苗 濤，吳可欽，付建芳

（1. 昂駿環(huán)境科技（上海）有限公司，上海 200070；2. 上海亞新建設(shè)工程有限公司，上海 200436）

地下水是人類賴以生存的最基本的自然資源之一。地下水的重金屬和有機物污染會影響地下水的正常功能，造成食物鏈的污染，并通過在生物體內(nèi)的富集或者土地開發(fā)和使用過程中的揮發(fā)遷移對人類和環(huán)境產(chǎn)生威脅[1-3]。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)“三廢”排放量增加，農(nóng)業(yè)上的化肥、殺蟲劑和除草劑被大量使用，使地下水受到不同程度的污染，嚴重影響了人類健康和環(huán)境安全。對地下水重金屬和有機物污染進行綜合評價，可以反映經(jīng)濟、技術(shù)發(fā)展對地下水質(zhì)量、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境乃至人類健康的影響，并為土地的可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。因此，研究地下水綜合污染評價具有重要意義。在現(xiàn)行的地下水污染評價方法中，主要是簡單對比評價法。該評價方法用比較明確的界線對地下水污染程度加以區(qū)分和量化。而實際上地下水的污染狀況是漸變、模糊的[4-5]。模糊數(shù)學(xué)方法可以通過隸屬度描述地下水污染狀況的漸變性和模糊性，使評價結(jié)果更加準確可靠。該方法已在土壤環(huán)境質(zhì)量的評價中得到一定的應(yīng)用[6]。同時，通過構(gòu)造權(quán)重函數(shù)模型，可以有效耦合重金屬和有機物污染對地下水污染的貢獻，綜合評價地下水環(huán)境質(zhì)量[7]。因此，本文將提出基于重金屬和有機污染物因子的地下水污染綜合評價體系。

1 理論模型及方法

1.1 選取典型污染物及評價標準

影響地下水環(huán)境質(zhì)量的因素主要包括重金屬和有機物兩大類。選取地下水中常見的污染物，包括6種重金屬（鋅、銅、鉻、砷、鎘、鎳）和5種有機物（苯、甲苯、萘、苯并(a)芘、熒蒽）作為參評因子。評價標準選用國家標準《地下水質(zhì)量標準》（GB/T 14848-2017），進行樣品分析和評價。該項標準將地下水質(zhì)量分為五類：I類（化學(xué)組分含量低，適用于各種用途）；II類（化學(xué)組分含量較低，適用于各種用途）；III類（化學(xué)組分含量中等，適用于集中式生活飲用水水源及工業(yè)用水）；IV類（化學(xué)組分含量較高，是由于農(nóng)業(yè)和部分工業(yè)用水）；V類（化學(xué)組分含量高，不宜作為生活飲用水水源）。各標準值見表1。

表1 地下水質(zhì)量標準Table 1 Quality standard for ground water

確定兩層評價因素集X=（X1，X2）=（重金屬，有機物）；X1=（x11，x12，x13，x14，x15，x16）=（鋅、銅、鉻、砷、鎘、鎳）；X2=（x21，x22，x23，x24，x25）=（苯、甲苯、萘、苯并(a)芘、熒蒽）。

1.2 構(gòu)建隸屬度模型與單因素模糊矩陣

根據(jù)評價集合V，建立各個評級的隸屬函數(shù)，確定各評價因子的相應(yīng)隸屬度，并以隸屬度描述地下水污染狀況模糊界線。隸屬度函數(shù)的形式主要包括分段線性函數(shù)和非線性函數(shù)兩種。其中分段性函數(shù)中的對稱三角形隸屬度函數(shù)因表達簡潔、物理意義清晰的特點，而被廣泛應(yīng)用[8]。依據(jù)《地下水質(zhì)量標準》，構(gòu)造某種污染物xi隸屬函數(shù)l(x)。

某污染物對一級地下水環(huán)境質(zhì)量的隸屬度函數(shù)：

某污染物對二級地下水環(huán)境質(zhì)量的隸屬度函數(shù)：

某污染物對三級地下水環(huán)境質(zhì)量的隸屬度函數(shù)：

某污染物對四級地下水環(huán)境質(zhì)量的隸屬度函數(shù)：

某污染物對五級地下水環(huán)境質(zhì)量的隸屬度函數(shù)：

式中：xi為該污染物在地下水中的實測值；ai、bi、ci、di分別為該污染物對應(yīng)的一級、二級、三級、四級、五級地下水環(huán)境質(zhì)量標準的限值。

取U為污染物評價因素的集合，V為評價等級的集合。即U{重金屬（鋅，銅，鉻，砷，鎘，鐵），有機物（苯，甲苯，氯乙烯，苯并(a)芘，熒蒽）}，V{一級、二級、三級、四級、五級}。通過各污染物指標隸屬度函數(shù)，計算各單項指標對地下水環(huán)境質(zhì)量級別的隸屬度，并組成關(guān)系模糊矩陣R。

其中rij表示污染物xi對評價等級vj的隸屬度。一個被評價對象（樣品）在某個污染物xi方面的表現(xiàn)是通過模糊矢量ri來刻畫的，ri稱為單污染物評價矢量，即可看作是污染物集X和評價集V之間的一種模糊關(guān)系。

1.3 確定評價因子權(quán)重

由于因素集中的各個污染物對地下水環(huán)境質(zhì)量的評價影響大小是不同的，為了反映各個因素的重要性，對每個因素分配一定的權(quán)重。計算權(quán)重的方法很多。在評價地下水污染中，一般采用可以反映各種污染物相對含量大小的加權(quán)法。該計算權(quán)重的方法在一定程度上可以量化污染超標的輕重程度對因子權(quán)重的影響。然而，該方法忽略了污染物的毒性和污染物種類對不同用地類型的影響。因此，本文將德爾菲法[9]和雙權(quán)重法[10]相結(jié)合，計算各個污染物的權(quán)重。

（1）第一級：德爾菲法（Delphi），即根據(jù)用地規(guī)劃類型，分析污染物危害，通過專家調(diào)查，分別確定重金屬和有機物污染物權(quán)重，并進行歸一化處理。

（2）第二級：權(quán)重法，計算公式如下：

Sij代表《地下水質(zhì)量標準》中的標準限值。因標準中將地下水分為五個等級，m為對應(yīng)等級個數(shù)。

1.4 計算多指標評價矢量

常用于模糊綜合評價的模型很多，如單因素決定模型、主動因素突出模型、加權(quán)平均模型和幾何平均模型等。這些模型又可以大致分為兩類：一是突出單個因素作用的模型或稱為主導(dǎo)因素突出模型；而是體現(xiàn)各個評價因子的綜合作用模型。因各個污染物對地下水環(huán)境質(zhì)量的影響并沒有明顯的主次之分，因此本文選用加權(quán)平均型模型，如下式所示：

式中：bj為最終評價結(jié)果對應(yīng)與第j個等級的隸屬度，wi為對應(yīng)的權(quán)重，rij為模糊關(guān)系矩陣R中的對應(yīng)元素，n為參評的污染物個數(shù)，m為所劃分的等級數(shù)。類似的計算得到單個樣品地下水環(huán)境質(zhì)量評價向量B=（b1，b2…bm）。該模型計算結(jié)果已歸一化，所以該集合中的最大值所對應(yīng)的級別即為最終評價結(jié)果。

1.5 構(gòu)建地下水污染評價綜合模型

為了更充分地利用綜合評價帶來的較多信息，可將評價向量的分量作為權(quán)重，通過確定各等級對應(yīng)的分值，對各等級的分值進行加權(quán)平均，得到評價分值。通過此方法，評價對象間的可比性更強、更直觀。評價分值的計算公式如下式：

式中：βj是通過評價向量B構(gòu)造的新的一組權(quán)重，pj是構(gòu)造出的對應(yīng)于第j級地下水環(huán)境質(zhì)量水平的分值，P為最終得分。

2 案例分析

2.1 項目背景

以上海市靜安區(qū)某輪胎研究所場地環(huán)境初步調(diào)查的地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)為研究實例，對上述方法進行驗證。該地塊面積58500 m2，原為工業(yè)用地和居住用地。地區(qū)地層6m以上多為粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，導(dǎo)水性較低。主要污染類型為工業(yè)廢棄物。采樣時間為2017年11月，采用40 m×40 m系統(tǒng)布點法，采樣深度為6-7m。采樣點（ws6-10）污染物實測數(shù)據(jù)見表2。

表2 樣品重金屬檢出值Table 2 Characteristics of heavy metal and organics in the samples

2.2 計算單因素模糊矩陣

按照前述關(guān)系模糊矩陣構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型，依據(jù)各樣品實測pH值和評價標準值，建立各污染物對應(yīng)于地下水環(huán)境質(zhì)量等級的隸屬度函數(shù)，計算出關(guān)系模糊矩陣。以1號樣品為例，經(jīng)計算得出重金屬和有機物關(guān)系模糊矩陣RH和RO分別為：

2.3 計算權(quán)重

依照前文公式，分別計算采樣點各個污染物參評因子的權(quán)重。該調(diào)查地塊將被用為住宅和商業(yè)用地，有機物的揮發(fā)性為受體的主要危害，因此重金屬和有機物的權(quán)重可分別定為0.4和0.6。1號采樣點經(jīng)計算后所得的權(quán)重如表3所示。

表3 污染因子權(quán)重Table 3 Weight values of pollutants

2.4 計算多指標權(quán)重矢量與綜合評價

評價向量的計算：計算各采樣點的關(guān)系模糊矩陣和權(quán)重模糊矩陣。通過加權(quán)平均型模型，對評價結(jié)果進行歸一化處理，得到各采樣點的評價結(jié)果向量（表4）。

評價分值的計算：根據(jù)地下水環(huán)境質(zhì)量各級別的控制意義，取地下水環(huán)境質(zhì)量一級水平分值為100、二級水平的分值為90、三級水平的分值為80、四級水平的分值為70、五級水平的分值為60。

表4 地下水環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果Table 4 Ground water environmental quality evaluation results

2.5 結(jié)果分析

簡單對比法評價法是指各個采樣點的地下水污染指標中的最低等級，作為該樣品的地下水環(huán)境質(zhì)量等級。例如，3號樣品中的檢出指標萘檢出值為2890 μg/L，參考表1的地下水質(zhì)量標準，萘的評價結(jié)果為5類，因此該樣品的地下水環(huán)境質(zhì)量標準評價等級為第五級。依據(jù)表4，按照簡單對比法評價法，可以評價出各個采樣點的地下水綜合環(huán)境質(zhì)量級別。

分析表4中加權(quán)平均模型的計算結(jié)果：采用兩種不同的評價方法，生成的對應(yīng)于各地下水環(huán)境質(zhì)量級別的隸屬度存在不同，評價的最終結(jié)果也可能因此而出現(xiàn)一定差異。差異表現(xiàn)在使用綜合評價體系評價的地下水環(huán)境質(zhì)量可能要優(yōu)于簡單對比法。這主要是由于兩種評價體系代表了不同的評價評價目的。簡單對比法，實際上只考慮了最突出的因素，其它因素的作用被弱化。在實例分析中，體現(xiàn)了相對濃度較高、污染狀況較嚴重的評價因子對最終評價結(jié)果的影響。相較而言，綜合評價體系則充分考慮了每個污染因子對最終評價的影響，并把各污染指標的貢獻按照權(quán)重進行分配，評價結(jié)果是各個污染指標綜合作用的結(jié)果。例如4號采樣點由于鎳的檢出濃度較高而導(dǎo)致通過簡單對比法的評價等級為五級，而綜合評價體系進行評價的結(jié)果為四級。同樣的情況也發(fā)生在5號采樣點，由于重金屬砷的檢出濃度較高，簡單對比法評價為三級，綜合評價體系的評價結(jié)果為一級。

進一步分析評價分值，對于同一采樣點，基于簡單對比法的評價分值要低于基于綜合評價體系的評價分值，但不同采樣點兩個分值之差存在較大差異。這也主要是由于兩個評價模型的不同評價出發(fā)點造成的。如果采用點各評價指標的相對濃度比較平均，則兩種評價體系的評價結(jié)果相似；反之則兩者的評價結(jié)果相差較大。例如，5號采樣點就是由于各參評污染因子的相對地下水質(zhì)量標準的濃度差別較大（砷的濃度較大）而導(dǎo)致基于兩種評價模型的評價分值差別較大；而1、2和3號采樣點的各參評污染因子的相對含量較平均，因此兩評價分值差別較小，且評價等級均為五級。

3 總結(jié)與結(jié)論

本文介紹的基于模糊集理論的地下水污染綜合評價改進體系，綜合考慮了重金屬污染物和有機污染物對地下水環(huán)境質(zhì)量評級的影響。現(xiàn)今流行的簡單對比法，適用于個別參評污染元素超標過大，嚴重影響地下水環(huán)境質(zhì)量，實現(xiàn)評價體系單因素否決的目標。相對于簡單對比法，改進的綜合評價體系則主要適用于各個參評因素超標情況接近，即不會因單因素超標而否決樣品結(jié)果，且體現(xiàn)不同參評因子對地下水環(huán)境質(zhì)量的綜合影響。在具體實踐中，應(yīng)根據(jù)污染物指標的檢出濃度和評價目的，選擇合適的評價體系。