模糊综合评判法在煤矿矿坑水水质评价中的应用

2013-12-14唐海平丁坚平

地下水 2013年1期

唐海平，丁坚平，张强

(1.成都理工大学，四川成都 610059;2.贵州大学，贵州贵阳550025)

在进行水环境质量评价时，模糊综合评判成为很多专家学者倾向选择的方法。模糊综合评判首先对各单项因子进行评价，然后考虑各项因子的总体地位配以适当权重，在此基础上用模糊概念进行推理，经过运算得出评价结果［1］。与一般评价方法相比，模糊综合评判契合了水质等级划分的模糊性，更具合理性，评价结果更接近实际。

蔡冲煤矿位于贵阳市金竹镇，已于2008年停产关闭，但是，其采空区由于水系的运移和淋滤作用，依然对周边的水环境造成污染和破坏。蔡冲煤矿矿坑排污口的水汇入游鱼河，作为贵阳市饮用水源阿哈水库的支流，游鱼河及其流域内的地下水不可避免地遭受了一定程度的污染。本文通过对矿坑排污口的污水及其附近上下游水体进行取样检测，分别采用综合指数法和模糊综合评判法评价其水质，试通过对比显示模糊综合评判的优势。

1 水质取样

为了对蔡冲煤矿矿坑涌水中污染物进行定量分析，在阿哈水库游鱼河入库段三个不同断面分别取水样为水样一(Y01)，水样二(Y02)，水样三(Y03)。

Y01:位于擦耳岩处游鱼河右岸岸坡，是蔡冲煤矿矿坑排水口出口，水呈褐黄色，无明显异味，水面上飘有泡状红褐色悬浮物，流量约15 L/s，根据坑边水流印记估计水量动态变化为3倍左右。

Y02:Y01上游约100 m处。

Y03:Y01下游约200 m处，靠近阿哈水库。

以上Y01是主要研究对象，后两者是为了比较污染物浓度变化。

2 水质检测结果及分析

采取水样后对水质进行了检测:Y01有六项因子进行检测;Y02和Y03有四项因子进行检测。水质检测结果见表1。

表1 水质检测报告表(pH无量纲，其他参数的单位为mg/L)

水质检测结果表明，Y01，即污水排出口处最明显的污染物是铁，在其上游的Y02处铁的浓度最低，在其下游的Y03处铁的浓度居中，这是因为受煤矿影响，游鱼河水质总体上铁的浓度偏高。比较 Y02、Y03与 Y01，可以发现，氨氮的浓度在Y01处最低，在Y02处最高，与铁相反，这是因为，氨氮主要来源于生活污水，因此在上游反而浓度更高，靠近入库段因为沿途生物的作用浓度有所降低。三处水样的pH值虽然都在一级水质的范围内，但是Y01的pH最小，这是因为煤矿流出的是酸性矿井水，黄铁矿经过化学作用形成游离铁(Fe2+)，同时形成硫酸根()，这是一种强酸，使得 Y01的 pH偏低。然而硫化物又没有超标，这是因为围岩栖霞茅口组的岩溶水中富含钙离子(Ca2+)，通过化学吸附，形成了难溶的硫酸钙(CaSO4)。

3 水质评价

本论文所取的3个水样所检测的6个指标分别为:铁(Fe)、锰(Mn)、氨氮、pH、硫化物和悬浮物。因为地下水质量标准［2］中没有对悬浮物的评价，因此悬浮物参照《污水综合排放标准GB 8978-1996》，其中采煤业一级排放标准规定应控制在70 mg/L［3］，水样一处的悬浮物已经超标。对于其余的五项因子，采用综合指数法和模糊综合评判法进行水质评价。

3.1 综合指数法

综合指数法是地下水质量标准中提供的方法，亦被称为F 值法［4］、内梅罗指数法［5］。

表2 地下水质量分级表(pH无量纲，其他参数的单位为mg/L)

按照《地下水质量标准GB/T14848—1993》，地下水质量分级标准参见表2。

对于Y01，首先进行各单项组分评价，划分组分所属质量级别，再按确定单项组分评价分值Fi(表3)。

表3 单项组分级别及值表

再按照:

按式1、2，Y01计算结果如下:

对照表4，可以确定Y01的水质较差。这是前五项评价因子的评价结果，前面已述悬浮物也是超过一级排放标的，综合评述Y01水质较差。

表4 评分结果对照表

3.2 模糊综合评判法

模糊综合评判的数学模型［6］

即通过各因素在水质综合评价中的权值W，将单因素相对于水质级别的模糊关系矩阵R，变换为样本相对于水质的模糊关系向量B。

同样的，除悬浮物以外的五项评价因子根据表2构造参评水质因子的水质分级标准矩阵Sm×5，根据表1构造各因子实测值矩阵 Xm×1。

其中Si，j为所选因子的水质级别值;

X5×1=［X1，X2，X3，X4，X5］T，其中 xi为样本的第 i个因子的实测值。

设第i个因子的单因子评价向量为R={ri1，ri2，…，ri5}，(i=1，2，…，5)，其中rij表示第i个因子对第j个等级的隶属度。

各个参数对应的五个水质级别的隶属函数为:

对于第Ⅰ级水

对于第Ⅱ-Ⅳ级水

对于第Ⅴ级水

由Y01的实测数据得到单因子评价矩阵

之后，计算单项权重:

权重归一化处理:

按照上面3式，得到表5。

表5 Y01因子权重计算结果表

对矩阵W1×5与 R5×5进行模糊矩阵复合运算，得出综合评价矩阵 B1×5

最后，计算出 Y01的综合评价矩阵 B1×5=(0.318，0.012，0.149，0.523，0)

该结果表明Y01对ⅠV级水的隶属度最大，因此该排污口的水质级别为ⅠV级，同时对Ⅰ级也有较大的隶属度。

再用同样的方法对Y02和Y03的水质分别进行评价，得到:

同时，Y02和Y03对Ⅲ级、Ⅳ级也有一定的隶属度，水质受到了一定程度的污染。

3.3 评价结果对比

通过上面两种方法对分别水质进行评价后，可以看到，评价结果是有所差异的(表6)。

表6 评价结果一览表

Y01是蔡冲煤矿的排污口水样，两种方法评价后水质级别均为ⅠV级，显然是符合实际的。然而对Y02和Y03的评价结果出现了很大的差异。Y02在游鱼河入库段Y01的上游约100 m处取得，Y03在游鱼河入库段Y01的下游约200 m处取得，属于地表水体，用地下水标准评价本不合适，本文是为了与Y01排污口作对比。阿哈水库是贵阳饮用水源之一，水质满足国家生活饮用水标准。Y02与Y03均处于游鱼河入库段，与阿哈水库的水质较为接近，综合指数法评价为Ⅳ级，表示水质较差，这与实际偏差;模糊综合评判结果为Ⅰ级，同时对Ⅲ级、Ⅳ级也有一定的隶属度，表示水质受到了一定程度的污染，更符合实际。

对比可知，综合指数法简洁易懂、运算方便、概念清晰，但是它忽略了水质分级界线的模糊性，评价结果不能反映出水质污染的真实状况在，对不同水体的质量优劣进行区分时，很可能会得到相同的综合评价分值，此时就无法判断它们的优劣了［7］。地下水水质评价中的污染程度、水质类别都是一些客观存在的模糊概念和模糊现象，简单地根据某一数字界限来对水质进行研究和评价是不合适的。而模糊综合评判法在水质评价中的应用与传统的评价方法相比更适应于水质污染级别划分的模糊性，对应到各个级别的隶属度，能更客观地反映水质的实际状况。