模糊綜合評(píng)判法在淮南市淺層地下水評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

劉園園，許光泉，朱代雙

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南232001)

模糊綜合評(píng)判法在淮南市淺層地下水評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

劉園園，許光泉，朱代雙

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南232001)

通過(guò)對(duì)淮南市淺層地下水水樣進(jìn)行測(cè)試、分析，選取氯離子、硫酸鹽、硝酸鹽氮、總磷、錳、鉛等六項(xiàng)指標(biāo)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838－2002)，運(yùn)用模糊綜合評(píng)判法對(duì)研究區(qū)水質(zhì)進(jìn)行了合理評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明:淮南市淺層地下水綜合水質(zhì)較差，大部分地區(qū)淺層地下水已遭受到不同程度污染，多數(shù)水體不能直接作為飲用水。

淺層地下水;模糊綜合評(píng)判;水質(zhì)評(píng)價(jià)

淮南市是一個(gè)以煤炭工業(yè)為主體，兼電力、化工為重點(diǎn)的較大工業(yè)城市。隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，各種廢棄物也越來(lái)越多，污染物、污染源和污染途徑亦越來(lái)越多。而位于淺部的淺層地下水所受到的危害是首當(dāng)其沖。如果地下水遭到嚴(yán)重污染，即使水量很豐富，作為水源地來(lái)說(shuō)也不足?。?］。因此，為科學(xué)管理地下水資源，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供水資源保障，必須首先對(duì)地下水水質(zhì)進(jìn)行調(diào)查與評(píng)價(jià)，以便及時(shí)采取各種有效措施，保護(hù)和改善地下水水質(zhì)。由于水質(zhì)綜合評(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，因此，用模糊理論進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，更能客觀地反映水質(zhì)的實(shí)際狀況［2］。

本研究選取淮南市淺層地下水的氯離子、硫酸鹽、硝酸鹽氮、總磷、錳、鉛等六項(xiàng)指標(biāo)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838－2002)，采用模糊綜合評(píng)判方法，系統(tǒng)評(píng)價(jià)淮南市淺層地下水綜合水質(zhì)，全面認(rèn)識(shí)淺層地下水水質(zhì)分級(jí)，為合理開(kāi)發(fā)、利用和保護(hù)地下水資源提供了科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

淮南位于江淮丘陵與黃淮平原的交界處?；茨鲜休犃鶇^(qū)一縣，包括淮河以南的大通區(qū)、田家庵區(qū)、謝家集區(qū)、八公山區(qū)，淮河以北的潘集區(qū)和淮河以西毛集實(shí)驗(yàn)區(qū)、鳳臺(tái)縣，是一個(gè)以煤炭工業(yè)為主體，兼電力、化工為重點(diǎn)的較大工業(yè)城市。

研究區(qū)地下水資源主要分布在新生界沉積層，屬于松散巖類孔隙水，賦存于第三系及第四系松散沉積物中。含水層為一套沖積、沖積－洪積、湖積的砂、砂礫石以及砂或亞砂土層，總厚度5～300 m，分布于淮河南北的平原地區(qū)。區(qū)內(nèi)淺層地下水的污染途徑為間歇滲入型、連續(xù)滲入型、越流型和徑流型等四種［3］。

近幾年來(lái)，隨著研究區(qū)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，各類工礦企業(yè)排放的廢水及城市生活污水等，通過(guò)排污渠、排污河沿途滲漏等多種途徑不斷進(jìn)入地下水系統(tǒng)，使得區(qū)內(nèi)淺層地下水受到不同程度的污染，且危害程度也日趨明顯，水質(zhì)狀況令人擔(dān)憂。因此，合理評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)淺層地下水水質(zhì)及污染狀況，對(duì)于重新認(rèn)識(shí)淺層地下水水質(zhì)狀況、合理利用和保護(hù)地下水資源以及促進(jìn)淮南市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2 水樣采集與分析

水樣采集范圍主要是研究區(qū)內(nèi)淮河以北的潘集區(qū)和鳳臺(tái)縣。為全面評(píng)價(jià)研究區(qū)內(nèi)淺層地下水水質(zhì)狀況及污染程度，采樣點(diǎn)依據(jù)均勻分布、重點(diǎn)地方加密的原則，共采集淺層地下水水樣70個(gè)。這些水樣采自研究區(qū)的農(nóng)村飲用井水，深度在6～50 m之間不等，采樣點(diǎn)分布如圖1所示。

測(cè)試指標(biāo)為氯離子、硫酸鹽、硝酸鹽氮、總磷、錳、鉛等六項(xiàng)指標(biāo)。測(cè)試方法:氯離子采用硝酸銀容量法測(cè)定;硫酸鹽采用EDTA容量法測(cè)定;硝酸鹽氮和總磷采用紫外—可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定;錳和鉛元素采用火焰原子吸收光譜儀測(cè)定。

圖1 研究區(qū)淺層地下水采樣點(diǎn)分布圖

3 淮南市淺層地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)

為全面反映淮南市淺層地下水污染的基本情況，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838－2002)，選取了具有代表性的氯離子、硫酸鹽、硝酸鹽氮、總磷、錳、鉛等六個(gè)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行評(píng)判［4］。

模糊綜合評(píng)判法是借助模糊綜合變換，綜合考慮與被評(píng)事物有關(guān)的各個(gè)因素，對(duì)事物做出總的評(píng)價(jià)，并給出綜合評(píng)判值，得出綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。該方法的最大優(yōu)點(diǎn)是可以解決地下水體中各指標(biāo)含量值連續(xù)過(guò)渡性與界限不分明而評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中等級(jí)的界定卻有嚴(yán)格數(shù)值的問(wèn)題［5］。地下水瞬時(shí)采樣和監(jiān)測(cè)分析過(guò)程中產(chǎn)生的誤差都是隨機(jī)的，監(jiān)測(cè)結(jié)果相對(duì)于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)又是模糊的。因此，適宜采用模糊綜合評(píng)判方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

評(píng)判過(guò)程:運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)方法，建立地下水水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型。該模型通過(guò)建立隸屬函數(shù)、確定因子權(quán)重，采用模糊矩陣復(fù)合運(yùn)算，再通過(guò)復(fù)合運(yùn)算求出不同水質(zhì)級(jí)別的隸屬度;根據(jù)隸屬度大小確定水質(zhì)級(jí)別，綜合給定地下水污染狀況，能較大程度地克服人為因素影響，評(píng)定結(jié)果更加科學(xué)、準(zhǔn)確。

3.1 污染等級(jí)的劃分

按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838－2002)中規(guī)定，淺層地下水使用目的和保護(hù)目標(biāo)，我國(guó)地面水分五大類:Ⅰ類水質(zhì)主要適用于源頭水，國(guó)家自然保護(hù)區(qū)，水質(zhì)良好，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)易的消毒即可供生活飲用者;Ⅱ類水質(zhì)受到輕微的污染，經(jīng)過(guò)凈化處理后可供生活飲用者，主要適用于集中式生活飲用水、地表水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)等;Ⅲ類水質(zhì)適用于集中式生活飲用水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)、一般魚類保護(hù)區(qū)及游泳區(qū);Ⅳ類水質(zhì)主要適用于一般工業(yè)用水區(qū)及人體非直接接觸的娛樂(lè)用水區(qū);Ⅴ類水質(zhì)主要適用于農(nóng)業(yè)用水及一般景觀要求水域，不適合飲用。

依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》劃分淺層地下水的污染等級(jí)，將淮南市淺層地下水劃分為5個(gè)污染等級(jí)，即Ⅰ級(jí)(清潔級(jí))、Ⅱ級(jí)(較清潔級(jí))、Ⅲ級(jí)(輕污染級(jí))、Ⅳ(污染級(jí))、Ⅴ級(jí)(重污染級(jí))，水質(zhì)污染參數(shù)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表1。

3.2 因子確定及隸屬函數(shù)的建立

評(píng)價(jià)中取m個(gè)污染因子，取k個(gè)水樣，第i個(gè)污染因子值為X，求出各污染級(jí)別的隸屬度，取分級(jí)級(jí)別為5，且建立隸屬函數(shù)通式。對(duì)于不同等級(jí)水的隸屬度為:

式中:A、B、C、D、E分別為某個(gè)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的 I－V級(jí)水的判別值;Yi為某個(gè)指標(biāo)對(duì)i級(jí)水的隸屬度;X為某個(gè)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值。由隸屬度可以構(gòu)造出m×5的隸屬矩陣，即矩陣R。

表1 淺層地下水水質(zhì)分級(jí)

3.3 建立權(quán)重模糊矩陣

本文主要采用地下水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和分析判別相結(jié)合的方法，即根據(jù)水質(zhì)指數(shù)Ci/Coi(Ci為實(shí)測(cè)值，Coi為國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn))的大小確定權(quán)重，Ci/Coi大，權(quán)重亦大，反之就小。得到兩個(gè)權(quán)重模糊集α和β，它們都是U上的模糊子集。

式中:Ci為各評(píng)價(jià)因子的實(shí)測(cè)值;Si為每個(gè)因子所對(duì)應(yīng)的各個(gè)水質(zhì)級(jí)別的判別值之和的平均值;βi為根據(jù)以上分析所得出的權(quán)重序列人為給予得數(shù)值，且∑βi=1。

求模糊集得代數(shù)積，并歸一化，得到修正的權(quán)重模糊矩陣A:

3.4 評(píng)判運(yùn)算

評(píng)判運(yùn)算是通過(guò)復(fù)合運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的，用Q表示，有:

通過(guò)上式即可計(jì)算出最終評(píng)價(jià)結(jié)果 Q={q1，q2，q3q4，q5}，取qmax=max{qi}所對(duì)應(yīng)的級(jí)別即為該水樣點(diǎn)所屬的水質(zhì)級(jí)別。

3.5 評(píng)價(jià)結(jié)果

應(yīng)用模糊綜合評(píng)判法得到的研究區(qū)內(nèi)各水樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)地區(qū)所屬的水質(zhì)級(jí)別如表2所示，各水質(zhì)等級(jí)所占比例如表3所示。

表2 淮南淺層地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

徐瓦房村 Ⅴ 0.025 0.372 0竹園村 Ⅱ 0.070 2 0.526 8 0武集村 Ⅱ 0.075 0.449 0.108 6界溝村 Ⅴ 0.025 0.370 1 0.012 3大興集 Ⅴ 0.239 1 0.239 1 0.145 3童圩村 Ⅴ 0.024 5 0.384 3 0.083 7肖集村 Ⅴ 0.339 9 0.339 9 0劉集村 Ⅴ 0.025 8 0.397 2 0.14劉集鄉(xiāng)孤山村 Ⅴ 0.299 0.299 0.140 1尚塘鄉(xiāng)尚塘村 Ⅴ 0.285 6 0.285 6 0.088 3聯(lián)民村 Ⅴ 0.336 2 0.336 2 0古店鄉(xiāng) Ⅴ 0.225 0.367 4 0.092 2古店鄉(xiāng)王大村 Ⅴ 0.05 0.318 2 0顧橋鎮(zhèn) Ⅱ 0.275 0.457 7 0.078 8桂集鎮(zhèn) Ⅱ 0.45 0.55 0.086 3高曹村 Ⅱ 0.475 0.525 0.114 2鳳臺(tái)縣 Ⅳ 0.388 0.187 5 0 0 0.600 3 0.392 8 0.392 8 0.360 1 0.378 7 0.190 3 0.422 8 0 0.496 4 0 0.424 5 0.005 5 0.609 1 0 0.523 7 0.274 0.542 5 0 0.563 3 0 0.610 2 0.092 2 0.514 0 0.635 9 0.397 9 0.397 9 0.281 9 0 0 0 0.391 6 0.007 9姚家湖獅子橋 Ⅱ 0.075 0.740 6 0.124 2 0.124 2 0民族村 Ⅱ0.225 0.775 0.086 6 0.086 6 0

表3 水樣所占比例

結(jié)果表明:研究區(qū)內(nèi)五類水和二類水所占比例較大，分別為57.13%和24.29%。其中潘集區(qū)五類水所占比例為52.63%，主要分布在潘集的廟新村、勝利村、瓦房村等地區(qū);其次，四類水占36.84%，一類水僅占10.53%，說(shuō)明潘集區(qū)大部分地區(qū)淺層地下水水質(zhì)較差。鳳臺(tái)縣五類水所占比例最大，為58.82%，主要分布在鳳臺(tái)縣的北部如常廟、新集、劉集鄉(xiāng)山口村等;二類水占33.33%。由潘集區(qū)和鳳臺(tái)縣水質(zhì)等級(jí)相比較可以看出:兩個(gè)地區(qū)五類水所占比例均最大，不同的是潘集區(qū)的四類水次之，而鳳臺(tái)縣則是二類水次之。

4 治理對(duì)策與建議

地下水污染具有隱蔽性和難以逆轉(zhuǎn)性，因此，地下水一旦受到污染，對(duì)其進(jìn)行處理就很困難，所以對(duì)于地下水污染應(yīng)遵循以防為主、防治結(jié)合的原則。對(duì)此，提出以下幾點(diǎn)建議:

1)淮南市是煤炭城市，其淺層地下水在很大程度上受其污染，而塌陷區(qū)居民飲用水更是如此。對(duì)此，應(yīng)對(duì)礦井水、工業(yè)廢水及居民生活廢水進(jìn)行處理，使其達(dá)到國(guó)家污水排放標(biāo)準(zhǔn)后排放。

2)應(yīng)及時(shí)整治由礦山開(kāi)采造成的大面積地面塌陷，復(fù)土造田，恢復(fù)原貌，對(duì)于無(wú)法恢復(fù)的，可以利用塌陷塘發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)，用以改善積存的水質(zhì)，避免引起地下水水質(zhì)的繼續(xù)惡化。

3)科學(xué)合理地使用農(nóng)藥、化肥，如大力推廣復(fù)合肥的使用，提高肥料的利用效率，并減少其在土壤中的殘留量;同時(shí)，利用土壤生態(tài)系統(tǒng)對(duì)廢水中的污染物進(jìn)行過(guò)濾、吸附、降解等，使廢水在一定程度上得到自凈，減輕其對(duì)地下水的污染。

4)應(yīng)鼓勵(lì)使用壓井水的居民增大壓井的深度;同時(shí)，改善地下水補(bǔ)排條件，降低淺層地下水中三氮和總磷的含量，且盡量使廁所、糞池、農(nóng)田等與壓井保持一定距離，并嚴(yán)格控制污水灌溉農(nóng)田。

5)居民在飲用淺層地下水時(shí)，要進(jìn)行消毒殺菌處理，不可直接飲用，以減輕有害物質(zhì)對(duì)人體的危害，如加適量的高錳酸鉀，處理效果較好。

6)加強(qiáng)水資源保護(hù)宣傳，提高農(nóng)民的意識(shí)，強(qiáng)化農(nóng)民的參與。

7)改飲深井水。成井后應(yīng)定期進(jìn)行地下水水位、水質(zhì)、水量等的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以確保生活飲用水的安全、衛(wèi)生。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以氯離子、硫酸鹽、硝酸鹽氮、總磷、錳、鉛等六項(xiàng)指標(biāo)為地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用模糊綜合評(píng)判方法得出淮南市以高硝酸鹽氮、總磷及錳離子含量為特征的淺層地下水綜合水質(zhì)較差，多數(shù)水體不能直接作為飲用水。嚴(yán)重超標(biāo)淺層地下水占調(diào)查總面積的57.13%，主要集中在研究區(qū)內(nèi)礦區(qū)與塌陷區(qū)的集中區(qū)域。

研究區(qū)淺層地下水已受到不同程度污染，這與其水文地質(zhì)條件及周邊環(huán)境密切相關(guān)。其中礦區(qū)和塌陷區(qū)集中地區(qū)水質(zhì)污染較為嚴(yán)重，河流、湖泊附近水質(zhì)則有所改善。據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果可知研究區(qū)的地下水污染比較嚴(yán)重，建議及時(shí)采取治理措施。

［1］岳梅.淮南市淺層地下水水質(zhì)污染預(yù)測(cè)模型探討［J］.地下水.2002，24(2):77 －78.

［2］韓程輝，劉文生.模糊綜合評(píng)判法在礦區(qū)地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保.2004，31(5):36 －38.

［3］葉志清.淺層地下水化學(xué)成分特征及成因分析［J］.地下水.2010，32(1):40 －43.

［4］何曉文，蔣蓉，許光泉，王偉寧.淮南礦區(qū)淺層地下水水質(zhì)分析與評(píng)價(jià)［J］.水文.2010，30(4):18－22.

［5］邊維勇，佟成冶，廉濤，馬力.模糊評(píng)判方法在遼寧省中部地區(qū)淺層地下水綜合環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.巖礦測(cè)試.2011，30(3):289－294.

［6］宋鷺.地下水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法［J］.干旱環(huán)境監(jiān)測(cè).1997，11(1):8－11.

Application on Fuzzy Comprehensive Evaluation Method in Shallow Groundwater Evaluation of Huainan City

LIU Yuan －yuan，XU Guang－quan，ZHU Dai－shuang
(School of Earth and Environmental Sciences，Anhui University of Science Huainan 232001，Anhui)

Based on the result of shallow groundwater samples test and analysis，six indicators including Cl－、SO42－、NO3－、P、Mn、Pb were selected as proxies index for the quality of shallow groundwater in Huainan.According to the environmental quality standards of groundwater，the quality of shallow groundwater in Huainan was properly evaluated by the fuzzy comprehensive evaluation method.The results show that the integrative quality of shallow groundwater in Huainan is poor.And in most parts of the study area，shallow groundwater has been polluted in different extend so that a lot of water cannot be drink directly.This evaluation makes the quality characteristics of groundwater in Huainan clearer and provides scientific data for water resources protection and planning.

Shallow groundwater;fuzzy comprehensive evaluation and evaluation of water quality

TV211.1+2

A

1004－1184(2012)04－0016－04

2012－03－09

劉園園(1982－)，女，吉林松原人，碩士研究生，主攻方向:水文地質(zhì)。