彭陽縣城區(qū)飲用水水源水質(zhì)調(diào)查與評價

(寧夏彭陽縣水務局，寧夏 固原 756500)

彭陽縣地處我國西北半干旱生態(tài)脆弱區(qū)，作為資源性缺水的地區(qū)之一，人均水資源占有量僅有580m3，約為全國平均值的 1/4。近年來，隨著城鎮(zhèn)化的逐步推進，區(qū)域經(jīng)濟社會和居民生活用水量急劇增加，從而導致用水缺口進一步擴大。水質(zhì)是水資源的生命，對彭陽縣城區(qū)水源供應地的水質(zhì)進行調(diào)查與評價，為保障居民用水安全和實施水資源保護、污染防治提供現(xiàn)實依據(jù)。水質(zhì)綜合評價是水環(huán)境監(jiān)測的重要途徑之一，其基于特定的評價標準建立由水質(zhì)指標構(gòu)成的綜合評價矩陣，進而根據(jù)單一指標與水體量級間模糊關(guān)系，計算水體綜合質(zhì)量指數(shù)，以表征水質(zhì)優(yōu)劣。其中熵權(quán)-模糊綜合評判法具有客觀賦權(quán)、操作簡易的特點，因而被廣大水文工作者采用[1]。鑒于此，本文以彭陽城區(qū)飲用水源為研究對象，在實地調(diào)查與測定分析的基礎(chǔ)上，研究了城區(qū)水質(zhì)主要化學物質(zhì)含量特征，并采用熵權(quán)-模糊綜合評價法對水質(zhì)樣點進行評價，以期為城區(qū)居民用水安全提供信息服務。

1 研究過程

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)彭陽縣城區(qū)，16個深機井空間分布如圖1所示。水源地屬于六盤山東麓的紅茹河流域，位于城區(qū)周邊，介于六盤山向黃土高原延伸的裙皺帶，南北兩側(cè)為橫向山系，地勢西高東低，高程介于1295～2453m，形成山地、溝壑地貌。由于距離海洋較遠，形成溫帶半濕潤季風型大陸性氣候，冬季寒冷、夏季溫涼，多年平均溫度為7.5℃，多年平均降水量為350～550mm，蒸發(fā)量達1100mm。該地經(jīng)濟活動以農(nóng)業(yè)為主，用地類型主要是耕地和草地，植被覆蓋度低于20%，機井深度達360m，隨著資源開發(fā)、土地利用的推進，給地下水質(zhì)質(zhì)量帶來一定隱患。

圖1 深機井分布

1.2 水質(zhì)調(diào)查與樣品制備分析

深機井水文情勢平穩(wěn)、周期較長，在考慮了降水、天氣等因素影響后，于2017年10月晴天時分對各深機井水質(zhì)進行取樣。將水質(zhì)樣品放置于清凈、干燥玻璃瓶中，封裝后送檢測定，為更好地了解水質(zhì)空間分布差異，在取樣時應用GPS儀記錄了深機井的地理坐標。分析測定的指標主要有：水體的 pH、總硬度、溶解氧(DO)、氨氮(NH3)、總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)。其中pH采用酸堿度檢測計進行現(xiàn)場測定，而其他指標分別按照EDTA滴定法、納氏試劑分光光度法、堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法、鉬酸銨分光光度法、高錳酸鹽指數(shù)重鉻酸鉀法、分光光度法測定[2]。

1.3 水質(zhì)評價方法

1.3.1 數(shù)據(jù)標準化

水質(zhì)測定數(shù)據(jù)是進行水質(zhì)評判的基礎(chǔ)，設(shè)有m個水質(zhì)樣方，有n個水質(zhì)指標，則原始數(shù)據(jù)矩陣如下：

(1)

在本研究中共計16個水質(zhì)點和6項測定指標，故而m為16，n為7。

(2)

式中xminj、xmaxj分別表示在第j項指標中的最小值與最大值。據(jù)此得到歸一化矩陣Y=[y]m*n。在歸一化矩陣[y]m*n的基礎(chǔ)上，計算各指標的熵值信息以客觀賦權(quán)[3]，公式如下:

(3)

1.3.2 指標隸屬度計算

《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)將水體中單一指標含量豐富度劃分5個級別，并據(jù)此將水質(zhì)劃分為5種類別。水質(zhì)綜合評價的核心思想便是獲知水質(zhì)實測指標與標準值之間的隸屬度。以水質(zhì)分級標準Sij(i∈m，j∈n)為依據(jù)，計算實測指標的隸屬度。對于第Ⅰ類水質(zhì)，其隸屬度公式如下[4]：

(4)

對于第Ⅱ～Ⅳ類水質(zhì)，其計算公式如下：

(5)

對于第Ⅴ類水質(zhì)，其隸屬度為

(6)

對于各斷面水質(zhì)監(jiān)測指標隸屬度rij，r值越大，則其隸屬度越高，水質(zhì)越好。根據(jù)隸屬度函數(shù)計算得到模糊關(guān)系矩陣[q]m·n。

1.3.3 水質(zhì)模糊綜合評價

水體是自然溶液，水體中的各項指標綜合決定了水體質(zhì)量。單一指標只能反映某一屬性的豐缺程度，采用綜合指數(shù)法對各項指標加權(quán)求和，即能表達水體綜合質(zhì)量，則水質(zhì)綜合指數(shù)的計算公式如下[5]：

(7)

1.4 數(shù)據(jù)處理

應用SPSS 19.0軟件對樣點水質(zhì)指標的最大值、最小值、均值、標準差和變異系數(shù)等特征進行計算；person相關(guān)系數(shù)用于檢測水質(zhì)指標之間的關(guān)系，應用Excel 2016計算各項指標的熵權(quán)信息、隸屬度和水質(zhì)綜合指數(shù)，ArcGIS 10.3繪制水質(zhì)樣點空間分布圖。

2 結(jié)果分析

2.1 研究區(qū)水體質(zhì)量描述性特征

彭陽城區(qū)水源地水質(zhì)調(diào)查統(tǒng)計特征見表1。16個水質(zhì)樣點中pH值介于7.2～8.0之間，屬于中性至弱堿性，均值為7.45，變異程度較小，變異系數(shù)僅為2.56%?？傆捕仍?6.8～275.2之間，基本符合飲用水標準。溶解氧含量達8.7±0.2mg/L，呈現(xiàn)弱變異(6.25%)。本區(qū)水體中氮素含量較低，其中氨氮含量的最小值為0，最高達到0.015mg/L；總氮含量范圍在0.001～0.01mg/L之間，并且差異性不大。全磷是水體富營養(yǎng)化的重要指標之一，深機井水體中全磷含量介于0.09～1.01mg/L之間，達到Ⅰ類水質(zhì)標準。

表1 研究區(qū)水體主要化學指標統(tǒng)計特征 單位：mg/L

2.2 研究區(qū)水體指標間的相關(guān)性

水循環(huán)過程與大氣、土壤、地質(zhì)、植被等環(huán)境因素以及人為活動存在密切關(guān)系，因而水體中各指標含量來源較為復雜。相關(guān)分析能夠揭示各指標之間來源是否相同或期間的元素遷移轉(zhuǎn)化研究區(qū)水質(zhì)指標間的相關(guān)系數(shù)見表2。由表2可知，研究區(qū)水體中溶解氧與pH值呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達0.462，表明存在一定的化學元素循環(huán)，主要由于pH較高的水體中含鈣鎂鹽類較多，而他們的結(jié)構(gòu)分子與水分子間有著頻繁化學能量轉(zhuǎn)化。溶解氧與氮素、全磷素均呈正相關(guān)關(guān)系，并且相關(guān)性尚不顯著。

表2 研究區(qū)水質(zhì)指標間的相關(guān)系數(shù)

注*表示在0.05水平上呈顯著性

2.3 研究區(qū)水體質(zhì)量綜合評價

在模糊綜合評判中，遵循最大值原則確定水質(zhì)級別，表3為研究區(qū)16個樣點水體質(zhì)量指數(shù)的綜合隸屬度值。由表3可知，1～6號樣點水質(zhì)屬Ⅰ類水質(zhì)，7～16號樣點屬Ⅱ類水質(zhì)，兩類水質(zhì)分別占37.5%和62.5%，綜合來說，深機井水體質(zhì)量相對較好，能夠滿足飲用水對水質(zhì)的基本需求。

表3 研究區(qū)各樣點水質(zhì)水體指數(shù)及分級

2.4 研究區(qū)水質(zhì)空間分布

為進一步了解彭陽縣飲用水水源水質(zhì)空間分布特征，將16個樣點水體質(zhì)量等級進行空間可視化，結(jié)果如圖2所示?？芍?，Ⅰ類水質(zhì)主要分布于城區(qū)中心，Ⅱ水質(zhì)則分布在城區(qū)周邊。水質(zhì)的這種分布特征，原因如下：?城區(qū)中心深機井位于地下水拐彎地帶，地下水流動能較強、流速快，不易于化學鹽類聚集，水體交換能力好，因而水質(zhì)較優(yōu)；城區(qū)周邊的深機井水體動能較弱、流速緩慢，便于鹽類物質(zhì)聚集，因而水質(zhì)略差。?城區(qū)中心及周邊深機井由于埋藏較深，降水、河流下滲補給時間長，且人為影響強度微乎其微，水體受影響較小。

圖2 研究區(qū)水質(zhì)空間分布

3 結(jié) 論

本文通過實地取樣調(diào)查、化驗分析，測定了彭陽縣城區(qū)飲用水源的主要化學性質(zhì)，并采用熵權(quán)模糊綜合評判法，對水體質(zhì)量進行綜合評價。結(jié)果表明，該城區(qū)主要化學指標含量均符合飲用水水質(zhì)標準，16個水質(zhì)樣點中水體質(zhì)量達到I類的有6個，達到Ⅱ水質(zhì)的有10個，表明整體水質(zhì)較好。然而城區(qū)水質(zhì)空間分布不均衡，總體來看，城區(qū)中心水質(zhì)較優(yōu)，周邊水質(zhì)略差，主要由于水文情勢和地下水層巖土構(gòu)造差異引起。為確保區(qū)域飲用水安全，當前應增加水質(zhì)調(diào)查與化驗分析頻次，積極監(jiān)管城區(qū)水環(huán)境變化，以防治潛在污染。

[1] 郭勁松,龍騰銳,霍國友,等.四種水質(zhì)綜合評價方法的比較[J].重慶建筑大學學報,2000(4):6-12.

[2] 李會仙,吳豐昌,陳艷卿,等.我國水質(zhì)標準與國外水質(zhì)標準/基準的對比分析[J].中國給水排水,2012,28(8):15-18.

[3] 曾永,樊引琴,王麗偉,等.水質(zhì)模糊綜合評價法與單因子指數(shù)評價法比較[J].人民黃河,2007(2):45，65.

[4] 張先起,梁川.基于熵權(quán)的模糊物元模型在水質(zhì)綜合評價中的應用[J].水利學報,2005(9):1057-1061.

[5] 鄒志紅,孫靖南,任廣平.模糊評價因子的熵權(quán)法賦權(quán)及其在水質(zhì)評價中的應用[J].環(huán)境科學學報,2005(4):552-556.