包頭市地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)

邢高哲，孫 愷

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

地下水是一種不可替代的自然資源，與人類生存和發(fā)展緊密相連，它是人類生存環(huán)境不可或缺的重要組成部分。我國地下水資源量占總水量的30%，卻維持著全國70%的居民生活用水和40%的農(nóng)田澆灌[1]。包頭市干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，水資源時(shí)空分布極不均勻，是我國嚴(yán)重缺水的城市之一?，F(xiàn)階段包頭市地下水質(zhì)量在逐漸變差，一旦地下水質(zhì)量變差，不僅限制了包頭市經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而且會(huì)嚴(yán)重影響包頭地區(qū)居民的身心健康，因此，對(duì)包頭市地下水進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)是了解包頭市地下水水質(zhì)狀況的一項(xiàng)重要內(nèi)容，對(duì)防治地下水污染起到重要的作用。

1 研究區(qū)概況

包頭市位于內(nèi)蒙古高原南端，北依大青山、烏拉山，南臨黃河，總體地勢北高南低，地處中緯度地區(qū)，遠(yuǎn)離海洋，深居內(nèi)陸，屬于半干旱中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱少雨多風(fēng)沙;夏季短雨熱同期;秋高氣爽霜凍早;冬季寒冷降水少。

研究區(qū)內(nèi)前第四系基巖裂隙潛水主要賦存于北部烏蘭山南麓低山丘陵地帶的基裂隙之中，富水性差，基巖裂隙水通過山前斷裂以跌水的形式補(bǔ)給山前傾斜平原，但補(bǔ)給量較小。第四系松散巖類孔隙水遍布于全區(qū)，主要賦存于山前傾斜平原和黃河沖積平原，含水層巖性為沖洪積砂礫卵石層和沖積砂層，結(jié)構(gòu)松散，易接受大氣降水及河溝水的入滲補(bǔ)給，含水層厚度較穩(wěn)定，顆粒粗、孔隙大、滲透性強(qiáng)，富水性好。[1]

2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、方法和指標(biāo)

2.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848－93)、《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749－2006)，參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(報(bào)批稿)(GB/T14848－2007)，對(duì)包頭市地下水水質(zhì)狀況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

依據(jù)我國地下水質(zhì)量狀況和人體健康基準(zhǔn)值，參照生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等用水水質(zhì)要求，將地下水質(zhì)量劃分為五類[2]。

Ⅰ類:地下水化學(xué)組分含量低，原則上適用于各種用途;

Ⅱ類:主要反映地下水化學(xué)組分的天然背景含量。適用于各種用途。

Ⅲ類:以人體健康基準(zhǔn)值為依據(jù)，主要適用于集中式生活飲用水水源及工、農(nóng)業(yè)用水;

Ⅳ類:以農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水質(zhì)量要求以及人體健康風(fēng)險(xiǎn)為依據(jù)，適用于農(nóng)業(yè)和部分工業(yè)用水，適當(dāng)處理后可作生活飲用水;

Ⅴ類:不宜作生活飲用水，其他用水可根據(jù)使用目的選用。

2.2 評(píng)價(jià)方法

目前地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)方法較多，在進(jìn)行地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)必須結(jié)合研究區(qū)特點(diǎn)和評(píng)價(jià)目的選定評(píng)價(jià)方法。本文選用單指標(biāo)評(píng)價(jià)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)研究區(qū)76組地下水水樣進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，深入剖析評(píng)價(jià)結(jié)果的差異，綜合研究包頭市地下水質(zhì)量特征。

2.2.1 單指標(biāo)評(píng)價(jià)法

單指標(biāo)評(píng)價(jià)法以地下水水質(zhì)調(diào)查分析資料或水質(zhì)監(jiān)測資料為基礎(chǔ)，按照評(píng)價(jià)指標(biāo)所在的限值區(qū)間確定地下水質(zhì)量類別，不同地下水質(zhì)量類別的指標(biāo)限值相同時(shí)，從優(yōu)不從劣。單因子評(píng)價(jià)方法不適宜水質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)，但其評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)于了解單一組分超標(biāo)程度，區(qū)分影響地下水水質(zhì)的主要組分，以及評(píng)判其他評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性提供依據(jù)。

2.2.2 內(nèi)梅羅指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)法，即以標(biāo)準(zhǔn)中各項(xiàng)目濃度水平的劃分級(jí)別為基礎(chǔ)，用綜合評(píng)價(jià)分值的方法來對(duì)地下水進(jìn)行評(píng)價(jià)[3]。計(jì)算公式計(jì)算綜合評(píng)分值 PI。

式中:Ci為i組分的實(shí)測值;C0為i組分的比較值。

表1 內(nèi)梅羅指數(shù)法地下水質(zhì)量級(jí)別劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.2.3 模糊綜合評(píng)價(jià)法

地下水質(zhì)量由好到壞是一個(gè)漸變的過程，在過渡中存在著不確定性和模糊性。而模糊數(shù)學(xué)理論充分考慮事物的不確定性，可以浮動(dòng)選取閾值，給出一系列不同水平下的分析結(jié)果。因此，使用模糊綜合評(píng)價(jià)法得出的評(píng)價(jià)結(jié)果更加地真實(shí)。模糊評(píng)價(jià)依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測值，首先計(jì)算各指標(biāo)相對(duì)不同水質(zhì)分類的隸屬度及其權(quán)重[4－9]，然后以特定的數(shù)學(xué)方法求出水樣點(diǎn)不同類別的隸屬度，其中最大隸屬度就是該水樣點(diǎn)的水質(zhì)級(jí)別。

1)隸屬度確定

隸屬度由隸屬函數(shù)表示，依據(jù)隸屬度函數(shù)表達(dá)式計(jì)算各隸屬度矩陣，即各水點(diǎn)的模糊關(guān)系矩陣Rk。

2)權(quán)重計(jì)算

為反映地下水各評(píng)價(jià)指標(biāo)在地下水污染中所占比重，綜合評(píng)判中分別給予不同的權(quán)重 Wj，公式為:

式中:Wj為 j指標(biāo)的權(quán)重;Nj為 j指標(biāo)的實(shí)測值;Cj為 j指標(biāo)對(duì)應(yīng)于5個(gè)類別地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的均值(mg/l)。

將各水點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果按以下公式進(jìn)行歸一化處理得到權(quán)重矩陣Ak:

式中:aj為j指標(biāo)的權(quán)重值。

3)綜合評(píng)價(jià)

模糊綜合評(píng)價(jià)是通過模糊關(guān)系矩陣的復(fù)合運(yùn)算而實(shí)現(xiàn)的，實(shí)際上就是對(duì)各因子的評(píng)價(jià)進(jìn)行加權(quán)合成。數(shù)學(xué)公式為:

Bk=Ak·Rk

式中:Bk為k點(diǎn)的綜合評(píng)價(jià)矩陣;Ak為k點(diǎn)的權(quán)重矩陣;Rk為 k點(diǎn)的模糊關(guān)系矩陣;k為評(píng)價(jià)水點(diǎn)，k=1、2、3…

依據(jù)Bk值，評(píng)價(jià)出地下水的水質(zhì)級(jí)別，任一水樣點(diǎn)最大值Bk值所對(duì)應(yīng)的地下水質(zhì)量級(jí)別即為該水點(diǎn)的水質(zhì)級(jí)別。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

參照《地下水污染調(diào)查評(píng)價(jià)規(guī)范》(DD2008－01)，依據(jù)水化學(xué)測試數(shù)據(jù)，選用 pH、總硬度(TH)、溶解性總固體(TDS)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、鈉(Na)、氯離子(Cl－)、硫酸根(SO42－)、COD、總鐵(Fe)、錳(Mn)、硝酸鹽(NO3－)、亞硝酸鹽(NO2－)、氟化物(F－)、六價(jià)鉻(Cr6+)、鉛(Pb)、砷(As)共17個(gè)指標(biāo)作為參評(píng)指標(biāo)。參評(píng)指標(biāo)的限值以《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848－2007)(報(bào)批稿)為基礎(chǔ)，結(jié)合國家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)及國外相關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)而確定。

3 地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)單指標(biāo)評(píng)價(jià)方法，對(duì)包頭市地下水76組水樣進(jìn)行單指標(biāo)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，在45組潛水水樣中，Ⅱ類水為2組，占4%;Ⅲ類水為 7組，占 16%，Ⅳ類水為 9組，占 20%;Ⅴ類水為27組，占60%(見圖1)，無Ⅰ類水，潛水超標(biāo)率為80%，說明研究區(qū)潛水超標(biāo)情況很嚴(yán)重;在31組承壓水水樣中，Ⅱ類水為1組，占3%;Ⅲ類水為13組，占42%;Ⅳ類水為8組，占26%;Ⅴ類水為9組，占29%(見圖2)，無Ⅰ類水，承壓水超標(biāo)率為55%，評(píng)價(jià)結(jié)果表明研究區(qū)承壓水超標(biāo)嚴(yán)重。

圖1 潛水單指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果圖

圖2 承壓水單指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果圖

根據(jù)內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果，潛水水質(zhì)Ⅰ ～Ⅴ類的水點(diǎn)的個(gè)數(shù)分別為:13、12、5、7、8，所占總?cè)↑c(diǎn)數(shù)的比例分別為:29% ，27% ，11% ，16% ，18%(見圖 3)，超標(biāo)率為 34%;承壓水水質(zhì)Ⅰ ～Ⅴ類的水點(diǎn)的個(gè)數(shù)分別為:18、7、2、1、3，所占總?cè)↑c(diǎn)數(shù)的比例分別為:58%，23%，6%，3%，10%(見圖 4)，超標(biāo)率為13%。

圖3 潛水內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果圖

圖4 承壓水內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果圖

根據(jù)潛水綜合模糊評(píng)價(jià)結(jié)果(見圖5):Ⅰ類水21組，占水樣總數(shù)的46%;無Ⅱ類水;Ⅲ類水8組，占水樣總數(shù)的18%;Ⅳ類水4組，占水樣總數(shù)的9%;Ⅴ類水12組，占水樣總數(shù)的27%，超標(biāo)率為36%，可見研究區(qū)的潛水總體質(zhì)量較差;承壓水綜合模糊評(píng)價(jià)結(jié)果(見圖6):水質(zhì)Ⅰ ～Ⅴ類的水樣組數(shù)為 24、2、2、1、2，所占總水點(diǎn)數(shù)的 76% 、7% 、7% 、3% 、7%。超標(biāo)率為10%，可見承壓水總體水質(zhì)較好。

3.2 對(duì)比分析

以上分別利用三種方法對(duì)研究區(qū)地下水質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果對(duì)比見表4。

分析研究不同評(píng)價(jià)方法對(duì)包頭市地下水質(zhì)量的評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)結(jié)果差異較大。單指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果中潛水超標(biāo)率為80%，承壓水為55%;而內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果潛水超標(biāo)率為34%，承壓水為13%;模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果潛水超標(biāo)率為36%，承壓水為10%。單指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果表明地下水質(zhì)量較差，源于該方法中地下水質(zhì)量分類是參照單指標(biāo)組分的最高類別確定的，考慮因素過于單一，所以當(dāng)整體把握地區(qū)地下水質(zhì)量狀況時(shí)，不采用單指標(biāo)評(píng)價(jià)法。內(nèi)梅羅指數(shù)法和模糊綜合評(píng)判法都強(qiáng)調(diào)超標(biāo)組分對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響程度，兩種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果基本接近，但兩者之間還存在著差別。內(nèi)梅羅指數(shù)法計(jì)算過程過分突出少數(shù)高超標(biāo)組分對(duì)水質(zhì)的影響程度，綜合指數(shù)PI對(duì)超標(biāo)組分的超標(biāo)數(shù)量以及超標(biāo)倍數(shù)反應(yīng)敏感，而對(duì)非超標(biāo)或低超組分反應(yīng)一般。模糊綜合評(píng)判法綜合考慮所有組分的測試結(jié)果，由各評(píng)價(jià)因子的權(quán)數(shù)分配作為行向量構(gòu)成權(quán)重矩陣，它反映樣品中各地下水評(píng)價(jià)因子在地下水總體影響中各自的貢獻(xiàn)，評(píng)價(jià)結(jié)果中Ⅴ類水質(zhì)等級(jí)分布較均勻。模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果更符合該區(qū)域地下水質(zhì)量總體特征。

圖5 潛水模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果圖

依據(jù)模糊綜合評(píng)判結(jié)果繪制研究區(qū)潛水、承壓水質(zhì)量空間分布圖(見圖7和圖8)。由圖7看出，Ⅳ類、Ⅴ類潛水水樣點(diǎn)主要分布在昆都侖區(qū)、青山區(qū)南部地段和東河區(qū)的東南地段，超標(biāo)點(diǎn)多位于山前傾斜平原及黃河沖積平原的交匯地帶，而這些地區(qū)地勢平坦，水位埋深較淺，頻繁的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，眾多工礦企業(yè)大量未經(jīng)處理的廢污水、固廢的隨意排放，加之農(nóng)業(yè)種植區(qū)為了追求經(jīng)濟(jì)效益而大量使用農(nóng)藥和化肥，導(dǎo)致淺層地下水質(zhì)量變差。承壓水(見圖8)的Ⅰ—Ⅲ類水遍及包頭市全區(qū)，Ⅳ、Ⅴ類水零星分布于研究區(qū)的西南部，為亞硝酸鹽超標(biāo)，表明在研究區(qū)內(nèi)承壓水整體質(zhì)量較好。個(gè)別亞硝酸鹽超標(biāo)可能是由于混合水開采井中受污染的潛水越流補(bǔ)給造成的，因?yàn)檫@幾個(gè)超標(biāo)點(diǎn)位于昆都侖區(qū)潛水“三氮”超標(biāo)區(qū)內(nèi)，且水位埋深均小于10 m。可見，不合理的人類活動(dòng)不僅影響著包頭市的潛水，同時(shí)也威脅著承壓水的質(zhì)量。

表4 不同評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)結(jié)果比較表

4 結(jié)語

通過對(duì)包頭市地下水進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，包頭市潛水質(zhì)量總體較差，且水質(zhì)有逐漸惡化的趨勢;承壓水質(zhì)量整體較好。建議盡快實(shí)施我國地下水污染防治規(guī)劃，建立地下水防護(hù)體系。重點(diǎn)進(jìn)行污染源治理，改善研究區(qū)的地下水環(huán)境質(zhì)量。對(duì)研究區(qū)承壓水實(shí)行重點(diǎn)防護(hù)措施，應(yīng)對(duì)混采井盡快進(jìn)行改造或封閉。

圖7 潛水綜合質(zhì)量空間分布圖

圖8 承壓水綜合質(zhì)量空間分布圖

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