三种地下水水质评价方法的应用对比分析

张新钰，辛宝东，刘文臣，王晓红，郭高轩，陆海燕

（北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

三种地下水水质评价方法的应用对比分析

张新钰，辛宝东，刘文臣，王晓红，郭高轩，陆海燕

（北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

本文给出了目前地下水水质评价中，常用的单项组分评价方法、F值法和模糊综合评判法基本原理。并运用这三种方法分析了北京市大兴区地下水水质，阐述各种方法的优缺点及适用条件，为地下水水质评价评价方法选用提供依据。

地下水；水质评价；对比分析

0 引言

水是人类赖以生存的重要资源之一，是社会发展和经济发展重要的物质基础,近年来随着我国国民经济的迅速发展以及人口的急剧增加，用水量剧增,污水排放量增加，水污染成为严重的环境问题之一。目前，我国有关城市70%～80%的浅层地下水和30%的中深层地下水已经被污染，有关资料表明，全国1/4城市地下水饮用水不符合国家标准，约有30%的人口饮用水受到不同程度的污染，由水质污染带来的水质危机日趋严重[1]。

20世纪以来，地表水常用单因子指数法、综合指数法等评价水质，地下水的水质评价中也沿用这种方法。20世纪60年代以来，国外有人运用数学模型定量描述水质，如Zadeh LA.（1971），Tamura S et al（1971）将模糊数学理论应用于地下水水质的研究；90年代以来，国内开展了大量相关方面的研究和应用，如郑成德探讨了灰色聚类法在地下水质量评价中的应用[3]，肖红等用灰色聚类法研究许昌市中浅层地下水的水质[4]，许顺国[5]、王淑臣[8]分别应用模糊数学法对成都市的府河水及深圳东昌区的地下水进行了分析。水质新评价方法的研究取得了一定的进展，但目前还没有一个通用的地下水水质现状评价模型。

客观、科学描述地下水水质是地下水环境规划和管理的必要前提，也是地下水污染防治的依据，由于评价因子与水质等级间之非常复杂的非线性关系及水体污染的随机性和模糊性[9][10]，评价方法的选择尤为重要，评价方法的研究是近年来水环境领域的一个热点和难点问题[11][13]。

本文介绍了近年来关于地下水水质评价方法方面的进展，介绍了模糊数学法、F值法及水质分级法等地下水水质评价方法的基本原理，对北京市大兴区地下水水质评价结果进行了对比分析，为合理选择水质评价方法提供依据。

1 地下水水质评价方法

目前常用的地下水质评价方法，有单因子评价方法、综合评价方法两大类。

（1）单因子评价方法

单因子评价主要是反映地下水中某一单一污染物的情况。国家技术监督局1993年12月30日批准、1994年10月1日实施的《地下水质量标准》(GB14848-93) 规定了地下水39项评价因子的质量分类，单项因子评价主要依据该标准。

（2）综合评价方法

综合评价是通过多个指标综合判断地下水的水质状况，方法有很多，如综合指数法中的F值评分法、内梅罗指数法等，以及在计算机和数学基础上发展起来的一些方法，比如灰色理论评价方法、人工神经网络分析法及模糊数学法。F值评分法是目前地下水水质评价的常用方法（GB14848-1993《地下水质量标准》中推荐使用），模糊数学法在地下水水质评价中的应用探讨较多，其主要的评价方法有模糊综合评判法、模糊模式识别法和模糊聚类法。以下简介F值评分法和模糊综合评判法。

1.1 F值评分法

F值评分法是我国GB14848- 1993《地下水质量标准》中推荐使用的地下水水质评价方法，其评价步骤如下。

（1）首先进行各单项组分评价, 划分组分所属质量类别, 对各类别按表1分别确定单项组分评价分值Fi（共分为Ⅴ类）。

表1 地下水质量评分表

（2）根据下列公式计算综合评分值F

式中：F 各单项组分评分值F的平均值；

Fmax单项组分Fi的最大值；

n 项数。

（3）根据综合评分值F确定水质分级（共分为五级，见表2）

表2 地下水质量分级表

1.2 模糊综合评判法

1965年由美国专家L.A.Zadeh创始的模糊数学,近年来在环境科学中得到了应用。它使系统中的不确定性通过隶属度加以量化,在环境质量评价中显现出其优越性。 模糊综合评判是对多种因素所影响的事物或现象,根据给出的评价标准和实测值,经过模糊变换,对其做出总评价的一种方法。模糊综合评判法主要步骤如下。

(1) 建立因素集

选择对水质影响较大的因子建立评价指标因素集，根据不同地区的水质影响因素进行不同的选择。

(2) 确定评价评语集

在地下水水质评价中可选用水质分级的Ⅴ级：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分别代表水质优良、良好、较好、较差、极差。

(3) 建立隶属函数，构造模糊关系矩阵

用函数分布形态曲线求隶属函数，通常用降半梯形和升半梯形求两端等级的隶属度，用对称山形求中间等级的隶属度，根据评价因子个数、水质标准质量分级及其在各级的隶属度确定模糊矩阵。

各级水质的隶属度函数计算。

属于第一级水质的隶属度函数为：

属于第j级水质的隶属度函数为：

属于最后一级水质的隶属度函数：

rij 为C评i ≥价S因in子Cii对 ≥Sjin级 水质的隶属度；

Ci评价因子的实测浓度值；

Sij评价因子的j级水质标准值；

若有n个评价因子，共有m级水质标准，则可构造n m阶的模糊矩阵R。

(4) 确定权重

在综合评价中，考虑到各单项指标高低差别，其评价因子对环境污染及人身健康的影响程度是不同的，在总体污染中的作用大小是不一样的，当多因子共同影响环境时，应能反映出因子之间的协同、拮抗作用，进行权重计算很有必要。

(5) 模糊综合运算

将指标权重矩阵与模糊关系矩阵进行复合运算, 即可得到评价对象属于各评价等级的程度矩阵，根据最大隶属度原则,取其中的最大值对应的等级为评价对象的等级。

2 实例运用分析

以北京市大兴区1908年度浅层地下水水质样本随机抽样15例，采用单项组分水质分级法、F值法、模糊数学法进行水质评价。

评价因子的选择是进行评价的至关重要的一步，根据前人的研究成果以及对北京地下水水样中各指标的累积超标频率统计，评价指标选用氨氮、氯离子、硫酸根、硝酸根、亚硝酸根、氟化物、锰、总硬度、溶解性总固体等9项评价指标，参考标准采用表3，表4是14个水样中各评价因子的实测值。

表3 地下水质量分级标准（mg/l）

表4 北京大兴区浅层地下水检测数据表（mg/l）

（1）单项组分评价地下水水质（表5）

表5 单项组分评价结果

（2）F值法评价地下水水质

根据中华人民共和国地下水质量标准（GB/ T14848-93）评价指标的实测值及标准值，利用F值法进行分类和计算，其评价结果见表6。

表6 F值法评价地下水的等级表

（3）模糊数学法评价地下水水质

首先根据降半梯形和升半梯形求第Ⅰ类和第Ⅴ类的隶属度，用对称山形求第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类的隶属度，构造9 5阶的模糊矩阵。

以1号水样为例，根据上述公式计算各评价因子各级的隶属函数：

第一级水质的隶属度计算公式：

第二级水质的隶属度计算公式：

第三级水质的隶属度计算公式：

第四级水质的隶属函度计算公式：

第五级水质的隶属度计算公式：

由各级隶属度计算结果构造9*5阶的模糊矩阵R如下：

求取权重W的方法采用污染物浓度超标加权法，其计算公式如下：

计算得到的1号样品各评价因子的权重为：

模糊综合运算求各级隶属度B，B = W ·R = (W1,W2, W3,W4,W5)。

计算结果表明，1号样品属于Ⅰ类水的可能性为6.4%，属于Ⅱ类水的可能性为10.3%，属于Ⅲ类水的可能性为34.8，属于Ⅳ类水的可能性为41.2%，属于Ⅴ类水的可能性为7.5%。根据最大隶属度原则，1号样品的水质为Ⅳ类。

同理得出的其它水样的各级隶属度及评价结果见表7。

表7 模糊综合评判法评价结果

3 讨论与分析

单项组分分析表明研究区超标较严重的因子为总硬度和溶解性总固体，未超标的水样总硬度和溶解性总固体的值基本属Ⅲ类；其次为锰，14个水样中有4个样品的锰含量达到了Ⅳ类；再次为氟，其它离子除氯离子和硝酸根离子各有一个水样超标外，其余都在Ⅲ类以内。

14个水样中F值法和模糊综合评判法水质评价的结果完全相同的为12个，有差别的为3个（见表8）。DX-644号样品水质类型F值法为Ⅱ类，模糊数学法为Ⅰ类，这种差别主要是由于模糊数学法用隶属函数描述水质分级界限更为精细。DX-667号和DX-654号样品水质类型，F值法为Ⅳ类水，而模糊数学法分别为Ⅱ类和Ⅰ类，二者差别较大。两个样品中的所有评价因子中只有一个因子超标，在这种情况下由于F值法中考虑最大污染因素，即使参评项目中只有一项指标值偏高，而其它指标值较低也会使综合评分值偏高，所以这种情况下的F值法的评价结果有待斟酌。而在超标因子较多或者没有超标因子的情况下，两种方法的评价结果相近。

表8 三种评价方法评价结果综合表

4 结论

以上分析表明：单因子评价方法简单、明了，虽然不能全面的反映水质的整体状况，但评价结果能直观反映单项组分的超标情况，清晰判断出主要污染因子及其分布区域。F值法利用综合评分值，根据相应的分级标准确定水质类型，在超标因子较多或者没有超标因子的情况下可以较合理的反映水质状况。但是它极突出最大污染因素，即使参评项目中只有一项指标值偏高，而其它指标值较低也会使综合评分值偏高，一定程度上高估水质污染程度。模糊综合评判法充分考虑了水质分级界线的过渡性，比F值法直接根据临界判据截然将水质进行分级更准确，并且它考虑了不同的评价因子对地下水水质的影响权重，评价结果更精确。模糊综合评判法在工作精度要求较高的情况下，可广泛应用，但是它计算比较复杂，在评价面积较大、评价对象数量较多的情况下，应用比较困难，需要借助计算机辅助编程完成。所以，在实际运用中，要结合具体的问题，合理选用方法，取得最优的评价结果。

[1]尹国勋，李振山等.地下水污染与防治[M]. 北京：中国环境出版社，2005.

[2]孙才志,廖资生. 水质模糊评价中污染因子赋权方法的改进及应用[J].勘察科学技术,1998,16（6）:3～6.

[3]郑成德.水环境质量评价中的灰色聚类法[J].水文，1998,4:23～28.

[4]肖 红,徐运卿.灰色聚类法在许昌市中浅层地下水水质评价中的应用[J], 江苏环境科技,1998,2:40～42.

[5]王淑文，刘 臣.水环境质量评价的模糊数学法[J],吉林水力,2001,2:20～22.

[6]GB/T14848-93,地下水质量标准[S].

[7]中华人民共和国卫生部卫法监发[2001]161号.生活饮用水水质卫生规范[R].2001.

[8]许顺国,牟瑞芳等.模糊数学综合评判法在水质评价中的应用 以成都市府河为例[J],唐山师范学院学报,2007,29（2）:68～70.

[9]林 建. 2002年.北京城近郊区地下水污染演变分析研究[D].长春.吉林大学，81页.

[10]林 沛. 2004年.北京城近郊区地下水质评价与趋势分析[D]. 长春.吉林大学，80页.

[11]苏耀明，苏小四.地下水水质评价的现状与展望[J].水资源保护,2007,23（2）:4～12.

[12]彭祖增,孙韫玉.模糊数学及其应用[M]. 武汉:武汉大学出版社,2002.

[13]王文强. 地下水水质评价方法浅析[J].地下水，2007，29（6）：37～39.

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