不同评价方法在阿克苏市地下水水质评价中的应用分析

刘 诚

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

阿克苏市位于新疆维吾尔自治区西南部，塔里木盆地的西北边缘，天山南麓，阿克苏河冲积扇上，地理坐标为北纬39°30′-41°27′，东经79°39′-82°01′。阿克苏河作为境内主要河流，随着社会不断发展，城市建设与工农业的发展不仅对地下水的形成和补给产生了一定的影响，同是使地下水水质也出现不同程度上的变化[1]，从2011年到2014年，阿克苏河实际来水量从93.31 亿m3降低到61.04 亿m3[2]，降幅显著，近年来，由于阿克苏市的人口增加与农业开发导致水资源供需矛盾更加突显，使灌溉水资源的需求量不断增加，伴随着绿洲耕地面积扩大与耗水量增加的同时，水质恶化和水体污染等问题也随之而来，如在2009年和2011年对阿克苏地区英麦力镇地下水水质的分析结果显示，Ⅲ类水质的比重<50%，与2009年水质相比总体上呈变差趋势，地下水作为水循环系统中的重要构成成分，通常是水质较好、水源稳定的供水水源[3]，因此地下水的合理开发与利用不仅是灌溉水资源的重要来源，更是现代农业可持续发展的重要保障。而水资源可持续开发利用的前提是水环境质量的定量化客观评价，这也是环境管理与决策的依据。目前，在水环境质量的综合评价中应用较多的主要有单因子评价法[4]、F值评价法[5]、层次分析法[6]、模糊综合评价法[7]、灰色关联评价法[8]和人工神经网络法[9]及综合污染标识指数法[10]等。出于评价指标与水质类型间比较复杂的非线性关系，以及地下水实际水体污染的随机性和模糊性，对于地下水水质评价难以用单一的模型进行准确评价，大多数研究者均采用多个评价模型对所研究的水体进行综合评价[11-14]，从而得到较稳定可信的定性评价。本文根据前人研究进展，采用单因子评价法、F值评价法、灰色关联分析法和模糊综合评价法4种评价方法，对阿克苏市16处地下水监测井的地下水水质进行综合评价，通过综合比较分析评价结果，探讨各评价方法的适用性与优缺点，使评价结果能更客观更科学的反映水体的实际情况。

1 水质评价方法

当前，在地下水水质评价方法中有单因子评价法、F值评分法、综合评价法、综合污染指数法、内梅罗指数法等、模糊综合评价法、灰色理论评价法、人工神经网络分析法等，在国家层面上对地下水水质评价中最常用的方法是F值评分法，而研究最多的是综合污染指数法、模糊综合评价法和灰色理论评价法。本文对地下水水质评价的研究，根据前人普遍采用的评价方法，应用单因子评价法、F值评分法、灰色关联法、模糊综合评价法对地下水水质进行综合评价，并根据结果对不同评价方法的适用性和优缺点进行探讨。

1.1 单因子评价法

单因子评价法是分别对单个指标进行分析评价，根据地下水水质标准(DZ/T0290-2015)[15]，将评价对象的实测值与对应的评价标准值进行比较，按照地下水质量标准[16]，将地下水质量划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ类，再选取评价指标中最差的类别作为水体的水质类别。计算公式为：

G=MAX(Gi)

(1)

式中：Gi为第i项评价指标的水质类别。

1.2 F值评价法

F值评价法是GB/T14848-2017中推荐使用的综合评价法。首先根据地下水质量标准对各指标进行单项指标评价，按五类分类指标标准，当出现不同类别标注值一样时，按照从优不从劣的原则划分各单项指标所属的质量类别，再根据各单项指标所属的质量类别来分别确定其对应的评价分值Fi(表1)。

表1 地下水水质级别与赋分标准Tab.1 Grade and standard of groundwater quality

然后综合对比各项指标的评价结果，通过公式(2)和公式(3)计算出水质样口的综合评价分值F。

(2)

(3)

最后根据各水质样品的综合评价分值F，对照表1来进行地下水质量综合级别的划分。

1.3 灰色关联分析法

灰色关联分析法是灰色系统理论的基本方法，它是通过对研究系统内各要素的相互关系、作用与影响进行关联度量化，从而确定参考序列与多个对比序列间的关联性。如在进行地下水水质评价时，将水体实测值作为参考数列，将地下水的分级标准值作为比较数列，然后通过参考数列求出的五个关联度中最大关联度所对应的比较数列的级别就是待评价水体所对应的水质分类标准[8,11]。

(1)对原数据进行无量纲化处理，建立参考数列与对比数列。

设实测样品序列有m个，包含n个评价指标，则第i个实测样品数列为：

Xi={xi(1),xi(x),…,xi(k),…,xi(n)} (i=1,2,…,m)

(4)

设对比序列共s级，第j级标准的对比数列为：

Yj={yj(1),yj(2),…,yj(k),…,yj(n)} (j=1,2,…,s)

(5)

式中：xi(k)为第i个样品数列中第k项评价指标的实测值；yj(k)为第j级水质标准中第k项指标的取值。

(6)

(2)求差数列。

(7)

(3)计算关联系数。

(8)

式中：Δmax为Δji(k)的最大值；Δmin为Δji(k)的最小值；ρ取0.5。

(4)计算关联度。

(9)

(5)关联度排序。根据公式(9)计算出的关联度矩阵中找到每行的最大值，则为监测水体所属的水质等级。

1.4 模糊综合评价法

模糊综合评价法是对多种模糊因素所影响的事物或现象进行总体的评价。在水质类型模糊综合评价上是通过建立水质各指标与对应各级水质标准的隶属度集，然后形成隶属度矩阵，再将各指标因子的权重与隶属度矩阵相乘，得到一个综合评价集，从而表明出水质指标对各级水质标准的隶属度，最终反映综合水质级别的模糊性[17]。具体步骤为：

1.4.1 建立评价对象因子集

要对一个对象进行全面准确的评价，首先要对该对象的各个因子进行相应的评价，在地下水水质的评价中，评价因子集合可以是地下水水体中的多项指标，本文选取监测得到的PH值、总硬度、总溶解性固形物、氯化物、氟化物、硫酸盐、氨氮和高锰酸盐指数作为评价因子集。记为：

U={U1,U2,…,Ui,…,Un} (i=1,2,…,n)

(10)

式中：n为评价因子数；Ui为第i个评价因子实测值。

1.4.2 建立评价等级集

评价标准等级集合是水质评价的基础，各个评价因子相应的质量标准等级的集合记为：

V={V1,V2,…,Vi,…,Vn} (i=1,2,…,n)

(11)

式中：n为评价等级级别数；Vi为与Ui相对应的评价标准集。

1.4.3 确定评价因子的模糊权向量

在地下水水质评价过程中，要对每个评价因子Ui都赋予一个相应的权重ai，最终构成权重集A，记为：

A(a1,a2,…,ai,…,an)

(12)

对因子赋权，由于每个参评因子对水质影响的贡献率不同，就有不同的权数分配，因此需要对各因子加权。目前以污染物的超标情况决定权重的方法应用较为广泛，通常情况下，各水质评价因子的监测值越大，其相对于水质标准的超标倍数就越大，权重也就越大，这是因为超标倍数越大，污染贡献率就越大，所以权重也就越大。但有个别因子除外，如水质中的DO，超标越多，权重反而越小。

利用超标法计算权重，公式如下：

(13)

1.4.4 建立相应的单因素评判矩阵

通常用函数分布形态曲线求隶属函数，本文采用降半梯形法建立隶属度函数，建立一元线性隶属函数[18]，再根据评价因子个数、水质质量标准分级和在各级的隶属度来确定模糊矩阵，各级水质的隶属度函数计算公式如下：

(1)当Ci属于第Ⅰ等级的隶属度函数为：

(14)

(2)当Ci属于第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等级的隶属度函数为：

(15)

(3)当Ci属于第Ⅴ等级的隶属度函数为：

(16)

式中：Ci为评价因子实测值；rij为评价指标i对j级水质的隶属度；Sij为评价指标的j级水质标准值。

如有n个水质评价指标，分m级水质标准，则可构造n×m阶的模糊矩阵R。

(17)

1.4.5 模糊综合计算

单因子的模糊综合评价存在一定的局限性，因为它仅反映出了单个评价因子对评价对象的影响，而不能综合反映出所有评价因子对评价对象的影响。因此，必须将模糊权重集A与单因素模糊评价矩阵R进行复合，然后采用加权算术平均合成法，对综合评价模型B=A×R，记为B=(b1，b1，…，bm)，进行模糊复合运算，最后根据最大隶属度原则，其中的最大值所对应的等级判定水质等级。

2 结果与分析

根据阿克苏市16处地下水监测井的水样数据，采用单因子评价法、F值评价法、灰色关联分析法和模糊综合评价法对水质进行评价。根据监测指标数量，选取pH值、总硬度、总溶解性固形物、氯化物、氟化物、硫酸盐、氨氮和高锰酸盐指数共8项评价指标，各观测点实测数据如表2所示。

表2 样品中各评价指标的实测值Tab.2 The measured values of each evaluation index in the sample

2.1 单因子评价法评价地下水水质

依据参考文献[16]对16个样品的各指标按从优不从劣的原则进行单项指标评价，评价结果见表3，可以看出，1号和7号水质为Ⅳ类，而其他水样的水质等级均为Ⅲ类。

表3 单因子评价法评价结果Tab.3 Single factor evaluation method

2.2 F值评价法评价地下水水质

根据各水样评价指标的实测值及地下水水质分级标准值，利用单项组分评价赋分标准(表1)和公式(2)与公式(3)计算出各指标综合评价分值，再结合表1确定地下水质量级别，结果如表4所示。从表4中可看出，1号、2号和6号为Ⅲ类，而其余样品的水质较好，均为Ⅱ类。

表4 F值评价法评价结果Tab.4 Evaluation results of F evaluation method

2.3 灰色关联法评价地下水水质

采用灰色关联分析法对阿克苏地下水水质的评价结果如表5所示，从表中可以看出，1号和7号是Ⅲ类，2号和11号是Ⅱ类，其他均为Ⅰ类。

表5 灰色关联分析法评价结果Tab.5 Grey correlation analysis method to evaluate the result

2.4 模糊综合评价法评价地下水水质

采用模糊综合评价法计算得到的水质各样品等级结果见表6，由表可知，1号、2号和16号水样为Ⅱ类，其余水样均为Ⅰ类。

表6 模糊综合法评价结果Tab.6 Fuzzy comprehensive evaluation results

2.5 不同水质评价方法结果对比

综合对比单因子评价法、F值评价法、灰色关联分析法和模糊综合评价法4种评价方法对实测水质样品的评价结果如表7所示。总体上看，单因子评价法与F值评分法的评价结果比较接近，而灰色关联分析法和模糊综合评价法的评价结果比较接近，而且采用模糊综合评价法的水质最好，灰色关联分析法次之，然后是F值评价法，而单因子评价法的水质最差。从各评价方法上看，在16处监测点中其中，单因子评价法中Ⅲ类水质的有14处，占87.5%；Ⅳ类水质的有2处，占12.5%，没有Ⅰ类和Ⅱ类及Ⅴ类水质。F值评价结果中，水质类别为Ⅱ类的有13处，占81.25%；水质类别为Ⅲ类有3处，占18.75%，评价结果中没有Ⅰ类、Ⅳ类和Ⅴ类水质。灰色关联分析法评价结果中，Ⅰ类水质11处，占68.75；Ⅱ类水质3处，占18.75；Ⅲ类水质的有2处，占12.5%；没有Ⅳ类Ⅴ类水质。模糊综合评价法结果中，水质类别为Ⅰ类的有13处，占81.25；水质类别为Ⅱ类的有3处，占18.75，没有Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类水质。

对比4种评价方法可发现，单因子评价法与模糊综合评价法差异最大，是由于在单因子评价法中是以水质最差的单项指标确定水质类别，如1号水样中，除pH值、氨氮和高锰酸盐指数3个指标外，其他指标按地下水水质分级标准均为Ⅳ类，因此，该水样为Ⅳ类，此结果表明该评价方法较为严苛，它只考虑了监测指标中污染状况最严重的因子对整体评价结果的影响，而弱化了其他评价因子对水质的影响，使相同类别的水体无法进行比较。而在模糊综合评价法中，因为忽略了少数监测指标中超标的污染因子所产生的影响，从而使整体的评价结果过于乐观，得到的较好的水质类别。

表7 不同评价方法水质评价结果Tab.7 Water quality evaluation results of different evaluation methods

3 结 论

利用阿克苏市16处地下水观监井的监测数据，采用4种评价方法对地下水水质进行评价，结果表明，单因子评价法虽然可以直观的反映出超标项目，但不能对整体水质类别进行综合判定，因而评价出的水质类别偏劣；F值法相比单因子评价法，应用综合评分值可以反映出水质整体状况，但仅局限在各评价指标分类级别较分明的情况下，且超标项目多或没有的条件下，使得评价结果中更加凸显了超标污染指标的级别，而且评价结果不连续；灰色关联分析法由于排除了以一个监测指标值作为分界点的缺点，更全面有效地利用了水样的监测数据，从而得到比较一致的水质评价结果，也比较符合水样的实际水质状况；模糊综合评价法由于在计算过程中充分考虑了不同水质类别分界线的模糊性，而且考虑了评价因子对水质权重的影响，从而可以体现出各评价因子对水质的综合影响，但同时，该评价方法计算比较复杂，不易实际操作，且不能确定出主要的污染指标，如重金属和有毒有机物等污染物指标可能被掩盖。因此，在对水质进行评价时因根据实际的监测数据与评价目的选择不同的评价方法，使评价结果更加准确，从而更科学客观地反映出水体的实际情况。