阜新市地下水水質(zhì)分析評價

趙雁紅

(遼寧省阜新市水文局，遼寧 阜新 123000)

水是人們賴以生存的必要條件，日常生活用水以及農(nóng)業(yè)灌溉用水更是顯得尤為重要。地下水在我們的生活用水、工業(yè)用水以及農(nóng)田灌溉用水等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]。為了預(yù)防水資源的污染、過度開采水資源引起嚴(yán)重缺水并合理化配置水資源，水質(zhì)的評價分析一直被目前國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為是水資源可持續(xù)利用的重要基礎(chǔ)[2]。受多種自然因素和人類活動因素的綜合影響，地下水水質(zhì)狀況逐漸呈現(xiàn)出局部區(qū)域的不均勻性和不穩(wěn)定性等特征，據(jù)此很難采用單因子指數(shù)法對其進行綜合的定性評價。對水質(zhì)進行評價往往具有明顯的漸變性和不確定性等特點，僅僅采用某項指標(biāo)的監(jiān)測結(jié)果很難對水體狀況作出準(zhǔn)確的判別和分析。通過對研究對象的水質(zhì)各項污染物質(zhì)量濃度進行實際監(jiān)測，并選取合理的水質(zhì)等級評價標(biāo)準(zhǔn)，然后對實測結(jié)果按照模糊評價基本理論進行模糊轉(zhuǎn)化的方法，為目前地下水水質(zhì)評價常用的方法[3- 5]。

阜新市位于我國遼寧省西部，占地面積約為1.04萬km2。作為沈陽市經(jīng)濟快速發(fā)展、人口高度密集的區(qū)域之一，地區(qū)面積和水資源總量相對于遼寧省其他區(qū)域均處于較低水平，而該區(qū)域的經(jīng)濟總量卻處于較高水平，并不豐富的水資源量維持了該區(qū)域近30年的經(jīng)濟高速發(fā)展。阜新市城市生活及工農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要地下水水源有凌河、大巴、細(xì)河以及王府水源等。本文在詳細(xì)分析了阜新市地下水監(jiān)測狀況的基礎(chǔ)上，結(jié)合實測數(shù)據(jù)資料和GB/T 14848—2017《地下水水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》選取揮發(fā)酚、溶解性總固體、總硬度、Cl-、As、Cd、COD、Fe、F-等19項水質(zhì)指標(biāo)，然后利用拓廣的Weber-Fechner定律進行了科學(xué)、合理的評價，并分析了該區(qū)域1996—2015年的水質(zhì)變化趨勢，以期為提高該區(qū)域地下水的利用效率提供參考。

1 阜新市地下監(jiān)測現(xiàn)狀

阜新市的地貌類型屬于低山丘陵區(qū)，地勢結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出東南高、西北低的低的變化趨勢，全區(qū)海拔高度在48.5～831.4m之間。受河網(wǎng)水系的長期沖刷以及山區(qū)基巖的風(fēng)化剝蝕，該區(qū)域第四系沉積物厚度在500m以上。阜新市淺層地下水主要以第Ⅰ含水層主，同時還有一定的淺層承壓水、微承壓水、潛壓水等水力特征。大氣降水是阜新市地下潛水層補給的主要來源，而地下的開采和蒸發(fā)擴散是其排泄的主要方式，并以農(nóng)業(yè)季節(jié)性開采作為地下水排泄的主要途徑，同時部分地下水資源被排入水庫、河流和水塘等轉(zhuǎn)化為地表水。

本文選取阜新市境內(nèi)10處地下水水質(zhì)監(jiān)測站點，所選取的監(jiān)測站點基本能夠反映阜新市地下水的整體狀況。按照每年監(jiān)測2～3次的頻率對該區(qū)域2000—2015年水質(zhì)指標(biāo)進行提取，各監(jiān)測站點位置及地下水類型見表1。

表1 阜新市地下水水質(zhì)監(jiān)測站點

結(jié)合實測數(shù)據(jù)資料和GB/T 14848—2017分別選取揮發(fā)酚、溶解性總固體、總硬度、Cl-、As、Cd、COD、Fe、F-等19項水質(zhì)指標(biāo)，通過對各指標(biāo)的綜合計算評價水質(zhì)狀況。

2 拓廣Weber-Fechner定律的應(yīng)用

2.1 歸一化處理

韋伯定律也可稱為韋伯率，它是指感覺的差別閾限能夠按照一定的規(guī)律特征隨著原刺激變量的改變而變化的特征。結(jié)合W-F韋伯-費希納定律可選取與地下水環(huán)境質(zhì)量相關(guān)的參數(shù)，作為評價的指標(biāo)，通過對綜合評價分類值UFIk以及韋伯常數(shù)α的確定得到研究區(qū)域的水質(zhì)狀況[8]。

為盡可能的降低不同指標(biāo)值之間的差異并按照各指標(biāo)不超過一個數(shù)量級的原則，可根據(jù)指標(biāo)分類標(biāo)準(zhǔn)值以及地下水水質(zhì)狀況設(shè)定一個適當(dāng)?shù)膮⒖贾礳j0，見表2。利用下述公式對水質(zhì)初始監(jiān)測數(shù)據(jù)做歸一化處理。

(1)

式中，cj0—第j項指標(biāo)的參照值，取值結(jié)果見表2。

表2 地下水水質(zhì)指標(biāo)參照值cj0

2.2 水質(zhì)評價指標(biāo)的計算

阜新市地下水水質(zhì)利用拓廣Weber-Fechner定律進行評價，單項指標(biāo)UFIj和綜合評價指數(shù)UFI的計算公式分別如下：

UFIj=αlgxj

(2)

(3)

(4)

式中，UFIj—單項指標(biāo)j的評價指數(shù)；α—對所有歸一化指標(biāo)適用，并且與具體指標(biāo)j無關(guān)的韋伯常數(shù)；xj—經(jīng)歸一化處理后的指標(biāo)值；wj—第j項指標(biāo)的歸一化權(quán)值；cj、p—分別第j項指標(biāo)的監(jiān)測值和綜合評價指標(biāo)數(shù)；Sj5—隸屬于V等級的第j項水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值。

為便于計算并使得lg(xj+1)=0，采用xj+1替代xj，并且實踐表明對評價結(jié)果不產(chǎn)生影響。

2.3 韋伯常數(shù)的確定

假定韋伯常數(shù)α值為1，則可選取模擬監(jiān)測值為各水質(zhì)指標(biāo)在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級別的上限值，然后采用所述公式可求得對應(yīng)于各水質(zhì)等級的W-F綜合指數(shù)[8]。根據(jù)各水質(zhì)類別綜合指數(shù)目標(biāo)值在α為1時計算結(jié)果，通過調(diào)試α值為38.52可求得分類值UFIk，結(jié)果見表3。

表3 綜合評價指標(biāo)目標(biāo)值與分類值UFIk

3 阜新市地下水質(zhì)評價

3.1 水質(zhì)現(xiàn)狀評價

檢查阜新市地下水水質(zhì)監(jiān)測資料的合理性，并采用水質(zhì)指數(shù)法進行評價，最終得到在19項評價指標(biāo)下的綜合指數(shù)UFI。然后以上述計算求得的綜合評價指數(shù)分類值UFIk為依據(jù)，評價阜新市2015年的水質(zhì)狀況，結(jié)果見表4。

表4 阜新市2015年地下水水質(zhì)狀況評價

由表4可知，阜新市地下水水質(zhì)狀態(tài)整體處于Ⅱ類，水質(zhì)處于良好狀態(tài)，80%以上的監(jiān)測點符合地下水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，并且適用于工農(nóng)業(yè)用水以及集中式生活用水；僅有蒼土和大五家子區(qū)域的地下水水質(zhì)超過Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)域的地下水對人體健康有害，不適合作為生活用水水源。在大五家子的UFI為68.6，略高于Ⅴ類分類指標(biāo)UFIk值的67.45，其中水質(zhì)指標(biāo)溶解性總固體、總硬度、亞硝酸和硝酸鹽氮、鉛等5項指標(biāo)處于Ⅴ類等級，并以鉛和硝酸鹽類為主。蒼土地下水監(jiān)測點的UFI為66.04，略低于Ⅴ類分類值的67.45，該區(qū)域主要污染物指標(biāo)有氯離子、總硬度、硝酸鹽和亞硝酸鹽、總硬度指標(biāo)，并以氯離子和硝酸鹽類為主。

大五家子區(qū)域地形地貌已平原和丘陵為主，其地下水水位常年處于1.7～8.02m范圍，并且呈現(xiàn)出一定的下降趨勢，主要超標(biāo)污染物指標(biāo)有鉛和硝酸鹽類，由此可認(rèn)為工農(nóng)業(yè)污染可能是引起該區(qū)域污染物超標(biāo)的主要因素。而在蒼土區(qū)域其地下水水位相對較淺，在1.52～3.45m范圍，多年來地下水位表現(xiàn)出緩慢的下降趨勢，主要以氯離子和硝酸鹽類為主，據(jù)此可推測認(rèn)為海水入侵時引起其污染的關(guān)鍵因素。

3.2 水質(zhì)變化趨勢

采用上述方法分別對阜新市1996—2015年的地下水水質(zhì)變化情況評價，結(jié)果見表5。

表5 阜新市1996—2015年水質(zhì)變化UFI區(qū)間

由表5計算結(jié)果看出，阜新市50%左右的地下水水質(zhì)監(jiān)測站UFI在1996—2015年并未表現(xiàn)出顯著的變化，并且該區(qū)域地下水依舊滿足Ⅲ類的等級標(biāo)準(zhǔn)；約10%的監(jiān)測站多年變化呈現(xiàn)出較大的變化趨勢，并存在不滿足飲用水條件的現(xiàn)象；其他監(jiān)測點經(jīng)常處于大于Ⅲ類水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)，并且未發(fā)生明顯改變。綜上所述，阜新市地下水水質(zhì)在1996—2015年并未出現(xiàn)較大的變化幅度，并整體呈現(xiàn)出好轉(zhuǎn)的變化趨勢；除個別年份存在一定的水質(zhì)下降趨勢，整體處于良好狀態(tài)[9- 10]。

4 結(jié)論

為盡可能降低不同指標(biāo)值之間的差異并按照各指標(biāo)不超過一個數(shù)量級的原則，本文根據(jù)指標(biāo)分類標(biāo)準(zhǔn)值以及地下水水質(zhì)狀況設(shè)定一個適當(dāng)?shù)膮⒖贾礳j0。然后根據(jù)各水質(zhì)類別綜合指數(shù)目標(biāo)值在α為1時計算結(jié)果，通過調(diào)試α值為38.52可求得分類值UFIk，最終得到在19項評價指標(biāo)下的綜合指數(shù)UFI，得出的主要結(jié)論如下：

(1)阜新市地下水水質(zhì)狀態(tài)整體處于Ⅱ類，水質(zhì)處于良好狀態(tài)，80%以上的監(jiān)測點符合地下水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，并且適用于工農(nóng)業(yè)用水以及集中式生活用水；僅有蒼土和大五家子區(qū)域的地下水水質(zhì)超過Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)域的地下水對人體健康有害，不適合作為生活用水水源。

(2)大五家子的UFI為68.6，略高于Ⅴ類分類指標(biāo)UFIk值的67.45，其中水質(zhì)指標(biāo)溶解性總固體、總硬度、亞硝酸和硝酸鹽氮、鉛等5項指標(biāo)處于Ⅴ類等級，并以鉛和硝酸鹽類為主。蒼土地下水監(jiān)測點的UFI為66.04，略低于Ⅴ類分類值的67.45，該區(qū)域主要污染物指標(biāo)有氯離子、總硬度、硝酸鹽和亞硝酸鹽、總硬度指標(biāo)，并以氯離子和硝酸鹽類為主。

(3)阜新市地下水水質(zhì)在1996—2015年并未出現(xiàn)較大的變化幅度，并整體呈現(xiàn)出好轉(zhuǎn)的變化趨勢；除個別年份存在一定的水質(zhì)下降趨勢，整體處于良好狀態(tài)。