楊永鵬，陜 寧

(海南省地質(zhì)調(diào)查院，海南 ?？?570206)

基于模糊綜合評價(jià)法的海口地區(qū)淺層地下水水質(zhì)評價(jià)

楊永鵬，陜 寧

(海南省地質(zhì)調(diào)查院，海南 ?？?570206)

以海口地區(qū)淺層地下水取樣檢測資料為依據(jù)，選用了硫酸鹽、氯化物、鐵、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮、氟化物、總硬度、溶解性總固體共9個(gè)評價(jià)指標(biāo)，從隸屬度、權(quán)重的計(jì)算以及水質(zhì)模糊綜合評價(jià)模型的選擇等方面。詳細(xì)介紹了模糊綜合評價(jià)法運(yùn)用于地下水水質(zhì)評價(jià)中的全過程。評價(jià)結(jié)果表明，其?？诘貐^(qū)淺層地下水水質(zhì)多屬多屬Ⅰ至Ⅱ類水，評價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確合理，客觀反映了各種因子共同作用下的水質(zhì)情況，與實(shí)際情況相符合，證明模糊綜合評價(jià)法是一種有效的評價(jià)方法。

模糊綜合評價(jià)；評價(jià)因子；評價(jià)級別；隸屬度；水質(zhì)評價(jià)

水的質(zhì)量簡稱水質(zhì)，是指水體中所含物理成分、化學(xué)成分和及生物成分的總和，水的質(zhì)量決定著水的用途和利用價(jià)值。所以，根據(jù)地下水的主要物質(zhì)成分和給定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，分析地下水水質(zhì)的時(shí)空分布狀況，便成為了地下水水質(zhì)保護(hù)的首要問題，也是人民衡量地下水資源優(yōu)劣的有效手段。目前水質(zhì)綜合評價(jià)模型主要有單因子評價(jià)法、模糊模式識別法、灰關(guān)聯(lián)模式識別法、BP人工神經(jīng)網(wǎng)格法等。由于水質(zhì)模糊綜合評價(jià)法能充分考慮每個(gè)因子對綜合評價(jià)結(jié)果的奉獻(xiàn)，并把奉獻(xiàn)權(quán)重進(jìn)行分配，評價(jià)結(jié)果反映了各評價(jià)參數(shù)的綜合作用，使其便于在不同地區(qū)間進(jìn)行水質(zhì)橫向比較，能夠較為準(zhǔn)確的反映水質(zhì)綜合狀況[1]。本研究采用模糊綜合評價(jià)法對海南?？诘貐^(qū)淺層地下水水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于海南島的東北部，包括海口市、文昌市和澄邁縣三個(gè)市縣，北與雷州半島隔海相望，地勢總體呈南高北低，微向海傾。區(qū)內(nèi)雨量豐富，多年平均降雨量1 676.8 mm，旱、雨季分明，5～10月份為雨季，降雨量占全年的78.1%，11月至翌年4月為旱季，降雨量占全年的21.9%，多年平均蒸發(fā)量1 975.7 mm；多年平均氣溫23.8℃。5～8月份為高溫期，最高氣溫38.9℃；1～2月份為低溫期，極端最低氣溫2.8℃。該地區(qū)淺層地下水類型主要包括第四系松散巖類孔隙潛水含水層、火山巖裂隙孔洞潛水含水層和基巖裂隙水含水層3大類[2]。

2 水質(zhì)模糊綜合評價(jià)法應(yīng)用實(shí)例及計(jì)算

水質(zhì)模糊綜合評價(jià)的基本思路：首先對參評指標(biāo)的各評價(jià)級別進(jìn)行綜合，得到樣品對各個(gè)評價(jià)級別的綜合滿意度，然后再根據(jù)評價(jià)問題的需要予以集化，得到一個(gè)最終的評價(jià)結(jié)果[3]。水質(zhì)模糊綜合評價(jià)模型構(gòu)建的思路如下：

設(shè)評價(jià)因子集為U={U1，U2，…，Ui，…，Un}(i=1，2，…，n)，n為評價(jià)因子數(shù)；評價(jià)級別集為V={ V1，V2，…，Vi，…，Vm}(i=1，2，…，m)，m為評價(jià)級別數(shù)；評價(jià)因子的權(quán)重系數(shù)集為A=(A1，A2，…，Ai，…，An)(0<αi≤1)；R為單要素評價(jià)向量組成的綜合評價(jià)矩陣，單要素評價(jià)向量為單個(gè)評價(jià)因子相對于各評價(jià)等級的隸屬度所組成的向量。則水質(zhì)模糊綜合評價(jià)結(jié)果為：

B=A°R

(1)

式(1)中“。”為模糊運(yùn)算的合成算子。

2.1 水質(zhì)評價(jià)因子集的建立

本次研究根據(jù)《地下水質(zhì)檢驗(yàn)方法》(DZ /T 0064-93)[4]和《地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室測試質(zhì)量管理規(guī)范》DZ /T 0130．6-2006[5]對研究區(qū)243個(gè)取樣點(diǎn)共取243組淺層地下水水樣進(jìn)行檢驗(yàn)測試，選擇9個(gè)決定水質(zhì)類別的評價(jià)因子，建立評價(jià)因子集為：

U={U1，U2，U3，U4，U5，U6，U7，U8，U9}

U = { 硫酸鹽，氯化物，鐵，硝酸鹽(以N計(jì))，亞硝酸鹽(以N計(jì))，氨氮(以N計(jì))，氟化物，總硬度(以CaCO3計(jì))，溶解性總固體 }

評價(jià)數(shù)據(jù)采用2011年采取水樣的實(shí)測數(shù)據(jù)(表1)。

表1 ?？诘貐^(qū)淺層地下水水質(zhì)樣品評價(jià)因子實(shí)測數(shù)據(jù) mg/L

注：共有243組水樣，由于篇幅所限，僅節(jié)選其中10組水樣實(shí)測數(shù)據(jù)。

2.2 水質(zhì)評價(jià)級別集的建立

本次研究采用《地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(DZ / T 0290-2015)[6]中的Ⅰ～Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價(jià)，建立水質(zhì)評價(jià)級別集為V = {Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}，見表2。

表2 地下水水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn) mg/L

2.3 隸屬函數(shù)的確定

2.3.1 隸屬函數(shù)確定的方法

用隸屬度劃分水質(zhì)分級界限，隸屬度在模糊綜合評價(jià)中是指某一評價(jià)因子在指定論域中的隸屬程度，水質(zhì)綜合評價(jià)的關(guān)鍵是要確定諸因子的隸屬函數(shù)。隸屬函數(shù)確定有多種方式，一般常選用升(降)半梯形分布，建立一元線性隸屬函數(shù)[7]。本次研究選用降半梯形分布來確定函數(shù)，設(shè)xi表示第i種評價(jià)因子的濃度值，則第i種評價(jià)因子屬于第j類水質(zhì)的隸屬度計(jì)算關(guān)系式為：

(2)

式(2)中：μij為第i種評價(jià)因子屬于第j類水質(zhì)的隸屬度；m為水質(zhì)級別數(shù)；xi為第i種評價(jià)因子的實(shí)測值(i=1，2，…，n，n為評價(jià)因子數(shù))；sij為第i種評價(jià)因子第j類的國家標(biāo)準(zhǔn)濃度值。

2.3.2 實(shí)例說明

以樣品sw03為例，硫酸鹽：μ11=1，μ12=μ13=μ14=μ15=0；氯化物：μ21=1，μ22=μ23=μ24=μ25=0；鐵：μ31=μ12=0，μ13=0.451，μ14=0.529，μ15=0；硝酸鹽：μ41=1，μ42=μ43=μ44=μ45=0；亞硝酸鹽：μ51=0，μ52=0.638，μ53=0.362，μ54=μ55=0；氨氮：μ61=1，μ62=μ63=μ64=μ65=0；氟化物：μ71=1，μ62=μ63=μ64=μ65=0；總硬度：μ81=1，μ82=μ83=μ84=μ85=0；溶解性總固體：μ91=1，μ92=μ93=μ94=μ95=0。

2.4 模糊關(guān)系矩陣的確定

2.4.1 模糊關(guān)系矩陣確定的方法

根據(jù)式(2)隸屬度計(jì)算關(guān)系式首先得某一樣品各個(gè)評價(jià)因子的單因子模糊評價(jià)隸屬度向量Ri：

Ri=(μi1，μi2，…，μij，…，μim)

(3)

將各單因子評價(jià)集的隸屬度為行，則組成隸屬度綜合評價(jià)矩陣R：

(4)

2.4.2 實(shí)例說明

以樣品sw03為例，已知U為9個(gè)評價(jià)因子的集合，V為5類水質(zhì)分級的集合，根據(jù)隸屬度計(jì)算關(guān)系式求該樣品9個(gè)評價(jià)因子對5類級別的隸屬程度，得到9×5的模糊矩陣R，即：

2.5 權(quán)重的確定

2.5.1 權(quán)重確定的方法

權(quán)重確定的方法較多，本次研究根據(jù)n種污染因子所產(chǎn)生的污染作用的不同，以污染因子的超標(biāo)情況決定權(quán)重，即超標(biāo)越多則賦予的權(quán)重越大，并進(jìn)行歸一化處理得到權(quán)重系數(shù)矩陣，計(jì)算公式為[8]：

(5)

(6)

式(5)、(6)中：αi為第i種評價(jià)因子的權(quán)重；xi為第i種評價(jià)因子的濃度實(shí)測值；si為第i種評價(jià)因子各評價(jià)級別濃度標(biāo)準(zhǔn)值總和的平均值；sij為第i種評價(jià)因子的第j類評價(jià)級別濃度標(biāo)準(zhǔn)值；m為水質(zhì)分類級別數(shù)。

得到的評價(jià)因子權(quán)重集為：

α=(α1，α2，…，αi，…，αn)

(7)

對評價(jià)因子權(quán)重集，即式(7)進(jìn)行歸一化處理，得到評價(jià)因子權(quán)重系數(shù)矩陣：

A=(A1，A2，…，Ai，…，An)

(8)

(9)

2.5.2 實(shí)例說明

α=(0.021 8，0.035 7，0.845 7，0.009 3，0.133 9，0.009 8，0.073 7，0.120 8，0.096 6)

A=(0.016 2，0.026 5，0.627 6，0.006 9，0.099 4，0.007 3，0.054 7，0.089 7，0.071 7)

2.6 模糊矩陣的復(fù)合運(yùn)算

2.6.1 復(fù)合運(yùn)算方法的確定

模糊綜合評價(jià)的結(jié)果是通過權(quán)重系數(shù)矩陣A和模糊隸屬度評價(jià)矩陣R的復(fù)合運(yùn)算得到：

B=A。R=(A1，A2，…，Ai，…，An)。

(10)

式(10)中運(yùn)算符號“?！睘楹铣伤阕樱ǔ２捎靡韵聝煞N方法：(1)按模糊矩陣合成算法；(2)普通矩陣算法。模糊矩陣合成算法與普通矩陣算法相比，運(yùn)算的過程一樣，只是將實(shí)數(shù)乘法改為邏輯乘“∧”，實(shí)數(shù)加法改為邏輯加“∨”，即兩數(shù)相乘取小者為“積”，諸數(shù)相加取大者為“和”。由于模糊矩陣合成算法只突出了隸屬度很大和很小項(xiàng)的作用，其運(yùn)算結(jié)果B中的值有時(shí)會出現(xiàn)等值，評價(jià)不出優(yōu)劣，這在實(shí)際的評價(jià)中是不合理的。因此本次研究采用了普通矩陣算法來進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算，其在評價(jià)結(jié)果向量中包括了所有因素的共同作用，真正體現(xiàn)了綜合性，在實(shí)際評價(jià)中更具合理性[9]。

2.6.2 實(shí)例說明

以樣品sw03為例：

B=A°R=(0.273 0，0.063 4，0.331 4，0.332 2，0.000 0)

表3 ?？诘貐^(qū)淺層地下水水質(zhì)模糊綜合評價(jià)結(jié)果 mg/L

注：共有243組水樣，由于篇幅所限，僅節(jié)選其中10組水樣實(shí)測數(shù)據(jù)。

2.7 模糊水質(zhì)綜合評價(jià)結(jié)果

模糊矩陣復(fù)合運(yùn)算結(jié)果矩陣B中的值是對應(yīng)于水質(zhì)評價(jià)級別集V的各項(xiàng)隸屬度，反映了評價(jià)水質(zhì)對Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的所屬程度。按照最大隸屬度為原則確定水質(zhì)綜合評價(jià)級別，即隸屬度最大值所在級別為該樣品的水質(zhì)類別。由計(jì)算結(jié)果綜合評價(jià)樣品sw03水質(zhì)類別屬于Ⅳ類，同理可得其余樣品的水質(zhì)類別(表3)。

根據(jù)以上模糊水質(zhì)綜合評價(jià)結(jié)果，海口地區(qū)淺層地下水所取246組地下水樣品中，水質(zhì)屬于Ⅰ類水的樣品點(diǎn)有191個(gè)，占總樣品的78.60%；水質(zhì)屬于Ⅱ類水的樣品點(diǎn)有19個(gè)，占總樣品的7.82%；水質(zhì)屬于Ⅲ類水的樣品點(diǎn)有12個(gè)，占總樣品的4.94%；水質(zhì)屬于Ⅳ類水的樣品點(diǎn)有14個(gè)，占總樣品的5.76%；水質(zhì)屬于Ⅴ類水的樣品點(diǎn)有7個(gè)，占總樣品的2.88%。整體來看Ⅰ、Ⅱ類水的樣品約占86.42%。

3 結(jié)語

本次研究采用了模糊數(shù)學(xué)綜合評價(jià)法對?？诘貐^(qū)淺層地下水水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)，根據(jù)《地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(DZ / T 0290-2015)，選取具有代表性的9項(xiàng)評價(jià)因子，對水質(zhì)評價(jià)因子賦予了相應(yīng)的權(quán)重值，其評價(jià)結(jié)果角準(zhǔn)確合理，客觀的反映了各種因子共同作用下的水質(zhì)情況。評價(jià)結(jié)果表明?？诘貐^(qū)淺層地下水水質(zhì)多屬Ⅰ至Ⅱ類水，這與實(shí)際情況比較相符。

[1]李奇珍，何俊仕．水質(zhì)綜合評價(jià)方法探討[J]．人民黃河.2007.29(1)：50-52.

[2]海南省地質(zhì)調(diào)查院．2016年海南國際旅游島水文地質(zhì)工程地質(zhì)調(diào)查評價(jià).

[3]田欽謨．模糊綜合評價(jià)中的權(quán)向量與合成算子[J]．大連水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報(bào).2000.15(1)：55-59.

[4]DZ / T 0064-93.地下水質(zhì)檢驗(yàn)方法[S].

[5]DZ / T 0130．6-2006.地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室測試質(zhì)量管理規(guī)范[S].

[6]DZ / T 0290-2015.地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[7]何錦峰．水資源價(jià)值評價(jià)—以成都市為例[D]．北京：中國科學(xué)院.2000.

[8]陳劍，白艷麗．模糊數(shù)學(xué)在渾河(撫順段)水質(zhì)綜合評價(jià)中的應(yīng)用[J]．遼寧城鄉(xiāng)環(huán)境科技.2003.23(2)：21-24.

[9]劉彬，周玉娟，奕清華．模糊數(shù)學(xué)在地下水質(zhì)綜合評價(jià)中的應(yīng)用[J]．河北建筑科技學(xué)院學(xué)報(bào).2006.23(1)：8-10.

Evaluation of Shallow Groundwater Quality in Haikou Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation Method

YANG Yong-peng，SHAN Ning

(Hainan Geological Survey Institute, Hainan Haikou 570206)

Based on the data of shallow groundwater sampling in Haikou, nine evaluation indexes of sulfate, chloride, iron, nitrate, nitrite, ammonia nitrogen, fluoride, total hardness and total dissolved solids are selected. The whole process of the application of fuzzy comprehensive evaluation method in groundwater quality evaluation is introduced in detail from the aspects of membership degree, weight calculation and selection of fuzzy comprehensive evaluation model of water quality. The results show that the quality of shallow groundwater in Haikou area is mostly of classⅠtoⅡ, the evaluation result is accurate and reasonable, and the water quality situation under the common effect of various factors is reflected objectively, which is consistent with the actual situation. This proves that the fuzzy comprehensive evaluation method is an effective evaluation method.

fuzzy comprehensive evaluation; evaluation factor; evaluation level; membership degree; water quality evaluation

2017-04-27

珠三角—環(huán)北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評價(jià)項(xiàng)目(1212011220016)

楊永鵬(1986-)，男，海南萬寧人，工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查方面工作。

P641.12

A

1004-1184(2017)04-0020-03