四种地下水水质评价方法的应用对比分析——岷县城乡供水水源地

李平平，陈海龙

(甘肃省地质环境监测院，甘肃 兰州 730050)



四种地下水水质评价方法的应用对比分析
——岷县城乡供水水源地

李平平，陈海龙

(甘肃省地质环境监测院，甘肃 兰州 730050)

选择单因子评价法、F值综合评价法、模糊综合评价法和集对分析法等四种地下水水质评价方法对岷县南部和西部的15个农村供水水源地进行水质评价，得出相应的评价结果，各种评价方法得出的评价结果进行对比分析，并综合各评价方法的优缺点。四种评价结果表明：岷县南部和西部15个城乡供水水源地地质80%不达标，经相关处理后才可作为生活饮用水源。为该地区其后同类供水水源地的水质评价及防治污染提供了科学的依据。

单因子评价；F值综合评价；模糊综合评价；集对分析法；地下水

地下水质量的优劣直接关系到城乡的经济建设、人民生活与生态环境等一系列问题，因此对地下水水质简捷、快速、准确的评价是非常重要的[1]。地下水水质评价是地下水资源评价的一项十分重要内容，主要内容是根据地下水的主要物理成份和给定的水质标准，分析地下水水质的时空分布状况，为地下水的开发利用规划和管理提供科学依据[2]。

2013年7月22日7点45分，定西市岷县、漳县交界处发生6.6级地震，地震及震区烈度为Ⅷ度，岷县受灾较为严重，对城乡的供水工程设施造成了一定的损毁，城乡居民饮水困难，需要对城乡供水水源地的水环境质量状况进行调查，并采用合理的水质评价方法进行水质评价。

1　地质环境条件

甘肃省岷县位于甘肃省东南、定西地区南部，北距兰州市267 km ，东连陇南市礼县，南接迭部县、宕昌县，西邻临潭县、卓尼县，北靠漳县及武山县。东西长120 km，南北宽69 km。供水水源地位于岷县南部和西部，南有长江、黄河的分水岭岷蛾山、大拉梁，整个地形呈东南向西北倾斜。地层岩性有第四系全新统冲洪积物(Q4al+pl)、上更新统风积黄土(Q3eol)和新近系(N)。

供水水源地及周围地下水类型主要有两类：(1)松散岩类孔隙水，主要分布于洮河河谷区，一般水位埋深3～7 m，含水层为砂砾卵石层，厚2～5 m，富水性中等-丰富，单井涌水量100～500 m3/d，河谷边缘地带为50～100 m3/d。(2)基岩裂隙潜水，地下水赋存于泥盆系、二叠系的变质板岩裂隙中，泉流量0.01～0.1 L/s，枯水期径流模数小于0.01 L/s·km2，主要接受降水入渗补给，以泉或地下径流的形式排泄[3]。

2　地下水水质评价方法

2.1单因子评价法

单因子评价是指分别对单个指标进行分析评价，反映地下水中某一单一污染物的情况。评价指标及评价依据为国家标准[4]。至今我国已经颁布执行的《地下水质量标准》(GB/T14848—1993)[5]将地下水质量类别划分为五类，不同的类别反映了不同的水质状况和该类别水体的主要用途。共涉及指标39项，其中20 项指标被规定为水质监测项目[5-6]，目前单因子评价主要是依据标准进行。

由于是对单个水质指标独立进行评价，因此得到的评价结果不能全面地反映地下水质量的整体状况，可能会导致较大的偏差。

2.2F值综合评价法

F值评分法是目前我国地下水水质评价最常用的方法，是我国《地下水质量标准》(GB /T14848—1993)[5]推荐使用的地下水水质评价方法，具体步骤如下：

(1)首先进行各单项组分评价，划分各组分所属质量类别，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)根据下列计算综合评分值F：

(1)

(2)

(3)根据F值按表2确定水质量级别(共分为五级)。

表2　地下水质量评分表

2.3模糊综合评价法[7]

2.3.1原理

所谓模糊评价就是根据给出的评价标准和实测值，经过模糊变换对事物做出评价的一种方法。

模糊综合评价可以用数学来表示：

B=A·R

(3)

式中：A输入，它是由参加输入评价因子的权重经归一化处理得到的1个1×n阶行矩阵；R为模糊变换器，它是由各单因子评价行矩阵组成的1个n×m阶模糊关系矩阵；B为输出，是要求的综合评判结果，它是1个1×m阶矩阵的形式。

2.3.2步骤

(1)建立因子集和评价集

设影响水质的污染因素有n个，组成评价因子因素集合：U={u1，u2， u3，… un}，评价等级共m个等级，组成评价等级集合：V={v1，v2，v3，…，vm}。

(2)建立单因子隶属函数

根据水的用途和特征，将水质划分为m个等级标准，用这些标准可以逐个刻划各因素对各级标准的隶属度，隶属度通过隶属函数计算得到。因此，需要建立隶属函数，一般通过取线性函数来确定各级水质的隶属函数。

第1级水质，即j=1时，其隶属函数为：

(4)

第2级水质至第(m-1)级水质，即j=2,3，…，m-1时，其隶属函数为：

(5)

末级水质，即j=m时，其隶属函数为：

(6)

以上各式中，ci为第j个因素ui的实测值，si(j-1)、sij、si(j+1)分别为因素ui的第j-1、j、j+1级水质的标准值。当ci给定后，可以用以上的隶属函数求出ui对各级水质的隶属度。

(3)建立模糊评价矩阵R

根据单因素隶属度确定模糊评价矩阵R。

(7)

(4)建立评价因子的权重矩阵A

在综合模糊评判中应考虑到各指标高低有所不同，在总的污染中所起的作用亦有所差别。因此，有必要对各参评因子赋予权重。目前，常用“污染物浓度超标法”来计算权重，即按照各评判因子超标情况进行加权，超标越多，权重值越大。

(8)

为进行模糊运算，各单项权重还必须进行归一化处理，即：

(9)

就得到一个1×n的模糊权重矩阵A，即：

A=(a1a2…an)

(5)进行模糊综合评价

将权重矩阵A和模糊矩阵R代入公式B=A·R，求出结果，然后对其进行分析与评价。

2.4集对分析法

2.4.1联系度

在进行水质评价时，以待评价水体的实测指标与国际中给定的地下水水质评价指标标准组成一个集对H=(A，B)，根据所要解决问题W(水质评价)的需求，对集对H展开分析，共得到N个特性(实测指标)，其中有S个特性为集对中的两个集合共有，有P个特性相对立，其余的F=N-S-P个特性即不对立，又不同一。S/N为这两个集合在问题W下的同一度，F/N为这两个集合在问题W下的差异度，P/N为这两个集合在问题W下的对立度，则联系度表达式可用下式表示：

(10)

式中：μ为联系度；i1,i2,…im为差异度系数；j1,j2,…jm为对立度系数。

至今我国已经颁布执行的《地下水质量标准》(GB/T14848—1993)[5]将地下水质量类别划分为五类。在进行地下水综合评价时，当待评价的水质因子指标值小于等于Ⅰ类水质因子标准值时，μ1=1，当待评价的水质因子指标值大于等于Ⅰ类水质因子标准值时，μ5=1；隶属于第i类水质与隶属于第i+1类水质的联系度分别为：

(11)

式中：x为实测值；xi,xi+1为国标中第i类和第i+1类水质因子的界点值。

2.4.2评价方法

各因子的权重表达式如下：

(12)

(13)

式中：M为地下水质量类别；N为评价因子个数。

权重处理后断面的综合联系度μ综为：

(14)

式中：B1，B2，…，BM为每个评价指标联系度的对应项数据按列相加之和。

根据最大隶属原则，Bi最大者所对应的污染级别即为该评价水源地的最终评价级别。

3　结果与分析

运用以上3种水质评价方法对岷县15处供水水源地水质进行评价，评价过程中选定总硬度、氯化物、氟化物、硫酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、砷、镉、挥发酚等10个单项污染指数进行水质指数计算。

3.1水质评价结果

3.1.1单因子评价法

单因子法进行单项指标评价地下水水质，评价结果见表3。

表3　单项指标评价法评价结果

3.1.2F值综合评价法

利用F 值评分法进行分类和计算，计算结果见表4。

表4　F值评分法评价地下水水质结果

3.1.3模糊综合评价法

(1)建立因子集

根据MX01水源地的水质特点和检测数据，本文选取了10个主要因素：U={总硬度，氯化物，氟化物，硫酸盐，硝酸盐，亚硝酸盐，氨氮，砷，镉，挥发酚}。

(2)建立评价集

在地下水水质评价中的评价语集可选用水质分级的Ⅴ级，组成评价等级集合：V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ }，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分别代表水质优秀、良好、较好、较差、极差。

(3)建立模糊评价矩阵R

以MX01为例，根据各个评价因子的隶属函数及其实测值，求出各评价因子对于各级水的隶属度，并组成模糊矩阵R1：

(4)建立评价因子的权重矩阵A

根据公式(8)和公式(9)求取权重A，计算得到的MX01号样品各评价指标的权重为：

A=[0.140.040.010.050.130.010.530.030.010.05]

(5)模糊综合评价

根据公式(3)进行模糊综合运算求各级隶属度B：

B=A·R=[0.200.230.0400.53]

由B值可见，0.53值最大，根据最大隶属度原则，即哪一级水质的隶属度最大，则水质污染就是哪一级，故MX01的水质评价等级为Ⅴ级。

同理得出的其它水样的各级隶属度及评价结果见表5。

表5　模糊综合评判法评价结果

3.1.4集对分析法

以MX01为例，根据集对分析原理可知：N=10，S=4，F1=4，F2=1，F3=0，P=1，代入式(10)得：

μ1=0.4+0.4Ⅰ1+0.1Ⅰ2+0Ⅰ3+0.1j

根据从上式中的联系度很难判断该水源地具体属于几类，因此，需进一步分析评价因子具体含量与水质的定量关系。将各个监测数据代入式(12)和(13)，得到各指标的权重ω1′=0.605，归一化后得ω1=0.151，同理得出MX01其它指标归一化的权重，ω2=0.038，ω3=0.007，ω4=0.052，ω5=0.126，ω6=0.004，ω7=0.550，ω8=0.029，ω9=0.006，ω10=0.037。

将上述权重值代入式(11)和(14)，得到MX01综合的联系度：

μ1=0.347+0.653i1，μ2=1，μ3=1，μ4=0.973+0.027i1，μ5=0.68i1+0.32i2，μ6=0.889+0.111i1，μ7=1j，μ8=1，μ9=0.889+0.111i1，μ10=1

μ综1=0.223+0.187i1+0.04i2+0i3+0.55j

同理，可算出其它水源地的综合联系度。各水源地平均联系度依最大隶属原则，判断出各水源地水质评价级别，见表6。

表6　集对分析法水质综合评价结果

3.2讨论与分析

单因子评价法分析表明15个水样中大部分单项组分属于Ⅰ-Ⅲ类水标准，但15个水样中都有Ⅲ类以外的单项组分，Ⅲ类以外的单项组分为硝酸盐、亚硝酸盐和氨氮，其中MX02和MX13水样中的亚硝酸盐为Ⅳ类水标准，MX06、MX07、MX10、MX12、MX14和MX15水样中的氨氮为Ⅳ类水标准，MX03、MX08、MX09水样中的亚硝酸盐和氨氮为Ⅳ类水标准，MX05水样中的硝酸盐、亚硝酸盐和氨氮都为Ⅳ类水标准，MX01、MX02、MX04、MX11、MX13水样中的氨氮和MX10水样中的硝酸盐为Ⅴ类水标准。

15个水样中F值综合评价法水质评价的结果完全相同，都为Ⅳ类。F值综合评价法、模糊综合评价法和集对分析法水质评价结果完全相同的为5个，模糊综合评价法和集对分析法水质评价结果完全相同的为12个。模糊综合评价法评价结果中，Ⅲ类的为3个，Ⅳ类的为6个，Ⅴ类的为6个。集对分析法评价结果中，Ⅰ类的为2个，Ⅱ类的为1个，Ⅲ类的为1个，Ⅳ类的为5个，Ⅴ类的为6个。单因子评价法分析结果中只要有Ⅴ类的单项组分，模糊综合评价法和集对分析法水质评价结果均为Ⅴ类。

4　结语

以上分析表明：单因子评价法简单、明了，虽然不能全面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。F值综合评价法利用综合评分值，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。模糊综合评判法充分考虑了水质分级界线的过渡性，比F值评分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指标对地下水水质的影响权重，评价结果更精确[4]。集对分析法是一种用于统一处理模糊、随机、中介和信息不完全所致的不确定性系统的理论和方法，其核心思想是把不确定性与确定性视为一个即确定又不确定的同异反系统进行分析和数学处理[9]。

15个水样中单因子评价法分析表明都有Ⅲ类以外的单项组分，Ⅲ类以外的单项组分为硝酸盐、亚硝酸盐和氨氮；F值综合评价法水质评价结果均为Ⅳ类，Ⅲ类及以上的达100%；模糊综合评价法评价结果中，Ⅲ类及以上的占100%；集对分析法评价结果中Ⅲ类以下的占20%，Ⅲ类及以上的占80%。

四种评价结果表明，集对分析法评价结果优于模糊综合评价法评价结果，岷县南部和西部的15个城乡供水水源地的水质80%不达标，不能直接饮用，处理后才可作为生活饮用水水源。

[1]吴健华,李培月,钱会,等.地下水水质评价方法对比研究—以银川市宁化Ⅰ水源地为例[J].水资源与水工程学报.2010， 21(2):147-149.

[2]倪深海，白玉慧，等.BP神经网络模型在地下水水质评价中的应用[J].系统工程理论与实践.2000,(8):124-127.

[3]左鸣放,李平平,施锦,等. 岷县漳县6.6级地震灾后重建岷县南部和西部农村供水工程水源地水文地质调查报告[R].甘肃省地质环境监测院.2014:14-16.

[4]张新钰,辛宝东,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(3):113-118.

[5]GB/T14848 -1993.地下水质量标准[S].国家环境保护总局.北京: 中国标准出版社.2003.

[6]GB5749-2006. 中华人民共和国生活饮用水卫生标准[S].中华人民共和国卫生部.2006．

[7]万金保，李媛媛.模糊综合评价法在潘阳湖水质评价中的应用[J]. 上海环境科学.2007, 26(5):215-218.

[8]杨磊磊,卢文喜,黄鹤,等.改进内梅罗污染指数法和模糊综合法在水质评价中的应用[J].水电能源科学.2012,30(6):41-44.

[9]童英伟,刘志斌,常欢.集对分析法在河流水质评价中的应用[J].安全与环境学报.2008,8(6):84-86.

The Application and Comparison of Four Methods in Groundwater Quality Assessment——Water Supply source of the Urban and Rural for Minxian

LI Ping-ping，CHEN Hai-long

(Geological Environment Monitoring Institute of GanSu province, Lanzhou 730050, Gansu)

The article assessed the groundwater quality of fifteen rural water sources in south and west of Minxian using four kinds of methods which are single factor evaluation method，F value of comprehensive evaluation method，Set Pair Analysis Method and the fuzzy comprehensive evaluation method . This paper concluded the advantages and disadvantages of each method according to the comparison and analysis of each evaluation result. The evaluation results will provide a scientific basis for water quality assessment of water supply sources and prevention—control of pollution in this region.

Single factor evaluation；Value of F comprehensive evaluation；Fuzzy comprehensive evaluation；Set Pair Analysis Method；Groundwater

2016-03-08

李平平(1990-)，男，青海民和人，助理工程师，主要从事水资源与环境地质研究与评价工作。

P641.8

B

1004-1184(2016)04-0037-05