岩溶区地下水质量评价方法的对比分析

王春懿，梁　川，*，景　楠，赵　鹏

(1. 四川大学 水利水电学院，成都 610065；2.水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065)



岩溶区地下水质量评价方法的对比分析

王春懿1,2，梁川1,2，*，景楠1,2，赵鹏1,2

(1. 四川大学 水利水电学院，成都 610065；2.水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065)

摘要：岩溶区地下水质量评价对该地区人类生存环境及经济的可持续发展有着重要意义，但评价方法多样。为更好地了解单因子指数评价法、F值评分法和模糊综合评价法3种应用较广泛的方法在岩溶地下水质量评价的应用，分别运用上述方法对广西河池市4个水厂的地下水水源进行水质综合评价，并对评价结果进行对比分析。结果表明：研究区内地下水水质良好；单因子指数评价法片面反映水质整体情况；F值评分法和模糊综合评价法的评价结果更为准确和客观，后者计算量更大。综上可知，F值评分法和模糊综合评价法优于单因子指数评价法。

关键词：岩溶地下水；水质评价方法；对比分析；广西河池中图分类号：P641.8；X824

文献标志码：A

文章编号：2095-008X(2016)01-0001-06

0引言

广西壮族自治区岩溶地下水具有水量丰富、暗河较发育、空间和时间分布不均、开发局限性大的特点，是重要的供水水源。随着经济的发展，工业化和城市化速度的增高，对水资源尤其对地下水资源的需求逐渐增加，地下水资源面临一定的威胁，加之人们对环境污染愈来愈重视，故监测和评价地下水水质对该地区经济的可持续发展有着重要意义，而选取合适的方法是评价地下水质量的关键。目前国内外已经对地下水质量评价的方法做出了诸多研究，建立了以不同理论为基础的评价方法[1-2]，主要有单因子评价法、综合评价法、人工神经网络模型[3]、灰色聚类法[4]、遗传算法[5]、物元可拓法[6]等。单因子评价法不能完全反映地下水质量的综合情况,可能导致较大的偏差；综合评价法比单项组分评价全面、综合，但现行的评价方法还无法全面考虑地下水水质的成因、演变规律；此外各评价方法之间对不同地区的适应性也有所不同。为此，根据文献[7]对河池市六圩水厂、加辽水厂、城北水厂、肯冲水厂 4 个地下水供水水源地, 16 种水体污染物的监测点位监测值Cj，采用单因子指数评价法、F值评分法和模糊综合评价法对各水厂地下水水源地水质进行评价，并与地下水污染指数法的评价结果相互比较，进而分析3种方法的优缺点和适用性，以期为保护和合理开发地下水资源，提前预防和控制地下水的污染等提供科学依据，保障饮水健康及安全。

1评价方法

1.1单因子指数评价法

单因子指数评价法是利用实测数据和标准对比分类，即计算出各个评价指标的污染指数，并与1比较大小，若污染指数>1，则超过所选标准，反之则满足标准，逐项计算，选取水质最差的类别为评价结果，两类评价指标的污染指数计算公式如下。

1)一般污染物的标准指数

(1)

式中Si为某污染物的标准指数；Ci为某污染物的实测平均浓度，mg/L；CS为某污染物的评价标准，mg/L。

2)pH值的标准指数

(2)

(3)

式中SpH,i为pH值的标准指数；pHi为pH的实测值；pHsd为评价标准的下限值；pHsu为评价标准的上限值。

3)当Si≤1时，表示水体未污染；当Si>1时，表示该水质因子已超过了规定的水质标准，数值越大，超标越严重。

1.2F值评分法

根据《地下水环境质量标准》(GB/T 14848-93)[8]，地下水质量综合评价采用加附注的评分方法，其中要求选择参评项目不少于标准规定的监测项目，但不包括细菌学指标,并能反应本地区主要水质问题。首先，进行各单项组分评价，确定所属质量类别；其次，根据类别，按表1分别确定单项组分评价分值Fi；再按(4)式计算综合评价分值F。最后，根据F值，按表2划分地下水质量级别。

(4)

(5)

表2　地下水质量综合评价分级表

1.3模糊综合评价法

水质模糊综合评价方法[9-12]，采用概率统计中矩阵的数量积的计算形式，引入隶属度和权重值两个概念，从而使评价的地下水质状况更接近实际，反映水质整体情况更综合。

1.3.1水质指标矩阵(X)

X为n个取水点组成的样本集合，每个取水点有m项评价指标,这里n=4，m=16。则实际观测水质指标矩阵为：

(6)

1.3.2水质评价标准集合(Y)

Y为水质评价标准集合，其中m项水质指标按照地下水5级分类标准[8]评价，则有：

(7)

其中h=1,2,3,4,5，表示h级的标准值。

1.3.3模糊关系矩阵R

模糊关系矩阵R是由各采样点单项水质指标(Xi)对各水质级别(Yi)的隶属度所构成的矩阵,模糊综合评价法以隶属度来描述水质的模糊界线,隶属度可用隶属度函数来表示。各水质指标对各级水的模糊关系矩阵用下列公式进行计算。

1)属于第一级水质的隶属度函数为：

(8)

2)属于第k(k=2,3,4)级水质的隶属度函数为:

(9)

3)属于第五级的隶属度函数为:

(10)

1.3.4权重矩阵A

A是由各评价因子的权重分配构成的向量，即权重矩阵。目前确定权重的方法较多，本文采用超标法[13]来决定各评价因子的权重。权重矩阵中权数ai反映各因子(Xi)的重要程度，计算公式为:

(11)

式中ci为第i个评价因子的浓度实测值，mg/L；si为第i个评价因子的各级评价标准的均值，mg/L；ai为第i个评价因子的权重值，并且各权数ai(i=1，2，…，m)应满足归一性和非负性的条件，即:

(12)

其中归一化公式为：

(13)

1.3.5综合评判结果B

通过权重矩阵和模糊关系矩阵的复合运算，得出综合评判结果B矩阵，再根据一定原则确定各监测断面水质的评价结果。计算公式如下:

B=AT·R

(14)

2方法应用

本文评价数据来自2009年1月对河池市六圩水厂、加辽水厂、城北水厂、肯冲水厂4 个地下水供水水源地19种水体污染物的监测点位监测值Cj[7]，采用单因子指数评价法、F值评分法和模糊综合评价法对各监测点水质进行评价。评价标准依据《地下水质量标准》(GB/T14848-93),按照标准中的要求，选取评价因子有pH、氨氮、铜(Cu)、锌(Zn)、氟化物、硒(Se)、砷(As)、汞(Hg)、镉(Cd)、铬(六价)、挥发酚、硫酸根、氯化物、铁(Fe)、锰(Mn)、阴离子合成洗涤剂共16项。各地各评价指标的实测浓度值见表3。

2.1单因子指数法评价结果

据《地下水质量标准》(GB/T14848-93)中第Ⅲ类污染物标准浓度限值，由式(1)～式(3)选择适合不同评价指标的计算式进行评价，各单项水质评价结果见表3中Si栏。由结果可知，各单项水质因子Si≤1，水质达到III类水的环境要求，能满足该地区地下水水体的基本功能。

2.2F值评分法及模糊综合评价法评价结果

表3　各地各评价指标实测浓度值及单因子指数法评价结果表

(15)

2.3评价结果比较与分析

由表4可见，F值评分法的评价结果表明各监测点F值都在0.8～2.50范围内，水质等级都属于良好，且高于单因子指数法的评价结果。模糊综合评价法的评价结果显示水质等级都在Ⅱ类以上，同样高于单因子指数法的评价结果，其中最大隶属度原则评价结果显示各监测点水质等级都为Ⅰ类，且比F值评分法的水质等级评价结果更高；而模糊综合评价指数FCL原则评价结果与F值评分法的水质等级评价结果一致。将3种方法的评价结果与文献[7]的评价结果比较可知，F值评分法和按FCL原则评价的模糊综合评价法的评价结果与文献[7]的评价结果一致，且更符合实际情况。

综上可知，单因子指数法虽然简单明了，能清晰判断出主要污染因子及其分布区域，但其以最差因子的评价结果作为最终的评价结果，体现了单个因子的否决权，具有很强的从严性，不能全面反映水质的整体情况。F值评分法利用综合评分值，根据相应的分级标准确定水质类型，因此其评价结果可以较合理地反映水质状况，适用于多种情况，虽然由式(5)知，它强调了最大的污染因子，某种程度上将水污染的程度高估了，如F值评分法与按最大隶属度原则评价的模糊综合评价法的不同评价结果，前者评价结果显示水污染程度高于后者，但在本例中F值评分法更符合实际情况。而模糊综合评价法结合主要评价因子的权重和隶属度来确定水质类别，虽然计算相对更为复杂,但比F值评分法更综合地考虑所有的水质影响评价指标的权重，更准确直接，而采用模糊综合评价指数FCL原则的模糊综合评价法使结果进而更为准确和客观。

3结论

文中3种方法的评价结果都表明各监测点地下水质量总体较好，且满足该地地下水水体的基本功能。其中，单因子指数法评价结果为各监测点水质达到III类水的环境要求，其中氨氮、镉(Cd)、挥发酚3个指标的浓度较大；F值评分法与按模糊综合评价指数FCL原则评价的模糊综合评价法的评价结果一致，水质等级评价结果为Ⅱ类，且与实际情况相符；而按最大隶属度原则评价的模糊综合评价法的水质等级更高，为Ⅰ类。产生差异的原因可归结为：1)单因子标准指数法具有很强的从严性，评价结果不够全面；2)F值评分法强调最大的污染因子，高估了水污染的程度；同时以上2种方法均未考虑主要污染因子的权重和隶属度；3)由于模糊综合评价法较为充分地考虑了水质分级界线的连续性，更加全面，但计算量也更多更复杂；4)相比最大隶属度原则，模糊综合评价指数FCL原则考虑了水质标准类别的权重。模糊综合评价法和F值评分法优于单因子指数评价法，但在实践中应结合研究区的水质分布特征，合理选择评价方法及评价原则，以获得最佳的评价结果。

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Comparative analysis on evaluation method for karst groundwater quality

WANG Chun-Yi1,2，LIANG Chuan1,2，*，JING Nan1,2，ZHAO Peng1,2

(1.CollegeofWaterResourceandHydropower,SichuanUniversity,Chengdu610065,China；2.StateKeyLaboratoryofHydraulicsandMountainRiverEngineering，SichuanUniversity，Chengdu610065,China)

Abstract：Karst groundwater quality evaluation is important to the sustainable development of human survival environment and the region economy,but the methods are diversiform,such as the single factor index method,the F value method and the fuzzy comprehensive evaluation method have been widely used. In order to better understand the application of three methods in karst groundwater quality evaluation,three methods are used to evaluate and analyze the water quality of groundwater source of four water plants in Hechi of Guangxi. The results showed that the water quality is good, the single factor index method cannot reflect the overall water quality, the results of the F value method and the fuzzy comprehensive evaluation method are more accurate and objective except a large amount of calculation. In conclusion, the F value method and the fuzzy comprehensive evaluation method were superior to the single factor index method.

Key words：karst groundwater；water quality evaluation method；comparative analysis；Hechi of Guangxi

DOI:10.13524/j.2095-008x.2016.01.001

收稿日期：2016-02-18

基金项目：国家自然科学基金资助项目(41271045)

作者简介：王春懿(1993-)，女，重庆人，硕士研究生，研究方向：水文水资源，E-mail：474340093@qq.com；*通讯作者：梁川(1957-)，男，四川雅安人，教授，博士，博士研究生导师，研究方向：水文水资源与水环境，E-mail: lshester@shou.com。