刘 莎

(陕西省地下水保护与监测中心，陕西 西安 710003)

水是生命的源泉，工业的血液，农业的命脉，是人类不可缺少的宝贵自然资源[1]。近年来，随着国民经济持续快速发展、城市化进程的加快和人民生活水平的不断提高，水资源短缺、水体质量恶化等问题日趋严重，逐步成为我国经济社会可持续发展的重要制约因素。随着水利建设的发展，水利与环境的关系日益密切，水环境已成为赖以生存的重要场所，也是受人类干扰和破坏最严重的领域，可直接或间接影响人类生活与发展[2]。

图1 榆林风沙滩区监测站点分布图

水质评价作为水资源保护、水污染防治和水质管理的重要依据，能够准确反映水质污染状况，体现主要污染物的影响，是水体治理因地制宜的前提，也是水质监测机制的重要保障[3]。本文采用单指标综合评价法、多因子评价指数法和模糊评价法，对榆林风沙滩区7处地下水监测站点水样中的总硬度、溶解性总固体、硫酸盐、氯化物、氟化物和三氯甲烷等6项指标进行分级评价，旨在分析该区域地下水水质优良程度及三种评价方法的适用性，为该地区地下水资源合理开发与利用提供科学依据。

1 研究区域概况

榆林风沙滩位于毛乌素沙漠的东南缘，东至窟野河，西靠宁夏，北接内蒙，南界大致与古长城走向一致，东西长约300 km，南北宽约20～100 km，面积12 905 km2，海拔1 200～1 400 m，以风积波状固定、半固定沙区地貌为主，湖泊、滩地、梁岗分布其间。该区域包含定边县、靖边县、横山县、榆阳区、神木县等5个行政区，区域内的浅层地下水主要是风积冲湖积层孔隙潜水和河谷冲积孔隙潜水。

地下水类型主要有第四系风积沙孔隙潜水、黄土裂隙孔隙潜水和白垩系洛河组砂岩裂隙孔隙潜水。北部毛乌素沙漠地带，易于接受降水入渗补给，亦为低矿化的重碳酸盐型水。在定边～吴旗及延川以北大理河中段、无定河一带，地下水化学类型复杂，矿化度一般为1～3 g/L。本文选取7处2020年国家地下水监测站水质采样点，对指标中的总硬度、溶解性总固体、硫酸盐、氯化物、氟化物和三氯甲烷等6项进行分析研究，水样检测结果见表1。

表1 水样检测结果

2 水质评价

目前，针对水质评价主要采用的方法有单因子评价法[4-6]、主成分分析法[7]、模糊综合评价法[8-9]、概率神经网络法[10]等，不同方法的应用为水质类别的判定和分析奠定了基础。本文以《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)[11]为依据，分别采用单指标综合评价法、多因子评价指数法和模糊评价法对榆林风沙滩区水质进行评价分析，综合得到相应的地下水水质等级。

2.1 单指标综合评价法

单指标综合评价是依据《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)指标分类规定，判断指标值所在的限值范围确定地下水质量类别，指标限值相同时，从优不从劣，然后按单指标评价结果最差的类别确定综合评价等级，并指出最差类别的指标。判断结果见表2。

表2 水质评价类别

2.2 多因子评价指数法

多因子评价指数法是指能综合反映水质特征的多种指标的组合，常采用对某水质指标的实测值与评价标准进行比较，确定单指标的评价指数，然后进行加权叠加，得到该水样的综合评价指数。评价标准采用《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)Ⅲ类水质标准的上限值。

2.2.1 确定单项指标评价指数

其公式为

Pij=Cij/Sj

(1)

式中：i=1,2,…,n，j=1,2,…,m，Pij是第i处监测站点水样的第j项指标的评价指数，Cij是第i处监测站点水样的第j项指标的实测值，Sj是第j项指标Ⅲ类水质标准的上限值，若Cij≥Sj，规定Pij=1。

将各监测站点水质检测实测数据代入(1)式计算得各项指标的评价指数，见表3。

表3 监测站点单项指标评价指数

2.2.2 确定水样综合评价指数

其公式为

(2)

式中：Ii是第i处监测站点水样的综合评价指数，Wij是第i处监测站点水样的第j项指标的权重值。考虑到地下水质量标准中对各检测指标的要求都很重要，因此，本计算采用等权重的方法进行加权叠加。

将表3的计算结果代入公式(2)，并参照《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)，得到该方法下的水质综合类别，见表4。

表4 水质评价类别

2.3 模糊评价法

水质级别界限具有一定的模糊性，仅以一个确定性的指标来评价水质，往往不能反映真实情况，模糊评价法就是应用模糊数学理论进行水质评价。计算步骤如下：

2.3.1 建立因子集和评价集

因子集为参与此次评价的各监测站点各项水质指标实测数据组成的集合，即C=〔总硬度，解性总固体，硫酸盐，氯化物，氟化物，三氯甲烷〕；评价集是各评价指标相应的质量标准等级的集合，即X=〔Ⅰ类，Ⅱ类，Ⅲ类，Ⅳ类，Ⅴ类〕，此次计算采用《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)中各指标类别上下限值的中值作为评价标准集。以氯化物为例，其指标评价标准集合为X氯化物=(25,100,200,300,350)。

2.3.2 隶属度函数和模糊矩阵

用隶属度划分水质分级界限，另y为隶属度，表示隶属于某种标准值的百分数，可用下列隶属度函数来表示：

某监测站点水样的第i项指标实测值ci隶属于Ⅰ类水的隶属度函数，j=1：

(3)

某监测站点水样的第i项指标实测值ci隶属于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类水的隶属度函数，j=2,3,4：

(4)

某监测站点水样的第i项指标实测值ci隶属于Ⅴ类水的隶属度函数，j=5：

(5)

式中：y为对应于实测值ci相邻两级水的隶属度，xi1,xi2,…xij…xi5为Ⅰ类、Ⅱ类…j类…Ⅴ类水的水质标准值。

以1#监测站点的水质检测实测数据为例，依据(3)～(5)式，计算隶属函数，求出6个单项指标对5级水的隶属程度，得出6×5模糊矩阵R1：

2.3.3 确定权重向量

对各评价指标给予权重，有多种方法可以选择，总体上分为客观赋权法和主观赋权法[12]两种，其中客观赋权法主要采用公式计算，可采用各项指标的超标情况进行加权，超标越多，权重值越大。

其公式为

(6)

为进行模糊计算，将各项指标权重进行归一化，即

(7)

式中：Zij是第i处监测站点水样的第j项指标归一化后的权重值，m为评价指标个数。

根据式(6)、(7)得到1#监测站点各项指标的权重矩阵B1，即

B1=(0.289 3 0.122 6 0.138 7 0.071 0 0.378 3 0)

2.3.4 模糊综合评价矩阵

将上述的权重矩阵B和模糊矩阵R进行复合运算，确定水体的综合评价矩阵，即

S=B×R=(si)

(8)

通过式(8)的计算，得到1#监测站点的模糊综合评价矩阵S1，即

S1=(0.377 3 0.472 3 0.150 4 0 0)

2.3.5 确定水质类别

按照以上的计算方法，同理可得到其他监测站点的模糊综合评价矩阵：

S2=(0.077 3 0.270 8 0.205 8 0.288 2 0157 9)，

S3=(0.387 9 0.612 1 0 0 0)，

S4=(0 0 0.003 1 0.041 9 0.955 1)，

S5=(0 0 0.011 8 0.084 8 0.903 3)，

S6=(0 0.021 1 0.029 2 0.065 2 0.884 6)，

S7=(0 0.235 1 0.270 3 0.274 4 0.220 2)。

根据模糊综合评价矩阵S，分别采用最大隶属度和级别特征值两种评价原则，并进行综合判断，得最终评判结果。最大隶属度原则是取S中的最大隶属度，该隶属度对应级别为评价结果；级别特征值原则是计算S中各隶属度的加权数和，进行取整运算后的对应级别即为评价结果。该方法下的水质综合类别见表5。

表5 水质评价类别

3 评价结果对比与分析

3.1 水质类别分级

通过三种方法的计算，1#、2#、3#监测站点水质类别属于Ⅱ—Ⅲ类水，4#、5#、6#、7#监测站点水质类别属于Ⅳ—Ⅴ类水。水质类别较差的监测站点主要分部在榆林风沙滩区的西部，特别是定边县境域，水质相对较好的监测站点分布在风沙滩区的中东部，这与实际情况是相符合的。西部地区属于湖盆滩地，地形低洼，湖泊众多，地下水形成汇集，但蒸发作用强烈，形成地下水富集和浓缩；同时定边县地下水处于干旱封闭内陆盆地的独特储存环境和径流条件，长期灌溉和地下水开采，水环境氧化作用强，致使水体中Ca2+、Mg2+含量高，总硬度大，水质较差；中东部地区河流水系相对发达，地下水补给条件好，水循环周期短，水质稍好。

3.2 评价方法对比

单指标综合评价法计算简单，可以直接判断水质类别及主要污染超标项，但是采用一票否决制，过于严苛，结果常常比较悲观，不能全面综合反映区域的水质状况；多因子评价指数法能反映实际水质状况，是对单指标方法的改进；模糊评价法具有结果清晰、系统性强的特点，能较好地解决模糊的、难以量化的问题，适合非确定性问题的解决。从表6可以看出，单指标综合评价法相对严格，评价结果较另外两种更差，多因子评价指数法和模糊评价法的结果相对一致，与实际情况更切合。

表6 不同水质评价方法对比

4 结语

(1)本文通过对榆林风沙滩区7处监测站点地下水水质进行抽样检测，并应用单指标综合评价法、多因子评价指数法、模糊评价法等三种方法对选取的6项检测指标进行分析评价，综合得到该区域的水质分析结果。经分析，采用多因子评价指数法和模糊评价法能够全面反应该区域地下水水质的实际情况，量化的圈定水质级别范围。

(2)评价结果表明，研究区水质类别较差的监测站点主要分部在榆林风沙滩区的西部，特别是定边县境域，水质相对较好的监测站点分布在风沙滩区的中东部，符合客观实际。为切实有效保护地下水资源，防止水体质量进一步恶化，有必要统筹规划、因地制宜，采取合理有效的地下水污染防治措施，推动实现水资源合理开发和可持续利用，保障区域生态安全。