模糊綜合評判法在煤礦礦坑水水質(zhì)評價中的應(yīng)用

唐海平，丁堅平，張 強

(1.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059;2.貴州大學(xué)，貴州 貴陽550025)

在進行水環(huán)境質(zhì)量評價時，模糊綜合評判成為很多專家學(xué)者傾向選擇的方法。模糊綜合評判首先對各單項因子進行評價，然后考慮各項因子的總體地位配以適當(dāng)權(quán)重，在此基礎(chǔ)上用模糊概念進行推理，經(jīng)過運算得出評價結(jié)果［1］。與一般評價方法相比，模糊綜合評判契合了水質(zhì)等級劃分的模糊性，更具合理性，評價結(jié)果更接近實際。

蔡沖煤礦位于貴陽市金竹鎮(zhèn)，已于2008年停產(chǎn)關(guān)閉，但是，其采空區(qū)由于水系的運移和淋濾作用，依然對周邊的水環(huán)境造成污染和破壞。蔡沖煤礦礦坑排污口的水匯入游魚河，作為貴陽市飲用水源阿哈水庫的支流，游魚河及其流域內(nèi)的地下水不可避免地遭受了一定程度的污染。本文通過對礦坑排污口的污水及其附近上下游水體進行取樣檢測，分別采用綜合指數(shù)法和模糊綜合評判法評價其水質(zhì)，試通過對比顯示模糊綜合評判的優(yōu)勢。

1 水質(zhì)取樣

為了對蔡沖煤礦礦坑涌水中污染物進行定量分析，在阿哈水庫游魚河入庫段三個不同斷面分別取水樣為水樣一(Y01)，水樣二(Y02)，水樣三(Y03)。

Y01:位于擦耳巖處游魚河右岸岸坡，是蔡沖煤礦礦坑排水口出口，水呈褐黃色，無明顯異味，水面上飄有泡狀紅褐色懸浮物，流量約15 L/s，根據(jù)坑邊水流印記估計水量動態(tài)變化為3倍左右。

Y02:Y01上游約100 m處。

Y03:Y01下游約200 m處，靠近阿哈水庫。

以上Y01是主要研究對象，后兩者是為了比較污染物濃度變化。

2 水質(zhì)檢測結(jié)果及分析

采取水樣后對水質(zhì)進行了檢測:Y01有六項因子進行檢測;Y02和Y03有四項因子進行檢測。水質(zhì)檢測結(jié)果見表1。

表1 水質(zhì)檢測報告表(pH無量綱，其他參數(shù)的單位為mg/L)

水質(zhì)檢測結(jié)果表明，Y01，即污水排出口處最明顯的污染物是鐵，在其上游的Y02處鐵的濃度最低，在其下游的Y03處鐵的濃度居中，這是因為受煤礦影響，游魚河水質(zhì)總體上鐵的濃度偏高。比較 Y02、Y03與 Y01，可以發(fā)現(xiàn)，氨氮的濃度在Y01處最低，在Y02處最高，與鐵相反，這是因為，氨氮主要來源于生活污水，因此在上游反而濃度更高，靠近入庫段因為沿途生物的作用濃度有所降低。三處水樣的pH值雖然都在一級水質(zhì)的范圍內(nèi)，但是Y01的pH最小，這是因為煤礦流出的是酸性礦井水，黃鐵礦經(jīng)過化學(xué)作用形成游離鐵(Fe2+)，同時形成硫酸根()，這是一種強酸，使得 Y01的 pH偏低。然而硫化物又沒有超標(biāo)，這是因為圍巖棲霞茅口組的巖溶水中富含鈣離子(Ca2+)，通過化學(xué)吸附，形成了難溶的硫酸鈣(CaSO4)。

3 水質(zhì)評價

本論文所取的3個水樣所檢測的6個指標(biāo)分別為:鐵(Fe)、錳(Mn)、氨氮、pH、硫化物和懸浮物。因為地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［2］中沒有對懸浮物的評價，因此懸浮物參照《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)GB 8978-1996》，其中采煤業(yè)一級排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)控制在70 mg/L［3］，水樣一處的懸浮物已經(jīng)超標(biāo)。對于其余的五項因子，采用綜合指數(shù)法和模糊綜合評判法進行水質(zhì)評價。

3.1 綜合指數(shù)法

綜合指數(shù)法是地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中提供的方法，亦被稱為F 值法［4］、內(nèi)梅羅指數(shù)法［5］。

表2 地下水質(zhì)量分級表(pH無量綱，其他參數(shù)的單位為mg/L)

按照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB/T14848—1993》，地下水質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)參見表2。

對于Y01，首先進行各單項組分評價，劃分組分所屬質(zhì)量級別，再按確定單項組分評價分值Fi(表3)。

表3 單項組分級別及值表

再按照:

按式1、2，Y01計算結(jié)果如下:

對照表4，可以確定Y01的水質(zhì)較差。這是前五項評價因子的評價結(jié)果，前面已述懸浮物也是超過一級排放標(biāo)的，綜合評述Y01水質(zhì)較差。

表4 評分結(jié)果對照表

3.2 模糊綜合評判法

模糊綜合評判的數(shù)學(xué)模型［6］

即通過各因素在水質(zhì)綜合評價中的權(quán)值W，將單因素相對于水質(zhì)級別的模糊關(guān)系矩陣R，變換為樣本相對于水質(zhì)的模糊關(guān)系向量B。

同樣的，除懸浮物以外的五項評價因子根據(jù)表2構(gòu)造參評水質(zhì)因子的水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)矩陣Sm×5，根據(jù)表1構(gòu)造各因子實測值矩陣 Xm×1。

其中Si，j為所選因子的水質(zhì)級別值;

X5×1=［X1，X2，X3，X4，X5］T，其中 xi為樣本的第 i個因子的實測值。

設(shè)第i個因子的單因子評價向量為R={ri1，ri2，…，ri5}，(i=1，2，…，5)，其中rij表示第i個因子對第j個等級的隸屬度。

各個參數(shù)對應(yīng)的五個水質(zhì)級別的隸屬函數(shù)為:

對于第Ⅰ級水

對于第Ⅱ-Ⅳ級水

對于第Ⅴ級水

由Y01的實測數(shù)據(jù)得到單因子評價矩陣

之后，計算單項權(quán)重:

權(quán)重歸一化處理:

按照上面3式，得到表5。

表5 Y01因子權(quán)重計算結(jié)果表

對矩陣W1×5與 R5×5進行模糊矩陣復(fù)合運算，得出綜合評價矩陣 B1×5

最后，計算出 Y01的綜合評價矩陣 B1×5=(0.318，0.012，0.149，0.523，0)

該結(jié)果表明Y01對ⅠV級水的隸屬度最大，因此該排污口的水質(zhì)級別為ⅠV級，同時對Ⅰ級也有較大的隸屬度。

再用同樣的方法對Y02和Y03的水質(zhì)分別進行評價，得到:

同時，Y02和Y03對Ⅲ級、Ⅳ級也有一定的隸屬度，水質(zhì)受到了一定程度的污染。

3.3 評價結(jié)果對比

通過上面兩種方法對分別水質(zhì)進行評價后，可以看到，評價結(jié)果是有所差異的(表6)。

表6 評價結(jié)果一覽表

Y01是蔡沖煤礦的排污口水樣，兩種方法評價后水質(zhì)級別均為ⅠV級，顯然是符合實際的。然而對Y02和Y03的評價結(jié)果出現(xiàn)了很大的差異。Y02在游魚河入庫段Y01的上游約100 m處取得，Y03在游魚河入庫段Y01的下游約200 m處取得，屬于地表水體，用地下水標(biāo)準(zhǔn)評價本不合適，本文是為了與Y01排污口作對比。阿哈水庫是貴陽飲用水源之一，水質(zhì)滿足國家生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)。Y02與Y03均處于游魚河入庫段，與阿哈水庫的水質(zhì)較為接近，綜合指數(shù)法評價為Ⅳ級，表示水質(zhì)較差，這與實際偏差;模糊綜合評判結(jié)果為Ⅰ級，同時對Ⅲ級、Ⅳ級也有一定的隸屬度，表示水質(zhì)受到了一定程度的污染，更符合實際。

對比可知，綜合指數(shù)法簡潔易懂、運算方便、概念清晰，但是它忽略了水質(zhì)分級界線的模糊性，評價結(jié)果不能反映出水質(zhì)污染的真實狀況在，對不同水體的質(zhì)量優(yōu)劣進行區(qū)分時，很可能會得到相同的綜合評價分值，此時就無法判斷它們的優(yōu)劣了［7］。地下水水質(zhì)評價中的污染程度、水質(zhì)類別都是一些客觀存在的模糊概念和模糊現(xiàn)象，簡單地根據(jù)某一數(shù)字界限來對水質(zhì)進行研究和評價是不合適的。而模糊綜合評判法在水質(zhì)評價中的應(yīng)用與傳統(tǒng)的評價方法相比更適應(yīng)于水質(zhì)污染級別劃分的模糊性，對應(yīng)到各個級別的隸屬度，能更客觀地反映水質(zhì)的實際狀況。

4 結(jié)語

從上面的對比中可以得出結(jié)論，在對煤礦礦坑水進行水質(zhì)評價時，采用模糊綜合評價法比綜合指數(shù)法較其他方法更具優(yōu)勢，能客觀地反映水質(zhì)污染的真實狀況。

［1］楊文壽，李希建，張杰.阿哈水庫模糊綜合評價及污染防治措施［J］.南水北調(diào)與水利科技.2007，5(3):61-63.

［2］GB/T14848-1993.中華人民共和國地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］GB 8978-1996.中華人民共和國污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［4］常明慶，王平，李娟，等.地下水環(huán)境質(zhì)量評價常用方法對比分析［J］.人民黃河.2010，32(4):74-76.

［5］程繼雄，程勝高，張煒.地下水質(zhì)量評價常用方法的對比分析［J］.安全與環(huán)境工程.2008，15(2):23-25.

［6］竹磊磊，吳澤寧.水質(zhì)模糊綜合評價在安陽市地下飲用水源保護中的應(yīng)用［J］.南水北調(diào)與水利科技.2005，3(4):42-44.

［7］蘇耀明，蘇小四.地下水水質(zhì)評價的現(xiàn)狀與展望［J］.水資源保護.2007，23(2):4-9.