基于数学综合评价法的博州地下水环境质量评价

(新疆博尔塔拉水文勘测局，新疆 博乐 833400)

水资源是保障我国社会稳定、经济发展的根本要素之一[1]。目前我国的经济飞速发展，人口也逐步增加，地下水的的重要程度越来越凸显，在地表水资源短缺的北方地区尤其受到关注。20世纪以来，我国社会经济正处于飞速稳定发展阶段，但是地下水的不合理开发利用限制了其飞速发展，这一系列地下水问题引起了党和国家领导人和政府部门的高度重视，对地下水资源的开发利用和地下水监测工作都十分关注。这两年，水利部和国土资源部在《国家地下水监测工程项目建议书》的基础上，共同组织编制的《国家地下水监测工程可行性研究报告》[2]，《国家地下水监测工程》正在紧锣密鼓的施行。

本文对新疆博州地区地下水进行了相关水质分析研究，评价了本研究区地下水环境质量现状，为博州地区社会经济可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况

在新疆维吾尔自治区西北部的博尔塔拉蒙古自治州(以下简称博州)位于亚欧大陆腹地，东临准噶尔盆地，属温带大陆性气候，主要气候特点冬冷夏热、日夜温差大、日照时间长、降雨量小、蒸发量大，历年平均降水量228 mm。水资源为艾比湖流域，主要包括博尔塔拉河和精河两大流域以及艾比湖和赛里木湖两大湖泊。行政区域包含两市两县，分别是博乐市、温泉县、精河县和阿拉山口市。

2 样品采集与分析

本次样品严格按照地下水水样采集标准进行采样，在博州不同地下水站点共取样13组。水质监测项目为水温、pH、电导率、色度、嗅和味、浑浊度、肉眼可见物、八大离子、CODMn、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、氟化物、毒性指标、重金属、总大肠菌群、粪大肠菌群。检测使用的主要仪器设备有722E型分光光度计、723C型分光光度计、T6新世纪紫外可见分光光度计、DDS-307电导率仪、PHS-3C精密酸度计、AFS-933原子荧光光度计、TAS-990AFG原子吸收分光光度计。每组样品都进行平行测定，取平均值。

3 地下水质量评价

3.1 评价方法

根据水物质组成给出的水质标准，水质分析的时空状态是水质评价的主要任务[3]，博州区域地下水水质评价采用模糊综合评价方法，模糊综合评价法是近年来地下水水质综合评价中使用较为普遍的一种方法，因为水质的优劣具有模糊的定义，所以依据模糊数学的隶属度理论把定性评价转变为定量评价，改变了以往仅用确定性指标来评价水质的方法，根据地下水污染边界的模糊描述和地下水与各等级的隶属关系，从而使地下水水质评价结果更客观、全面[4]。

表1 博州地区地下水评价因素集 mg/L

3.1.1 建立水质评价因子集合及等级集合

设评价因子集合为：U = {u1，u2，…，un} ，其中u1，u2，…，un为进行评价的 n个评价因子。

设评价等级集合为：V = { v1，v2，…，vm} ，其中 v1，v2，…，vm为进行评价的 m个评价等级。评价标准采用国家《地下水质量标准》( GB/T14848—1993)[5]，该标准规定地下水的水质标准一共分五类。

3.1.2 建立隶属度及模糊矩阵

隶属函数通常由隶属度来表示。为了方便起见，隶属函数作为线性函数：

式中：Y为对应于Xi-1或Xi所规定的那一级水的隶属度；X为实测值；Xi-1、Xi为某项参数相邻的两级水质标准值。

分别计算各单项因子对各级水质的隶属度，依次排列成一个u×v的模糊矩阵，即K=(ruv)，0≤ kuv≤1。

3.1.3 建立权重集

根据超标参数进行加权，污染越严重，加权越大。权重值为：

为进行模糊运算，将各单项权重再进行归一化运算：

式中：Wi为第i种污染物以平均标准为基准的超标指数，即为权重；Xi为第i种污染物实测浓度；Si为第i种污染物各级标准值的平均值。Ai为第i种污染物的归一化权重。

由上计算方法，每个评价因子进行权重计算，形成一个1×n的模糊矩阵A：A=(a1a2… an)。

表2 1号监测点水质标准的隶属度

表3 博州地区地下水评价因素的权重集

3.1.4 模糊综合评价

模糊综合评价考虑所有因子的影响，将模糊权重集A和模糊关系矩阵K通过模糊复合运算得到综合评价，即对A和K采用取小取大法进行复合运算得出结果，再通过比较各级隶属度的大小，其中隶属度最大的所在等级代表地下水水质分类等级。

3.2 评价结果

此次评价选取的13个监测点，共有21项指标组成评价因素级U，分别是总硬度、氯化物、硫酸盐、溶解性总固体、CODMn、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、氟化物等，见表1。

以国家《地下水质量标准》( GB/T14848—1993)为依据，建立评价等级集V={Ⅰ级，Ⅱ级，Ⅲ级，Ⅳ级，Ⅴ级}。按3.1.2的方法计算13个监测点的隶属度，例如监测点1的隶属度见表2。

其他各监测点的隶属度按3.1.2的方法均可求得，在此不一一列举。

按3.1.3的方法，各指标建立权重集，并确定权重值，最后对结果进行归一化处理，结果见表3。

将3.1.2所得的各评价因子的模糊矩阵R和3.1.3中所得的各权重集A带入3.1.4中的模糊复合运算，得到模糊综合评价，博州地区13个监测点的水质模糊综合评价结果见表4。

表4 博州地区地下水水质模糊综合评价结果

3.3 评价结果分析讨论

(1)从表2中可以看出所有评价因子基本全部达到了国家Ⅰ级标准，但是硫酸盐和总硬度的影响很大，使水质在Ⅰ级和Ⅱ级之间徘徊，个别站点直接归为Ⅴ级。

(2)根据表3，通过对权重值的计算，硫酸盐和总硬度是影响水质较大的因子。这是因为博州地区主要含水层属于寒武、奥陶系碳酸盐岩海相沉积岩层，因此局部地段含硫酸盐。这些化学物质在喀斯特地下水补给、径流和排泄过程中可溶解成大量的地下水，在其径流条件和排水差的地区会造成水质超标现象。

(3) 经过对各监测点的模糊综合评价计算表明，博州地区地下水水质情况总体较好，符合实际调查结果。13个监测点中，有2个监测点的水质达到了Ⅰ级，占全部监测站点的15.4%；有6个监测点的水质达到了Ⅱ级，占全部监测站点的46.2%；有2个监测点的水质达到了Ⅲ级，占全部监测站点的15.4%；有3个监测点的水质达到了Ⅴ级，占全部监测站点的23.1%；水质级别在Ⅲ级以上的占占全部监测站点的76.9%，超整个水质监测站点的3/4。

4 结语

(1)研究区地下水环境总体较好，尤其是精河地区，主要超标因素有硫酸盐、总硬度、溶解性总固体、氨氮等。

(2)模糊综合评价比较全面客观的反应了水质现状，采用隶属度函数来描述水质状况，体现了实际界限的模糊性，不仅可以反映各指标共同作用下的水质状况，还可以了解主要的超标物，权重的大小是根据测量值和标准值来确定的，而且更客观，最终结果不仅可以反映水质质量水平，而且还反映了各种超标物的隶属情况。为政府制定环境政策和规划提供科学依据，对污染控制和合理措施具有指导意义。

(3) 本论文评价结果为科学评价地下水环境、合理开发和有效保护地下水、减轻和预防地下水污染和生态环境提供了重要依据。可以直接为水资源的管理和保护，地下水的合理开发利用和生态环境保护等提供科学依据和技术保障。

[1]马军.中国水危机[M].北京：中国环境科学出版社.1999.

[2]国家地下水监测工程项目可研报告编写组.国家地下水监测工程可行性研究报告[R].2011.[Feasibility Study Report Writing Group. National groundwater monitoring project feasibility study report[R].2011.(in Chinese)].

[3]夏琼,钱家忠,陈舟.基于支持向量机的淮南市浅层地下水水质评价[J].水文地质工程地质.2009.(1):56-59.

[4]虞登梅.两种不同的水环境质量评价方法应用与比较[J].安徽理工大学学报( 自然科学版) .2006.26( 1) :6 - 9.

[5]国家技术监督局.GB/T14848-93地下水质量标准[S].北京:中国标准出版社.1994.