王莉元 谭晓慧 高爱丽 刘志强

(1.青岛理工大学环境与市政工程学院，山东 青岛 266033； 2.四川国环环境工程咨询有限公司青岛分公司，山东 青岛 266061； 3.青岛华益环保科技有限公司，山东 青岛 266000)

1 概述

地下水水质评价主要是根据地下水的化学成分、物理性质、生物学特性及其用途，通过采用合理的评价方法，对照相应的地下水质量标准，将真实的地下水水质监测数据转化为水质状况信息或水质等级。在监测数据真实可靠的前提下，地下水水质评价结果客观与否的关键是评价方法的选取。常用的评价方法有：单因子评价法[1]、综合指数评价法[2,3]、模糊综合评价法[4,5]、灰色综合评价法[6]及人工神经网络评价法[7,8]等。由于地下水水质受到区域水文地质条件、气候条件及人类活动等诸多复杂因素的综合影响，在不同时段具有“空间差异性”“随机不确定性”“模糊不确定性”等特性。因此，基于地下水的复杂性，国内外学者采用综合指数评价法和模糊综合评价法对地下水质量的评价应用较多。本文以临沂经济技术开发区的地下水水质状况为研究对象，对综合指数评价法中应用较为广泛的加附注评分法和模糊综合评价法进行比较分析，优选出适用性更强、结果更为客观的评价方法。

2 材料与方法

2.1 评价方法

2.1.1加附注评分法

加附注评分法是我国《地下水质量标准》中优先推荐使用的地下水水质综合评价方法。该方法评价的具体步骤如下：

1)做参评指标的单项组分评价。对比参评指标实测值和标准限值，依据《地下水质量标准》划分的5类指标，确定参评指标所属质量类别。

2)确定参评指标评价分值Fi。参评指标质量类别按照表1的规定确定值Fi。

表1 单项组分评价分值表

3)计算综合评价分值Fi。计算公式如下：

(1)

(2)

4)确定地下水质量级别。将F值按表2的规定确定地下水质量级别。

表2 地下水质量综合评价分级表

2.1.2模糊综合评价法

模糊综合评价法是在模糊理论的基础上将边界模糊不清、不易定量化的因素定量化后进行综合评价。具体评价步骤如下：

1)计算隶属度矩阵R。

对Ⅰ级水的隶属函数：即j=1时：

(3)

对j级至m-1级水的隶属函数：即j=2，3，…，m-1时：

(4)

对m级水的隶属函数：即j=m时：

(5)

通过利用以上隶属函数确定一个i×j阶的隶属度矩阵R：

2)确定权重矩阵A。

(6)

对Wki作归一化处理：

(7)

其中，Wki为权重因子；Xki为k水样污染指标i的实测值；Si为污染指标i的各级水质标准值的平均值；Cij为污染指标i的各级水质标准值；aki为k水样污染指标的权重值。

通过上式计算求得各指标的权重值，由其构成权重矩阵A：

A=(ak1,ak2,…,akn)。

3)模糊矩阵的复合运算。

确定了隶属度矩阵R和权重矩阵A后，通过进行复合运算来确定水体的综合隶属度。研究采用“加权平均型”得到模糊子集B(B=AR)。

4)确定水质级别。

水质级别的确定依据是最大隶属度原则，即隶属度最大值所在的级别为该水样点位最终的水质类别。

5)确定研究区模糊综合评价法的数学模型。

根据筛选出的选评价指标及相应的评价标准，确定水质综合评价因子集K、评价标准集J和因子权重集A。

2.2 研究区概况

本文以临沂经济技术开发区为研究区，位于临沂市东南部，规划控制面积223 km2，地理坐标为东经118°23′～118°32′、北纬34°53′～35°02′。由于研究区大部分区域地下水富水性较差，不具备形成大、中型水源地的水文地质条件，仅有临近沂河和沭河一带的区域为集中富水区。根据开发区水利局有关资料，近年来开发区地下水严重匮乏，且污染日趋加重。

研究采用的水样采样点共计18个，采样时间为2017年11月，各采样点的分布如图1所示。通过对水质数据进行采样分析，筛选出该研究区主要污染物亚硝酸盐、阴离子表面活性剂、氨氮、氟化物、钠、硝酸盐、高锰酸盐指数、硫酸盐、氯化物、总硬度、溶解性总固体共11项指标作为地下水水质评价指标。并依照GB/T 14848—2017地下水质量标准中的相关要求作为评价标准。

3 结果与分析

表3为采用加附注评分法得到研究区2017年11月的18个浅层地下水监测井位的水质评价结果。结果表明，研究区2017年11月浅层地下水水质评价级别为较差和极差的井位分布较为平均并且占比为最大，地下水质量总体不太理想。根据式(1),式(2)计算可知，研究区多为硝酸盐和总硬度的普遍严重超标以及氟化物的个别超标导致了整体水质评价级别偏差。

表4为采用模糊综合评价法得到研究区2017年11月的18个浅层地下水监测井位的水质评价结果。评价结果表明，Ⅴ类级别水在研究区2017年11月浅层地下水中均有分布，监测井位中属于Ⅴ类水的分布偏多，地下水质量总体不太理想。总的来看，研究区地下水水质除部分区域较差之外，其他水质较好，属于可接受水平。

表3 研究区加附注评分法评价结果

表4 研究区模糊综合评价法评价结果

通过表3和表4对比分析可以看出，4号、8号、10号、12号和17号共5个监测点位的水质评价结果分别由加附注评分法的Ⅳ类变为模糊综合评价法的Ⅲ类、Ⅲ类、Ⅲ类、Ⅰ类、Ⅱ类，模糊综合评价法评价水质的结果偏优；13号和15号点位的水质评价结果分别由加附注评分法的Ⅴ类变为模糊综合评价法的Ⅱ类和Ⅳ类，模糊综合评价法评价水质的结果偏优；1号、5号和16号点位的水质评价结果分别由加附注评分法的Ⅱ类、Ⅳ类、Ⅳ类变为模糊综合评价法的Ⅲ类、Ⅴ类、Ⅴ类，模糊综合评价法评价水质的结果偏差；其他点位的水质在加附注评分法和模糊综合评价法的评价中评价结果相同，没有变化。

4 结语

通过实例分析可以看出，在水样分值包含了相似的水质信息并且在分值相差极小的情况下，采用加附注评分法进行评价容易出现“一刀切”现象，将同一个水质级别划分为两个水质级别，造成不合理的评价结果。以研究区2017年5号和9号的地下水水质综合评价结果为例，两个水样均是硝酸盐指标严重超标。采用加附注评分法得到5号的综合评价分值F为7.187，9号的综合评价分值F为7.211。根据表3综合评价分级表规定的Ⅳ类和Ⅴ类水的分界线数值7.20，5号的水质应划分为Ⅳ类，而9号应划分为Ⅴ类，两个点位综合评价分值数值仅相差小数位，水质等级却差了一个级别，很明显，加附注评分法的划分是不合理的。模糊综合评价法通过确定隶属关系的方法划分水质级别，能够精细地反映出指标实际浓度对水质分级界限的接近程度，克服了加附注评分法在此方面的不足。而在模糊综合评价结果中，5号和9号两个点位水质均属于Ⅴ类。上述分析表明，针对地下水质量综合评价，模糊综合评价法评价结果更为客观、合理。