两种方法在农村集中式饮用水质量评价中的应用——以克山县古城镇示例

李大勇

(黑龙江省依兰县水务局，黑龙江 依兰 154800)



两种方法在农村集中式饮用水质量评价中的应用——以克山县古城镇示例

李大勇

(黑龙江省依兰县水务局，黑龙江 依兰 154800)

摘要：为了确保克山县古城镇农村集中式饮水工程水源地的水质符合国家安全标准，文中选取2号长观井中14个常规检测因子作为评价指标。采用改进内梅罗指数法和模糊综合评价法对水质进行分析。两种方法结果相近，根据《生活饮用水卫生标准》(GB5749—2006)评判出超标因子均达到容许限制内，只要对未参评的总大肠杆菌群消毒处理，地下水可以安全饮用；两种方法在应用上具有可靠性。

关键词：农村饮水；集中式水源地；水质评价；改进内梅罗指数法；模糊综合评价法

0前言

饮水安全关乎国民群众身体健康，尤其是偏远落后的农村，饮水不便携、水质不达标等问题时有发生。为了解决农村饮水安全，促进区域发展，克山县兴建集中式供水工程。为了能够让当地居民饮用安全的地下水，采用适合的综合评价方法对地下水水质现状进行分析具有现实意义[1]。

目前，用于地下水水质评价方法很多，如单因子评价法，F值评分法[2]，灰色聚类分析法[3]以及人工神经网络法[4]等等。然而每种方法都各具优缺点，由于水质分类和指标分类具有模糊性，为避免突出最大污染因素和未考虑权重因素的影响，因此本文选用改进内梅罗指数法和模糊综合评价法对2号长观井水样进行评价，从理论上为集中式饮水控制、规划、管理提供科学依据。

1水质评价方法

1.1　传统的内梅罗(Nemerow)指数法

传统的内梅罗指数法公式：

Fi=Ci/Sij

(1)

式中：i=1，2，…，n；j=1，2，…，m；Ci为第i种评价因子对应的实测浓度值；Sij为第i种评价因子对应的第j种评价标准的浓度；Fmax为所有Fi中的最大项；n为评价因子的项目数；Pj为第j类标准的内梅罗指综合污染数。

1.2　改进后的内梅罗(Nemerow)指数法

为避免传统内梅罗(Nemerow)指数法极突出最大评价因子使评价结果偏高的影响和未考虑权重问题，引入了权重系数代替原始最大值，改进内梅罗指数法公式：

(2)

式中：Fmax为所有Fi中的最大项；F′为权重最大的评价因子对应的F值；P改进为第j种评价标准对应的内梅罗指数。

第i种评价因子权重为:

γi=S最大/Si

(3)

式中：γi为第i种评价因子的相关性比值；Si为各评价因子所对应的评价标准值。S最大为第i种评价因子的最大评价标准值。

1.3　模糊综合评价法

模糊综合评价法是一种基于模糊数学综合评价法。在模糊数学综合评价方法的基础上，可以把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学法对事物或对象各种因素的制约，以进行全面评估的隶属度理论。

它具有结果清晰、系统性强的特点，可以很好地解决这些模糊和难以量化的问题，能解决不确定性问题。模糊综合评价法建模主要步骤如下：

1)确定评价因素建立评价集合。选择评价因素的选择应该具有代表性性，能够进行整体的客观地评价。

2)确定评价集合。通常地下水质量分为5类，即Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类：①Ⅰ类适用于各种用途，主要反映地下水化学组分的天然低背景含量；②Ⅱ类适用于各种用途，主要反映地下水化学组分的天然背景含量；③Ⅲ类以人体健康基准值为依据，主要适用于集中式生活饮用水水源及工、农业用水，④Ⅳ类以农业和工业用水要求为依据，除适用于农业和部分工业用水外，适当处理后可做生活饮用水；⑤Ⅴ类不宜饮用，其他用水可根据使用目的选用。因此，评价集V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。

3)数据归一化处理。数据归一化处理可按照极大、极小原则确定。

越小越优的指标：

x(i,j)=xmin(j)/x＾(i,j)

(4)

越大越优的指标：

x(i,j)=x＾(i,j)/xmax(j)

(5)

式中：xmin(j)：第j个指标值的最小值；xmax(j)：第j个指标值的最大值；x(i，j)：归一化后的序列；x＾(i，j)：第i个样本的第j个特征值。

4)计算各个评价因素的隶属度，构建模糊关系矩阵(R)。隶属度的确定是通过隶属函数的计算，隶属度函数是用函数分布形态曲线刻画出来的。不同类别水质隶属度计算公式为：

第一级水质对应隶属度函数为：

(6)

第j级水质对应隶属度函数为：

(7)

最后一级水质对应隶属度函数为：

(8)

式中：rij代表第i种评价因子对第j级水质的隶属度；Ai代表第i种评价因子的实测浓度值；Sij代表评价因子的第j级水质标准值。

假设评价因子有x个，地下水级别为y，则可构造x×y阶的模糊矩阵R。

(9)

5)确定权重。权重是用来表示各评价因素对整体的影响比重，权值数值与该评价因素对水质影响成正相关。设地下水水质评价因素的实测浓度值为Ai，评价因素的水质标准超标限值为Si，评价因素的权值Wi。运算公式可写成：

(10)

6)模糊综合运算。

=(b1,b2,…,bx)

(11)

式中：bx按照最大隶属度原则确定。

2实例运用

克山县位于黑龙江省西部、齐齐哈尔地区东北部，是国家重点商品粮基地。全县幅员0.33 万 km2，辖6镇，其中古城镇位于克山县西南部，地理坐标E125°，N48°。地势平坦，土壤肥沃，盛产大豆、小麦等农作物。距县城15 km2，全镇土地面积2.1 万 hm2，其中耕地1.2万hm2。近年来，随着农业经济的快速发展，饮水安全问题严重地影响了当地居民生产、生活，制约了经济的发展。面对此区饮水安全问题，克山县古城镇进行了规模化集中式供水工程。为了保障水源地饮水水质安全，水质现状评价势在必行。

根据环境监测结果和地方水质特点，选取2号长观井地下水水质监测数据氨氮、氟化物、氯化物、硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐等14项具有针对性和代表性的监测因子作为评价指标，实测数据见表1，其对应评价标准见GB/T14848—93(地下水质量标准)。

表1　各评价因子对应实测浓度值　mg/L

2.1　传统内梅罗指数法评价地下水水质

结合各类水的特点进而划分污染等级，内梅罗指数法对应地下水质量分级表见表2。

表2　内梅罗指数法对应地下水质量分级表

文章评价标准选GB/T14848—93《地下水环境质量标准》，以地下水环境质量标准中的Ⅲ类水为基准，并选取14项污染因子进行内梅罗污染综合指数计算，评价结果见表3。

表3　内梅罗指数法评价结果

2.2　改进内梅罗指数法评价地下水水质

以地下水环境质量标准中的Ⅲ类水为基准计算得到的各评价因子权重值见表4。

从表4中可得到所选14项指标中汞的权重值最大。

改进的内梅罗指数法对应地下水质量分级表见表5。

表5　改进的内梅罗指数法

改进的内梅罗污染综合指数法计算结果见表6。

表6　改进的内梅罗指数法评价结果

2.3　模糊综合评价法评价地下水水质

构造14×5模糊矩阵R。

以上结果表明，所分析水样为Ⅰ类别的可能性为17.2%，Ⅱ类别的可能性为24.4%，Ⅲ类别的可能性为33.8%，Ⅳ类别的可能性为24.6%，Ⅰ类别的可能性为0。按照最大隶属度原则，水样的水质为Ⅲ类。

2.4　讨论与分析

传统内梅罗与改进内梅罗评价结果为Ⅳ水，模糊综合评价结果为Ⅲ类水。三种水质方法评价结果不同但相近，主要由于叠加、均值法等计算无法避免浓度最大的评价因子和权重最大因子导致污染指数高于真实值，但是改进内梅罗指数法考虑了权重比传统内梅罗指数法更贴近实际。而模糊综合评价法考虑了水质分级界限过渡性，避免了上述问题发生，评价结果较精确。改进内梅罗指数法能准确表达污染程度，模糊综合评价更能从整体把握水质情况。通过查阅《生活饮用水卫生标准》(GB5749—2006)超标因子均在容许限制内，只要对未参加评价的总大肠杆菌群做适当的消毒处理，水质达到标准可以作为饮水水源。两者结合评价结果更能全面真实反映区域水质状况。

3结论

通过上述分析可知，三种方法评价结果相近。传统内梅罗指数法和改进内梅罗指数法评价结果一致，主要原因是F-、NO2-超标值为Ⅳ类；模糊综合评价结果为Ⅲ类水。改进后的内梅罗指数法虽然考虑权重影响，但无法避免最大污染因子对其结果的影响；而且模糊综合评价法评价结果不仅考虑了权重系数，还考虑了级别划分界限的过渡性问题，结果相对更精确。两种方法都存在优缺点，在地下水水质评价中值得推广使用。若想长期饮用地下水，则应当加强水源地保护和定期监测水质等一系列行之有效的保护方案，为工程长期效益和管理提供全面的科学依据。

参考文献：

[1]吴贤忠.威武市农村饮水安全问题研究[D].西北农林科技大学，2010.

[2]张新钰，新宝东，刘文臣，等.三种地下水水质评价方法的对比分析[J].水资源与水工程学报，2011，22(03)：113-118.

[3]尹继娟，梁秀娟，肖长来，等.基于灰色聚类的物元可拓法在地下水水质评价中的应用——以洮南市为例[J].节水灌溉，2012(06)：52-55.

[4]刘娟，蒋兆华，韦军，等.BP神经网络在地下水水质评价中的应用[J].水利科技与经济，2009，15(03)：191-195.

Two Methods' Application in Evaluation of Rural

Centralized Potable Water Quality

——Gucheng Town，Keshan County as the Example

LI Da-yong

(Yilan County Water Affairs Bureau，Yilan 154800，China)

Abstract：In order to ensure the water quality of the water source of rural centralized potable water project to accord with national safety standard in Gucheng Town，Keshan County，14 conventional detection factors in No.2 long view well are selected as the evaluation indexes.The modified Nemero index method and fuzzy comprehensive evaluation method are adopted to analyze the water quality，and both of them are similar in results.According to Drinking Water Sanitary Standard (GB5749—2006)，exceeding factors are evaluated within permissible limits，only to deal with total Escherichia coli un-evaluated，groundwater may be drunk safely，and two methods are reliable in application.

Key words：rural potable water；centralized water source；elevation of water quality；modified Nemero index method；fuzzy comprehensive evaluation method

[作者简介]李大勇(1978-)，男，黑龙江依兰人，工程师。

[收稿日期]2015-06-28

中图分类号：X824

文献标识码：B

文章编号：1007-7596(2015)08-0063-04