2种方法在典型岩溶区地下水质量评价中的对比——以地苏地下河为例

乔肖翠，李雪，刘琰*

1.湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室，中国环境科学研究院 2.国家环境保护饮用水水源地保护重点实验室，中国环境科学研究院

水质评价是水质管理工作的重要基础，主要是在对水体的一些理化及生物指标进行监测和调查的基础上，使用一定的方法对水体质量优劣程度做出的定性或定量描述[1]。水质评价对判断水体的优劣状况，了解其水质变差成因具有重要的意义，且评价结果可为水资源管理及水污染控制提供科学依据，而适当的评价方法是保证评价结果科学合理的关键。目前，较为常用的水质评价方法包括单因子指数法、综合指数法、灰色关联评价法、模糊综合指数法及其他应用多元统计分析法的水质评价法等[2-3]。

我国西南岩溶区岩溶总面积约78万km2，而地下水是岩溶区的重要水源。由于岩溶含水层抗污染能力弱，水环境脆弱，地下水潜在污染来源复杂，因此岩溶地下水的质量问题应引起人们的重视[4-7]。笔者选取典型西南岩溶区也是广西目前已知的最大地下河系——地苏地下河系为研究对象，运用水质指数法和模糊综合指数法对该地下河系代表性点位的水质进行评价，比较2种方法在岩溶地下水评价中的优缺点和适用性，并了解研究区地下水的水质状况，以期为地下水质量评价及研究区地下水的开发利用和污染治理等提供参考。

1 评价方法

1.1 水质指数法

表1 水质类别与WI对应关系Table 1 Correspondence between water quality categories and WI

(1) 指标为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类标准时，WI计算公式如下:

(1)

式中：WI(i)为第i个指标所对应的指数；WIl(i)为第i个指标所在水质类别标准下限所对应的指数；WIh(i)为第i个指标所在水质类别标准上限所对应的指数；C(i)为第i个指标的实测浓度；Cl(i)为第i个指标所在水质类别标准的下限浓度；Ch(i)为第i个指标所在水质类别标准的上限浓度。

当GB/T 14848—2017中2个水质等级的标准值相同时，按低分数值区间插值计算。

(2)指标为Ⅴ类标准时，WI计算公式如下:

(2)

式中:C5(i)为第i个指标在GB/T 14848—2017中的Ⅴ类标准浓度限值。

(3)WI确定：

WI=max WI(i)

(3)

1.2 模糊综合指数法

由于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，而模糊综合评判法是利用模糊变换原理和最大隶属度原则，将评价的理论和方法与严谨的数学模型相结合，通过模糊级别判断及综合评价值的计算，客观地反映地下水水质的实际状况，可以直观地判断水质的优劣。模糊综合指数法在建立单因素隶属函数时，需要同时对每一级别逐一建立隶属函数，过程较复杂，但是该方法能够较好地解决水质评价中水质分级界限和等级概念的模糊性与不确定性，且综合考虑了地下水评价因子超标值、水质分级标准、评价因子在总体污染中的贡献等，弥补了水质指数法的缺点。利用模糊综合指数法进行地下水质量评价的基本思路：由水质监测数据建立各指标对各级水的隶属度集，形成隶属度矩阵，再把各指标的权重集和隶属度矩阵相乘，得到模糊积，获得一个综合评判集，表明水体水质对各级标准的隶属程度，反映了综合水质级别的模糊性[12-15]。

1.2.1建立评价标准集与评价因子集

评价标准集合V={v1,v2,…,vn}，其中vn为各污染物对应的水质分级标准值。在本研究中，依据GBT 14848—2017的水质类别划分方法，取相邻2个类别水质标准的平均值作为模糊综合指数法中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级水质的评价分级标准值；Ⅰ级水的评价分级标准值取GBT 14848—2017中Ⅰ类水质上限值的一半；Ⅴ级水的评价分级标准值则取GBT 14848—2017中Ⅴ类水质的下限值[16]。

评价因子集U={u1,u2,…,um}，其中um为影响地下水质量的污染物实测浓度。

1.2.2建立模糊关系矩阵

每个参评指标对于每一级水质的隶属程度用隶属度(Fij)表示，且0≤Fij≤1。Fij越大，隶属程度越高。采用半梯形分布法来计算隶属度。模糊关系矩阵在水质评价中反映了评价因子对各级水的隶属度。设评价中有n项水质影响指标，取第k个水样中指标i的实测值为Xki，其j级标准值为Cij，则该因子对各级水的隶属度可用下式表示[17]。

Ⅰ级水隶属度：

(4)

Ⅱ～Ⅳ级水隶属度：

(5)

Ⅴ级水的隶属度:

(6)

利用上述公式求得各指标的隶属度，并得出模糊关系矩阵：

(7)

矩阵的行表示第k个水样的第i个指标对j级水的隶属度，矩阵的列表示参评的指标在各水质级别上的隶属度。

1.2.3各指标权重因子计算

不同的污染物其危害性不同，因此在评价水质的过程中要对各参评指标进行权重因子的计算。一般采用污染物浓度超标加权法进行计算，公式如下：

(8)

(9)

式中：Wki为权重因子；aki为第k个水样第i个参评指标的权重。

根据以上公式对各参评指标进行权重的计算，并由其组成因子权重集：

A={ak1,ak2,…,akn}

(10)

1.2.4综合评价方法

综合评价是对各参评指标进行加权的过程，通过复合运算法则对矩阵R与A进行加权，求得综合评价值B=A×R。对于综合评判所得结果按最大隶属度原则确定，结果对哪级水的隶属度最大，水质则定为哪级。如果在评价过程中，2个级别的隶属度都最大时，则考虑次大值，次大值所属水质级别越接近哪个最大值所属水质级别，则将该最大值所属水质级别作为评价结果。

2 地下水质量评价对比分析

2.1 研究区概况

地苏地下河系位于都安瑶族自治县的中西部，汇水面积为1 004 km2，是广西规模最大的地下河系。地苏地区位于云贵高原与广西丘陵平原间的斜坡地带，平均年降水量为1 738.7 mm，水流沿着岩层表面及断裂侵蚀与溶蚀，岩溶强烈发育，形成峰丛洼地、峰丛谷地与峰林谷地地貌，洼地及谷地中洞穴星罗棋布，大量降水很快被洞穴及裂隙吸收，水交替运动强烈，逐渐发育形成现今的地下河系。长期季节性、周期性的短时间内集中降水形成的暴流冲刷侵蚀，是地苏地下河系形成的主要原因[18]。

地苏地下河的水源主要来源于西北部山区，补给区分布在研究区的西部，也就是地苏河的上游地段。排泄区主要分布在地苏河的中下游地段，其中中游段排泄区分布在地苏乡附近，在平丰水期，大部分洪水通过中游的东庙、九设、大怀、枯桐等各天窗溢出地表，补给地苏河。其中东庙地段溢流量最大，时间较长，每年4—10月有水流，是地苏河的源头。百陵、灵好、文党、桥孔等天窗向外溢流补给拉棠河。地苏地下河系的总排泄口是青水出口，汇入红水河。

2.2 采样点布设

于2015年6月在地苏地下河研究区开展样品采集工作。依据代表性、典型性与均衡性的原则，在地苏地下河干流及支流上共设置28个采样点(图1)。样品依照《地下水污染地质调查评价规范》[19]中重点区调查水样测试指标要求进行测试。样品测试工作由中国地质科学院岩溶地质研究所实验室完成。

2.3 评价标准和参评指标

2.3.1评价标准

2.3.2参评指标

2.4 评价结果及分析

2.4.1水质指数法评价结果

地苏地下河28个水样的水质指数法评价结果如表2所示。在评价过程中，根据各水样计算所得WI直接进行水质类别划分，并根据划分结果，进行主要超标指标的识别。识别时遵照以下原则：1)水质为Ⅲ类或优于Ⅲ类的水样不做主要超标指标筛选；2)水质劣于Ⅲ类的水样，从超过Ⅲ类标准限值的指标中取WI最大的前3个指标作为该点位的主要超标指标。

表2 水质指数法评价结果

2.4.2模糊综合指数法评价结果

按照1.2节所述隶属函数建立方法，以DS-01为例，计算22个指标对5级水隶属函数，得到模糊关系矩阵R〔式(11)〕、因子权重集A〔式(12)〕以及模糊综合评价结果向量B〔式(13)〕。根据计算结果，将各采样点水样的地下水水质进行分类(表3)。模糊综合指数法评价结果表明，在参评的28个地下水样中，水质为Ⅱ类(良好)、Ⅲ类(较好)的水样分别有14和8个，分别占全部水样的50%和28.57%；水质为Ⅳ类(较差)及Ⅴ类(极差)的点位各有3个，均占全部水样的10.71%，无Ⅰ类水。总体来说，水质劣于Ⅲ类水的点位共有6个，占全部水样的21.43%。

(11)

A=[0.166,0.049,…,0.198]

(12)

B=A×R=[0.295,0.506,…,0]

(13)

表3 模糊矩阵计算结果

2.4.3评价结果对比

对比2种评价方法所得28个点位的水质类别可知，评价结果一致的有15个点位，有差异的13个点位，但是差异点位的水质类别也仅相差一个级别。将有差异的13个点位的评价结果进行对比，发现虽然2种方法评价所得水质类别不同，但是通过WI可知，水质指数法评价出的有差异的点位，其水质状况接近于模糊综合指数法的评价结果。以DS-01点位为例，该点位的WI为42.44，接近于Ⅲ类水质的下限，评价结果为Ⅲ类，与模糊综合指数法所得的Ⅱ类水质的评价结果相近。对于评价中的差异，主要有以下几个原因。

(3)水质指数法在评价过程中体现了单因子否决权，适用于个别指标超标严重的情况，而模糊综合指数法则量化了水环境中客观存在的模糊性和不确定性，并根据各参评指标在总体水质污染中的贡献率进行权重赋值，由于考虑了指标对地下水水质的影响，评价结果更精确。但是模糊综合指数法在计算过程中，通常是某点位参评指标实测浓度越大，赋予其的权重也越大，不能确定主要污染因子,并有可能掩盖有毒有机物、重金属等对人体健康和生态环境威胁较大的指标的影响。

3 结论

(2)对比模糊综合指数法与水质指数法评价结果，在28个点位中，评价结果一致的有15个，存在差异的点位评价结果仅差一个水质级别。水质指数法能够达到水质类别划分、水质定量评价及主要超标指标识别的要求，但是对于超标指标不同的水样可比性较差；模糊综合指数法可精细地反映指标实际浓度对水质分级界限的接近程度，量化了所有参评指标对地下水水质的影响权重，使结果更精确，但是计算比较复杂，可操作性较差，且不能识别主要超标指标，在量化所有参评指标时有可能掩盖对人体健康和生态环境威胁较大的指标的影响。因此在实际应用中，应根据具体的监测数据和评价目的选择合适的评价方法，使评价结果满足管理需要，同时反映水体的实际情况。