山東招遠(yuǎn)市地下水水化學(xué)特征及水質(zhì)評價

彭康寧,張 衛(wèi),朱恒華,周建偉,萬豪杰,趙 駿

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 教育部長江三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心，湖北 武漢 430074;2.山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟(jì)南 250000;3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

山東省招遠(yuǎn)市位于山東膠東半島西北部，是重要的采金城市，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鎮(zhèn)居民生活飲用水主要依賴地下水開采。近幾十年來，由于超采地下水以及人類生產(chǎn)生活活動的影響，招遠(yuǎn)市地下水環(huán)境逐步惡化，地下水污染范圍逐漸擴(kuò)大，直接影響了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，并對人類健康和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。因此，開展招遠(yuǎn)市地下水水質(zhì)污染狀況的調(diào)查，并進(jìn)行地下水水化學(xué)特征分析及水質(zhì)評價迫在眉睫。

目前常用的地下水水質(zhì)評價方法主要有單因子評價法、綜合指數(shù)評價法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法和模糊數(shù)學(xué)評價法等[1]。其中，單因子評價法是對地下水中單個水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行獨立評價，因而其評價結(jié)果不能全面地反映地下水水質(zhì)的整體情況，且誤差較大[2]；綜合指數(shù)評價法考慮了地下水中多個水質(zhì)指標(biāo)，并通過賦予各個指標(biāo)不同的權(quán)重來綜合評判地下水水質(zhì)，但未考慮地下水水質(zhì)分級界線的模糊性，不能很好地揭示地下水水質(zhì)的真實情況[3-4]；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法適用范圍有一定的局限性，只有符合一定的條件才能取得較好的評價結(jié)果，且并不適用于有限樣本的情況[5-6]；模糊數(shù)學(xué)評價法充分考慮了地下水水質(zhì)分級界限的模糊性，數(shù)據(jù)具有連續(xù)性，且計算了每種污染因子對各級標(biāo)準(zhǔn)的隸屬程度，而非某一級標(biāo)準(zhǔn)，并在樣品數(shù)量有限的情況下，可使評價結(jié)果更接近實際[7]，因此該方法已成為目前最常用的地下水水質(zhì)評價方法之一。

以往研究者針對山東招遠(yuǎn)地區(qū)地下水水質(zhì)的相關(guān)研究較少，如秦瑞杰等[8]利用SPSS軟件對招遠(yuǎn)市地下水水質(zhì)進(jìn)行了分析與評價，并揭示了該地區(qū)地下水水質(zhì)的主要影響因子；劉軍劍等[9]于1999年5月至7月對招遠(yuǎn)市農(nóng)村飲用水源進(jìn)行了衛(wèi)生學(xué)調(diào)查及水質(zhì)分析，結(jié)果顯示該地區(qū)生活飲用水合格率僅為10%；田梅青等[10]對招遠(yuǎn)市金礦區(qū)采、選礦廢水中的污染物對地下水可能造成的污染進(jìn)行了調(diào)查研究。但這些研究均未對招遠(yuǎn)地區(qū)地下水水質(zhì)進(jìn)行較為科學(xué)、全面的評價，且對該地區(qū)地下水的水化學(xué)特征進(jìn)行分析的研究也尚未見報道。因此，本文綜合運用描述性統(tǒng)計法、溶解性總固體(TDS)含量分區(qū)圖及Piper三線圖對山東招遠(yuǎn)市地下水的水化學(xué)特征以及離子變異特征進(jìn)行了研究，并利用模糊數(shù)學(xué)評價法對地下水水質(zhì)進(jìn)行了綜合評價，以期為該地區(qū)地下水的合理開發(fā)和利用提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

山東省招遠(yuǎn)市地處山東省膠東半島西北部，位于北緯37°05′～37°33′、東經(jīng)120°08′～120°38′之間，東接棲霞，西接萊州，南與萊西、萊陽兩市相鄰，北與龍口市為鄰，西北瀕臨渤海，全市面積約1 433.18 km2，海岸線長13.5 km[11]。

研究區(qū)地處膠東半島低山丘陵地帶，地勢西低東高，西鄰渤海灣，為濱海平原，地勢平坦，海拔為8～30 m，大部分地區(qū)被第四系所覆蓋；東部為起伏的丘陵區(qū)，海拔為40～70 m，基巖裸露，沖溝發(fā)育。研究區(qū)地下水類型主要包括松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩大類。其中，第四系松散巖類孔隙潛水含水層為該地區(qū)最重要的含水層，主要分布在各河流河谷平原及大沽河主河道帶；該含水層顆粒較粗，多為砂卵礫石，厚度在5～15 m之間，透水性強(qiáng)，水量豐富，單井涌水量一般在500～1 000 m3/d，水位埋深在1～3 m之間，水力性質(zhì)基本屬于孔隙潛水，為招遠(yuǎn)地區(qū)最具供水意義的地下水類型。研究區(qū)地下水主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給，其次為地表水和農(nóng)田灌溉水的滲漏補(bǔ)給。

2 數(shù)據(jù)來源與評價方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本次調(diào)查研究共取地下水水樣34個，均取自民井，地下水類型為潛水，研究區(qū)取樣點分布見圖1。具體水樣采集方法如下：用聚乙烯瓶作為采樣瓶，水樣采集前先用蒸餾水清洗3次，再用待采集水樣潤洗3次；采樣時嚴(yán)格防止氣泡進(jìn)入，每個取樣點水樣用0.45 μm濾膜過濾后采集2瓶水樣樣品，其中一瓶加入濃硝酸，使水樣的pH值≤2，用于水樣中常規(guī)陽離子的測試[12]。

2.2 地下水水質(zhì)評價方法

由于影響地下水環(huán)境的因素眾多，水質(zhì)級別劃分具有模糊性，因此可以考慮將模糊集理論和方法引入地下水水質(zhì)評價中[13-15]。模糊數(shù)學(xué)評價法先依據(jù)實測數(shù)據(jù)建立各評價因子相對于各級標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度集，然后計算出各評價因子權(quán)重集，最后將各評價因子的權(quán)重集與隸屬度集相乘，獲得水體水質(zhì)綜合評判集，即可反映水體水質(zhì)對各級標(biāo)準(zhǔn)的隸屬程度[16]。這種基于權(quán)重的模糊數(shù)學(xué)評價法能夠綜合考慮各個評價指標(biāo)對評價結(jié)果的影響，可以較客觀、全面地反映地下水質(zhì)量的狀況[17]。因此，本次采用模糊數(shù)學(xué)評價法對研究區(qū)地下水水質(zhì)進(jìn)行綜合評價。

圖1 山東省招遠(yuǎn)地區(qū)水文地質(zhì)及取樣點分布圖Fig.1 Hydrogeological map and the sampling sites of groundwater samplings in Zhaoyuan City

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)地下水的水化學(xué)特征

3.1.1 地下水中水化學(xué)指標(biāo)的描述性統(tǒng)計特征

對地下水中有關(guān)水化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析是研究其水化學(xué)特征及其演化規(guī)律的基礎(chǔ)，通過描述性統(tǒng)計分析可以大致了解地下水中各水化學(xué)成分的富集及變化規(guī)律。研究區(qū)地下水中水化學(xué)指標(biāo)的描述性統(tǒng)計特征值見表1。

表1 研究區(qū)地下水中水化學(xué)指標(biāo)的描述性統(tǒng)計特征值Table 1 Descriptive analysis of hydro-chemical parameters of the groundwater in the study area

注：表中除pH值無量綱外，其他單位均為mg/L。

3.1.2 地下水中TDS含量和水化學(xué)類型的分布規(guī)律

本文結(jié)合研究區(qū)34個水樣點的TDS含量，繪制了研究區(qū)地下水中TDS含量的分區(qū)圖(見圖2)，并根據(jù)地下水中TDS含量的大小，將研究區(qū)地下水劃分為淡水(TDS含量<1 g/L)、微咸水(TDS含量介于1～3 g/L)和咸水(TDS含量>3 g/L)[19]。

圖2 研究區(qū)地下水中TDS含量的分區(qū)圖Fig.2 Partition map of TDS content of the groundwater in the study area

由圖2可見，研究區(qū)地下水淡水主要分布在山地丘陵區(qū)，微咸水分布在界河流域的河谷區(qū)，咸水均分布在西北方向的濱海平原區(qū)；TDS含量總體呈南北低、東西高的趨勢，而西部地區(qū)TDS含量的異常升高與海水入侵有關(guān)。

此外，本文還繪制了研究區(qū)地下水水樣點的Piper三線圖，見圖3。

圖3 研究區(qū)地下水水樣點的Piper三線圖Fig.3 Piper diagram of the groundwater samples in the study area

3.2 研究區(qū)地下水水質(zhì)的綜合評價

基于上述研究區(qū)地下水水化學(xué)特征的分析，本文依據(jù)2015年10月26日國土資源部發(fā)布的《地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》[18]，采用模糊數(shù)學(xué)評價法對研究區(qū)地下水水質(zhì)進(jìn)行了綜合評價，具體評價過程如下(以研究區(qū)地下水ZY-01水樣點為例)：

表2 我國《地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(DZ/T 0290—2015)中評價因子的分級限值[18](單位：mg/L)Table 2 Limits of the Standard for Groundwater Quality(DZ/T 0290—2015)[18](unit:mg/L)

(2) 隸屬度及隸屬函數(shù)的確定。地下水水質(zhì)級別的劃分具有模糊性，因此可以用隸屬度來描述其模糊界限。所謂隸屬度，系指每一個評價因子隸屬于不同評價等級的程度，可用隸屬函數(shù)來表示[20-21]:

對Ⅰ級(評價等級j=1)的隸屬度函數(shù)為

(1)

對Ⅱ級至Ⅳ級(評價等級j=2,3,4)的隸屬度函數(shù)為

(2)

對Ⅴ級(評價等級j=5)的隸屬度函數(shù)為

(3)

式中：xki表示第k個水樣中第i個評價因子的實測值；cij表示第i個評價因子相對于第j個評價等級的界限值；yij表示第i個評價因子相對于第j個評價等級的隸屬度。

根據(jù)上面公式，即可以計算得到各評價因子相對于各評價等級的隸屬度，由此可以確定每個水樣的第i個評價因子相對于第j個評價等級的模糊數(shù)學(xué)關(guān)系矩陣R。研究區(qū)地下水ZY-01水樣的模糊數(shù)學(xué)關(guān)系矩陣則為

(3) 權(quán)重及歸一化運算。在地下水水質(zhì)綜合評價時，考慮到各評價因子對水質(zhì)的影響程度不同，因而應(yīng)對它們賦予不同的權(quán)重[22]。根據(jù)各評價因子參數(shù)超標(biāo)情況進(jìn)行加權(quán)，超標(biāo)越多的評價因子，其權(quán)重越大[23]，則有：

(4)

式中:Wki表示第k個水樣第i個評價因子的權(quán)重;si表示第i個評價因子各評價等級標(biāo)準(zhǔn)值的算術(shù)平均值。

若評價因子的權(quán)重大于1，則需按下式進(jìn)行歸一化運算：

(5)

式中:aki表示第k個水樣第i個評價因子的歸一化權(quán)重；其他物理量的含義同上。

按照以上公式，可計算得到研究區(qū)地下水ZY-01水樣點各評價因子的權(quán)重集，即A01=(0.056,0.819,0.076,0.049)

按照以上公式，計算研究區(qū)地下水ZY-01水樣點的水質(zhì)參數(shù)評價矩陣B，可得B01=(0,0,0,0，1)。由最大隸屬度原則可知，地下水ZY-01水樣點的水質(zhì)屬于V類水。

按照上述方法，對研究區(qū)34個地下水水樣點的水質(zhì)進(jìn)行模糊數(shù)學(xué)綜合評價，可得到研究區(qū)地下水各水樣點水質(zhì)的隸屬度和模糊評價等級，詳見表3。

表3 研究區(qū)淺層地下水各水樣水質(zhì)評價結(jié)果Table 3 Water quality assessment result of the shallow groundwater samples in the study area

4 結(jié) 論

(2) 研究區(qū)地下水的水化學(xué)類型主要以Cl·HCO3-Ca·Na型水和Cl·SO4-Ca·Na型水為主，還出現(xiàn)了HCO3·Cl-Ca·Na型水和SO4-Ca·Na型水。

(3) 研究區(qū)地下水水質(zhì)總體情況不容樂觀，在羅峰街道樓里頭村、金嶺鎮(zhèn)山上張家村和夢芝街道石星河村以南200 m附近，地下水水質(zhì)屬于II類水，在羅峰街道小宋家村附近，地下水水質(zhì)為III類水，以上取樣點地區(qū)地下水水質(zhì)相對較好，均可適當(dāng)開采作為生活飲用水，而其余地區(qū)地下水水質(zhì)較差，可作為工農(nóng)業(yè)用水。

通訊作者：朱恒華(1981—)，男，碩士，高級工程師，主要從事水工環(huán)調(diào)查方面的研究工作。E-mail:67146398@qq.com