江蘇沭陽主城區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量評價

汪名鵬，吳建春

(江蘇省水文地質(zhì)海洋地質(zhì)勘查院，江蘇淮安 223005)

地下水是人類賴以生存的重要資源。地下水環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響城市的可持續(xù)發(fā)展，正確合理地評價地下水水環(huán)境質(zhì)量，對保護地下水資源、準確掌握污染狀況具有積極意義。

目前，國內(nèi)水環(huán)境評價的方法較多，主要有內(nèi)梅羅指數(shù)綜合評價法、模糊數(shù)學(xué)法、灰色關(guān)聯(lián)法、數(shù)理統(tǒng)計法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，其中內(nèi)梅羅指數(shù)評價法是GB/T14848—93《地下水質(zhì)量標(biāo)準》推薦的方法。地下水水環(huán)境評價中，污染程度、水環(huán)境類別的評價存在概念模糊的現(xiàn)象［1-2］，因此，模糊數(shù)學(xué)法在地下水水環(huán)境評價中的應(yīng)用也較廣泛。筆者在分析江蘇沭陽主城區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，應(yīng)用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評價法和模糊數(shù)學(xué)法對江蘇沭陽主城區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量進行評價。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

沭陽主城區(qū)位于淮、沂、沭、泗流域下游，素有“洪水走廊”之稱。新沂河和淮沭河貫穿沭陽主城區(qū)，地表水系相當(dāng)發(fā)育。隨著工業(yè)化進程的推進和城區(qū)人口密度的劇增，沭陽主城區(qū)地表水受污染的程度越發(fā)嚴重。由于沭陽的河堤、河漫灘多為粉土、砂土，大量工業(yè)及生活污水通過無防滲的溝渠排入河流，使污染水體連續(xù)滲漏，以直接或間接方式進入地下含水層，造成沭陽地下水特別是淺層地下水遭受污染。此外，沭陽主城區(qū)自20世紀80年代中期地下水持續(xù)過量開采，導(dǎo)致局部地區(qū)形成水位降落漏斗。地下水位的不斷下降，加快了水質(zhì)下降的速度。

針對沭陽的水質(zhì)現(xiàn)狀，以“沭陽主城區(qū)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查與評價”項目為依托，在工作區(qū)共采集地下水樣10組(圖1)，其中淺層(第Ⅰ含水層組)地下水4組，深層(第Ⅱ、Ⅲ含水層組)地下水6組。

圖1 工作區(qū)地下水采樣位置示意圖

沭陽主城區(qū)各含水層水質(zhì)特征見表1。

2 評價因子的選擇和評價標(biāo)準

2.1 評價因子的確定

地下水化學(xué)成分復(fù)雜，一般根據(jù)標(biāo)準，地下水水質(zhì)標(biāo)準涉及指標(biāo)共39項，其中20項指標(biāo)規(guī)定為水質(zhì)監(jiān)測項目［3］，如果把測試項目都參與評價，或者參與評價的因子較多，不但增加評價計算的工作量，且不具代表性。因此，選擇評價因子時要考慮到以下幾個方面［3-4］:①所選指標(biāo)的涵蓋面要廣，要覆蓋各種污染類型的污染因子，能夠較全面地反映當(dāng)?shù)氐叵滤|(zhì)污染的特點和污染程度。②反映人為污染的原則，所選因子應(yīng)盡可能反映人為污染這一特點，顧及對人體健康影響的因素。根據(jù)沭陽主城區(qū)地下水特征和地下水水質(zhì)特點，選擇對水質(zhì)有較大影響的總硬度、TDS、F－、NO－3、Cl－、SO2－4、Mn、揮發(fā)酚類共8個指標(biāo)作為評價因子。

2.2 評價標(biāo)準的選擇

依據(jù)我國地下水水質(zhì)現(xiàn)狀、人體健康基準值及地下水質(zhì)量標(biāo)準，并參照生活飲用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水水質(zhì)的最高要求，選擇GB/T14848—93《地下水質(zhì)量標(biāo)準》［5］將地下水質(zhì)量劃分為5類。地下水質(zhì)量分類指標(biāo)見表2。

表1 沭陽主城區(qū)主要含水層水質(zhì)分布 mg/L

表2 GB/T14848—93《地下水質(zhì)量標(biāo)準》分類指標(biāo) mg/L

3 地下水水環(huán)境評價

3.1 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

3.1.1 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法的原理

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法計算公式［6］為

情況 4.1 若f3(v)=0,此時最壞的情況是v點關(guān)聯(lián)6個6-面,v的鄰點全部為3-點且這些3-點均關(guān)聯(lián)著一個三角形。由R1,R2.1,R3.1或R3.2或R3.4得

其中 Fmax=max(ρi/Si)

i=1，2，…，n;j=1，2，…，m

式中:Pj為第j種用途的內(nèi)梅羅綜合指數(shù);ρi為第i種評價因子的實測質(zhì)量濃度值;Si為第i種評價因子對應(yīng)的各水質(zhì)級別的標(biāo)準值之和的平均值;sij為第i種評價因子j種用途的標(biāo)準值;ˉF為ρi/sij相加后的平均值;Fmax為ρi/sij值中最大值;

根據(jù)研究區(qū)各評價因子的實測數(shù)據(jù)，選用GB/T14848—93《地下水質(zhì)量標(biāo)準》中Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準為基準，將區(qū)內(nèi)水質(zhì)類別劃分為5個級別，見表3。

表3 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)與水質(zhì)類別的對應(yīng)關(guān)系

3.1.2 內(nèi)梅羅指數(shù)法的評判結(jié)果

3.2 模糊數(shù)學(xué)法

3.2.1 模糊數(shù)學(xué)法的原理

模糊數(shù)學(xué)方法［7］是系統(tǒng)評價方法的一種，在滿足每一個集合都必須由確定的元素構(gòu)成和元素對集合的隸屬關(guān)系必須是明確的條件下，通過加權(quán)線性變換，弱化了指標(biāo)和層次之間相互的獨立性，使得評價結(jié)果中包括所有因素的共同作用，體現(xiàn)了評價方法綜合性的特點。利用模糊數(shù)學(xué)法綜合評判地下水水質(zhì)的核心是，根據(jù)水質(zhì)評價因子建立權(quán)重模糊矩陣，確定評價因子的權(quán)向量，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)最大隸屬度原則評定水樣的等級。利用模糊數(shù)學(xué)法進行綜合評價的步驟參見文獻［8］。

表4 地下水質(zhì)量級別

3.2.2 模糊數(shù)學(xué)法評判的過程

a.計算隸屬度，建立模糊關(guān)系矩陣R。根據(jù)各因子5級標(biāo)準設(shè)立5個級別的隸屬函數(shù)，rij表示評價因子實測質(zhì)量濃度ρi與其對應(yīng)的第i個評價因子對應(yīng)第j級水質(zhì)標(biāo)準的隸屬度(0≤rij≤1)。當(dāng)?shù)叵滤廴疚飳崪y質(zhì)量濃度ρi小于或等于j級地下水標(biāo)準值ρij時，其隸屬度取0;當(dāng)?shù)叵滤廴疚飳崪y質(zhì)量濃度ρi大于或等于j+1級地下水標(biāo)準值ρij+1時，其隸屬度取1。介于j與j+1級的地下水質(zhì)量濃度，其隸屬度按式(2)和式(3)內(nèi)插法確定。

b.確定權(quán)重分配模糊向量A。根據(jù)分指標(biāo)超標(biāo)比，可計算出各單項目參數(shù)的權(quán)重值，并對各項參數(shù)的權(quán)重值進行歸一化處理，得出參數(shù)的權(quán)重。根據(jù)各因子指數(shù)計算各評價因子的權(quán)重矩陣為A=［a1，a2，…，am］(m 為指標(biāo)項目數(shù))

c.模糊矩陣復(fù)合運算。模糊矩陣復(fù)合運算［9］是A與R矩陣進行復(fù)合運算B=A·R，實際是對各評價因子進行加權(quán)的過程。模糊矩陣復(fù)合運算在模糊數(shù)學(xué)里是通過模糊算子進行的，常用的模糊算子有取小取大法、相乘取大法、取小相加法、相乘相加法，其中取小取大法為主因素突出型，相乘取大法為半主因素突出型，取小相加法、相乘相加法為加權(quán)平均型［10］。在模糊評判中，常用模糊算子為取小取大法和相乘取大法，計算公式如下:

通過對研究區(qū)地下水水樣進行模糊矩陣復(fù)合運算，得出每個水樣相對于各個質(zhì)量類別的綜合評判隸屬度，比較各級隸屬度的大小，其中隸屬度最大者所在的等級就是水樣點的分類等級。若在評判結(jié)果中出現(xiàn)兩個最大值，取靠近最大值的那個大值來確定級別。各取樣點隸屬度水質(zhì)計算結(jié)果見表5。

從選用的兩種模糊算子復(fù)合運算結(jié)果的對比表明，在本地區(qū)兩種算法對水質(zhì)級別的評判基本一致，只有10%的差別，且這10%隸屬度很接近。

4 結(jié)果分析與評價

a.采用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法與模糊數(shù)學(xué)法在沭陽主城區(qū)地下水水環(huán)境評價的應(yīng)用中，結(jié)果一致性較好，見表6。從表6可以看出，兩種評價方法的結(jié)果相同率達80%，尤其是第Ⅱ、第Ⅲ含水層組地下水評價結(jié)果相同率達100%。

表5 沭陽主城區(qū)主要含水層地下水水質(zhì)模糊評價結(jié)果

表6 兩種方法水質(zhì)評價結(jié)果

b.內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法與模糊數(shù)學(xué)法在沭陽主城區(qū)地下水水環(huán)境評價的應(yīng)用中各有優(yōu)缺點。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法簡潔、運算方便;模糊數(shù)學(xué)法是采用隸屬度函數(shù)來評判地下水污染狀況，避免了平均值或簡單值的累加，體現(xiàn)了實際界限的模糊性，其優(yōu)點是綜合、客觀，使評價結(jié)果更符合實際且合理、可信［11］。內(nèi)梅羅指數(shù)法過分突出極大值對水質(zhì)污染的影響，只要一項因子的ρi/si值偏高，即使其他因子值較低，也會使內(nèi)梅羅綜合指數(shù)偏高;采用模糊數(shù)學(xué)法不足之處是計算較為繁瑣，并且過分強調(diào)了極大值的作用，使評價結(jié)果朝污染重的方向偏移［12］。

c.根據(jù)沭陽主城區(qū)對3層地下水含水層共10個水樣的綜合評判，第Ⅰ含水層101、D1兩個取樣點分別是錳和溶解性總固體、總硬度嚴重超標(biāo)，揮發(fā)酚、氟指標(biāo)偏高。根據(jù)污染因子的主要毒副作用及危害性分類［13］，揮發(fā)酚屬于Ⅰ類危害因子，對人產(chǎn)生極大危害和嚴重后果;氟化物和錳屬于Ⅱ類危害因子;溶解性總固體、總硬度屬于Ⅲ類危害因子，一般不會產(chǎn)生特別嚴重后果。根據(jù)內(nèi)梅羅指數(shù)法與模糊數(shù)學(xué)法的評判結(jié)果，第Ⅰ含水層101、D1兩個取樣點水質(zhì)類別為Ⅴ類，表明研究區(qū)該層地下水局部地段已遭受嚴重污染，不適宜飲用(101取樣點被污染的主要原因是城市居民生活污水的直接排放以及城市河流污染地表水的滲透所致;D1取樣點位于垃圾堆積場附近，污染是滲濾液入滲所致);研究區(qū)第Ⅱ、第Ⅲ含水層地下水達到了Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準，可以適用于各種用途。

5 結(jié)論

a.在分析沭陽主城區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，運用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法與模糊數(shù)學(xué)法，對沭陽主城區(qū)各含水層地下水水環(huán)境質(zhì)量進行了評判。評判結(jié)果表明，兩種方法的評價結(jié)果在沭陽主城區(qū)的一致性較好:沭陽主城區(qū)第Ⅰ含水層水質(zhì)因舊城區(qū)和現(xiàn)狀垃圾堆積場周邊受到嚴重污染，水質(zhì)類別為Ⅴ類，不適宜飲用;其他地點第Ⅰ含水層水質(zhì)達到Ⅰ～Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準，水質(zhì)較好，第Ⅱ、第Ⅲ含水層地下水達到了Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準，可以適用于各種用途。

b.在進行定量評判水環(huán)境質(zhì)量的同時，應(yīng)結(jié)合水環(huán)境污染因子對人類的毒副作用與危害性開展研究，彌補采用不同方法評價水環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生的差異，以保證評價的合理性。

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