人民勝利渠灌區(qū)地下水水質評價

劉中培，蔡慶峰，竇明，陳瑩

(1.華北水利水電大學，河南鄭州450045；2.煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京100011； 3.鄭州大學，河南鄭州450001；4.水利部水資源管理中心，北京100038)

地下水資源是人們賴以生存的基礎，準確評價地下水水質，對保護地下水資源及合理開發(fā)具有重要意義[1]。目前，地下水水質評價方法較多，如內梅羅指數法、集對分析法、單因子評價法、人工神經網絡法、模糊綜合評價法、灰色關聯(lián)度分析法等，各方法側重點不同，適用范圍不同[2]。單因子評價法可以簡單直觀地反映單個指標的超標情況，但是不能反映污染水質的總體情況。內梅羅指數法根據對應的等級標準確定水質類別，概念清晰，運算方便，但它過于突出強調最大污染因子的影響，使水質的污染程度被高估；其他方法也各有優(yōu)劣。模糊-熵值評價法結合了模糊數學在水環(huán)境評價過程的適用性以及熵值賦權的優(yōu)點，是一種改進的數學方法，能充分考慮多個樣本數據之間的聯(lián)系，降低最大污染因子對評價結果的影響，更加適合有多個主要污染物超標的水體[3-4]。人民勝利渠灌區(qū)地下水超標組分較多，為判別主要污染因子以及水質綜合狀況，并削弱最大污染因子對評價結果的影響，本次評價采用單因子評價法、內梅羅指數法以及模糊-熵值法進行評價，并對評價結果進行對比分析，旨在為研究區(qū)制定合理的地下水開發(fā)利用與保護方案提供支撐。

1 水質評價方法

1.1 單因子評價法

單因子評價法就是分別對每個污染指標進行分類評價，反映地下水中每一污染水質的超標情況[5]。評價標準為GB/T 14848—2017《地下水質量標準》，單因子污染指數值Pi的計算公式為[6]：

(1)

式中Ci——第i種污染指標的監(jiān)測值；Si——第i種污染指標Ⅲ類標準的限值。

1.2 內梅羅指數法

內梅羅指數法是一種綜合水質指數評價法，是水質評價中經常運用的一種方法。計算公式為：

(2)

1.3 模糊-熵值評價法

傳統(tǒng)的模糊綜合評價方法在水質評價中得到了廣泛的應用，但也存在著主觀性太強等缺點。本文采用更客觀、更全面的模糊-熵值評價方法，使污染物最大因子對評價結果的影響最小。具體計算步驟如下。

表1 內梅羅標準指數

1.3.1評價指標集的建立

設因素指標U={u1，…ui，…un} ，其中u1，…ui，…un為參評的n個評價因子，設評價等級集合V={v1，…vi，…vm}，其中v1，…vi，…vm為m個評價等級[8]。

1.3.2建立模糊關系矩陣

根據模糊關系矩陣的定義，模糊關系矩陣的函數元素rij是表示i對j的隸屬度，即第i種污染物因子的水質被評為第j級的可能性，隸屬函數建立的方法如下[7]。

a) 當j=1時，其隸屬關系函數為：

(3)

b) 當1

(4)

c) 當j=n時，其隸屬關系函數為：

(5)

計算各個評價因子的隸屬度，則可以構造m×n階模糊關系矩陣R。

(6)

1.3.3指標權重的計算

設因素指標的權重向量W={w1，w2，…，wi}，因素指標中各個評價指標對評價對象的影響各不相同，影響因素指標權重確定的正確性與合理性影響著評判結果的準確性，本文采用熵值賦權法確定指標權重[9]。

a) 將各個指標值做歸一化處理，計算出第j項指標下的第i個指標值的占比pij：

(7)

式中i=1,2,…,n,n——評價指標個數；j=1,2,…,m,m——待評價對象個數。

b) 計算第j項因素指標的熵值ej：

(8)

其中：k>0；ln為自然對數；ej≥0。設k=1/lnn，于是有0≤ej≤1。

c) 計算j項指標的差異性系數gj，即：

gj=1-ej

(9)

d) 計算第j個指標的權重：

(10)

1.3.4確定評判矩陣

將矩陣W與R進行復合運算，就可得出綜合評判矩陣，依據模糊數學中最大隸屬度的原則，取最大者的等級為評價等級[10]。

2 水質評價

2.1 研究區(qū)概況

人民勝利渠灌區(qū)位于東經113°31′～114°25′，北緯35°0′～35°30′，跨新鄉(xiāng)、焦作、安陽三市，由黃河的河道沖積、太行山沖積扇兩部分組成[11]。灌區(qū)地勢自東向西呈現上升趨勢(圖1)。多年平均降水量近600 mm，7—9 月的降水量大約占全年總降水量的7成，多年平均蒸發(fā)量約為1 900 mm，5—6 月的蒸發(fā)量最大[12]。

灌區(qū)水文地質狀況，隨地貌單元不同而有所差異，依據含水介質及空隙類型，區(qū)內調查深度范圍內地下水可劃分為松散巖類孔隙水和半膠結碎屑巖類孔隙裂隙水2類，根據含水層組的埋藏條件，可劃分為淺層含水組、中深層含水組和深層含水組[13]。灌區(qū)地下水主要來自灌溉入滲補給、大氣降水補給以及側向徑流補給，灌溉又主要開采淺層地下水進行大田漫灌，少部分地區(qū)為引黃灌溉，灌區(qū)地下水位呈西高東低的分布特征，最高地下水位分布在西南部的黃河灘區(qū)引黃口處，最低水位則位于灌區(qū)東北部的太行山前，地下水沿西南流向東北，灌區(qū)在地下水徑流過程中，部分以蒸發(fā)和人工開采的形式排泄，一部分則以側向徑流形式排泄[14]。

圖1 取樣點位置分布

2.2 取樣點位置

本文選取2016年人民勝利渠灌區(qū)地下水豐水期(7月)、枯水期(11月)水樣各22例，取樣地點位置分布見圖1。

2.3 評價結果

考慮到污染物對水體影響和對人體的危害程度，選取總硬度、耗氧量(以Mn計)、溶解性總固體、硫酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氯化物、氨氮、氟化物、鐵10個指標作為評價因子進行水質評價[15-16]。不同方法及豐、枯水期的綜合評價結果見表2。

表2 2016年豐、枯水期水質評價結果

3 結果分析

3.1 不同方法評價結果分析

由表2可知，單因子指數法評價結果顯示豐水期樣品中超標較嚴重的指標為總硬度和亞硝酸鹽，枯水期樣品中超標較嚴重的指標為總硬度，人民勝利渠灌區(qū)地下水水質絕大部分處于地下水質量標準Ⅲ類及限值以外，水質總體情況較差。

以Ⅲ類水為計算標準，內梅羅指數法評價結果可知，22個豐水期水樣中，Ⅲ類水4處，占18.2%；Ⅳ類水8處，占36.4%；Ⅴ類水10處，占45.4%，Ⅴ類水占比較大?？菟冖蝾愃?處，占4.5%；Ⅲ類水9處，占40.9%；Ⅳ類水8處，占36.4%；Ⅴ類水4處，占18.2%，以Ⅲ、Ⅳ類水為主。豐、枯水期水質整體均較差，以豐水期最為明顯。

模糊-熵值評價法結果顯示，22個豐水期水樣中，Ⅰ類水1處，占4.5%；Ⅱ類水7處，占31.8%；Ⅲ類水5處，占22.8%；Ⅴ類水9處，占40.9%，Ⅴ類水占比較大,豐水期水質較差?？菟冖耦愃?處，占4.5%；Ⅱ類水15處，占68.2%；Ⅲ類水2處，占9.0%；Ⅴ類水4處，占18.3%，枯水期水質好于豐水期。

3.2 豐、枯水期評價結果分析

在單項指標評價結果豐、枯水期對比中，豐水期的Ⅳ、Ⅴ類結果共68個，高于枯水期的51個，其原因主要是灌區(qū)6月初播種玉米，播種的同時施肥，并在7—8月的生長期進行2次追肥，化肥及其他污染物在豐水期隨灌溉水及雨水一起滲入地下水中，隨著地下水的流動，耗氧量、亞硝酸鹽、氨氮等濃度值不斷減小，由豐水期到枯水期，水質有轉好的趨勢。

豐水期評價結果顯示，內梅羅指數法與模糊-熵值評價法有7個取樣點的評價結果完全相同，分別為G03、G11、G14、G15、G20、G21、G22取樣點，其他15個取樣點除G07、G08外，模糊-熵值法的評價結果均不同程度好于內梅羅指數法的評價結果。枯水期評價結果顯示，內梅羅指數法與模糊-熵值評價法有5個取樣點的評價結果完全相同，分別為G04、G05、G12、G14、G15取樣點，另外17個取樣點的評價結果同樣是模糊-熵值評價法好于內梅羅指數法。

在采用內梅羅指數法的豐、枯水期水質評價結果對比中，有5個取樣點的評價結果完全相同，分別為G02、G05、G13、G14、G15取樣點，豐水期好于枯水期的有3個，分別為G01、G04、G18取樣點，其他14個取樣點的評價結果均比枯水期差；模糊-熵值評價法有10個樣品的評價結果完全相同，分別為G01、G02、G07、G09、G10、G13、G14、G15、G18、G19取樣點，除G04、G05取樣點外，枯水期的評價結果均好于豐水期，由豐水期到枯水期，受耗氧量、亞硝酸鹽、氨氮等評價指標監(jiān)測數據變好的影響，絕大多數取樣點水質均不同程度地轉好。

3.3 評價結果對比分析

由圖2可以看出：3種水質評價方法的評價結果在不同程度上反映了人民勝利渠灌區(qū)地下水的水質情況，模糊-熵值評價法評價結果的曲線總體處于最里端，評價的水質狀況較好；單因子評價法評價結果的曲線總體處于最外端，評價的水質狀況較差；內梅羅指數法評價結果的曲線及評價的水質狀況介于兩者之間，圖2b曲線相較于圖2a曲線更靠近里端，豐水期較枯水期污染更嚴重。由于方法原理不同，導致評價結果存在差異。

a)豐水期

b)枯水期圖2 3種方法豐、枯水期評價結果雷達分布

4 結論

a) 人民勝利渠灌區(qū)地下水質量總體較差，大多數取樣點都在Ⅲ類水標準之下，G04、G05、G14、G15觀測點的污染最嚴重，較為嚴重的污染因子有總硬度、溶解性總固體、亞硝酸鹽等。

b) 豐水期與枯水期水質均較差，由豐水期到枯水期，受耗氧量、亞硝酸鹽、氨氮等評價因子監(jiān)測數據變好的影響，水質有轉好的趨勢。

c) 研究區(qū)水質評價結果單因子評價法最差，內梅羅指數法次之，模糊-熵值法評價結果最好，模糊-熵值法削弱了最大污染因子的影響，較適合研究區(qū)水質狀況，但單因子評價法能揭示出主要污染因子。