CN106845112A - 一种地下水质量综合评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地下水质量综合评价方法，包括以下步骤：a、重新划分地下水水质指标中锰、氟化物、碘化物、汞等十七项水质指标的分类界值；b、根据地下水样品测试指标选取参评水质指标，将地下水样品的测试结果和所选取的参评水质指标的分类界值代入隶属度函数，计算得到模糊隶属度矩阵；c、对水质指标的毒性指数进行数据转换；d、根据转换后的指标毒性指数、样品测试结果以及水质指标的分类界值计算权重矩阵；e、将模糊隶属度矩阵和权重矩阵进行耦合，得到地下水水质评价结果矩阵和评价等级。本发明的评价结果充分考虑了人体健康的风险性，能够从人体健康风险角度对地下水质量进行综合评价，其评价结果更为客观地反映了饮水安全性。

Description

一种地下水质量综合评价方法

技术领域

本发明涉及一种地下水评价方法，具体地说是一种地下水质量综合评价方法。

背景技术

地下水是一种十分重要的饮用水资源，在支撑经济社会健康发展等方面发挥着不可替代的作用。其质量状况会直接影响人体健康。作为很多地区的直接供水水源，从饮水安全角度来讲，地下水质量评价工作是十分必要的。

水质评价过程主要是基于对样点水化学数据的分析，分析涵盖了常规指标和毒理指标。相比常规指标，毒理指标对人体健康的影响更为重要。因此，在评价过程中，需要把常规指标和毒理指标区分开来，以更好的体现指标毒性对人体健康的影响。这就要求在评价过程中，对各指标的毒性程度进行量化。

现有地下水质量综合评价法没有考虑水质指标毒性权重在水质评价中的体现，导致水质评价的结果在指导饮水安全工作上存在明显的缺陷。例如，一项感官性指标如铁含量偏高而导致地下水水质达IV类的地下水，与一项毒性指标如砷含量偏高而导致地下水水质达IV类的地下水，就其作为饮用水的可能性而言是有明显差异的，因为考虑水质指标的毒性权重之后，仅仅是铁含量偏高的IV类地下水，其作为饮用水是符合人体健康要求的，而砷含量偏高的IV类地下水，其作为饮用水则是不符合人体健康要求的。

发明内容

本发明的目的就是提供一种地下水质量综合评价方法，以解决现有地下水质量评价方法存在的不能在水质评价结果中体现出水质指标毒性差异导致评价结果与客观情况不符的问题。

本发明是这样实现的：一种地下水质量综合评价方法，包括以下步骤：

a、重新划分地下水水质指标中锰、氟化物、碘化物、汞、砷、硒、铅、铍、镍、钴、铊、挥发酚、1,1,2-三氯乙烷、1,2-二氯丙烷、氯乙烯、苯并(a)芘、多氯联苯十七项水质指标的分类界值；

b、根据地下水样品测试指标选取参评水质指标，将地下水样品的测试结果和所选取的参评水质指标的分类界值代入隶属度函数，计算得到模糊隶属度矩阵；

c、对水质指标的毒性指数进行数据转换；

d、根据转换后的指标毒性指数、样品测试结果以及水质指标的分类界值计算权重矩阵；

e、将模糊隶属度矩阵和权重矩阵进行耦合，得到地下水水质评价结果矩阵和评价等级。

所述步骤a中的十七项水质指标的分类界值为：

序号

指标

I类

Ⅱ类

Ⅲ类

Ⅳ类

Ⅴ类

1

锰(mg/L)

≤0.05

≤0.07

≤0.1

≤1.5

＞1.5

2

氟化物(mg/L)

≤0.5

≤0.7

≤1.0

≤2.0

＞2.0

3

碘化物(mg/L)

≤0.04

≤0.06

≤0.08

≤0.5

＞0.5

4

汞(mg/L)

≤0.0001

≤0.0002

≤0.001

≤0.002

＞0.002

5

砷(mg/L)

≤0.001

≤0.002

≤0.01

≤0.05

＞0.05

6

硒(mg/L)

≤0.005

≤0.007

≤0.01

≤0.1

＞0.1

7

铅(mg/L)

≤0.005

≤0.007

≤0.01

≤0.1

＞0.1

8

铍(mg/L)

≤0.0001

≤0.0002

≤0.002

≤0.06

＞0.06

9

镍(mg/L)

≤0.002

≤0.005

≤0.02

≤0.1

＞0.1

10

钴(mg/L)

≤0.005

≤0.01

≤0.05

≤0.1

＞0.1

11

铊(mg/L)

≤0.00005

≤0.00007

≤0.0001

≤0.001

＞0.001

12

挥发酚(以苯酚计，μg/L)

≤1

≤1.5

≤2

≤10

＞10

13

1,1,2-三氯乙烷(μg/L)

≤0.5

≤1

≤5

≤60

>60

14

1,2-二氯丙烷(μg/L)

≤0.5

≤1

≤5

≤60

>60

15

氯乙烯(μg/L)

≤0.5

≤1

≤5

≤90

>90

16

苯并(a)芘(μg/L)

≤0.002

≤0.005

≤0.01

≤0.5

>0.5

17

多氯联苯(μg/L)

≤0.05

≤0.1

≤0.5

≤10

＞10

每个指标均划分出有明确界限的五类。

本发明步骤b包括以下子步骤：

b-1、使用下述隶属度函数，结合评价标准，将隶属度划分为五级，其中：

第I级(j＝1)：

第II-IV级(j＝2-4)：

第V级(j＝5)：

上列公式中，r_ij表示水质指标i对应的水质级别j的模糊隶属度，S_ij表示水质指标i对应的水质级别j(I-V)的标准值，C_i表示单个样品水质指标i的实验测试结果；

b-2、当C_i＝S_ij，即指标i的实验测试结果跟水质指标的分类界值相同时，隶属度函数为r_ij＝0.5，r_ij+1＝0.5；在这种情况下，认为该实验测试结果对相邻两个水质级别的隶属度均为0.5；

b-3、将水质实验测试结果和水质指标的分类界值带入隶属度函数，计算得到模糊隶属度矩阵R：

本发明步骤c中的毒性指数的数据转换的计算公式为：

T_i＝t_i×3/200+1 (5)

其中，T_i表示水质指标i转换后的毒性指数，t_i表示水质指标i的初始毒性指数。初始毒性指数数据引自美国毒物和疾病登记署(Agency for Toxic Substances andDisease Registry)。

本发明步骤d包括以下子步骤：

d-1、按下式计算水质指标的权重值：

其中，a_i表示水质指标i的权重值，n表示参与评价的水质指标的个数，S_i表示水质指标i的五个级别的分类界值的平均值，C_i表示单个样品水质指标i的实验测试结果，T_i表示水质指标i的毒性指数；

d-2、将计算得到的权重值a_i带入下式，得到权重矩阵A：

A＝[a₁ a₂ a₃ … a_i] (7)

本发明步骤e是将模糊隶属度矩阵R与权重矩阵A进行耦合，计算得到以下的单个地下水样品的评价结果矩阵B：

B＝A×R＝[b₁ b₂ b₃ b₄ b₅] (8)

所得评价结果矩阵B中的b₁、b₂、b₃、b₄、b₅分别为单个地下水样品的对应于I类—V类的五类水质评价等级的综合指数，五个综合指数中数值最大者所对应的水质类别即为该单个地下水样品的综合评价等级。

水质评价结果中各等级水质的物理意义如下：

I类:主要反映地下水化学组分的天然低背景含量，适用于各种用途；

II类:主要反映地下水化学组分的天然背景含量，适用于各种用途；

III类:以人体健康基准为依据，主要适用于集中式生活饮用水水源及工农业用水；

IV类:不宜直接饮用，适当处理后可作生活饮用水、农业以及部分工业用水；

V类:不宜饮用，其它用水可根据使用目的进行专门评价后再确定是否可供水。

本发明在评价过程中对各水质指标的毒性程度进行了科学量化，其评价结果充分考虑了人体健康的风险性，能够从人体健康风险角度对地下水质量进行综合评价。使用本发明获得的水质评价结果的物理意义更为明确，其评价结果更为客观地反映了饮水安全性，能更好地为我国地下水资源的饮水安全工作提供技术保障。

附图说明

图1为本发明地下水质量综合评价方法的流程框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明地下水质量综合评价方法包括以下步骤：

a、重新划分地下水水质指标中锰、氟化物、碘化物、汞、砷、硒、铅、铍、镍、钴、铊、挥发酚、1,1,2-三氯乙烷、1,2-二氯丙烷、氯乙烯、苯并(a)芘、多氯联苯十七项水质指标的分类界值。

b、根据地下水样品测试指标选取参评水质指标，将地下水样品的测试结果和所选取的参评水质指标的分类界值代入隶属度函数，计算得到模糊隶属度矩阵。

c、对水质指标的毒性指数进行数据转换。

d、根据转换后的指标毒性指数、样品测试结果以及水质指标的分类界值计算权重矩阵。

e、将模糊隶属度矩阵和权重矩阵进行耦合，得到地下水水质评价结果矩阵和评价等级。

现有的中国地下水水质标准对锰、氟化物、碘化物、汞、砷、硒、铅、铍、镍、钴、铊、挥发酚、1,1,2-三氯乙烷、1,2-二氯丙烷、氯乙烯、苯并(a)芘、多氯联苯等17项水质指标在I～Ⅲ或I～Ⅱ类的界值是相同的，本发明首先对这17种水质指标在Ⅲ类或Ⅱ类的界限内重新进行划分，其他水质指标的分类界限保持不变，详情如表1所示。

表1：水质指标分类界值

根据地下水样品测试指标选取参评水质指标，表2为珠江三角洲某地的两个地下水样品的各项测试指标的浓度。

表2：珠江三角洲某地的两个地下水样品的各项测试指标的浓度

指标	样品1	样品2	指标	样品1	样品2
							96	283	氟化物(mg/L)	0.07	0.19
硫酸盐(mg/L)	31	110	汞(mg/L)	0.00015	0.00019
						氯化物(mg/L)	68	97	砷(mg/L)	0.0008	0.0086
铁(mg/L)	0.02	1.54	硒(mg/L)	0	0.0001
						锰(mg/L)	0.11	0.32	镉(mg/L)	0.0004	0.0001
铜(mg/L)	0	0	铅(mg/L)	0.0032	0.0006
						锌(mg/L)	0.011	0.001	铍(mg/L)	0.0002	0
氨氮(mg/L)	0.03	0.08	钡(mg/L)	0.094	0.130
						钠(mg/L)	36.5	72.3	镍(mg/L)	0.003	0.005
亚硝酸盐(mg/L)	0	1.48	钼(mg/L)	0	0.006
						硝酸盐(mg/L)	153.9	23.0

将样品测试结果和水质指标的分类界值代入如下的线性隶属度函数：

第I级(j＝1)：

第II-IV级(j＝2-4)：

第V级(j＝5)：

上列公式中，r_ij表示水质指标i对应的水质级别j的模糊隶属度，S_ij表示水质指标i对应的水质级别j(I-V)的标准值，C_i表示单个样品水质指标i的实验测试结果。

当C_i＝S_ij，即指标i的实验测试结果跟水质指标的分类界值相同时，隶属度函数为r_ij＝0.5，r_ij+1＝0.5。在这种情况下，认为该测试结果对相邻两个水质级别的隶属度相等，均为0.5。

计算得到两个地下水样品的模糊隶属度矩阵R，结果如表3所示。

表3：珠江三角洲某地的两个地下水样品的模糊隶属度矩阵R

目前，由于水质标准中的常规指标侧重于体现水质的口感等性状，而毒理指标更侧重于体现水质的毒害性，从而导致在同等标准下常规指标对人体健康的危害要远远小于毒理指标。因此，从饮水安全角度考虑，水质指标的权重应该根据其毒性的大小做相应的调整，而不仅仅是按照传统的评价方法中的权重计算函数。为解决该问题，本发明引入美国毒物和疾病登记署中水质指标的初始毒性指数数据，为便于计算后续的权重矩阵，采用如下公式对水质指标的毒性指数进行数据转换：

T_i＝t_i×3/200+1

其中，T_i表示指标i转换后的毒性指数，t_i表示指标i的初始毒性指数，水质指标的初始毒性指数和转换后的毒性指数如下表4所示。

表4：指标毒性指数及其数据转换

根据转换后的指标毒性指数、样品测试结果以及水质指标的分类界值，利用如下公式计算权重值：

其中，a_i表示水质指标i的权重值，n表示参与评价的水质指标的个数，S_i表示水质指标i的5个级别的分类界值的平均值，C_i表示单个样品水质指标i的实验测试结果，T_i表示水质指标i的毒性指数，由此可得到两个地下水样品的权重矩阵A，如表5所示。

表5：珠江三角洲某地的两个地下水样品的权重矩阵A

将表2的模糊隶属度矩阵R与表5的权重矩阵A进行耦合，可得到表6所示的两个地下水样品的水质评价结果矩阵B，数值最大者所对应的水质级别即为模糊综合评价得出的等级，因此，地下水样品1的水质结果是V类水，地下水样品2的水质结果III类水。

表6：珠江三角洲某地的两个地下水样品的结果矩阵B

而根据中国地下水水质标准DZ/T 0290-2015中所提供的原有综合评价法，则两个地下水样品均为V类水，分别由于硝酸根和铁含量偏高所致。

对比这两个评价方法的评价结果显示，本发明评价方法与传统评价方法对硝酸根等毒性指标偏高的地下水水质的评价结果较为一致，但对铁等非毒性指标偏高的地下水水质的评价结果差异较大，相比传统评价方法，本发明评价方法对铁等非毒性指标偏高的地下水水质的评价结果偏好，显示了本发明评价方法在量化指标毒性之后其评价结果更为科学合理。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干修改，这些修改也应视为本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种地下水质量综合评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、重新划分地下水水质指标中锰、氟化物、碘化物、汞、砷、硒、铅、铍、镍、钴、铊、挥发酚、1,1,2-三氯乙烷、1,2-二氯丙烷、氯乙烯、苯并(a)芘、多氯联苯十七项水质指标的分类界值；

b、根据地下水样品测试指标选取参评水质指标，将地下水样品的测试结果和所选取的参评水质指标的分类界值代入隶属度函数，计算得到模糊隶属度矩阵；

c、对水质指标的毒性指数进行数据转换；

d、根据转换后的指标毒性指数、样品测试结果以及水质指标的分类界值计算权重矩阵；

e、将模糊隶属度矩阵和权重矩阵进行耦合，得到地下水水质评价结果矩阵和评价等级。

2.根据权利要求1所述的地下水质量综合评价方法，其特征在于，所述步骤a中的十七项水质指标的分类界值为：

序号 指标 I类 Ⅱ类 Ⅲ类 Ⅳ类 Ⅴ类 1 锰(mg/L) ≤0.05 ≤0.07 ≤0.1 ≤1.5 ＞1.5 2 氟化物(mg/L) ≤0.5 ≤0.7 ≤1.0 ≤2.0 ＞2.0 3 碘化物(mg/L) ≤0.04 ≤0.06 ≤0.08 ≤0.5 ＞0.5 4 汞(mg/L) ≤0.0001 ≤0.0002 ≤0.001 ≤0.002 ＞0.002 5 砷(mg/L) ≤0.001 ≤0.002 ≤0.01 ≤0.05 ＞0.05 6 硒(mg/L) ≤0.005 ≤0.007 ≤0.01 ≤0.1 ＞0.1 7 铅(mg/L) ≤0.005 ≤0.007 ≤0.01 ≤0.1 ＞0.1 8 铍(mg/L) ≤0.0001 ≤0.0002 ≤0.002 ≤0.06 ＞0.06 9 镍(mg/L) ≤0.002 ≤0.005 ≤0.02 ≤0.1 ＞0.1 10 钴(mg/L) ≤0.005 ≤0.01 ≤0.05 ≤0.1 ＞0.1 11 铊(mg/L) ≤0.00005 ≤0.00007 ≤0.0001 ≤0.001 ＞0.001 12 挥发酚(以苯酚计，μg/L) ≤1 ≤1.5 ≤2 ≤10 ＞10 13 1,1,2-三氯乙烷(μg/L) ≤0.5 ≤1 ≤5 ≤60 >60 14 1,2-二氯丙烷(μg/L) ≤0.5 ≤1 ≤5 ≤60 >60 15 氯乙烯(μg/L) ≤0.5 ≤1 ≤5 ≤90 >90 16 苯并(a)芘(μg/L) ≤0.002 ≤0.005 ≤0.01 ≤0.5 >0.5 17 多氯联苯(μg/L) ≤0.05 ≤0.1 ≤0.5 ≤10 ＞10

上表中，每个指标均划分出有明确界限的五类。

3.根据权利要求1所述的地下水质量综合评价方法，其特征在于，步骤b包括以下子步骤：

b-1、使用下述隶属度函数，结合评价标准，将隶属度划分为五级，其中：

第I级(j＝1)：

$r_{ij}=\left\{\begin{array}{c}1,(C_i<S_{ij})\\ \frac{S_{ij+1}-C_i}{S_{ij+1}-S_{ij}},(S_{ij}<C_i<S_{ij+1})\\ 0,(C_i>S_{ij+1})\end{array}\right.---\left(1\right)$

第II-IV级(j＝2-4)：

$r_{ij}=\left\{\begin{array}{c}0,(C_i<S_{ij-1})\\ \frac{C_i-S_{ij-1}}{S_{ij}-S_{ij-1}},(S_{ij-1}<C_i<S_{ij})\\ \frac{S_{ij+1}-C_i}{S_{ij+1}-S_{ij}},(S_{ij}<C_i<S_{ij+1})\end{array}\right.---\left(2\right)$

第V级(j＝5)：

$r_{ij}=\left\{\begin{array}{c}0,(C_i<S_{ij-1})\\ \frac{C_i-S_{ij-1}}{S_{ij}-S_{ij-1}},(S_{ij-1}<C_i<S_{ij})\\ 1,(C_i>S_{ij})\end{array}\right.---\left(3\right)$

上列公式中，r_ij表示水质指标i对应的水质级别j的模糊隶属度，S_ij表示水质指标i对应的水质级别j(I-V)的标准值，C_i表示单个样品水质指标i的实验测试结果；

b-2、当C_i＝S_ij，即指标i的实验测试结果跟水质指标的分类界值相同时，隶属度函数为r_ij＝0.5，r_ij+1＝0.5；在这种情况下，认为该实验测试结果对相邻两个水质级别的隶属度均为0.5；

b-3、将水质实验测试结果和水质指标的分类界值带入隶属度函数，计算得到模糊隶属度矩阵R：

$R=\left[\begin{array}{ccccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}& r_{14}& r_{15}\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}& r_{24}& r_{25}\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}& r_{34}& r_{35}\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ r_{i1}& r_{i2}& r_{i3}& r_{i4}& r_{i5}\end{array}\right]---\left(4\right)$

4.根据权利要求1所述的地下水质量综合评价方法，其特征在于，步骤c中的毒性指数的数据转换的计算公式为：

T_i＝t_i×3/200+1 (5)

其中，T_i表示水质指标i转换后的毒性指数，t_i表示水质指标i的初始毒性指数。

5.根据权利要求1所述的地下水质量综合评价方法，其特征在于，步骤d包括以下子步骤：

d-1、按下式计算水质指标的权重值：

$a_i=(T_i\&times;\frac{C_i}{S_i})/{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^n(T_i\&times;\frac{C_i}{S_i})---\left(6\right)$

其中，a_i表示水质指标i的权重值，n表示参与评价的水质指标的个数，S_i表示水质指标i的五个级别的分类界值的平均值，C_i表示单个样品水质指标i的实验测试结果，T_i表示水质指标i的毒性指数；

d-2、将计算得到的权重值a_i带入下式，得到权重矩阵A：

A[a₁ a₂ a₃ … a_i] (7)

6.根据权利要求1所述的地下水质量综合评价方法，其特征在于，步骤e是将模糊隶属度矩阵R与权重矩阵A进行耦合，计算得到以下的单个地下水样品的评价结果矩阵B：

B＝A×R[b₁ b₂ b₃ b₄ b₅] (8)

所得评价结果矩阵B中的b₁、b₂、b₃、b₄、b₅分别为单个地下水样品的对应于I类—V类的五类水质评价等级的综合指数，五个综合指数中数值最大者所对应的水质类别即为该单个地下水样品的综合评价等级。