淮河流域洪汝河段浅层地下水质量评价方法浅析

刘海风，邓 斌，杨小双

(河南省地质矿产勘查开发局第一地质工程院，河南 郑州 450007)

淮河流域洪汝河段浅层地下水质量评价方法浅析

刘海风，邓 斌，杨小双

(河南省地质矿产勘查开发局第一地质工程院，河南 郑州 450007)

依据2008年度淮河流域洪汝段(河南省域)536组浅层地下水水质化验资料，选取49个评价指标，分别采用内梅罗指数法和模糊数学法进行地下水质量评价，对两种方法的评价结果进行对比浅析，阐述二者的适用条件。结果表明:模糊数学法更好地揭示了水质等级划分上的模糊性，能均衡反映各指标的综合影响，评价结果更符合实际情况，更适用于评价指标较多的水质评价。

地下水水质评;内梅罗指数法;模糊数学法

洪汝河河流域位于淮河流域河南段域南部，行政区划包括许昌市、郑州市、周口市、平顶山、开封、漯河市、驻马店 7个市，涉及24个县、市和区，面积约22 627.8 km2。多年平均降水量634～1 200 mm。工作区西部为山地、丘陵，中、东部为平原，西部岗状平原区。海拔高度约为80～220 m，由岗区向平缓区倾斜［1］。是我国重要的粮棉油基地，人类活动已对地下水产生不同程度的污染，而地下水的水质评价已成为当务之急。

1 地下水质量评价

1.1 测试指标

2007年由中国地调局下发，查明淮河流域河南平原地区地下水水质和污染状况，综合评价地下水水质和污染程度，建立地下水污染调查评价信息系统，为该区地下水污染防治、地下水资源保护及保障饮水安全提供科学依据。特在该区布设了536组样品，包括浅层和深层，2008年对该区地下水进行了取样化验。

参考《地下水污染调查评价规范》(DD2008－01)和《地下水质量标准》(GB/T14848－2007)(报批稿)，确定参评基础指标共49项，分类如下:

1.1.1 常规指标(20项)

(1)无机指标(18项)

pH、铁、锰、锌、铝、氯离子、硫酸根离子、总硬度、溶解性总固体、耗氧量、砷、镉、六价铬、铅、汞、硒、氟离子、硝酸根离子。

(2)有机指标(2项)

三氯甲烷、四氯化碳。

1.1.2 非常规指标(29项)

(1)挥发性有机物指标(21项)

1，1，1 － 三氯乙烷、三氯乙烯、四氯乙烯、二氯甲烷、1，2－二氯乙烷、1，1，2－三氯乙烷、1，2－二氯丙烷、溴二氯甲烷、一氯二溴甲烷、溴仿、氯乙烯、1，1－二氯乙烯、1，2－二氯乙烯、氯苯、邻二氯苯、对二氯苯、苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯;

(2)半挥发性有机物指标(5项)

总六六六、γ－BHC(林丹)、总滴滴涕、六氯苯、苯并(a)芘;

(3)无机指标(3项))

铵离子、钠、亚硝酸根。

1.2 评价标准及依据

按照地下水质量标准(GB/T 14848－93)》对项城地下水水质进行评价，该标准依据我国地下水水质现状、人体健康基准值及地下水质量保护目标，参照生活饮用水、工业、农业用水水质要求，将地下水质量划分为五类:

Ⅰ类:主要反映地下水化学组分的低天然背景含量，适用于各种用途(适用于集中式生活饮用水水源及工农业用水);

Ⅱ类:主要反映地下水化学组分的天然背景含量，适用于各种用途(适用于集中式生活饮用水水源及工农业用水);

Ⅲ类:以人体健康基准为依据，适用于集中式生活饮用水水源及工农业用水;

Ⅳ类:以农业和工业用水要求为依据，除适用于农业和部分工业用水外，适当处理后可作为生活饮用水;

Ⅴ类:不宜饮用，其它用水可根据地使用目的再进行专门评价。

1.3 评价方法

1.3.1 内梅罗指数法

内梅罗指数法最初建立在河水污染评价的基础上，目前在地下水评价上应用较多。

式中:PI为水质指数;Ci为i污染物的实测浓度;Si为 i污染物的水质标准。

地下水水质评价分级(内梅罗指数法)见表1。

表1 地下水水质评价分级标准

该方法的水质指标考虑了各污染物的平均污染水平和个别污染物的最大污染状况，但指数划分同样是人为的，依据该方法得出的结论与地下水水质标准没有一定的对应关系。

1.3.2 模糊数学评价方法

1)计算隶属度矩阵R

采用比较成熟的"降半梯形分布法"来计算函数，设评价中取n个污染因子，取第k个水样中某一污染因子 i的实测值为 Xki，其 j级标准值为 Cij(i=1，2，…….，n;j=1，2，……，m)，则污染因子对各级水的隶属函数如下:

对I级水的隶属函数:即j=1

对 j级至 m － 1 级水的隶属函数:即 j=2，3，.......，n－1

对n级水的隶属函数:即j=m

当Xki已知，就可以利用上述隶属函数求出k水样中第i个污染因子分别对各级水质标准的隶属度，从而可以得到一个i×j阶模糊关系矩阵R:

2)权重因子的确定

在综合评价中，考虑到各单项指标对水质影响的高低差别，不仅同实测数据大小有关，而且与某种用途中各元素的允许浓度有关，实测数据相同时允许浓度含量高而标准低的，对污染程度影响要小，因此要进行权重计算。一般采用地下水 III类指标加权法，公式如下:

式中:Wki为权重因子;Xi为 K水样第 i个因子的实测值;Si为第i个因子各级水标准值的均值;aki为K水样中第i个因子的权重值。

将各单因子的实测值和选定的评价标准分别代入上式，便可求得各单因子的权重值，并由其组成的模糊矩阵 A，即因子权重集:

3)复合运算

确定了隶属度矩阵R和权重矩阵A后，可以进行矩阵间的复合运算。共有四种模型可供选择:

模型I记做 M(∨，∧)，即主因素突出型，其中∨，∧ －分别代表取大、取小

其中:B=(b1，b2，……，bm)

模型II记做 M(·，∨)，即主因素突出型，其中·代表求积

模型III记做M(·，⊕)，即加权平均型，⊕表示求和

模型IV记做M(∧，⊕)即不均衡平均型

选择好模型进行复合运算后，每个取样点都得到一个1×5阶的结果矩阵，对其进行归一化处理后，最大值所对应的水质等级即为该水样点最后的评价等级结果［2、3］。

1.4 内梅罗指数法评价结果

由内梅罗指数法评价结果见表2，适当处理后可作为生活饮用的Ⅳ类地下水样品占91.4%。Ⅳ类和Ⅴ类水定类因子以铁、锰、氟化物和溶解性总固体为主。

表2 内梅罗指数法评价结果

1.5 模糊数学法评价结果

模糊数学方法采用浓度超标法进行权重的计算，权系数是由各污染因子对各等级标准的平均值的贡献，同时考虑了每种污染物对不同等级的贡献大小(即隶属程度)，最后的结果说明了所有污染物对所有不同等级的贡献大小，而不是某一等级，这就能更客观、更科学的评价水质质量的问题。本次评价目标是为了均衡反映各指标的综合影响，故选取相乘相加和取小相加两种算子模型。

由相乘相加法所得评价结果见表3:适用于集中式生活饮用水水源及工农业用水的Ⅲ类地下水样最多，其次为不适宜饮用水。

表3 模糊数学法(相乘相加法)评价结果

由取小相加法所得评价结果见表4，适用于集中式生活饮用水水源及工农业用水的Ⅲ类地下水样最多，其次为不适宜饮用水。

表4 模糊数学(取小相加法)评价结果

2 内梅罗指数法和模糊数学法评价结果的比较

从以上评价可得出两种方法评价洪汝河流域地下水，如表5和图1所示:

内梅罗指数法179 11 225 101 20 1 490 2 40 3取小相加 122 5 269 119 21相乘相加

从两种评价方法的评价结果来看，二者差异还是比较大。

内梅罗指数法突出最高浓度的单项指标作用，评价的水质类别往往由某一种因子所控制，而其它因子所起作用甚微，且各类别由数值指标来划分，界限明显，从而会出现两样本数据相差甚微，评价结果却相差一级的不合理现象。所得出的结论多集中于同一类，即本次评价结果Ⅳ类水样品点极多，占所有样品的91.4%。从概率学原理分析其536个点的结果，这显然是不合理的，这种方法评价结果的表达形式缺乏与级别间的关系。所以内梅罗指数法要求不是很严格的一般地下水以及一些平常用途水质评价，例如当水质评价的目的是为了判断地下水是否适于饮用时，这种方法的评价结果还是较为理想的。

模糊综合评判法考虑到水质分类界线的模糊性，通过最佳隶属度来判断某一水体所属水质等级的最

大可能性;使用隶属函数刻划污染物对相邻两等级的隶属程度，较好地揭示了水质等级划分上的模糊性，可以克服当分析结果逼近评价标准临界值两侧时，更能显示出该方法的优劣;采用多因子超标加权计算权重，评价结果更符合实际情况。本次评价指标较多，为均衡反映各指标的综合影响，从评价结果可以看出这种方法也更切实际。

图1 两种评价结果曲线对比图

3 结语

根据内梅罗指数法和模糊数学法评价结果的比较分析可知，模糊数学法更适合于要求更高的水质评价，虽然受限于计算量较大以及数学模型在水质评价中实践较少。不过可以预见，随着工农业更为迅速的发展，人们对于地下水水质评价的要求也会越来越严格，加之将计算机辅助运用于水质评价计算，模糊数学法在今后的水质评价中将占据主导地位。

特别需要指出的是不管何种方法，评价因子的选择直接影响评价结果，因此评价因子的选择应客观具有代表性。

［1］左正金，等.淮河流域(河南段)1:25万环境地质调查报告.河南省地质调查源，2003.

［2］罗定贵，徐辉.模糊数学在地下水环境评价中的应用.华东地质学院学报，1994－12.

［3］张燕君，许广明.模糊数学方法在博山区地下水水质综合评价中的意义.河北地质学院学报，1995.

P641.12

B

1004－1184(2012)01－0020－03

2011－09－14

刘海风(1983－)女，宁县中卫人，助理工程师，主要从事水工环工作。