某鐵礦排土場地下水環(huán)境質量的模糊綜合評價

張 晶，趙 斌，王洪亮

(華北有色工程勘察院有限公司/河北省礦山地下水安全技術創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050021)

目前，國內外水環(huán)境質量評價的方法大致可分為以下幾類：單因子評價法[1-4]、模糊評價法[5-9]、灰色系統(tǒng)理論評價法[10-13]、人工神經網絡評價法[14-17]、物元分析法[18-21]等。模糊綜合評價是一種行之有效的多因素決策方法，可以對受多種因素影響的研究對象做出全面評價。該方法的特點是根據模糊變換原理和最大隸屬度原則，把定性評價轉化為定量評價，評價結果以一個模糊集合來表示，而不是絕對地肯定或否定。與其它水質評價方法相比，該方法可以更加客觀地確定水環(huán)境質量的等級。

1 模糊評價的基本方法

模糊評價一般包括以下幾個步驟[5-9]：(1)確定評價因素；(2)選取評價指標；(3)構建隸屬函數，建立模糊矩陣；(4)確定評價因素的權重系數；(5)評價矩陣和權重的合成結果。結合本文內容，具體闡述如下：

(1)確定評價因素集：根據水樣的實際檢測值，選定若干個地下水環(huán)境因子構成質量綜合評價的因素集合X={x1，x2，…xn}。

(2)確定評價集：V ={v1，v2，…vm}，v1，v2，…vm為與xi對應的評價標準的集合。評價指標的選取是否適宜，將直接影響綜合評價的準確性，因此應參考與地下水環(huán)境質量評價相關的行業(yè)資料或者法律法規(guī)。

(3)構建隸屬函數y，建立模糊矩陣。該步驟是模糊評價的核心內容。隸屬函數表示某因子的實測濃度對某一級環(huán)境質量標準所具有的程度：yij越接近1，表示x越趨近于標準v的要求；yij越接近于0，表示x越不滿足標準v的要求。各因子隸屬函數建立的方法如下：

當j=1時，對應模糊矩陣第1級環(huán)境質量的隸屬函數為：

(1)

當j=2，3，…(m-1)時，對應模糊矩陣第2級至第(m-1)級環(huán)境質量的隸屬函數為：

(2)

當j=m時，對應模糊矩陣第m級環(huán)境質量的隸屬函數為：

(3)

式中：xi是第i種環(huán)境因子的實際檢測濃度值，Sij是該因子第j級水的標準值；Si(j-1)、Si(j+1)分別是該因子第i-1、i+1級的水質標準值。然后根據地下水水樣的實際檢測結果，由隸屬函數求得模糊矩陣R。

(4)

(4)確定因子權重。由于各個因子在地下水環(huán)境質量評價中所起的作用大小不同，因此對各個因子分別賦予不同的權重，并進行歸一化處理，得到權重矩陣。公式如下：

(5)

式中：Ai是歸一化后第i種因子的權重系數；Ci是該因子的實際檢測濃度值；Si是該因子的的環(huán)境質量基點值。

(5)確定綜合評價模型D。對模糊矩陣R和權重矩陣A進行模糊變換，即D=A·R，得到綜合評價矩陣。根據隸屬度最大原則，取dj=max{d1,d2,…dm}為評價因子的水質級別。

表1 評價因子實測值 mg/L

圖1 地下水采樣點分布圖

2 某礦區(qū)地下水質量評價

研究礦區(qū)位于燕山南麓山前傾斜平原區(qū)、灤河沖洪積扇上部。礦體賦存在第四系之下的太古界變質巖中，巖性主要為角閃斜長片麻巖、斜長角閃巖、黑云變粒巖。第四系厚度100～120 m，由4個隔水層和3個含水層構成，含水層巖性為砂礫卵石、中細砂，隔水層巖性主要為砂質粘土和淤泥質粘性土。天然狀態(tài)下，地下水依地勢自北向南徑流，補給來源有大氣降水、灤河滲漏、農田灌溉回滲等。

本次評價區(qū)為該礦排土場周邊區(qū)域地下水環(huán)境質量。在排土場周邊地下水流向的上下游共布設6個監(jiān)測點，采樣位置見圖1。

表2 地下水環(huán)境質量標準 mg/L

2.1 因素集的確定

選取Cr6+、NO3-N、Fe、Mn、Cl-、SO42-、溶解性總固體、總硬度8個主要指標構成因素集，即U={Cr6+、NO3-N、Fe、Mn、Cl-、SO42-、溶解性總固體、總硬度}，檢測結果見表1。

2.2 評價集的建立

參考地下水環(huán)境質量標準(GB/T14848-2017)，將研究區(qū)地下水環(huán)境質量分5級，如表2。因此建立的評價集為V={Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ}。

2.3 確定模糊關系矩陣R

根據水樣的實測值，由隸屬函數計算得出隸屬度矩陣。以DX01監(jiān)測點為例，其隸屬度矩陣的計算結果如下所示：

2.4 確定權重系數

依據權重系數計算公式可確定各監(jiān)測點每個評價因子的權重系數表3。

表3 因素權重歸一化結果

2.5 模糊綜合評價

模糊綜合評價結果見表4。

表4 模糊綜合評價結果

3 結語

綜合評價結果表明：DX01、DX03、DX06監(jiān)測點的水質屬地下水質量標準Ⅲ級水以上，滿足飲用水要求；DX02、DX04監(jiān)測點的水質屬Ⅳ級水質，DX05監(jiān)測點的水質屬Ⅴ級水質，主要污染物為硝酸鹽，反映了排土場附近地區(qū)的地下水環(huán)境質量受人類活動影響較大，尚未受到排土場淋溶水的影響。