淮河流域洪汝河段淺層地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)方法淺析

劉海風(fēng)，鄧 斌，楊小雙

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第一地質(zhì)工程院，河南 鄭州 450007)

淮河流域洪汝河段淺層地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)方法淺析

劉海風(fēng)，鄧 斌，楊小雙

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第一地質(zhì)工程院，河南 鄭州 450007)

依據(jù)2008年度淮河流域洪汝段(河南省域)536組淺層地下水水質(zhì)化驗(yàn)資料，選取49個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別采用內(nèi)梅羅指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)法進(jìn)行地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)，對(duì)兩種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比淺析，闡述二者的適用條件。結(jié)果表明:模糊數(shù)學(xué)法更好地揭示了水質(zhì)等級(jí)劃分上的模糊性，能均衡反映各指標(biāo)的綜合影響，評(píng)價(jià)結(jié)果更符合實(shí)際情況，更適用于評(píng)價(jià)指標(biāo)較多的水質(zhì)評(píng)價(jià)。

地下水水質(zhì)評(píng);內(nèi)梅羅指數(shù)法;模糊數(shù)學(xué)法

洪汝河河流域位于淮河流域河南段域南部，行政區(qū)劃包括許昌市、鄭州市、周口市、平頂山、開(kāi)封、漯河市、駐馬店 7個(gè)市，涉及24個(gè)縣、市和區(qū)，面積約22 627.8 km2。多年平均降水量634～1 200 mm。工作區(qū)西部為山地、丘陵，中、東部為平原，西部崗狀平原區(qū)。海拔高度約為80～220 m，由崗區(qū)向平緩區(qū)傾斜［1］。是我國(guó)重要的糧棉油基地，人類活動(dòng)已對(duì)地下水產(chǎn)生不同程度的污染，而地下水的水質(zhì)評(píng)價(jià)已成為當(dāng)務(wù)之急。

1 地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)

1.1 測(cè)試指標(biāo)

2007年由中國(guó)地調(diào)局下發(fā)，查明淮河流域河南平原地區(qū)地下水水質(zhì)和污染狀況，綜合評(píng)價(jià)地下水水質(zhì)和污染程度，建立地下水污染調(diào)查評(píng)價(jià)信息系統(tǒng)，為該區(qū)地下水污染防治、地下水資源保護(hù)及保障飲水安全提供科學(xué)依據(jù)。特在該區(qū)布設(shè)了536組樣品，包括淺層和深層，2008年對(duì)該區(qū)地下水進(jìn)行了取樣化驗(yàn)。

參考《地下水污染調(diào)查評(píng)價(jià)規(guī)范》(DD2008－01)和《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848－2007)(報(bào)批稿)，確定參評(píng)基礎(chǔ)指標(biāo)共49項(xiàng)，分類如下:

1.1.1 常規(guī)指標(biāo)(20項(xiàng))

(1)無(wú)機(jī)指標(biāo)(18項(xiàng))

pH、鐵、錳、鋅、鋁、氯離子、硫酸根離子、總硬度、溶解性總固體、耗氧量、砷、鎘、六價(jià)鉻、鉛、汞、硒、氟離子、硝酸根離子。

(2)有機(jī)指標(biāo)(2項(xiàng))

三氯甲烷、四氯化碳。

1.1.2 非常規(guī)指標(biāo)(29項(xiàng))

(1)揮發(fā)性有機(jī)物指標(biāo)(21項(xiàng))

1，1，1 － 三氯乙烷、三氯乙烯、四氯乙烯、二氯甲烷、1，2－二氯乙烷、1，1，2－三氯乙烷、1，2－二氯丙烷、溴二氯甲烷、一氯二溴甲烷、溴仿、氯乙烯、1，1－二氯乙烯、1，2－二氯乙烯、氯苯、鄰二氯苯、對(duì)二氯苯、苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯;

(2)半揮發(fā)性有機(jī)物指標(biāo)(5項(xiàng))

總六六六、γ－BHC(林丹)、總滴滴涕、六氯苯、苯并(a)芘;

(3)無(wú)機(jī)指標(biāo)(3項(xiàng)))

銨離子、鈉、亞硝酸根。

1.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及依據(jù)

按照地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 14848－93)》對(duì)項(xiàng)城地下水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，該標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)我國(guó)地下水水質(zhì)現(xiàn)狀、人體健康基準(zhǔn)值及地下水質(zhì)量保護(hù)目標(biāo)，參照生活飲用水、工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水水質(zhì)要求，將地下水質(zhì)量劃分為五類:

Ⅰ類:主要反映地下水化學(xué)組分的低天然背景含量，適用于各種用途(適用于集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水);

Ⅱ類:主要反映地下水化學(xué)組分的天然背景含量，適用于各種用途(適用于集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水);

Ⅲ類:以人體健康基準(zhǔn)為依據(jù)，適用于集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水;

Ⅳ類:以農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水要求為依據(jù)，除適用于農(nóng)業(yè)和部分工業(yè)用水外，適當(dāng)處理后可作為生活飲用水;

Ⅴ類:不宜飲用，其它用水可根據(jù)地使用目的再進(jìn)行專門評(píng)價(jià)。

1.3 評(píng)價(jià)方法

1.3.1 內(nèi)梅羅指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)法最初建立在河水污染評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，目前在地下水評(píng)價(jià)上應(yīng)用較多。

式中:PI為水質(zhì)指數(shù);Ci為i污染物的實(shí)測(cè)濃度;Si為 i污染物的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)分級(jí)(內(nèi)梅羅指數(shù)法)見(jiàn)表1。

表1 地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

該方法的水質(zhì)指標(biāo)考慮了各污染物的平均污染水平和個(gè)別污染物的最大污染狀況，但指數(shù)劃分同樣是人為的，依據(jù)該方法得出的結(jié)論與地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1.3.2 模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)方法

1)計(jì)算隸屬度矩陣R

采用比較成熟的"降半梯形分布法"來(lái)計(jì)算函數(shù)，設(shè)評(píng)價(jià)中取n個(gè)污染因子，取第k個(gè)水樣中某一污染因子 i的實(shí)測(cè)值為 Xki，其 j級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值為 Cij(i=1，2，…….，n;j=1，2，……，m)，則污染因子對(duì)各級(jí)水的隸屬函數(shù)如下:

對(duì)I級(jí)水的隸屬函數(shù):即j=1

對(duì) j級(jí)至 m － 1 級(jí)水的隸屬函數(shù):即 j=2，3，.......，n－1

對(duì)n級(jí)水的隸屬函數(shù):即j=m

當(dāng)Xki已知，就可以利用上述隸屬函數(shù)求出k水樣中第i個(gè)污染因子分別對(duì)各級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度，從而可以得到一個(gè)i×j階模糊關(guān)系矩陣R:

2)權(quán)重因子的確定

在綜合評(píng)價(jià)中，考慮到各單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)水質(zhì)影響的高低差別，不僅同實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大小有關(guān)，而且與某種用途中各元素的允許濃度有關(guān)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相同時(shí)允許濃度含量高而標(biāo)準(zhǔn)低的，對(duì)污染程度影響要小，因此要進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。一般采用地下水 III類指標(biāo)加權(quán)法，公式如下:

式中:Wki為權(quán)重因子;Xi為 K水樣第 i個(gè)因子的實(shí)測(cè)值;Si為第i個(gè)因子各級(jí)水標(biāo)準(zhǔn)值的均值;aki為K水樣中第i個(gè)因子的權(quán)重值。

將各單因子的實(shí)測(cè)值和選定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分別代入上式，便可求得各單因子的權(quán)重值，并由其組成的模糊矩陣 A，即因子權(quán)重集:

3)復(fù)合運(yùn)算

確定了隸屬度矩陣R和權(quán)重矩陣A后，可以進(jìn)行矩陣間的復(fù)合運(yùn)算。共有四種模型可供選擇:

模型I記做 M(∨，∧)，即主因素突出型，其中∨，∧ －分別代表取大、取小

其中:B=(b1，b2，……，bm)

模型II記做 M(·，∨)，即主因素突出型，其中·代表求積

模型III記做M(·，⊕)，即加權(quán)平均型，⊕表示求和

模型IV記做M(∧，⊕)即不均衡平均型

選擇好模型進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算后，每個(gè)取樣點(diǎn)都得到一個(gè)1×5階的結(jié)果矩陣，對(duì)其進(jìn)行歸一化處理后，最大值所對(duì)應(yīng)的水質(zhì)等級(jí)即為該水樣點(diǎn)最后的評(píng)價(jià)等級(jí)結(jié)果［2、3］。

1.4 內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

由內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2，適當(dāng)處理后可作為生活飲用的Ⅳ類地下水樣品占91.4%。Ⅳ類和Ⅴ類水定類因子以鐵、錳、氟化物和溶解性總固體為主。

表2 內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

1.5 模糊數(shù)學(xué)法評(píng)價(jià)結(jié)果

模糊數(shù)學(xué)方法采用濃度超標(biāo)法進(jìn)行權(quán)重的計(jì)算，權(quán)系數(shù)是由各污染因子對(duì)各等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的平均值的貢獻(xiàn)，同時(shí)考慮了每種污染物對(duì)不同等級(jí)的貢獻(xiàn)大小(即隸屬程度)，最后的結(jié)果說(shuō)明了所有污染物對(duì)所有不同等級(jí)的貢獻(xiàn)大小，而不是某一等級(jí)，這就能更客觀、更科學(xué)的評(píng)價(jià)水質(zhì)質(zhì)量的問(wèn)題。本次評(píng)價(jià)目標(biāo)是為了均衡反映各指標(biāo)的綜合影響，故選取相乘相加和取小相加兩種算子模型。

由相乘相加法所得評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3:適用于集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水的Ⅲ類地下水樣最多，其次為不適宜飲用水。

表3 模糊數(shù)學(xué)法(相乘相加法)評(píng)價(jià)結(jié)果

由取小相加法所得評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4，適用于集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水的Ⅲ類地下水樣最多，其次為不適宜飲用水。

表4 模糊數(shù)學(xué)(取小相加法)評(píng)價(jià)結(jié)果

2 內(nèi)梅羅指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)法評(píng)價(jià)結(jié)果的比較

從以上評(píng)價(jià)可得出兩種方法評(píng)價(jià)洪汝河流域地下水，如表5和圖1所示:

內(nèi)梅羅指數(shù)法179 11 225 101 20 1 490 2 40 3取小相加 122 5 269 119 21相乘相加

從兩種評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，二者差異還是比較大。

內(nèi)梅羅指數(shù)法突出最高濃度的單項(xiàng)指標(biāo)作用，評(píng)價(jià)的水質(zhì)類別往往由某一種因子所控制，而其它因子所起作用甚微，且各類別由數(shù)值指標(biāo)來(lái)劃分，界限明顯，從而會(huì)出現(xiàn)兩樣本數(shù)據(jù)相差甚微，評(píng)價(jià)結(jié)果卻相差一級(jí)的不合理現(xiàn)象。所得出的結(jié)論多集中于同一類，即本次評(píng)價(jià)結(jié)果Ⅳ類水樣品點(diǎn)極多，占所有樣品的91.4%。從概率學(xué)原理分析其536個(gè)點(diǎn)的結(jié)果，這顯然是不合理的，這種方法評(píng)價(jià)結(jié)果的表達(dá)形式缺乏與級(jí)別間的關(guān)系。所以內(nèi)梅羅指數(shù)法要求不是很嚴(yán)格的一般地下水以及一些平常用途水質(zhì)評(píng)價(jià)，例如當(dāng)水質(zhì)評(píng)價(jià)的目的是為了判斷地下水是否適于飲用時(shí)，這種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果還是較為理想的。

模糊綜合評(píng)判法考慮到水質(zhì)分類界線的模糊性，通過(guò)最佳隸屬度來(lái)判斷某一水體所屬水質(zhì)等級(jí)的最

大可能性;使用隸屬函數(shù)刻劃污染物對(duì)相鄰兩等級(jí)的隸屬程度，較好地揭示了水質(zhì)等級(jí)劃分上的模糊性，可以克服當(dāng)分析結(jié)果逼近評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)臨界值兩側(cè)時(shí)，更能顯示出該方法的優(yōu)劣;采用多因子超標(biāo)加權(quán)計(jì)算權(quán)重，評(píng)價(jià)結(jié)果更符合實(shí)際情況。本次評(píng)價(jià)指標(biāo)較多，為均衡反映各指標(biāo)的綜合影響，從評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出這種方法也更切實(shí)際。

圖1 兩種評(píng)價(jià)結(jié)果曲線對(duì)比圖

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)內(nèi)梅羅指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)法評(píng)價(jià)結(jié)果的比較分析可知，模糊數(shù)學(xué)法更適合于要求更高的水質(zhì)評(píng)價(jià)，雖然受限于計(jì)算量較大以及數(shù)學(xué)模型在水質(zhì)評(píng)價(jià)中實(shí)踐較少。不過(guò)可以預(yù)見(jiàn)，隨著工農(nóng)業(yè)更為迅速的發(fā)展，人們對(duì)于地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)的要求也會(huì)越來(lái)越嚴(yán)格，加之將計(jì)算機(jī)輔助運(yùn)用于水質(zhì)評(píng)價(jià)計(jì)算，模糊數(shù)學(xué)法在今后的水質(zhì)評(píng)價(jià)中將占據(jù)主導(dǎo)地位。

特別需要指出的是不管何種方法，評(píng)價(jià)因子的選擇直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果，因此評(píng)價(jià)因子的選擇應(yīng)客觀具有代表性。

［1］左正金，等.淮河流域(河南段)1:25萬(wàn)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查報(bào)告.河南省地質(zhì)調(diào)查源，2003.

［2］羅定貴，徐輝.模糊數(shù)學(xué)在地下水環(huán)境評(píng)價(jià)中的應(yīng)用.華東地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào)，1994－12.

［3］張燕君，許廣明.模糊數(shù)學(xué)方法在博山區(qū)地下水水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)中的意義.河北地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào)，1995.

P641.12

B

1004－1184(2012)01－0020－03

2011－09－14

劉海風(fēng)(1983－)女，寧縣中衛(wèi)人，助理工程師，主要從事水工環(huán)工作。