模糊評判法在地下水質(zhì)量評價中的應(yīng)用

模糊評判法在地下水質(zhì)量評價中的應(yīng)用

水土壤質(zhì)量評價的基本任務(wù)和目標(biāo)是評估地下水水質(zhì)的質(zhì)量和程度。主要用于研究區(qū)域地下水質(zhì)量問題，尤其是區(qū)域地下水污染。由于描述地下水質(zhì)量好壞的指標(biāo)眾多,且不同指標(biāo)對地下水質(zhì)量好壞的影響程度不同,因此合理評價地下水質(zhì)量并非容易之事。前人在實(shí)踐中總結(jié)出多種地下水質(zhì)量評價方法,對同一個評價對象不同評價方法可能得到不同的評價結(jié)果。本文通過對比分析典型地下水樣超標(biāo)組分與各種評價結(jié)果的一致性,統(tǒng)計分析各種評價結(jié)果的分布特征,確定一種適用于天津市平原區(qū)地下水質(zhì)量評價的方法,以該方法的評價結(jié)果為基礎(chǔ),分析天津市不同含水層組及不同行政區(qū)的地下水質(zhì)量狀況,為保護(hù)地下水資源、加強(qiáng)地下水資源管理提供科學(xué)依據(jù)1地下水質(zhì)量評價方法基本1.1綜合評價分值的確定國際F值法是GB/T14848—93《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》介紹的一種方法。步驟如下:(1)各單項(xiàng)組分評價,劃分組分所屬質(zhì)量類別;(2)確定單項(xiàng)評價分值Fi(Ⅰ類Fi=0,Ⅱ類Fi=1,Ⅲ類Fi=3,Ⅳ類Fi=6,Ⅴ類Fi=10);(3)按下式計算綜合評價分值:式中(其中:F為各單項(xiàng)組分評價分值Fi的平均值;Fmax為單項(xiàng)組分評價分值Fi中的最大值為項(xiàng)數(shù)根據(jù)值劃分地下水質(zhì)量級別(F<0.80為優(yōu)良,0.80<F<2.50為良好,2.50<F<4.25為較好,4.25<F<7.20為較差,F>7.20為極差)。1.2實(shí)測濃度c0此方法適用于地下水基本未污染、水質(zhì)較好的地區(qū),評價指數(shù)由下式計算:式中:Ii=C0Ci,其中Ci為i組分的實(shí)測濃度;C0為i組分的比較值,取GB/T14848—93《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類地下水指標(biāo)值(以下同)。地下水質(zhì)量評判標(biāo)準(zhǔn)如下:PI<4.04為Ⅰ類水,4.04<PI<7.38為Ⅱ類水,7.39<PI<20.00為Ⅲ類水,20.01<PI<50.85為Ⅳ類水,PI>50.85為Ⅴ類水。1.3實(shí)測濃度:ci+c0突出含量小、對人體危害大的組分。評價指數(shù)由下式計算:式中:Ii=C0Ci,其中Ci為i組分的實(shí)測濃度;C0為i組分的比較值。地下水質(zhì)量評判標(biāo)準(zhǔn)如下:PI<0.20為Ⅰ類水,0.21<PI<0.37為Ⅱ類水,0.38<PI<1.00為Ⅲ類水,1.01<PI<2.54為Ⅳ類水,PI>2.54為Ⅴ類水。1.4實(shí)測濃度:c0,table突出主要超標(biāo)組分對地下水質(zhì)量的影響。評價指數(shù)由下式計算:式中:I=1nni=∑Ci1C0,Imax=maxC0Ci,其中Ci為i組分的實(shí)測濃度;C0為i組分的比較值。地下水質(zhì)量評判標(biāo)準(zhǔn)如下:PI<0.72為Ⅰ類水,0.73<PI<0.76為Ⅱ類水,0.77<PI<1.00為Ⅲ類水,1.01<PI<7.29為Ⅳ類水,PI>7.29為Ⅴ類水。1.5地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和因子集分級標(biāo)準(zhǔn)模糊數(shù)學(xué)方法把普通集合論中的非“0”則“1”的絕對隸屬關(guān)系擴(kuò)充到“0-1”間隸屬關(guān)系中的任意實(shí)數(shù),為解決諸如地下水質(zhì)量等模糊問題提供了有效方法,能夠較大程度地克服人為清晰化的不足。步驟如下:(1)建立評價空間,確定地下水水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)和因子集分級標(biāo)準(zhǔn)按地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》將地下水劃分成5級,評價因子選取總硬度、硫酸鹽、氯化物、鐵、銅、高錳酸鉀指數(shù)、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氰化物、鉻、鉛、錳、揮發(fā)性酚類、氨氮、陰離子合成劑、汞、砷、鎘、氟化物共計19項(xiàng)。(2)計算各項(xiàng)因子對不同水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度,建立隸屬度矩陣(記為R)。(3)計算各評價因子的權(quán)重系數(shù),建立權(quán)值矩陣(記為A)。模糊綜合評判中賦權(quán)的方法很多,但由于地下水水質(zhì)成分的復(fù)雜性以及選用評價因子的多樣性,本文采用“超標(biāo)法”賦權(quán),以突出主要污染因子。(4)綜合評價。評價模型為矩陣A與R復(fù)合運(yùn)算(B=AR,B為水樣對各類級別水的隸屬度集合)。(5)評價。按最大隸屬度原則確定水質(zhì)等級,可以結(jié)合區(qū)域的地下水環(huán)境,并從安全角度選取四種方法復(fù)合結(jié)果中較差的一級確定為最終評判結(jié)果。1.6不同地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)下評價步驟層次結(jié)構(gòu)模型由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層構(gòu)成,本次評價把水質(zhì)評價結(jié)果作為層次分析的目標(biāo)層(記為X),把評價因子(包括:氟化物、鐵離子濃度、氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、錳)濃度作為準(zhǔn)則層(記為Y),考慮評價因子過多會使評價結(jié)果平穩(wěn)化并出現(xiàn)誤判情況,因此我們選取天津市地下水中超標(biāo)比較嚴(yán)重的6個因子,把GB/T14848—93《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的5個地下水質(zhì)量類別作為層次分析的方案層(記為Z)。評價步驟如下:(1)用各單指標(biāo)評價的水質(zhì)等級結(jié)果作為標(biāo)度構(gòu)造準(zhǔn)則層兩兩判斷矩陣(記為X-Y)。(2)計算判斷矩陣的特征向量及最大特征根,對向量進(jìn)行歸一化和一致性檢驗(yàn),進(jìn)行準(zhǔn)則層層次單排序。(3)用各評價因子的濃度與其對應(yīng)的各個水質(zhì)量類別標(biāo)準(zhǔn)值的差值的倒數(shù)作為標(biāo)度構(gòu)造方案層兩兩判斷矩陣(記為Y-Z),進(jìn)行方案層層次單排序和一致性檢驗(yàn)。(4)利用層次單排序結(jié)果,計算針對上一層次而言本層次所有元素相對重要性權(quán)值,進(jìn)行層次總排序和一致性檢驗(yàn),得出水樣與各類地下水質(zhì)之間的權(quán)重排序,從而判別出該水樣的水質(zhì)類別。(5)考慮到層次權(quán)值之間的關(guān)聯(lián)性,根據(jù)“大于其上一級別之和”的分類原則判定樣本所屬的類別,輸出評判結(jié)果。1.7計算灰關(guān)聯(lián)度矩陣評價步驟如下:(1)將各測點(diǎn)待評價水質(zhì)樣本的各指標(biāo)組分實(shí)測濃度值構(gòu)成的數(shù)列作為參考數(shù)列,將GB/T14848—93《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)中各水質(zhì)類別的各指標(biāo)組分標(biāo)準(zhǔn)值構(gòu)成的數(shù)列作為比較數(shù)列,對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化和正規(guī)化處理。(2)求兩數(shù)列絕對差、最小差及最大差,求灰關(guān)聯(lián)系數(shù),建立灰關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣。(3)確定各項(xiàng)評價指標(biāo)權(quán)重(同層次分析法)。(4)計算灰加權(quán)關(guān)聯(lián)度矩陣。(5)輸出評判結(jié)果。2天津市地下水質(zhì)量現(xiàn)狀評價本文以2001年豐水期258份水質(zhì)分析報告和2002年枯水期155份水質(zhì)分析報告為依據(jù),采用上述各種評價方法進(jìn)行地下水質(zhì)量評價,并對不同評價結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析,目的是找出一種適用于天津市地下水質(zhì)量評價的方法并得出能反映天津市地下水質(zhì)量實(shí)際狀況的評價結(jié)果。2.1評價結(jié)果的表面原因?qū)δ硞€具體水樣而言,由于評價方法不同所得出的評價結(jié)論不同是一件難以處理的事情。表1給出天津市平原區(qū)不同含水層組具有代表性水樣的評價結(jié)果和能夠描述其水質(zhì)基本特征的指標(biāo)含量。對比分析如下:(1)疊加指數(shù)、平均指數(shù)和國標(biāo)F值法評價得出的水質(zhì)類別與水質(zhì)基本特征一致,但不能突出污染組分存在的事實(shí),特別是當(dāng)少數(shù)污染組分超標(biāo)情況下,評價結(jié)果沒有給出警示;(2)灰色關(guān)聯(lián)法評價得出的水質(zhì)類別與水質(zhì)基本特征相差較大,過分夸大了少數(shù)超標(biāo)組分的作用,偏離實(shí)際情況;(3)內(nèi)梅羅指數(shù)法評價得出的水質(zhì)類別與水質(zhì)基本特征較一致,也較好地突出了超標(biāo)組分的作用,但評價結(jié)果相對集中在Ⅳ類水上,使得評價結(jié)果對水質(zhì)變化的反映程度不夠;(4)層次分析法評價得出的水質(zhì)類別與水質(zhì)基本特征較一致,也較好地突出了超標(biāo)組分的作用,但該方法評價結(jié)果與準(zhǔn)則層選擇的指標(biāo)內(nèi)容和數(shù)量有關(guān),人為干擾因素大;(5)模糊評判結(jié)果與水質(zhì)基本特征一致性較好,適當(dāng)?shù)赝怀隽顺瑯?biāo)組分的作用,而且評價結(jié)果有一定的變化幅度,能較好地反映水質(zhì)變化情況。2.2種方法比較結(jié)果比較各種評價方法都有其適宜性和局限性[3～5],因此用不同評價方法對同一對象進(jìn)行評價,其結(jié)果不盡相同是可以理解的,但對各種評價方法缺乏明確的結(jié)論性認(rèn)識不利于指導(dǎo)地下水資源管理工作。表2給出不同評價方法對天津市平原區(qū)各含水層組地下水質(zhì)量評價的統(tǒng)計結(jié)果,比較后發(fā)現(xiàn)以下特點(diǎn):(1)疊加指數(shù)和平均指數(shù)兩種方法的評價結(jié)果接近,評價得出的地下水質(zhì)量偏好,水質(zhì)類別以Ⅱ、Ⅲ類水為主;(2)內(nèi)梅羅指數(shù)、國標(biāo)F值、灰色關(guān)聯(lián)分析三種方法評價結(jié)果與前兩種方法的結(jié)果明顯不同,它們評價得出的地下水質(zhì)量偏壞,水質(zhì)類別以Ⅳ、Ⅴ類水為主,其中內(nèi)梅羅指數(shù)與國標(biāo)F值兩種方法的評價結(jié)果接近,評價得出的地下水質(zhì)量類別以Ⅳ類水為主(占總數(shù)的68%～98%),而灰色關(guān)聯(lián)分析法評價得出的地下水質(zhì)量類別以Ⅴ類水為主(占總數(shù)的60%～90%);(3)模糊評判、層次分析法評價結(jié)果相似,評價得出的地下水質(zhì)量類別以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類水為主,其中Ⅳ類水占40%左右,Ⅲ類和Ⅴ類水各占25%左右,表現(xiàn)出一定的分散型,有利于研究區(qū)域分布規(guī)律。根據(jù)上述分析,作者認(rèn)為模糊評判法適用于天津市平原區(qū)地下水質(zhì)量評價,其評價結(jié)果能夠反映天津市平原區(qū)的地下水質(zhì)量狀況。3天津市平原地下水質(zhì)量評價結(jié)果及分析3.1天津市淺層地下水質(zhì)量普遍差以區(qū)縣行政區(qū)為單位分別計算各含水層組地下水化學(xué)組分的均值,用模糊評判方法評價其水質(zhì)類別,目的是從宏觀上了解和對比天津市各行政區(qū)的地下水質(zhì)量現(xiàn)狀。評價結(jié)果見表3。分析如下:(1)天津市各區(qū)縣的淺層地下水質(zhì)量普遍差,除北部地區(qū)的薊縣和寶坻為Ⅳ類水外,其他區(qū)縣均為Ⅴ類水,既有原生環(huán)境問題也有次生環(huán)境問題;(2)天津市深層承壓水質(zhì)量明顯好于淺層地下水質(zhì)量,其中寶坻、漢沽的第Ⅱ、第Ⅲ組承壓水質(zhì)量達(dá)到Ⅲ類水,而塘沽、東麗、津南、北辰的第Ⅱ、第Ⅲ組承壓水質(zhì)量普遍為Ⅴ類水,其他區(qū)縣的第Ⅱ、第Ⅲ組承壓水質(zhì)量為Ⅳ類水。分析認(rèn)為,造成天津市中、東部地區(qū)深層承壓水為Ⅴ類水的原因主要是地下水中氯化物、氟化物、氨氮和鐵超標(biāo)倍數(shù)較高,屬原生與次生環(huán)境混合問題。3.2承壓水、氯化物、鐵、錳、酸鈉指數(shù)表現(xiàn)及成因分析本文用不同層組地下水有關(guān)指標(biāo)的平均值來描述天津市地下水水質(zhì)的垂向分布特征,有關(guān)指標(biāo)及其平均值見表4,分析得出:(1)從淺層地下水至第Ⅳ組承壓水水質(zhì)逐漸變好,Ⅴ類水所占比例逐漸減少;(2)第Ⅴ組承壓水水質(zhì)變差,Ⅴ類水所占比例大幅度提高,其中氯化物的平均含量高于其上部幾組承壓水的平均含量,表現(xiàn)出一定的異常性,原因有待查清;(3)氯化物、氨氮、鐵、錳、高錳酸鉀指數(shù)五項(xiàng)指標(biāo)平均含量為淺層地下水高、深層承壓水低,其中淺層地下水與第Ⅱ組承壓水之間的變化幅度較大,而第Ⅱ組承壓水與其他組承壓水之間變化幅度明顯較小;(4)pH值、氟化物兩項(xiàng)指標(biāo)的平均含量為淺層地下水低而深層承壓水高,而且表現(xiàn)出較好的連續(xù)性變化。3.3總水含水層水分布根據(jù)各含水層組地下水質(zhì)量評價結(jié)果(模糊評判法)繪制了地下水水質(zhì)類別區(qū)域分布圖,根據(jù)主要污染物區(qū)域分布特征分析,結(jié)果如下:a.淺層地下水:Ⅴ類水分布面積最大,占含水層總面積的70%以上,主要分布在天津市中南部地區(qū),包括漢沽、塘沽、大港、津南、東麗、北辰、市區(qū)、西青全部面積和寧河、寶坻大部分面積及靜海、武清小部分面積;Ⅳ類水分布面積略小,約占含水層總面積的29%左右,主要分布在天津市北部和西部地區(qū),包括薊縣、靜海大部分面積和武清、寶坻小部分面積;Ⅱ、Ⅲ類水分布面積呈零星分布,占含水層總面積的1%左右,主要分布在天津市北部地區(qū),包括薊縣和寶坻,其中寶坻東部新安鎮(zhèn)至林亭口一帶水質(zhì)級別為Ⅱ類水,面積約50km2。b.第Ⅱ組承壓水:Ⅴ類水分布面積最大,約占含水層總面積的50%左右,主要分布在天津市中南部地區(qū),包括塘沽、大港、津南、東麗、北辰、市區(qū)、西青全部面積,在薊縣、寧河、寶坻、靜海、武清分布面積較小;Ⅳ類水分布面積次之,約占含水層總面積的45%左右,主要分布在天津市北部和西部地區(qū),包括薊縣、靜海、武清、寶坻、漢沽、寧河的大部分面積;Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類水分布面積呈零星分布,約占含水層總面積的5%左右,主要分布在天津市北部地區(qū),包括薊縣、寶坻、寧河和漢沽的局部地區(qū),其中寶坻東部新安鎮(zhèn)至林亭口一帶和漢沽北部一帶分布面積較大,約400km2。c.第Ⅲ組承壓水:Ⅳ類水分布面積最大,約占含水層總面積的50%左右,主要分布在天津市中南部地區(qū),包括大港、靜海全部面積和武清、寧河、寶坻、漢沽、津南的大部分面積及西青、北辰、東麗、塘沽的小部分面積;Ⅴ類水分布面積次之,約占含水層總面積的40%左右,主要分布在天津市中部地區(qū),包括西青、北辰、東麗、塘沽的大部分面積和津南、武清的小部分面積,另外呈點(diǎn)狀出現(xiàn)在寶坻、大港和靜海;Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類水分布面積呈零星分布,約占含水層總面積的10%左右,主要分布在天津市北部地區(qū),包括寶坻、武清、寧河和漢沽的部分地區(qū),其中寶坻東南部新安鎮(zhèn)至黃莊一帶分布面積較大,約900km2。d.第Ⅳ組承壓水:該組水的采樣點(diǎn)主要分布在天津市東南部地區(qū),因此不能反映北部地區(qū)水質(zhì)情況,據(jù)現(xiàn)有資料的評價結(jié)果,該組水Ⅳ類水分布面積最大,約占含水層總面積的90%左右,分布在天津市南部的大部分地區(qū),包括靜海、大港、西青、北辰、東麗、寧河、市區(qū)全部面積和漢沽、津南的小部分面積;Ⅴ類水分布面積較小,約占含水層總面積的10%左右,分布在天津市東部地區(qū),包括塘沽、津南的部分面積;Ⅱ類水分布呈零星狀,僅分布在漢沽東部一帶。e.第Ⅴ組承壓水:該組水的采樣點(diǎn)較少,主要分布在天津市東部沿海地區(qū)