級表

（3）模糊數學法評價地下水水質

首先根據降半梯形和升半梯形求第Ⅰ類和第Ⅴ類的隸屬度，用對稱山形求第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類的隸屬度，構造9 5階的模糊矩陣。

以1號水樣為例，根據上述公式計算各評價因子各級的隸屬函數：

第一級水質的隸屬度計算公式：

第二級水質的隸屬度計算公式：

第三級水質的隸屬度計算公式：

第四級水質的隸屬函度計算公式：

第五級水質的隸屬度計算公式：

由各級隸屬度計算結果構造9*5階的模糊矩陣R如下：

求取權重W的方法采用污染物濃度超標加權法，其計算公式如下：

計算得到的1號樣品各評價因子的權重為：

模糊綜合運算求各級隸屬度B，B = W ·R = (W1,W2, W3,W4,W5)。

計算結果表明，1號樣品屬于Ⅰ類水的可能性為6.4%，屬于Ⅱ類水的可能性為10.3%，屬于Ⅲ類水的可能性為34.8，屬于Ⅳ類水的可能性為41.2%，屬于Ⅴ類水的可能性為7.5%。根據最大隸屬度原則，1號樣品的水質為Ⅳ類。

同理得出的其它水樣的各級隸屬度及評價結果見表7。

表7 模糊綜合評判法評價結果

3 討論與分析

單項組分分析表明研究區超標較嚴重的因子為總硬度和溶解性總固體，未超標的水樣總硬度和溶解性總固體的值基本屬Ⅲ類；其次為錳，14個水樣中有4個樣品的錳含量達到了Ⅳ類；再次為氟，其它離子除氯離子和硝酸根離子各有一個水樣超標外，其余都在Ⅲ類以內。

14個水樣中F值法和模糊綜合評判法水質評價的結果完全相同的為12個，有差別的為3個（見表8）。DX-644號樣品水質類型F值法為Ⅱ類，模糊數學法為Ⅰ類，這種差別主要是由于模糊數學法用隸屬函數描述水質分級界限更為精細。DX-667號和DX-654號樣品水質類型，F值法為Ⅳ類水，而模糊數學法分別為Ⅱ類和Ⅰ類，二者差別較大。兩個樣品中的所有評價因子中只有一個因子超標，在這種情況下由于F值法中考慮最大污染因素，即使參評項目中只有一項指標值偏高，而其它指標值較低也會使綜合評分值偏高，所以這種情況下的F值法的評價結果有待斟酌。而在超標因子較多或者沒有超標因子的情況下，兩種方法的評價結果相近。

表8 三種評價方法評價結果綜合表

4 結論

以上分析表明：單因子評價方法簡單、明了，雖然不能全面的反映水質的整體狀況，但評價結果能直觀反映單項組分的超標情況，清晰判斷出主要污染因子及其分布區域。F值法利用綜合評分值，根據相應的分級標準確定水質類型，在超標因子較多或者沒有超標因子的情況下可以較合理的反映水質狀況。但是它極突出最大污染因素，即使參評項目中只有一項指標值偏高，而其它指標值較低也會使綜合評分值偏高，一定程度上高估水質污染程度。模糊綜合評判法充分考慮了水質分級界線的過渡性，比F值法直接根據臨界判據截然將水質進行分級更準確，并且它考慮了不同的評價因子對地下水水質的影響權重，評價結果更精確。模糊綜合評判法在工作精度要求較高的情況下，可廣泛應用，但是它計算比較復雜，在評價面積較大、評價對象數量較多的情況下，應用比較困難，需要借助計算機輔助編程完成。所以，在實際運用中，要結合具體的問題，合理選用方法，取得最優的評價結果。

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The Comparative Analysis of Three Methods in Groundwater Quality Assessment

ZHANG Xinyu，XIN Baodong，LIU Wenchen，WANG Xiaohong，GUO Gaoxuan，LU Haiyan

(Hydrogeology and Engineering Geology Team of Beijing, Beijing 100195)

The paper describes three methods commonly applied into the assessment of groundwater quality，such as single factor，F value and fuzzy comprehensive evaluation methods. The three methods have been used to evaluate groundwater in Daxing District，Beijing. As a result， the advantages and disadvantages of every method are given，and it is helpful to classify water quality reasonably.

Groundwater；Water quality evaluation；Comparative analysis

X824

A

1007-1903(2011)01-0030-07