模糊綜合評判法在淮南市淺層地下水評價中的應用

劉園園，許光泉，朱代雙

(安徽理工大學地球與環境學院，安徽淮南232001)

模糊綜合評判法在淮南市淺層地下水評價中的應用

劉園園，許光泉，朱代雙

(安徽理工大學地球與環境學院，安徽淮南232001)

通過對淮南市淺層地下水水樣進行測試、分析，選取氯離子、硫酸鹽、硝酸鹽氮、總磷、錳、鉛等六項指標為評價指標，依據《地表水環境質量標準》(GB3838－2002)，運用模糊綜合評判法對研究區水質進行了合理評價。研究結果表明:淮南市淺層地下水綜合水質較差，大部分地區淺層地下水已遭受到不同程度污染，多數水體不能直接作為飲用水。

淺層地下水;模糊綜合評判;水質評價

淮南市是一個以煤炭工業為主體，兼電力、化工為重點的較大工業城市。隨著工農業的迅速發展，各種廢棄物也越來越多，污染物、污染源和污染途徑亦越來越多。而位于淺部的淺層地下水所受到的危害是首當其沖。如果地下水遭到嚴重污染，即使水量很豐富，作為水源地來說也不足取［1］。因此，為科學管理地下水資源，為區域經濟發展提供水資源保障，必須首先對地下水水質進行調查與評價，以便及時采取各種有效措施，保護和改善地下水水質。由于水質綜合評價中的污染程度、水質類別都是一些客觀存在的模糊概念和模糊現象，因此，用模糊理論進行水質評價，更能客觀地反映水質的實際狀況［2］。

本研究選取淮南市淺層地下水的氯離子、硫酸鹽、硝酸鹽氮、總磷、錳、鉛等六項指標為評價指標，根據《地表水環境質量標準》(GB3838－2002)，采用模糊綜合評判方法，系統評價淮南市淺層地下水綜合水質，全面認識淺層地下水水質分級，為合理開發、利用和保護地下水資源提供了科學依據。

1 研究區概況

淮南位于江淮丘陵與黃淮平原的交界處。淮南市轄六區一縣，包括淮河以南的大通區、田家庵區、謝家集區、八公山區，淮河以北的潘集區和淮河以西毛集實驗區、鳳臺縣，是一個以煤炭工業為主體，兼電力、化工為重點的較大工業城市。

研究區地下水資源主要分布在新生界沉積層，屬于松散巖類孔隙水，賦存于第三系及第四系松散沉積物中。含水層為一套沖積、沖積－洪積、湖積的砂、砂礫石以及砂或亞砂土層，總厚度5～300 m，分布于淮河南北的平原地區。區內淺層地下水的污染途徑為間歇滲入型、連續滲入型、越流型和徑流型等四種［3］。

近幾年來，隨著研究區經濟的迅速發展，各類工礦企業排放的廢水及城市生活污水等，通過排污渠、排污河沿途滲漏等多種途徑不斷進入地下水系統，使得區內淺層地下水受到不同程度的污染，且危害程度也日趨明顯，水質狀況令人擔憂。因此，合理評價區內淺層地下水水質及污染狀況，對于重新認識淺層地下水水質狀況、合理利用和保護地下水資源以及促進淮南市社會經濟的可持續發展具有重要意義。

2 水樣采集與分析

水樣采集范圍主要是研究區內淮河以北的潘集區和鳳臺縣。為全面評價研究區內淺層地下水水質狀況及污染程度，采樣點依據均勻分布、重點地方加密的原則，共采集淺層地下水水樣70個。這些水樣采自研究區的農村飲用井水，深度在6～50 m之間不等，采樣點分布如圖1所示。

測試指標為氯離子、硫酸鹽、硝酸鹽氮、總磷、錳、鉛等六項指標。測試方法:氯離子采用硝酸銀容量法測定;硫酸鹽采用EDTA容量法測定;硝酸鹽氮和總磷采用紫外—可見分光光度計測定;錳和鉛元素采用火焰原子吸收光譜儀測定。

圖1 研究區淺層地下水采樣點分布圖

3 淮南市淺層地下水水質評價

為全面反映淮南市淺層地下水污染的基本情況，根據《地表水環境質量標準》(GB3838－2002)，選取了具有代表性的氯離子、硫酸鹽、硝酸鹽氮、總磷、錳、鉛等六個評價因子進行評判［4］。

模糊綜合評判法是借助模糊綜合變換，綜合考慮與被評事物有關的各個因素，對事物做出總的評價，并給出綜合評判值，得出綜合評價結果。該方法的最大優點是可以解決地下水體中各指標含量值連續過渡性與界限不分明而評價標準中等級的界定卻有嚴格數值的問題［5］。地下水瞬時采樣和監測分析過程中產生的誤差都是隨機的，監測結果相對于評價標準又是模糊的。因此，適宜采用模糊綜合評判方法進行評價。

評判過程:運用模糊數學方法，建立地下水水質模糊綜合評價的數學模型。該模型通過建立隸屬函數、確定因子權重，采用模糊矩陣復合運算，再通過復合運算求出不同水質級別的隸屬度;根據隸屬度大小確定水質級別，綜合給定地下水污染狀況，能較大程度地克服人為因素影響，評定結果更加科學、準確。

3.1 污染等級的劃分

按照《地表水環境質量標準》(GB3838－2002)中規定，淺層地下水使用目的和保護目標，我國地面水分五大類:Ⅰ類水質主要適用于源頭水，國家自然保護區，水質良好，經過簡易的消毒即可供生活飲用者;Ⅱ類水質受到輕微的污染，經過凈化處理后可供生活飲用者，主要適用于集中式生活飲用水、地表水源地一級保護區等;Ⅲ類水質適用于集中式生活飲用水源地二級保護區、一般魚類保護區及游泳區;Ⅳ類水質主要適用于一般工業用水區及人體非直接接觸的娛樂用水區;Ⅴ類水質主要適用于農業用水及一般景觀要求水域，不適合飲用。

依據《地表水環境質量標準》劃分淺層地下水的污染等級，將淮南市淺層地下水劃分為5個污染等級，即Ⅰ級(清潔級)、Ⅱ級(較清潔級)、Ⅲ級(輕污染級)、Ⅳ(污染級)、Ⅴ級(重污染級)，水質污染參數的分級標準值見表1。

3.2 因子確定及隸屬函數的建立

評價中取m個污染因子，取k個水樣，第i個污染因子值為X，求出各污染級別的隸屬度，取分級級別為5，且建立隸屬函數通式。對于不同等級水的隸屬度為:

式中:A、B、C、D、E分別為某個指標所對應的 I－V級水的判別值;Yi為某個指標對i級水的隸屬度;X為某個指標的實測值。由隸屬度可以構造出m×5的隸屬矩陣，即矩陣R。

表1 淺層地下水水質分級

3.3 建立權重模糊矩陣

本文主要采用地下水質標準和分析判別相結合的方法，即根據水質指數Ci/Coi(Ci為實測值，Coi為國家飲用水標準)的大小確定權重，Ci/Coi大，權重亦大，反之就小。得到兩個權重模糊集α和β，它們都是U上的模糊子集。

式中:Ci為各評價因子的實測值;Si為每個因子所對應的各個水質級別的判別值之和的平均值;βi為根據以上分析所得出的權重序列人為給予得數值，且∑βi=1。

求模糊集得代數積，并歸一化，得到修正的權重模糊矩陣A:

3.4 評判運算

評判運算是通過復合運算實現的，用Q表示，有:

通過上式即可計算出最終評價結果 Q={q1，q2，q3q4，q5}，取qmax=max{qi}所對應的級別即為該水樣點所屬的水質級別。

3.5 評價結果

應用模糊綜合評判法得到的研究區內各水樣點對應地區所屬的水質級別如表2所示，各水質等級所占比例如表3所示。

表2 淮南淺層地下水水質評價結果

徐瓦房村 Ⅴ 0.025 0.372 0竹園村 Ⅱ 0.070 2 0.526 8 0武集村 Ⅱ 0.075 0.449 0.108 6界溝村 Ⅴ 0.025 0.370 1 0.012 3大興集 Ⅴ 0.239 1 0.239 1 0.145 3童圩村 Ⅴ 0.024 5 0.384 3 0.083 7肖集村 Ⅴ 0.339 9 0.339 9 0劉集村 Ⅴ 0.025 8 0.397 2 0.14劉集鄉孤山村 Ⅴ 0.299 0.299 0.140 1尚塘鄉尚塘村 Ⅴ 0.285 6 0.285 6 0.088 3聯民村 Ⅴ 0.336 2 0.336 2 0古店鄉 Ⅴ 0.225 0.367 4 0.092 2古店鄉王大村 Ⅴ 0.05 0.318 2 0顧橋鎮 Ⅱ 0.275 0.457 7 0.078 8桂集鎮 Ⅱ 0.45 0.55 0.086 3高曹村 Ⅱ 0.475 0.525 0.114 2鳳臺縣 Ⅳ 0.388 0.187 5 0 0 0.600 3 0.392 8 0.392 8 0.360 1 0.378 7 0.190 3 0.422 8 0 0.496 4 0 0.424 5 0.005 5 0.609 1 0 0.523 7 0.274 0.542 5 0 0.563 3 0 0.610 2 0.092 2 0.514 0 0.635 9 0.397 9 0.397 9 0.281 9 0 0 0 0.391 6 0.007 9姚家湖獅子橋 Ⅱ 0.075 0.740 6 0.124 2 0.124 2 0民族村 Ⅱ0.225 0.775 0.086 6 0.086 6 0

表3 水樣所占比例

結果表明:研究區內五類水和二類水所占比例較大，分別為57.13%和24.29%。其中潘集區五類水所占比例為52.63%，主要分布在潘集的廟新村、勝利村、瓦房村等地區;其次，四類水占36.84%，一類水僅占10.53%，說明潘集區大部分地區淺層地下水水質較差。鳳臺縣五類水所占比例最大，為58.82%，主要分布在鳳臺縣的北部如常廟、新集、劉集鄉山口村等;二類水占33.33%。由潘集區和鳳臺縣水質等級相比較可以看出:兩個地區五類水所占比例均最大，不同的是潘集區的四類水次之，而鳳臺縣則是二類水次之。

4 治理對策與建議

地下水污染具有隱蔽性和難以逆轉性，因此，地下水一旦受到污染，對其進行處理就很困難，所以對于地下水污染應遵循以防為主、防治結合的原則。對此，提出以下幾點建議:

1)淮南市是煤炭城市，其淺層地下水在很大程度上受其污染，而塌陷區居民飲用水更是如此。對此，應對礦井水、工業廢水及居民生活廢水進行處理，使其達到國家污水排放標準后排放。

2)應及時整治由礦山開采造成的大面積地面塌陷，復土造田，恢復原貌，對于無法恢復的，可以利用塌陷塘發展養殖業，用以改善積存的水質，避免引起地下水水質的繼續惡化。

3)科學合理地使用農藥、化肥，如大力推廣復合肥的使用，提高肥料的利用效率，并減少其在土壤中的殘留量;同時，利用土壤生態系統對廢水中的污染物進行過濾、吸附、降解等，使廢水在一定程度上得到自凈，減輕其對地下水的污染。

4)應鼓勵使用壓井水的居民增大壓井的深度;同時，改善地下水補排條件，降低淺層地下水中三氮和總磷的含量，且盡量使廁所、糞池、農田等與壓井保持一定距離，并嚴格控制污水灌溉農田。

5)居民在飲用淺層地下水時，要進行消毒殺菌處理，不可直接飲用，以減輕有害物質對人體的危害，如加適量的高錳酸鉀，處理效果較好。

6)加強水資源保護宣傳，提高農民的意識，強化農民的參與。

7)改飲深井水。成井后應定期進行地下水水位、水質、水量等的動態監測，以確保生活飲用水的安全、衛生。

5 結語

通過以氯離子、硫酸鹽、硝酸鹽氮、總磷、錳、鉛等六項指標為地下水水質評價指標，采用模糊綜合評判方法得出淮南市以高硝酸鹽氮、總磷及錳離子含量為特征的淺層地下水綜合水質較差，多數水體不能直接作為飲用水。嚴重超標淺層地下水占調查總面積的57.13%，主要集中在研究區內礦區與塌陷區的集中區域。

研究區淺層地下水已受到不同程度污染，這與其水文地質條件及周邊環境密切相關。其中礦區和塌陷區集中地區水質污染較為嚴重，河流、湖泊附近水質則有所改善。據評價結果可知研究區的地下水污染比較嚴重，建議及時采取治理措施。

［1］岳梅.淮南市淺層地下水水質污染預測模型探討［J］.地下水.2002，24(2):77 －78.

［2］韓程輝，劉文生.模糊綜合評判法在礦區地下水水質評價中的應用［J］.礦業安全與環保.2004，31(5):36 －38.

［3］葉志清.淺層地下水化學成分特征及成因分析［J］.地下水.2010，32(1):40 －43.

［4］何曉文，蔣蓉，許光泉，王偉寧.淮南礦區淺層地下水水質分析與評價［J］.水文.2010，30(4):18－22.

［5］邊維勇，佟成冶，廉濤，馬力.模糊評判方法在遼寧省中部地區淺層地下水綜合環境質量評價中的應用［J］.巖礦測試.2011，30(3):289－294.

［6］宋鷺.地下水環境質量評價方法［J］.干旱環境監測.1997，11(1):8－11.

Application on Fuzzy Comprehensive Evaluation Method in Shallow Groundwater Evaluation of Huainan City

LIU Yuan －yuan，XU Guang－quan，ZHU Dai－shuang
(School of Earth and Environmental Sciences，Anhui University of Science Huainan 232001，Anhui)

Based on the result of shallow groundwater samples test and analysis，six indicators including Cl－、SO42－、NO3－、P、Mn、Pb were selected as proxies index for the quality of shallow groundwater in Huainan.According to the environmental quality standards of groundwater，the quality of shallow groundwater in Huainan was properly evaluated by the fuzzy comprehensive evaluation method.The results show that the integrative quality of shallow groundwater in Huainan is poor.And in most parts of the study area，shallow groundwater has been polluted in different extend so that a lot of water cannot be drink directly.This evaluation makes the quality characteristics of groundwater in Huainan clearer and provides scientific data for water resources protection and planning.

Shallow groundwater;fuzzy comprehensive evaluation and evaluation of water quality

TV211.1+2

A

1004－1184(2012)04－0016－04

2012－03－09

劉園園(1982－)，女，吉林松原人，碩士研究生，主攻方向:水文地質。