喬肖翠，李雪，劉琰*

1.湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 2.國(guó)家環(huán)境保護(hù)飲用水水源地保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院

水質(zhì)評(píng)價(jià)是水質(zhì)管理工作的重要基礎(chǔ)，主要是在對(duì)水體的一些理化及生物指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)查的基礎(chǔ)上，使用一定的方法對(duì)水體質(zhì)量?jī)?yōu)劣程度做出的定性或定量描述[1]。水質(zhì)評(píng)價(jià)對(duì)判斷水體的優(yōu)劣狀況，了解其水質(zhì)變差成因具有重要的意義，且評(píng)價(jià)結(jié)果可為水資源管理及水污染控制提供科學(xué)依據(jù)，而適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)方法是保證評(píng)價(jià)結(jié)果科學(xué)合理的關(guān)鍵。目前，較為常用的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法包括單因子指數(shù)法、綜合指數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)法、模糊綜合指數(shù)法及其他應(yīng)用多元統(tǒng)計(jì)分析法的水質(zhì)評(píng)價(jià)法等[2-3]。

我國(guó)西南巖溶區(qū)巖溶總面積約78萬(wàn)km2，而地下水是巖溶區(qū)的重要水源。由于巖溶含水層抗污染能力弱，水環(huán)境脆弱，地下水潛在污染來(lái)源復(fù)雜，因此巖溶地下水的質(zhì)量問(wèn)題應(yīng)引起人們的重視[4-7]。筆者選取典型西南巖溶區(qū)也是廣西目前已知的最大地下河系——地蘇地下河系為研究對(duì)象，運(yùn)用水質(zhì)指數(shù)法和模糊綜合指數(shù)法對(duì)該地下河系代表性點(diǎn)位的水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，比較2種方法在巖溶地下水評(píng)價(jià)中的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性，并了解研究區(qū)地下水的水質(zhì)狀況，以期為地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)及研究區(qū)地下水的開(kāi)發(fā)利用和污染治理等提供參考。

1 評(píng)價(jià)方法

1.1 水質(zhì)指數(shù)法

表1 水質(zhì)類別與WI對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Correspondence between water quality categories and WI

(1) 指標(biāo)為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，WI計(jì)算公式如下:

(1)

式中：WI(i)為第i個(gè)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的指數(shù)；WIl(i)為第i個(gè)指標(biāo)所在水質(zhì)類別標(biāo)準(zhǔn)下限所對(duì)應(yīng)的指數(shù)；WIh(i)為第i個(gè)指標(biāo)所在水質(zhì)類別標(biāo)準(zhǔn)上限所對(duì)應(yīng)的指數(shù)；C(i)為第i個(gè)指標(biāo)的實(shí)測(cè)濃度；Cl(i)為第i個(gè)指標(biāo)所在水質(zhì)類別標(biāo)準(zhǔn)的下限濃度；Ch(i)為第i個(gè)指標(biāo)所在水質(zhì)類別標(biāo)準(zhǔn)的上限濃度。

當(dāng)GB/T 14848—2017中2個(gè)水質(zhì)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)值相同時(shí)，按低分?jǐn)?shù)值區(qū)間插值計(jì)算。

(2)指標(biāo)為Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，WI計(jì)算公式如下:

(2)

式中:C5(i)為第i個(gè)指標(biāo)在GB/T 14848—2017中的Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)濃度限值。

(3)WI確定：

WI=max WI(i)

(3)

1.2 模糊綜合指數(shù)法

由于水質(zhì)評(píng)價(jià)中的污染程度、水質(zhì)類別都是一些客觀存在的模糊概念和模糊現(xiàn)象，而模糊綜合評(píng)判法是利用模糊變換原理和最大隸屬度原則，將評(píng)價(jià)的理論和方法與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)模型相結(jié)合，通過(guò)模糊級(jí)別判斷及綜合評(píng)價(jià)值的計(jì)算，客觀地反映地下水水質(zhì)的實(shí)際狀況，可以直觀地判斷水質(zhì)的優(yōu)劣。模糊綜合指數(shù)法在建立單因素隸屬函數(shù)時(shí)，需要同時(shí)對(duì)每一級(jí)別逐一建立隸屬函數(shù)，過(guò)程較復(fù)雜，但是該方法能夠較好地解決水質(zhì)評(píng)價(jià)中水質(zhì)分級(jí)界限和等級(jí)概念的模糊性與不確定性，且綜合考慮了地下水評(píng)價(jià)因子超標(biāo)值、水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)價(jià)因子在總體污染中的貢獻(xiàn)等，彌補(bǔ)了水質(zhì)指數(shù)法的缺點(diǎn)。利用模糊綜合指數(shù)法進(jìn)行地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)的基本思路：由水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立各指標(biāo)對(duì)各級(jí)水的隸屬度集，形成隸屬度矩陣，再把各指標(biāo)的權(quán)重集和隸屬度矩陣相乘，得到模糊積，獲得一個(gè)綜合評(píng)判集，表明水體水質(zhì)對(duì)各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬程度，反映了綜合水質(zhì)級(jí)別的模糊性[12-15]。

1.2.1建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集與評(píng)價(jià)因子集

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集合V={v1,v2,…,vn}，其中vn為各污染物對(duì)應(yīng)的水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值。在本研究中，依據(jù)GBT 14848—2017的水質(zhì)類別劃分方法，取相鄰2個(gè)類別水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的平均值作為模糊綜合指數(shù)法中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)水質(zhì)的評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值；Ⅰ級(jí)水的評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值取GBT 14848—2017中Ⅰ類水質(zhì)上限值的一半；Ⅴ級(jí)水的評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值則取GBT 14848—2017中Ⅴ類水質(zhì)的下限值[16]。

評(píng)價(jià)因子集U={u1,u2,…,um}，其中um為影響地下水質(zhì)量的污染物實(shí)測(cè)濃度。

1.2.2建立模糊關(guān)系矩陣

每個(gè)參評(píng)指標(biāo)對(duì)于每一級(jí)水質(zhì)的隸屬程度用隸屬度(Fij)表示，且0≤Fij≤1。Fij越大，隸屬程度越高。采用半梯形分布法來(lái)計(jì)算隸屬度。模糊關(guān)系矩陣在水質(zhì)評(píng)價(jià)中反映了評(píng)價(jià)因子對(duì)各級(jí)水的隸屬度。設(shè)評(píng)價(jià)中有n項(xiàng)水質(zhì)影響指標(biāo)，取第k個(gè)水樣中指標(biāo)i的實(shí)測(cè)值為Xki，其j級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值為Cij，則該因子對(duì)各級(jí)水的隸屬度可用下式表示[17]。

Ⅰ級(jí)水隸屬度：

(4)

Ⅱ～Ⅳ級(jí)水隸屬度：

(5)

Ⅴ級(jí)水的隸屬度:

(6)

利用上述公式求得各指標(biāo)的隸屬度，并得出模糊關(guān)系矩陣：

(7)

矩陣的行表示第k個(gè)水樣的第i個(gè)指標(biāo)對(duì)j級(jí)水的隸屬度，矩陣的列表示參評(píng)的指標(biāo)在各水質(zhì)級(jí)別上的隸屬度。

1.2.3各指標(biāo)權(quán)重因子計(jì)算

不同的污染物其危害性不同，因此在評(píng)價(jià)水質(zhì)的過(guò)程中要對(duì)各參評(píng)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重因子的計(jì)算。一般采用污染物濃度超標(biāo)加權(quán)法進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

(8)

(9)

式中：Wki為權(quán)重因子；aki為第k個(gè)水樣第i個(gè)參評(píng)指標(biāo)的權(quán)重。

根據(jù)以上公式對(duì)各參評(píng)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重的計(jì)算，并由其組成因子權(quán)重集：

A={ak1,ak2,…,akn}

(10)

1.2.4綜合評(píng)價(jià)方法

綜合評(píng)價(jià)是對(duì)各參評(píng)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)的過(guò)程，通過(guò)復(fù)合運(yùn)算法則對(duì)矩陣R與A進(jìn)行加權(quán)，求得綜合評(píng)價(jià)值B=A×R。對(duì)于綜合評(píng)判所得結(jié)果按最大隸屬度原則確定，結(jié)果對(duì)哪級(jí)水的隸屬度最大，水質(zhì)則定為哪級(jí)。如果在評(píng)價(jià)過(guò)程中，2個(gè)級(jí)別的隸屬度都最大時(shí)，則考慮次大值，次大值所屬水質(zhì)級(jí)別越接近哪個(gè)最大值所屬水質(zhì)級(jí)別，則將該最大值所屬水質(zhì)級(jí)別作為評(píng)價(jià)結(jié)果。

2 地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)對(duì)比分析

2.1 研究區(qū)概況

地蘇地下河系位于都安瑤族自治縣的中西部，匯水面積為1 004 km2，是廣西規(guī)模最大的地下河系。地蘇地區(qū)位于云貴高原與廣西丘陵平原間的斜坡地帶，平均年降水量為1 738.7 mm，水流沿著巖層表面及斷裂侵蝕與溶蝕，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，形成峰叢洼地、峰叢谷地與峰林谷地地貌，洼地及谷地中洞穴星羅棋布，大量降水很快被洞穴及裂隙吸收，水交替運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，逐漸發(fā)育形成現(xiàn)今的地下河系。長(zhǎng)期季節(jié)性、周期性的短時(shí)間內(nèi)集中降水形成的暴流沖刷侵蝕，是地蘇地下河系形成的主要原因[18]。

地蘇地下河的水源主要來(lái)源于西北部山區(qū)，補(bǔ)給區(qū)分布在研究區(qū)的西部，也就是地蘇河的上游地段。排泄區(qū)主要分布在地蘇河的中下游地段，其中中游段排泄區(qū)分布在地蘇鄉(xiāng)附近，在平豐水期，大部分洪水通過(guò)中游的東廟、九設(shè)、大懷、枯桐等各天窗溢出地表，補(bǔ)給地蘇河。其中東廟地段溢流量最大，時(shí)間較長(zhǎng)，每年4—10月有水流，是地蘇河的源頭。百陵、靈好、文黨、橋孔等天窗向外溢流補(bǔ)給拉棠河。地蘇地下河系的總排泄口是青水出口，匯入紅水河。

2.2 采樣點(diǎn)布設(shè)

于2015年6月在地蘇地下河研究區(qū)開(kāi)展樣品采集工作。依據(jù)代表性、典型性與均衡性的原則，在地蘇地下河干流及支流上共設(shè)置28個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)。樣品依照《地下水污染地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)規(guī)范》[19]中重點(diǎn)區(qū)調(diào)查水樣測(cè)試指標(biāo)要求進(jìn)行測(cè)試。樣品測(cè)試工作由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所實(shí)驗(yàn)室完成。

2.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和參評(píng)指標(biāo)

2.3.1評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.3.2參評(píng)指標(biāo)

2.4 評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

2.4.1水質(zhì)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

地蘇地下河28個(gè)水樣的水質(zhì)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所示。在評(píng)價(jià)過(guò)程中，根據(jù)各水樣計(jì)算所得WI直接進(jìn)行水質(zhì)類別劃分，并根據(jù)劃分結(jié)果，進(jìn)行主要超標(biāo)指標(biāo)的識(shí)別。識(shí)別時(shí)遵照以下原則：1)水質(zhì)為Ⅲ類或優(yōu)于Ⅲ類的水樣不做主要超標(biāo)指標(biāo)篩選；2)水質(zhì)劣于Ⅲ類的水樣，從超過(guò)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值的指標(biāo)中取WI最大的前3個(gè)指標(biāo)作為該點(diǎn)位的主要超標(biāo)指標(biāo)。

表2 水質(zhì)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

2.4.2模糊綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

按照1.2節(jié)所述隸屬函數(shù)建立方法，以DS-01為例，計(jì)算22個(gè)指標(biāo)對(duì)5級(jí)水隸屬函數(shù)，得到模糊關(guān)系矩陣R〔式(11)〕、因子權(quán)重集A〔式(12)〕以及模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量B〔式(13)〕。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將各采樣點(diǎn)水樣的地下水水質(zhì)進(jìn)行分類(表3)。模糊綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果表明，在參評(píng)的28個(gè)地下水樣中，水質(zhì)為Ⅱ類(良好)、Ⅲ類(較好)的水樣分別有14和8個(gè)，分別占全部水樣的50%和28.57%；水質(zhì)為Ⅳ類(較差)及Ⅴ類(極差)的點(diǎn)位各有3個(gè)，均占全部水樣的10.71%，無(wú)Ⅰ類水。總體來(lái)說(shuō)，水質(zhì)劣于Ⅲ類水的點(diǎn)位共有6個(gè)，占全部水樣的21.43%。

(11)

A=[0.166,0.049,…,0.198]

(12)

B=A×R=[0.295,0.506,…,0]

(13)

表3 模糊矩陣計(jì)算結(jié)果

2.4.3評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

對(duì)比2種評(píng)價(jià)方法所得28個(gè)點(diǎn)位的水質(zhì)類別可知，評(píng)價(jià)結(jié)果一致的有15個(gè)點(diǎn)位，有差異的13個(gè)點(diǎn)位，但是差異點(diǎn)位的水質(zhì)類別也僅相差一個(gè)級(jí)別。將有差異的13個(gè)點(diǎn)位的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)雖然2種方法評(píng)價(jià)所得水質(zhì)類別不同，但是通過(guò)WI可知，水質(zhì)指數(shù)法評(píng)價(jià)出的有差異的點(diǎn)位，其水質(zhì)狀況接近于模糊綜合指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果。以DS-01點(diǎn)位為例，該點(diǎn)位的WI為42.44，接近于Ⅲ類水質(zhì)的下限，評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅲ類，與模糊綜合指數(shù)法所得的Ⅱ類水質(zhì)的評(píng)價(jià)結(jié)果相近。對(duì)于評(píng)價(jià)中的差異，主要有以下幾個(gè)原因。

(3)水質(zhì)指數(shù)法在評(píng)價(jià)過(guò)程中體現(xiàn)了單因子否決權(quán)，適用于個(gè)別指標(biāo)超標(biāo)嚴(yán)重的情況，而模糊綜合指數(shù)法則量化了水環(huán)境中客觀存在的模糊性和不確定性，并根據(jù)各參評(píng)指標(biāo)在總體水質(zhì)污染中的貢獻(xiàn)率進(jìn)行權(quán)重賦值，由于考慮了指標(biāo)對(duì)地下水水質(zhì)的影響，評(píng)價(jià)結(jié)果更精確。但是模糊綜合指數(shù)法在計(jì)算過(guò)程中，通常是某點(diǎn)位參評(píng)指標(biāo)實(shí)測(cè)濃度越大，賦予其的權(quán)重也越大，不能確定主要污染因子,并有可能掩蓋有毒有機(jī)物、重金屬等對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境威脅較大的指標(biāo)的影響。

3 結(jié)論

(2)對(duì)比模糊綜合指數(shù)法與水質(zhì)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果，在28個(gè)點(diǎn)位中，評(píng)價(jià)結(jié)果一致的有15個(gè)，存在差異的點(diǎn)位評(píng)價(jià)結(jié)果僅差一個(gè)水質(zhì)級(jí)別。水質(zhì)指數(shù)法能夠達(dá)到水質(zhì)類別劃分、水質(zhì)定量評(píng)價(jià)及主要超標(biāo)指標(biāo)識(shí)別的要求，但是對(duì)于超標(biāo)指標(biāo)不同的水樣可比性較差；模糊綜合指數(shù)法可精細(xì)地反映指標(biāo)實(shí)際濃度對(duì)水質(zhì)分級(jí)界限的接近程度，量化了所有參評(píng)指標(biāo)對(duì)地下水水質(zhì)的影響權(quán)重，使結(jié)果更精確，但是計(jì)算比較復(fù)雜，可操作性較差，且不能識(shí)別主要超標(biāo)指標(biāo)，在量化所有參評(píng)指標(biāo)時(shí)有可能掩蓋對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境威脅較大的指標(biāo)的影響。因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)目的選擇合適的評(píng)價(jià)方法，使評(píng)價(jià)結(jié)果滿足管理需要，同時(shí)反映水體的實(shí)際情況。