模糊综合评判法在淮南市浅层地下水评价中的应用

刘园园，许光泉，朱代双

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001)

模糊综合评判法在淮南市浅层地下水评价中的应用

刘园园，许光泉，朱代双

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001)

通过对淮南市浅层地下水水样进行测试、分析，选取氯离子、硫酸盐、硝酸盐氮、总磷、锰、铅等六项指标为评价指标，依据《地表水环境质量标准》(GB3838－2002)，运用模糊综合评判法对研究区水质进行了合理评价。研究结果表明:淮南市浅层地下水综合水质较差，大部分地区浅层地下水已遭受到不同程度污染，多数水体不能直接作为饮用水。

浅层地下水;模糊综合评判;水质评价

淮南市是一个以煤炭工业为主体，兼电力、化工为重点的较大工业城市。随着工农业的迅速发展，各种废弃物也越来越多，污染物、污染源和污染途径亦越来越多。而位于浅部的浅层地下水所受到的危害是首当其冲。如果地下水遭到严重污染，即使水量很丰富，作为水源地来说也不足取［1］。因此，为科学管理地下水资源，为区域经济发展提供水资源保障，必须首先对地下水水质进行调查与评价，以便及时采取各种有效措施，保护和改善地下水水质。由于水质综合评价中的污染程度、水质类别都是一些客观存在的模糊概念和模糊现象，因此，用模糊理论进行水质评价，更能客观地反映水质的实际状况［2］。

本研究选取淮南市浅层地下水的氯离子、硫酸盐、硝酸盐氮、总磷、锰、铅等六项指标为评价指标，根据《地表水环境质量标准》(GB3838－2002)，采用模糊综合评判方法，系统评价淮南市浅层地下水综合水质，全面认识浅层地下水水质分级，为合理开发、利用和保护地下水资源提供了科学依据。

1 研究区概况

淮南位于江淮丘陵与黄淮平原的交界处。淮南市辖六区一县，包括淮河以南的大通区、田家庵区、谢家集区、八公山区，淮河以北的潘集区和淮河以西毛集实验区、凤台县，是一个以煤炭工业为主体，兼电力、化工为重点的较大工业城市。

研究区地下水资源主要分布在新生界沉积层，属于松散岩类孔隙水，赋存于第三系及第四系松散沉积物中。含水层为一套冲积、冲积－洪积、湖积的砂、砂砾石以及砂或亚砂土层，总厚度5～300 m，分布于淮河南北的平原地区。区内浅层地下水的污染途径为间歇渗入型、连续渗入型、越流型和径流型等四种［3］。

近几年来，随着研究区经济的迅速发展，各类工矿企业排放的废水及城市生活污水等，通过排污渠、排污河沿途渗漏等多种途径不断进入地下水系统，使得区内浅层地下水受到不同程度的污染，且危害程度也日趋明显，水质状况令人担忧。因此，合理评价区内浅层地下水水质及污染状况，对于重新认识浅层地下水水质状况、合理利用和保护地下水资源以及促进淮南市社会经济的可持续发展具有重要意义。

2 水样采集与分析

水样采集范围主要是研究区内淮河以北的潘集区和凤台县。为全面评价研究区内浅层地下水水质状况及污染程度，采样点依据均匀分布、重点地方加密的原则，共采集浅层地下水水样70个。这些水样采自研究区的农村饮用井水，深度在6～50 m之间不等，采样点分布如图1所示。

测试指标为氯离子、硫酸盐、硝酸盐氮、总磷、锰、铅等六项指标。测试方法:氯离子采用硝酸银容量法测定;硫酸盐采用EDTA容量法测定;硝酸盐氮和总磷采用紫外—可见分光光度计测定;锰和铅元素采用火焰原子吸收光谱仪测定。

图1 研究区浅层地下水采样点分布图

3 淮南市浅层地下水水质评价

为全面反映淮南市浅层地下水污染的基本情况，根据《地表水环境质量标准》(GB3838－2002)，选取了具有代表性的氯离子、硫酸盐、硝酸盐氮、总磷、锰、铅等六个评价因子进行评判［4］。

模糊综合评判法是借助模糊综合变换，综合考虑与被评事物有关的各个因素，对事物做出总的评价，并给出综合评判值，得出综合评价结果。该方法的最大优点是可以解决地下水体中各指标含量值连续过渡性与界限不分明而评价标准中等级的界定却有严格数值的问题［5］。地下水瞬时采样和监测分析过程中产生的误差都是随机的，监测结果相对于评价标准又是模糊的。因此，适宜采用模糊综合评判方法进行评价。

评判过程:运用模糊数学方法，建立地下水水质模糊综合评价的数学模型。该模型通过建立隶属函数、确定因子权重，采用模糊矩阵复合运算，再通过复合运算求出不同水质级别的隶属度;根据隶属度大小确定水质级别，综合给定地下水污染状况，能较大程度地克服人为因素影响，评定结果更加科学、准确。

3.1 污染等级的划分

按照《地表水环境质量标准》(GB3838－2002)中规定，浅层地下水使用目的和保护目标，我国地面水分五大类:Ⅰ类水质主要适用于源头水，国家自然保护区，水质良好，经过简易的消毒即可供生活饮用者;Ⅱ类水质受到轻微的污染，经过净化处理后可供生活饮用者，主要适用于集中式生活饮用水、地表水源地一级保护区等;Ⅲ类水质适用于集中式生活饮用水源地二级保护区、一般鱼类保护区及游泳区;Ⅳ类水质主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区;Ⅴ类水质主要适用于农业用水及一般景观要求水域，不适合饮用。

依据《地表水环境质量标准》划分浅层地下水的污染等级，将淮南市浅层地下水划分为5个污染等级，即Ⅰ级(清洁级)、Ⅱ级(较清洁级)、Ⅲ级(轻污染级)、Ⅳ(污染级)、Ⅴ级(重污染级)，水质污染参数的分级标准值见表1。

3.2 因子确定及隶属函数的建立

评价中取m个污染因子，取k个水样，第i个污染因子值为X，求出各污染级别的隶属度，取分级级别为5，且建立隶属函数通式。对于不同等级水的隶属度为:

式中:A、B、C、D、E分别为某个指标所对应的 I－V级水的判别值;Yi为某个指标对i级水的隶属度;X为某个指标的实测值。由隶属度可以构造出m×5的隶属矩阵，即矩阵R。

表1 浅层地下水水质分级

3.3 建立权重模糊矩阵

本文主要采用地下水质标准和分析判别相结合的方法，即根据水质指数Ci/Coi(Ci为实测值，Coi为国家饮用水标准)的大小确定权重，Ci/Coi大，权重亦大，反之就小。得到两个权重模糊集α和β，它们都是U上的模糊子集。

式中:Ci为各评价因子的实测值;Si为每个因子所对应的各个水质级别的判别值之和的平均值;βi为根据以上分析所得出的权重序列人为给予得数值，且∑βi=1。

求模糊集得代数积，并归一化，得到修正的权重模糊矩阵A:

3.4 评判运算

评判运算是通过复合运算实现的，用Q表示，有:

通过上式即可计算出最终评价结果 Q={q1，q2，q3q4，q5}，取qmax=max{qi}所对应的级别即为该水样点所属的水质级别。

3.5 评价结果

应用模糊综合评判法得到的研究区内各水样点对应地区所属的水质级别如表2所示，各水质等级所占比例如表3所示。

表2 淮南浅层地下水水质评价结果

徐瓦房村 Ⅴ 0.025 0.372 0竹园村 Ⅱ 0.070 2 0.526 8 0武集村 Ⅱ 0.075 0.449 0.108 6界沟村 Ⅴ 0.025 0.370 1 0.012 3大兴集 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刘集村 Ⅴ 0.025 8 0.397 2 0.14刘集乡孤山村 Ⅴ 0.299 0.299 0.140 1尚塘乡尚塘村 Ⅴ 0.285 6 0.285 6 0.088 3联民村 Ⅴ 0.336 2 0.336 2 0古店乡 Ⅴ 0.225 0.367 4 0.092 2古店乡王大村 Ⅴ 0.05 0.318 2 0顾桥镇 Ⅱ 0.275 0.457 7 0.078 8桂集镇 Ⅱ 0.45 0.55 0.086 3高曹村 Ⅱ 0.475 0.525 0.114 2凤台县 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姚家湖狮子桥 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 水样所占比例

结果表明:研究区内五类水和二类水所占比例较大，分别为57.13%和24.29%。其中潘集区五类水所占比例为52.63%，主要分布在潘集的庙新村、胜利村、瓦房村等地区;其次，四类水占36.84%，一类水仅占10.53%，说明潘集区大部分地区浅层地下水水质较差。凤台县五类水所占比例最大，为58.82%，主要分布在凤台县的北部如常庙、新集、刘集乡山口村等;二类水占33.33%。由潘集区和凤台县水质等级相比较可以看出:两个地区五类水所占比例均最大，不同的是潘集区的四类水次之，而凤台县则是二类水次之。

4 治理对策与建议

地下水污染具有隐蔽性和难以逆转性，因此，地下水一旦受到污染，对其进行处理就很困难，所以对于地下水污染应遵循以防为主、防治结合的原则。对此，提出以下几点建议:

1)淮南市是煤炭城市，其浅层地下水在很大程度上受其污染，而塌陷区居民饮用水更是如此。对此，应对矿井水、工业废水及居民生活废水进行处理，使其达到国家污水排放标准后排放。

2)应及时整治由矿山开采造成的大面积地面塌陷，复土造田，恢复原貌，对于无法恢复的，可以利用塌陷塘发展养殖业，用以改善积存的水质，避免引起地下水水质的继续恶化。

3)科学合理地使用农药、化肥，如大力推广复合肥的使用，提高肥料的利用效率，并减少其在土壤中的残留量;同时，利用土壤生态系统对废水中的污染物进行过滤、吸附、降解等，使废水在一定程度上得到自净，减轻其对地下水的污染。

4)应鼓励使用压井水的居民增大压井的深度;同时，改善地下水补排条件，降低浅层地下水中三氮和总磷的含量，且尽量使厕所、粪池、农田等与压井保持一定距离，并严格控制污水灌溉农田。

5)居民在饮用浅层地下水时，要进行消毒杀菌处理，不可直接饮用，以减轻有害物质对人体的危害，如加适量的高锰酸钾，处理效果较好。

6)加强水资源保护宣传，提高农民的意识，强化农民的参与。

7)改饮深井水。成井后应定期进行地下水水位、水质、水量等的动态监测，以确保生活饮用水的安全、卫生。

5 结语

通过以氯离子、硫酸盐、硝酸盐氮、总磷、锰、铅等六项指标为地下水水质评价指标，采用模糊综合评判方法得出淮南市以高硝酸盐氮、总磷及锰离子含量为特征的浅层地下水综合水质较差，多数水体不能直接作为饮用水。严重超标浅层地下水占调查总面积的57.13%，主要集中在研究区内矿区与塌陷区的集中区域。

研究区浅层地下水已受到不同程度污染，这与其水文地质条件及周边环境密切相关。其中矿区和塌陷区集中地区水质污染较为严重，河流、湖泊附近水质则有所改善。据评价结果可知研究区的地下水污染比较严重，建议及时采取治理措施。

［1］岳梅.淮南市浅层地下水水质污染预测模型探讨［J］.地下水.2002，24(2):77 －78.

［2］韩程辉，刘文生.模糊综合评判法在矿区地下水水质评价中的应用［J］.矿业安全与环保.2004，31(5):36 －38.

［3］叶志清.浅层地下水化学成分特征及成因分析［J］.地下水.2010，32(1):40 －43.

［4］何晓文，蒋蓉，许光泉，王伟宁.淮南矿区浅层地下水水质分析与评价［J］.水文.2010，30(4):18－22.

［5］边维勇，佟成冶，廉涛，马力.模糊评判方法在辽宁省中部地区浅层地下水综合环境质量评价中的应用［J］.岩矿测试.2011，30(3):289－294.

［6］宋鹭.地下水环境质量评价方法［J］.干旱环境监测.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

刘园园(1982－)，女，吉林松原人，硕士研究生，主攻方向:水文地质。