不同評價方法在阿克蘇市地下水水質評價中的應用分析

劉 誠

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

阿克蘇市位于新疆維吾爾自治區西南部，塔里木盆地的西北邊緣，天山南麓，阿克蘇河沖積扇上，地理坐標為北緯39°30′-41°27′，東經79°39′-82°01′。阿克蘇河作為境內主要河流，隨著社會不斷發展，城市建設與工農業的發展不僅對地下水的形成和補給產生了一定的影響，同是使地下水水質也出現不同程度上的變化[1]，從2011年到2014年，阿克蘇河實際來水量從93.31 億m3降低到61.04 億m3[2]，降幅顯著，近年來，由于阿克蘇市的人口增加與農業開發導致水資源供需矛盾更加突顯，使灌溉水資源的需求量不斷增加，伴隨著綠洲耕地面積擴大與耗水量增加的同時，水質惡化和水體污染等問題也隨之而來，如在2009年和2011年對阿克蘇地區英麥力鎮地下水水質的分析結果顯示，Ⅲ類水質的比重<50%，與2009年水質相比總體上呈變差趨勢，地下水作為水循環系統中的重要構成成分，通常是水質較好、水源穩定的供水水源[3]，因此地下水的合理開發與利用不僅是灌溉水資源的重要來源，更是現代農業可持續發展的重要保障。而水資源可持續開發利用的前提是水環境質量的定量化客觀評價，這也是環境管理與決策的依據。目前，在水環境質量的綜合評價中應用較多的主要有單因子評價法[4]、F值評價法[5]、層次分析法[6]、模糊綜合評價法[7]、灰色關聯評價法[8]和人工神經網絡法[9]及綜合污染標識指數法[10]等。出于評價指標與水質類型間比較復雜的非線性關系，以及地下水實際水體污染的隨機性和模糊性，對于地下水水質評價難以用單一的模型進行準確評價，大多數研究者均采用多個評價模型對所研究的水體進行綜合評價[11-14]，從而得到較穩定可信的定性評價。本文根據前人研究進展，采用單因子評價法、F值評價法、灰色關聯分析法和模糊綜合評價法4種評價方法，對阿克蘇市16處地下水監測井的地下水水質進行綜合評價，通過綜合比較分析評價結果，探討各評價方法的適用性與優缺點，使評價結果能更客觀更科學的反映水體的實際情況。

1 水質評價方法

當前，在地下水水質評價方法中有單因子評價法、F值評分法、綜合評價法、綜合污染指數法、內梅羅指數法等、模糊綜合評價法、灰色理論評價法、人工神經網絡分析法等，在國家層面上對地下水水質評價中最常用的方法是F值評分法，而研究最多的是綜合污染指數法、模糊綜合評價法和灰色理論評價法。本文對地下水水質評價的研究，根據前人普遍采用的評價方法，應用單因子評價法、F值評分法、灰色關聯法、模糊綜合評價法對地下水水質進行綜合評價，并根據結果對不同評價方法的適用性和優缺點進行探討。

1.1 單因子評價法

單因子評價法是分別對單個指標進行分析評價，根據地下水水質標準(DZ/T0290-2015)[15]，將評價對象的實測值與對應的評價標準值進行比較，按照地下水質量標準[16]，將地下水質量劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ類，再選取評價指標中最差的類別作為水體的水質類別。計算公式為：

G=MAX(Gi)

(1)

式中：Gi為第i項評價指標的水質類別。

1.2 F值評價法

F值評價法是GB/T14848-2017中推薦使用的綜合評價法。首先根據地下水質量標準對各指標進行單項指標評價，按五類分類指標標準，當出現不同類別標注值一樣時，按照從優不從劣的原則劃分各單項指標所屬的質量類別，再根據各單項指標所屬的質量類別來分別確定其對應的評價分值Fi(表1)。

表1 地下水水質級別與賦分標準Tab.1 Grade and standard of groundwater quality

然后綜合對比各項指標的評價結果，通過公式(2)和公式(3)計算出水質樣口的綜合評價分值F。

(2)

(3)

最后根據各水質樣品的綜合評價分值F，對照表1來進行地下水質量綜合級別的劃分。

1.3 灰色關聯分析法

灰色關聯分析法是灰色系統理論的基本方法，它是通過對研究系統內各要素的相互關系、作用與影響進行關聯度量化，從而確定參考序列與多個對比序列間的關聯性。如在進行地下水水質評價時，將水體實測值作為參考數列，將地下水的分級標準值作為比較數列，然后通過參考數列求出的五個關聯度中最大關聯度所對應的比較數列的級別就是待評價水體所對應的水質分類標準[8,11]。

(1)對原數據進行無量綱化處理，建立參考數列與對比數列。

設實測樣品序列有m個，包含n個評價指標，則第i個實測樣品數列為：

Xi={xi(1),xi(x),…,xi(k),…,xi(n)} (i=1,2,…,m)

(4)

設對比序列共s級，第j級標準的對比數列為：

Yj={yj(1),yj(2),…,yj(k),…,yj(n)} (j=1,2,…,s)

(5)

式中：xi(k)為第i個樣品數列中第k項評價指標的實測值；yj(k)為第j級水質標準中第k項指標的取值。

(6)

(2)求差數列。

(7)

(3)計算關聯系數。

(8)

式中：Δmax為Δji(k)的最大值；Δmin為Δji(k)的最小值；ρ取0.5。

(4)計算關聯度。

(9)

(5)關聯度排序。根據公式(9)計算出的關聯度矩陣中找到每行的最大值，則為監測水體所屬的水質等級。

1.4 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法是對多種模糊因素所影響的事物或現象進行總體的評價。在水質類型模糊綜合評價上是通過建立水質各指標與對應各級水質標準的隸屬度集，然后形成隸屬度矩陣，再將各指標因子的權重與隸屬度矩陣相乘，得到一個綜合評價集，從而表明出水質指標對各級水質標準的隸屬度，最終反映綜合水質級別的模糊性[17]。具體步驟為：

1.4.1 建立評價對象因子集

要對一個對象進行全面準確的評價，首先要對該對象的各個因子進行相應的評價，在地下水水質的評價中，評價因子集合可以是地下水水體中的多項指標，本文選取監測得到的PH值、總硬度、總溶解性固形物、氯化物、氟化物、硫酸鹽、氨氮和高錳酸鹽指數作為評價因子集。記為：

U={U1,U2,…,Ui,…,Un} (i=1,2,…,n)

(10)

式中：n為評價因子數；Ui為第i個評價因子實測值。

1.4.2 建立評價等級集

評價標準等級集合是水質評價的基礎，各個評價因子相應的質量標準等級的集合記為：

V={V1,V2,…,Vi,…,Vn} (i=1,2,…,n)

(11)

式中：n為評價等級級別數；Vi為與Ui相對應的評價標準集。

1.4.3 確定評價因子的模糊權向量

在地下水水質評價過程中，要對每個評價因子Ui都賦予一個相應的權重ai，最終構成權重集A，記為：

A(a1,a2,…,ai,…,an)

(12)

對因子賦權，由于每個參評因子對水質影響的貢獻率不同，就有不同的權數分配，因此需要對各因子加權。目前以污染物的超標情況決定權重的方法應用較為廣泛，通常情況下，各水質評價因子的監測值越大，其相對于水質標準的超標倍數就越大，權重也就越大，這是因為超標倍數越大，污染貢獻率就越大，所以權重也就越大。但有個別因子除外，如水質中的DO，超標越多，權重反而越小。

利用超標法計算權重，公式如下：

(13)

1.4.4 建立相應的單因素評判矩陣

通常用函數分布形態曲線求隸屬函數，本文采用降半梯形法建立隸屬度函數，建立一元線性隸屬函數[18]，再根據評價因子個數、水質質量標準分級和在各級的隸屬度來確定模糊矩陣，各級水質的隸屬度函數計算公式如下：

(1)當Ci屬于第Ⅰ等級的隸屬度函數為：

(14)

(2)當Ci屬于第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等級的隸屬度函數為：

(15)

(3)當Ci屬于第Ⅴ等級的隸屬度函數為：

(16)

式中：Ci為評價因子實測值；rij為評價指標i對j級水質的隸屬度；Sij為評價指標的j級水質標準值。

如有n個水質評價指標，分m級水質標準，則可構造n×m階的模糊矩陣R。

(17)

1.4.5 模糊綜合計算

單因子的模糊綜合評價存在一定的局限性，因為它僅反映出了單個評價因子對評價對象的影響，而不能綜合反映出所有評價因子對評價對象的影響。因此，必須將模糊權重集A與單因素模糊評價矩陣R進行復合，然后采用加權算術平均合成法，對綜合評價模型B=A×R，記為B=(b1，b1，…，bm)，進行模糊復合運算，最后根據最大隸屬度原則，其中的最大值所對應的等級判定水質等級。

2 結果與分析

根據阿克蘇市16處地下水監測井的水樣數據，采用單因子評價法、F值評價法、灰色關聯分析法和模糊綜合評價法對水質進行評價。根據監測指標數量，選取pH值、總硬度、總溶解性固形物、氯化物、氟化物、硫酸鹽、氨氮和高錳酸鹽指數共8項評價指標，各觀測點實測數據如表2所示。

表2 樣品中各評價指標的實測值Tab.2 The measured values of each evaluation index in the sample

2.1 單因子評價法評價地下水水質

依據參考文獻[16]對16個樣品的各指標按從優不從劣的原則進行單項指標評價，評價結果見表3，可以看出，1號和7號水質為Ⅳ類，而其他水樣的水質等級均為Ⅲ類。

表3 單因子評價法評價結果Tab.3 Single factor evaluation method

2.2 F值評價法評價地下水水質

根據各水樣評價指標的實測值及地下水水質分級標準值，利用單項組分評價賦分標準(表1)和公式(2)與公式(3)計算出各指標綜合評價分值，再結合表1確定地下水質量級別，結果如表4所示。從表4中可看出，1號、2號和6號為Ⅲ類，而其余樣品的水質較好，均為Ⅱ類。

表4 F值評價法評價結果Tab.4 Evaluation results of F evaluation method

2.3 灰色關聯法評價地下水水質

采用灰色關聯分析法對阿克蘇地下水水質的評價結果如表5所示，從表中可以看出，1號和7號是Ⅲ類，2號和11號是Ⅱ類，其他均為Ⅰ類。

表5 灰色關聯分析法評價結果Tab.5 Grey correlation analysis method to evaluate the result

2.4 模糊綜合評價法評價地下水水質

采用模糊綜合評價法計算得到的水質各樣品等級結果見表6，由表可知，1號、2號和16號水樣為Ⅱ類，其余水樣均為Ⅰ類。

表6 模糊綜合法評價結果Tab.6 Fuzzy comprehensive evaluation results

2.5 不同水質評價方法結果對比

綜合對比單因子評價法、F值評價法、灰色關聯分析法和模糊綜合評價法4種評價方法對實測水質樣品的評價結果如表7所示。總體上看，單因子評價法與F值評分法的評價結果比較接近，而灰色關聯分析法和模糊綜合評價法的評價結果比較接近，而且采用模糊綜合評價法的水質最好，灰色關聯分析法次之，然后是F值評價法，而單因子評價法的水質最差。從各評價方法上看，在16處監測點中其中，單因子評價法中Ⅲ類水質的有14處，占87.5%；Ⅳ類水質的有2處，占12.5%，沒有Ⅰ類和Ⅱ類及Ⅴ類水質。F值評價結果中，水質類別為Ⅱ類的有13處，占81.25%；水質類別為Ⅲ類有3處，占18.75%，評價結果中沒有Ⅰ類、Ⅳ類和Ⅴ類水質。灰色關聯分析法評價結果中，Ⅰ類水質11處，占68.75；Ⅱ類水質3處，占18.75；Ⅲ類水質的有2處，占12.5%；沒有Ⅳ類Ⅴ類水質。模糊綜合評價法結果中，水質類別為Ⅰ類的有13處，占81.25；水質類別為Ⅱ類的有3處，占18.75，沒有Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類水質。

對比4種評價方法可發現，單因子評價法與模糊綜合評價法差異最大，是由于在單因子評價法中是以水質最差的單項指標確定水質類別，如1號水樣中，除pH值、氨氮和高錳酸鹽指數3個指標外，其他指標按地下水水質分級標準均為Ⅳ類，因此，該水樣為Ⅳ類，此結果表明該評價方法較為嚴苛，它只考慮了監測指標中污染狀況最嚴重的因子對整體評價結果的影響，而弱化了其他評價因子對水質的影響，使相同類別的水體無法進行比較。而在模糊綜合評價法中，因為忽略了少數監測指標中超標的污染因子所產生的影響，從而使整體的評價結果過于樂觀，得到的較好的水質類別。

表7 不同評價方法水質評價結果Tab.7 Water quality evaluation results of different evaluation methods

3 結 論

利用阿克蘇市16處地下水觀監井的監測數據，采用4種評價方法對地下水水質進行評價，結果表明，單因子評價法雖然可以直觀的反映出超標項目，但不能對整體水質類別進行綜合判定，因而評價出的水質類別偏劣；F值法相比單因子評價法，應用綜合評分值可以反映出水質整體狀況，但僅局限在各評價指標分類級別較分明的情況下，且超標項目多或沒有的條件下，使得評價結果中更加凸顯了超標污染指標的級別，而且評價結果不連續；灰色關聯分析法由于排除了以一個監測指標值作為分界點的缺點，更全面有效地利用了水樣的監測數據，從而得到比較一致的水質評價結果，也比較符合水樣的實際水質狀況；模糊綜合評價法由于在計算過程中充分考慮了不同水質類別分界線的模糊性，而且考慮了評價因子對水質權重的影響，從而可以體現出各評價因子對水質的綜合影響，但同時，該評價方法計算比較復雜，不易實際操作，且不能確定出主要的污染指標，如重金屬和有毒有機物等污染物指標可能被掩蓋。因此，在對水質進行評價時因根據實際的監測數據與評價目的選擇不同的評價方法，使評價結果更加準確，從而更科學客觀地反映出水體的實際情況。