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王静宇
焦作大学
毕业论文
题目温县地下水环境质量评价
专题地下水环境影响评价
一零级化工学院生物化工专业
姓名王静宇指导教师张春霞
2012年12月13日
摘要
地下水资源是水资源系统中最重要组成部分。
近年来,由于各种人为因素和自然因素等影响,地下水严重污染。
因此,采取有效措施,保护地下水,严格控制和预防地下水污染,具有重要的意义。
地下水环境质量评价就是评价地下水的质量状况,及时发现水质污染并采取防治措施,这是一项基础性、前期性工作。
文章以焦作市温县为研究对象，采用层次分析的模糊数学法进行水质评价，经评价得知，温县地下水水质平均处于三级，水质总体较好，但有恶化趋势，因此，加强水质量管理，切实保障人民群众的身体健康，具有重要意义。
关键词：
地下水层次分析法模糊数学法
【Abstract】
Groundwaterresourcesisthewaterresourcessysteminthemostimportantcomponent.Inrecentyears,duetoavarietyofhumanfactorsandnaturalfactorsinfluence,groundwaterseriouspollution.Therefore,takeeffectivemeasurestoprotectthegroundwater,strictcontrolandpreventionofgroundwaterpollution,hasthevitalsignificance.Thegroundwaterenvironmentalqualityevaluationofgroundwaterqualityevaluationissituation,foundthatthewaterpollutionintimeandprotectivemeasures,thisisabasic,Prophasework
ThearticleinJiaozuoCity,WenxianCountyastheresearchobject,analysestheuseFuzzymathematicsmethodonwaterqualityevaluation,theevaluationthat,jiaozuoundergroundwaterqualityinanaverageoflevel3,waterqualityoverallisgood,butthereareworse,therefore,toenhancewaterqualitymanagementtoguaranteethepeople'shealth,tohavetheimportantmeaning。
Keywords:
groundwaterAnalyticHierarchyProcessFuzzymathematicsmethod
目录
1前言1
1.1选题的目的和意义1
1.2国内外研究现状2
1.2.1国外研究现状2
1.2.2国内研究现状4
1.3拟采用的评价方法5
1.3.1方法依据5
1.3.2基于AHP权重的模糊综合评价模型5
2温县水资源概况6
2.1地理位置6
2.2气象、水文7
2.2.1气象7
2.2.2水文7
2.3地形地貌7
2.4农村饮用水状况8
2.4.1饮用高氟水人数、危害、分布及其成因8
2.4.2饮用苦咸水人数、危害、分布及其成因9
3焦作市地下水环境质量评价10
3.1评价指标模糊数学法10
3.1.1基本思路10
3.2基本步骤12
3.2.1评价因子的筛选12
3.2.3评估因子权重的计算13
3.2.4综合评判14
3.3实例应用16
3.3.1隶属度的计算和模糊关系矩阵的建立17
3.3.2评价因子权重的确定18
4地下水污染防治措施20
5.结论与展望22
参考文献24
致谢26
1前言
1.1选题的目的和意义
全世界65亿人中[1]，有超过10亿的人缺乏安全饮用水，并且25亿人缺乏改良的卫生设施。
据联合国估计，全世界7%的死亡和疾病是因为不能获得安全饮用水。
水传播的疾病每年致死人数达300~400万，而全世界一半的疾病被那些遭受水传播疾病、不安全饮用水或缺乏卫生设施影响的人们所占据。
为此，2000年9月，147位国家元首、政府首脑和其他领导人会聚在联合国总部，通过了《千年宣言》，为新世纪制定了议程。
联合国《千年宣言》指出：
在2015年底前，使无法得到或负担不起安全饮用水的人口比例降低一半，各国元首和政府首脑已经承诺最迟在2015年实现上述目标[2]。
2003年，联合国第五十八届大会通过决议，宣布从2005年至2015年为生命之水国际行动十年，主题是“生命之水”[3]。
从2005年3月22日世界水日正式实施。
“国际十年行动”计划的目标是，自2005∼2015年，使超过10亿在农村和城市地区的人的一半获得安全饮用水。
为达到这一目标，各国政府将要在目前为安全饮用水每年花费300亿美元的基础上，额外再增加140∼300亿美元。
目前，我国农村有3亿多人饮水水质存在问题，根据有关调查结果显示[4]：
到2004年底，我国农村饮水不安全总人口为3.23亿人，占农村人口的34%。
其中各类水质不安全的有2.27亿人，水量不足、取水不方便及供水保证率低的近0.96亿人。
2.27亿水质不安全人口中，饮用水氟砷含量超标的有5370万人，饮用苦咸水的有3850万人，地表或地下饮用水源被严重污染的9080万人。
饮用水水质问题已严重影响着人民群众的生活和身体健康。
切实做好饮水水质检测工作，是维护最广大人民群众根本利益，落实科学发展观的基本要求，是实现全面建设小康社会目标的保障。
构建和谐社会的重要内容，是把以人为本真正落到实处的一项紧迫任务，是体现
国家发展水平和质量的一个问题[5]，党中央、国务院对饮用水水质保障工作高度重视，胡锦涛总书记、温家宝总理多次做出重要批示，要求把保障饮水安全作为今后一个时期水利工作的首要任务。
由此可见，在以人为本、构建和谐社会的大背景下，建立农村饮水水质评价指标体系，对农村饮水水质进行全面评价，是对农村饮水安全保障工作的进一步完善和补充，也是一项重要且必不可少的内容。
温县位于河南省西北部，因境内有温泉而得名，面积为462平方千米，人口为40.88万。
属暖温带大陆性季风气候。
温县青风岭一带黄河滩区土质以沙土为主，是省定的风沙治理区，也是河南省较大的地下水漏斗区，生态环境恶劣。
为了加强水环境的保护，改善恶劣的生态环境，温县人民政府及河务部门采取多项措施，对黄河滩区进行科学有效的管理，以促进温县水环境的“大转型”。
制度建设及生态林的种植对于水环境的改善起到了一定的积极作用，但仍不能有效解决地下水短缺问题。
为了缓解地下水漏斗现状，温县人民政府联合河南河务局、焦作河务局、温县河务局确立了“引用黄河水补充地下水”的新思路，并达成“引黄供水协议”，促成了“温县引黄补源生态治理工程”的兴建。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
国际HWRP（1999）计划[7]的研究内容主要是如何使水资源满足可持续
发展和自然资源使用的需求；减缓水灾的影响；加强各国和国际有效的环境管理。
其主要活动包括：
通过水文和气象观测网络，对基本水文要素进行测量；水文数据（包括地表水、地下水的水量与水质数据）的收集、处理、存储、整编和出版；提供水文资料及相关信息，用于水资源项目的计划与运行；水文预测系统的总装与业务运行。
这是建立水安全研究指标体系的基础。
2000年3月，联合国“世界水发展报告（WWDR）”[8]侧重于水质、用水、人类健康影响河流域管理方面研究，定性与定量相结合地分析淡水数量、质量和利用；管理机构、社会经济及环境氛围；目前的问题与出现的威胁等。
内容涉及水域健康、粮食安全、贫困、自然灾害、生态系统的兴旺、能力建设和出现的科学与技术问题的相互影响。
该计划提供了许多有价值的研究内容，为研究水安全特别为评价水安全提供了有益和可借鉴、利用的手段。
国外对饮水安全的研究基本停留在对饮水水质指标检测体系的完善、保障饮水安全的法律保障和技术设备研究等方面。
美国是世界上最早开展饮水安全研究的国家，早在1912年就通过了第一步具有法律地位的饮用水规定，虽然这一步饮用水水质标准仅规定了微生物指标，但是却开了保障饮水安全的先河[11]。
1974年美国制定《安全饮水法》[12]，此后又制定了《国家暂行引用虽基本规则》，以保证生活水质标准的执行和实施。
WHO和欧盟也分别于1958和1980年分别提出了自己的饮水水质监测标准。
随后这三部标准经过历次修改，不断完善，监测的指标也越来越多，逐渐成为世界各国制定饮水安全标准的参照数据。
综合国外有关研究成果可以看出，各国和国际组织针对水安全现状，研究制定了相应的水安全战略，但多侧重于单项治理措施的研究，如饮水安全方面，多侧重于法规的完善和水质的评价上，也有从系统动力学方法建立全球水模型的，如加拿大学者Simonovicet.al（2002）建立包括人口、农业、不可再生资源、经济、持久性污染、水量与水质等七个部分进行宏观评价[14，15]。
并分析系统中的相互作用和影响。
由此可见，在进行系统仿
真、综合评价的基础上，合理选择科学的指标是未来水安全研究的主题内容。
1.2.2国内研究现状
国内外环境质量评价方法多种多样，但目前国内还没有制定出统一的评价方法标准供环保工作者使用。
水环境质量评价方法较多如：
布朗水质指数、普拉特水质指数、罗斯水质指数、内梅罗水质指数、综合污染指数、模糊数学法和地图叠加法等，如王友保，刘登义（2002）的《灰色加权法及其在水质评价中的应用》，在灰色理论和模糊评价的基础上，提出了灰色加权法[40]；陈守煜，于雪峰（2003）在《相对隶属度理论及其在地下水水质评价中的应用》中，论述了相对隶属度理论及该理论应用于模糊评价的基本原理和方法[41]；金菊良，魏一鸣，丁晶（2004）的《基于改进层次分析法的模糊综合评价模型》；张磊，曹贯中（2011）的《改进模糊综合评价法在水质评价中的应用》；席文娟金婧钱会（2012）的《改进模糊综合评价法在水质评价中的应用》等。
1.3拟采用的评价方法
水质评价的方法很多，常见有污染指数法、模糊综合评价法、灰色评价法、物元分析法、单因子评价法。
除了单因子评价法外，常用水质评价方法中主要的区别就是评价因子权重的计算。
权重是各评价因子对总体污染强度的实际贡献，合理的权重值应能反映评价因子对环境污染的实际贡献和因子间的协同、消长作用。
在水质评价中，计算并确定各评价因子的权重非常关键。
模糊数学于1965年由美国加利福尼亚大学控制论专家扎德教授创立，近年来在水利工程领域得到了广泛的应用。
由于水环境质量是受多种因素综合影响的，具有总体的不均匀性和局部范围的相对不稳定性，因此是一个模糊的概念。
采用模糊综合评价法进行水质评价，可以使评价结果更加客观且符合实际。
文中用层次分析法计算评价因子的权重值，为目标水质做出客观的综合评判。
1.3.1方法依据
模糊综合评判法是利用模糊变换原理和最大隶属度原则，考虑与被评价事物相关的各个因素或主要因素，对其进行综合评价。
模糊综合评价模型能够结合多个水质指标，给出一个综合的评价结果，直接和中国地下水环境质量标准相对应，并可在电子地图中用不同的颜色表示水质级别，可视化效果好。
1.3.2基于AHP权重的模糊综合评价模型
常见的水质评价方法有污染指数法、模糊评价法、灰色评价法、物元分析法、单因子评价法等．除了单因子评价法外，水质评价方法的主要区别是评价因子权重的计算．权重是各评价因子对总体污染强度的实际贡献，合理的权重值能反映评价因子对环境污染的实际贡献和因子间的协同、消长作用．由于水环境质量受多种因素综合影响，具有总体的不均匀性和局部范围的相对不稳定性，是一个模糊的概念．采用模糊评价法进行水质评价，可以使评价结果更加客观且符合实际．传统的模糊评价法多采用“超标法”计算权重，评价因子的权重值与水体环境密切相关．层次分析法是根据问题的性质和最终目标，将问题划分为相关联的有序层，构建递阶层次结构，然后依据人们对客观事实的判断，对各评价因子的相对重要性给予定量表示，再利用数学方法确定各评价因子的权重．此方法能较好地避免水质评价过程中的主观随意性．在同一水环境中，各评价因子的权重值是唯一的．为了避免超标法计算权重的弊端，提高水质评价结果的可靠性，采用层次分析法计算评价因子的权重，强调了评价因子权重的客观性，能够为水源地水质做出客观的评价。
2温县水资源概况
2.1地理位置
温县位于温河南省西北部黄河北岸、焦作市之南。
东邻武陟县，西邻孟州，南滨黄河与荥阳市、巩义市隔河相望，西北与沁阳市接壤，东北隔沁河与博爱县交界。
地处东经112°51′到113°13′，北纬4°52′到35°02′之间。
县境东西长32.5公里，南北宽24公里，面积473.42平方公里，人口44.64万，人口密度942人/平方公里。
温县是中国太极拳发源地，三国著名军事家司马懿的故乡，是一个人多地少的平原农业旅游县。
（见图2-1）
图2-1温县地图
Figure2-1WenxianCountymap
2.2气象、水文
2.2.1气象
温县属暖温带大陆性季风型气候，具有干湿季节分明，雨热同季，四季分明，光能充足，热量丰富，全年平均日照时数2511.7小时，年平均太阳辐射总量122.3千卡/平方厘米，年平均气温14.3℃。
年平均降雨量552.4毫米，降雨主要集中在七、八月份，无霜期217天。
干旱、大风、干热风等自然灾害比较严重。
2.2.2水文
温县水资源分为降水和地下水，境内有过境河流7条，其中黄河年径流量440亿立方米，沁河年径流量12.8亿立方米，济河、护城河、新蟒河、老蟒河、猪龙河均属排涝河，涝时有水，旱时干涸。
全县水资源总量为
18402.7万立方米，其中地下水5765.7万立方米，潜层地下水为12637万立方米。
本县水资源特点是地表水的利用潜力大，地下水资源不足，降水较少，且变化率大，时空分布不均。
2.3地形地貌
温县南滨黄河，北依沁河，全境地势平坦，属黄沁河冲积平原。
自西北向东南倾斜，坡降约为二千分之一，海拔最高点为116.1米，最低点为102.3米。
整个地形为南滩北洼中间岗，大体分为三个类型：
青峰岭以北地区从西北到东南方向分布着不规则相同排列的带状微岗、微洼地，占总面积的52.56%。
中部青峰岭地区，自西向东贯穿县境，略高于南北滨河地区。
土层深厚，水利条件优良，是全县粮棉高产区，占总面积的18.39%。
青峰岭以南地区，为黄河冲积而成的河漫滩地，占总面积的29.05%。
2.4农村饮用水状况
根据焦作市在全市范围内进行的农村饮水不安全情况的普查和抽查结果表明，高氟水、苦咸水、污染水等饮用水水质超标问题构成了焦作市农村饮水不安全的主要问题。
6县5区的广大农村都存在饮水不安全问题，因水质造成饮水不安全人口93.6万人，占全市农业人口246.8万人的37.9%，其中属于高氟水区人口为64.3万人，属于苦咸水区的人口为24.1万人，水质污染严重区人口5.2万人。
2.4.1饮用高氟水人数、危害、分布及其成因
通过对焦作市各（市）县农村193个监测点的氟超标点进行统计分析（以地下水三级质量标准为界限）可知（见表2-10）
表2-1焦作市各（市）县氟超标率统计表
Table2-1JiaozuoCity（city）CountyfluorineexceededtherateofTables
地区
监测点数
氟超标点数
超标率
市区
10
2
20%
博爱县
24
5
21%
沁阳市
28
9
32%
温县
51
44
86%
孟州市
24
12
50%
修武县
24
3
13%
武陟县
32
3
9%
合计
193
78
40%
焦作市全市氟超标严重，尤以温县超标最为严重，超标率达86%，几乎全境超标，其次是孟州市，超标率达50%，占全境面积一半。
沁阳市超标率达32%，占全境面积的1/4，市区和博爱占所辖区1/5，修武和武陟县最少，分别达13%和9%。
全市氟超标率达40%，几乎占全市面积的一半。
长期饮用高氟水，极易引起氟中毒，表现为氟斑牙和氟骨症，轻者引起牙釉质缺损，牙齿发黄，甚至变黑，早期脱落；重者关节、骨骼变形，以致出现瘫痪。
目前，焦作市氟中毒患者近10万人，地方性氟中毒病的广泛流行，对病区人民身心健康造成极大危害。
严重影响了当地社会经济的发展。
氟水区的分布与地形、地下水径流条件、气候、含水层的地质结构及化学特征等因素有密切关系。
它的形成原因一般是地表水径流流经高氟矿床或高氟基岩时，含氟矿物的溶解使地下水氟含量增高；或含氟岩石的风化与淋溶以及含氟矿石受地下水的溶解，而形成高氟区。
此外，干旱气候也决定了焦作市病区分布的广泛性；封闭或半封闭的地形，地下水径流不良是形成饮水型地方性氟中毒重病区的主要因素。
2.4.2饮用苦咸水人、危害、分布及其成因
焦作市除普遍深受高氟水危害外，还普遍遭受苦咸水的危害，在焦作
市因水质不安全人口93.6万人中，引用苦咸水的人口为24.1万人，占总人口的9.8%。
通过对焦作市193个监测点苦咸水超过三级水质的统计分析可知（如表2-2）：
表2-2焦作市各（市）县苦咸水超标率统计表
Table2-2JiaozuoCity（city）CountybrackishwaterexceededtherateofTables
地名
监测点数
苦咸水超标点
超标率
市区
10
4
40%
博爱县
24
10
42%
沁阳市
28
9
32%
温县
51
19
37%
孟州市
24
1
4%
修武县
24
10
42%
武陟县
32
3
9%
合计
193
56
29%
焦作市苦咸水分布也较为广泛，超标率达到42%的地区有两个，分别是博爱和修武，市区、温县、沁阳市超标率也很严重，分别达到40%、37%、32%。
武陟县和孟州市浅层地下水苦咸水超标率相对较少，分别达到9%和4%，全市浅层地下苦咸水平均超标率达29%。
长期饮用苦咸水，容易引起消化系统疾病，诱发和加重心脑血管疾病，容易导致骨质脆化，同时由于含盐量高，难以饮用，因饮用水不合格而引发疾病的情况经常发生，对人民群众身心健康造成了极大危害，并严重影响了当地的工农业生产发展。
3温县地下水环境质量评价
3.1评价指标模糊数学法
本文根据温县代表性水点地下水质量调查资料，结合《地下水质量标准》（GB14848-93），对温县地下水水质评价选取总硬度、硫酸盐、氟化物、铅、六价铬﹑溶解性固体等共6个评价指标。
采用模糊数学法进行评价。
具体步骤如下：
3.1.1基本思路
农村饮水安全评价模型研究的一个重要问题是如何合理确定各指标的权重。
农村饮水安全评价组合权重模型在给定农村饮水安全指标体系基础上，提出了单指标安全指数和综合安全指数及其安全等级标准，把指标的权重结构分解为属性权重（主观权重）和等级权重（客观权重），并统一用基于加速遗传算法的模糊层次分析法计算，然后根据最小相对信息熵原理把属性权重和等级权重综合为组合权重，进而建立了农村饮水安全评价的相对熵变权重模型。
在近年来提出的确定权重的主要方法中，等权重法在各方案的综合评价值在相差不大时常常给决策带来困难[52]；统计实验法、专家评分法和集值统计迭代法在评价指标较多时实现起来较为困难；变权重法是权重随各评价指标值的不同取值状态而变化的[53，54]，将权重作为各评价指标值的函数，而构造该函数的形式需根据对研究问题具体情况的深刻理解和丰富的应用数学经验进行，有时需要通过大量的统计来描绘“权重矢量场”，因此变权重法实际应用起来很困难。
模糊综合评价作为定性分析和定量分析综合集成的一种常用方法，已在工程技术、经济管理和社会生活中得到广泛应用。
实践证明，综合评价结果的可靠性和准确性依赖于合理确定因素的权重分配，以及评价模型的
选择等。
目前模糊综合评价的研究难点之一就是如何科学的、客观的将一个多指标问题综合成一个单指标形式，以便在一维空间中实现综合评价，
其实质也就是如何合理地确定这些评价指标的权重。
层次分析法（AnalyticHierarchyProcess-AHP），是从定性分析到定量分析综合集成的一种典型系统工程方法，它将人们对复杂系统的思维过程数学化，将人的主观判断为主的定性分析定量化，将各种判断要素之间的差异数值化，帮助人们保持思维过程的一致性，适用于复杂的模糊综合评价系统，是目前一种被广泛应用的确定权重的方法。
3.2基本步骤
3.2.1评价因子的筛选
模糊综合评价法中评价因子的筛选，主要考虑的要素是水质银子的分类，不同种类的因子从不同方面影响水质的不同性质，筛选的评价因子越多，即综合的影响因素越多，水质评价结果越精确。
3.2.2隶属度的计算级模糊关系矩阵的建立
常用“降半梯形分布图法”计算隶属函数u（x），隶属函数值越大，表示评价点对于某种级别的水质隶属程度越高。
（1）
式中:
a1,a2为水质相邻二分级的标准值；x为实测值。
根据计算得到的单因素隶属度建立模糊关系评价矩阵
式中：
i=1,2,…,n,为单因子评价数；j=1,2,3,4,5,为水质评价中对应1,2,3,4,5水质分级数。
3.2.3评估因子权重的计算
模糊综合评价法中，评价因子权重的确定是影响综合评价结果的关键因素。
权重的确定方法主要有专家评定法和层次分析法。
在传统的模糊综合评价中，也常用超标法计算评价因子的权重。
超标法计算权重的弊端有：
1，未检出因子或实测浓度与标准浓度之比为0的因子，权重设为0是不合理的；2，将各级评价标准的均值作为权重分配基准是不恰当的。
专家评价法基本上是个人经验决策，片面性和主观性较强。
层次分析法是定量和定性相结合的多属性决策方法，它把复杂的问题分解为各组成目标，建立因子间有序的低阶层次结构，通过两两比较的方法，利用数学方法分析计算并合成目标因子的重要性顺序。
对各评价因子的相对重要性给予定量表示，体现了水质评价因子权重的客观性，能够较好地避免评价过程的主观随意性和超标法中的弊端。
层次分析法确定权重的主要步骤：
1）建立层次结构，并构造两两比较矩阵，在对问题进行分析组合，清楚表明个层次关系的基础上，用“标度法”对同一层元素进行两两比较，简历比较矩阵。
不同的标度法对因子权重的价值的衡量值不同，等级也不同。
一般来说所选标度级数越多评价因子权重分值越细，水质评价结果越精确。
2）构造一致性判定矩阵，常用的构造方法有极差法和极比法。
用极差法构造判定矩阵过程中，可以直接通过以下变换式一次性得到符合一次性检验的判断矩阵。
此变换得到一致性判断矩阵
，其中
称为极差，Cb为常数（实际应用中Cb=9）。
3）评价因子权重计算。
在构造一致性判断矩阵的基础上，利用下列公式计算各评价因子的权重值。
3.2.4综合评判
通过
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