地下水水质评价方法及展望

地下水水质评价方法及展望

摘要：地下水水质评价是地下水资源评价的重要内容，目前有关地下水水质评价的方法与观点众多，总体上可归纳为模糊综合评价法、灰色系统法、模型法和理论法4类9种评价方法，它们各具特色，也有各自的适用范围和局限性。为使地下水水质评价更加准确和实用，在模型构建上应尽量避免人为因素，充分运用3s技术对地下水实行动态监测，采用集成方法进行计算和评价。

关键词：地下水水质评价方法

地下水循环是自然界水循环的一部分，经过地表渗透与周围不同介质的融合，使地下水具有了独特的物理特性与化学特性。地下水水质分析的目的来自人类生活以及生产的需求，基于不同的用途，地下水水质评价选择的指标以及对分类结果的判断上都存在差异，这决定了地下水水质评价与分析方式方法的多样性。近年来，在水科学领域，不同的数学方式方法的引入，使传统简单的地下水水质分类方法得到推进。同时，随着人类活动对于水循环的影响加剧，人们开始关注那些由于人类活动带来的地下水水质的改变。地理信息技术等更为区域地下水水质演变与地下水水质演变成因分析的实现提供了可能。地下水水质评价结果，结合地下水水质演变的成因分析以及地下水水质运移理论所建立起来的地下水水质运移模型也成为实现地下水水质预测的有效工具。

1、地下水水质评价方法

1.1单因子评价方法

单项因子评价是指分别对单个指标进行分析评价。该方法计算简便，且通过评价结果能直观地反映水质中哪一类或哪几类因子超标，同时可以清晰地判断

出主要污染因子和主要污染区域。但是由于是对单个水质指标独立进行评价，因此得到的评价结果不能全面地反映地下水质量的整体状况，可能会导致较大的偏差。鉴于单因子评价体系的不足，为了能综合反映评价水体的总体质量，实际的地下水质评价工作中常常采用综合评价方法将单因子评价结果综合起来。通过对水质的综合评价来反映地下水水质的整体情况，既有全面性，又有综合性。

1.2 模糊综合评判法

模糊集理论的在地下水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，能更客观地反映水质的实际状况。模糊综合评判法最主要的优点就是通过构造隶属函数可以很好地反映水质界限的模糊性。应用模糊综合评判法，最关键的问题是如何构造合理的隶属函数和权重矩阵。确定隶属函数的原则和方法很多。一般单向分布的水质指标质量类别常用半梯形分布函数法；对于某些双向分布的指标如人体必需的微量元素、ph值等，可采用梯形分布函数法。这两种方法能够很好地刻画水质级别的隶属关系。

确定评价因子权重的赋权方法也有很多，传统的方法如专家法、指标值法等，但这些方法都存在一些不足。针对这些赋权方法中存在的不足，提出了一些改进

方法。近些年，层次分析法、多元统计分析中的主成分分析和因子分析方法、灰色关联法、神经网络和遗传算法等被广泛应用于权重的确定，取得了一定的效果。

但这些方法在地下水水质评价中的应用都存在自身的优缺点，如何更好地确定地下水各水质评价指标间的权重有待进一步的研究。综合评价结果最后通过模糊矩阵r和权重矩阵的复合运算来实现。复合运算中可选用的模糊算子有取大取小法、相乘取大法、取小相加法、相乘相加法等，可根据评价的需要选择合适的算子。1.3 灰色聚类法

灰色系统理论也被广泛应用于地下水水质综合评价中。灰色聚类法处理环境污染评价问题，不必事先给定一个临界判断，而可以直接得到聚类评价结果。灰色聚类法能对水环境进行评价，反映水质的综合状况，因而比指数法更全面直观、更有说服力，同时又比模糊综合评价简便，易于推广。灰色聚类法也存在着一些不足。例如，由于采用了“降半梯形”形式，每一评价级别仅于相邻级别间存在隶属关系，当污染物浓度分布过于离散时，可能会损失较多有用信息。灰色聚类方法在地下水水质评价过程中也需要考虑不同评价指标的赋权问题，不同的赋权方法直接影响评价结果。

1.4 其它评价方法

人工神经网络中应用较多的为bp神经网络，将水质评价采用的各种指标作为输入变量，水质分类级别为输出变量。根据样本数据得到的输入输出之间的权值矩阵，从而对于未知水质的指标进行分

类评价。人工神经网络是数字驱动力模型的典型代表，其他诸如多元回归与遗传算法也可以看做是数字驱动力模型在地下水水质评

价中的应用。逻辑斯谛曲线（ logistic）模型是在地下水水质评价标准说明中，各指标值（作为横坐标）与水质等级（作为纵坐标）之间呈单调递增或递减关系，当指标值超过某门限值时就判定为最高等级；当指标值低于另门限值时就判定为最低等级；当指标值介于这两门限值之间时则为中等等级。集对分析理论（spa）是赵克勤（1989）创立的一门新的系统理论方法，其核心思想是将系统内确定性与不确定性予以辩证分析与数学处理，体现系统、辩证、数学三大特点。该理论认为，不确定性是事物的本质属性，并将不确定性与确定性作为一个系统进行综合考察。在进行地下水水质评价时，该方法借助确定性和不确定性分析先对样本进行定性分析，再通过计算“联系度”来评价地下水水质等级。物元可拓法于20世纪80年代由我国蔡文教授创立，它是将物元分析与可拓集合相结合，应用于新产品构思与设计、优化决策、控制、识别与评价等领域，在地下水水质评价中的应用属于拓展性的应用。该方法认为地下水环境是一个较为复杂的系统，单项指标间的评价结果容易出现矛盾和不相容性。物元可拓法的原理是以物元为基元建立物元模型，以物元可拓为依据，应用物元变换化矛盾问题为相容问题。地下水水质评价的方法众多，难以形成统一的优劣判断，可能存在的问题主要有以下三方面：一是在判断和筛选对环境影响较大的特征污染物方面，由于水质监测、取样获取源数据方面的限制，

从而使得由于出现重大遗漏而导致地下水水质评价不实；二是数学方法的使用可以排除人为评价的主观性，但在实际应用中应该更加注重方法与实际的融合，所采用方法的前提与假设是否与地下水水质评价一致。并不是所有的数学方法都适合在地下水水质评价中使用，因此在数学方法选择上应该更加趋于谨慎；三是专家具有丰富的知识以及对评价水体的较深了解，采用专家决策支持的方法更快更容易的获得分类结果，但同时这也存在不客观不全面的风险。总之，提高水质监测手段，使评价因子筛选尽可能的客观准确，在数学方法选择和应用上更加谨慎是获取可靠的地下水水质评价结果的有效途径。

2、地下水水质评价方法的展望

目前现行的地下水水质评价方法不能满足人们的要求，各种方法都存在自身的不足，至今仍没有一个广泛认可的评价模型。现行的地下水水质评价方法均是

通过实测浓度与水质标准进行比较分析确定评价区域地下水水质的好坏，无法考虑地下水水质的成因、演变规律和地下水水量对水质的影响等。如何综合考虑研

究区域地下水的各种影响因素，合理的选择评价因子、评价方法及探索更能真实地反映地下水水质状况的新评价方法已成为地下水水质评价亟待解决的问题。

由于模糊数学、灰色系统理论、人工神经网络模型、遗传算法等数学方法和电子计算机技术的不断发展，这些方法的继续深入研究