營(yíng)口地區(qū)地下水水質(zhì)不同評(píng)價(jià)方法探究

王 魁

(鐵嶺市清河區(qū)自然資源事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 鐵嶺 112003)

1 概 述

地下水是水資源的重要組成部分，是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要自然資源[1]，是重要的供水水源和應(yīng)急抗旱水源，也是維系良好生態(tài)環(huán)境的主要因素[2]。因此，加強(qiáng)地下水監(jiān)測(cè)工作，掌握時(shí)時(shí)地下水動(dòng)態(tài)，對(duì)保障用水安全以及生態(tài)安全具有十分重要的意義[3-4]。

營(yíng)口地下水監(jiān)測(cè)站多為2005—2010年建設(shè)，主要采用浮子式和壓力式水位計(jì)觀測(cè)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有水位(埋深)、水溫等要素。截至目前，大多數(shù)設(shè)備運(yùn)行已超過(guò)10a，出現(xiàn)設(shè)備老化、傳輸信號(hào)不及時(shí)或中斷等現(xiàn)象，造成監(jiān)測(cè)資料不連續(xù)、代表性差，可靠性及連續(xù)性不能保證。根據(jù)《國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程(水利部分)遼寧省初步設(shè)計(jì)報(bào)告》中建井原則，在營(yíng)口市現(xiàn)有地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)站中選取15處作為改建井，并新建監(jiān)測(cè)井23處。新建井中大石橋市新建9處、蓋州市新建10處、鲅魚(yú)圈區(qū)新建4處。2017年3月下旬—6月中旬，相繼完成土建工程及設(shè)備安裝調(diào)試工程，現(xiàn)在已具備運(yùn)行條件。

2 地下水補(bǔ)給、排泄及水位動(dòng)態(tài)

營(yíng)口地區(qū)地下水以垂向補(bǔ)給為主，側(cè)向補(bǔ)給為輔，垂向補(bǔ)給主要有大氣降水入滲補(bǔ)給及稻田水入滲補(bǔ)給潛水，然后通過(guò)潛水含水層之下的弱透水層垂向越流補(bǔ)給下部承壓水[5]。

側(cè)向補(bǔ)給來(lái)源為海城河、八里河沖洪積扇后緣，直接接受河水及大氣降水的入滲補(bǔ)給之后，以地下徑流的方式側(cè)向補(bǔ)給本區(qū)地下水[6]。項(xiàng)目所在區(qū)域東部上游地段，上部潛水與下部承壓水具有不同的水位，但水位相差不大，一般為0.5-1.0m。西部下游地段水位相差較大，一般為1.0-1.4m，而開(kāi)采區(qū)附近水位相差約為1.0-14m。它們具有統(tǒng)一的特征，那就是潛水水位普遍高于承壓水位。在開(kāi)采區(qū)附近，潛水水位始終高于承壓水水位，但卻低于非開(kāi)采區(qū)的潛水水位[7]。這說(shuō)明由于現(xiàn)有水源受長(zhǎng)期大量開(kāi)采的影響，使其附近的潛水及微承壓水水位隨之下降，但它們之間仍有一定的水位差[8]。

深層承壓水水位，由于人工開(kāi)采及補(bǔ)給的滯后效應(yīng)，水位低峰出現(xiàn)在每年的4-5月，其中水源開(kāi)采區(qū)影響范圍內(nèi)一般為3月末—4月初。水位高峰出現(xiàn)在每年的8月末—9月初，滯后于高峰雨季約一個(gè)月，水位多年平均變幅約為4.32m。開(kāi)采區(qū)內(nèi)受人為控制變化較大。

3 評(píng)價(jià)方法

文章選擇4種水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)營(yíng)口地區(qū)地下水水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，4種評(píng)價(jià)方法分別為改進(jìn)的層次分析法、模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)[9]、指標(biāo)分類綜合法、F值評(píng)價(jià)法[10]，考慮文章篇幅，文章重點(diǎn)介紹層次分析法原理，該方法結(jié)合指標(biāo)進(jìn)行判定，計(jì)算公式為：

(1)

在方程中bij表示不同地下水水質(zhì)指標(biāo)的相對(duì)重要度。結(jié)合權(quán)重設(shè)定方程對(duì)其指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行判定，判定方程為：

(2)

在方程中Ui表示表示為各指標(biāo)判定矩陣的n次方根。在權(quán)重設(shè)定的基礎(chǔ)上，對(duì)其權(quán)重進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)方程為：

Ic=(λmax-n)/(n-1)

(3)

在方程中λmax表示為各指標(biāo)判定的最大特征解，其求解方程為：

(4)

在方程中(Bω)i表示為判定矩陣中各指標(biāo)的向量特征根，n表示為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)目。

在指標(biāo)判定的基礎(chǔ)上，采用優(yōu)化排序方式對(duì)其指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)決策，決策方程為：

(5)

在方程中xij表示為不同指標(biāo)下的屬性值；在決策矩陣計(jì)算的基礎(chǔ)上，還需對(duì)該矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算，計(jì)算方程為：

(6)

在決策矩陣設(shè)定的基礎(chǔ)上，對(duì)其指標(biāo)進(jìn)行排序計(jì)算，計(jì)算方程為：

(7)

4 評(píng)價(jià)結(jié)果

4.1 各指標(biāo)采樣分析結(jié)果

結(jié)合遼寧營(yíng)口地區(qū)地下水采樣點(diǎn)水質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)主要6種指標(biāo)1990-2018年的指標(biāo)濃度變化過(guò)程進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖1-6。硫酸鹽濃度歷年變化過(guò)程，見(jiàn)圖1；鐵濃度歷年變化過(guò)程，見(jiàn)圖2；氟化物濃度歷年變化過(guò)程，見(jiàn)圖3；總硬度濃度歷年變化過(guò)程，見(jiàn)圖4；硝酸鹽濃度歷年變化過(guò)程，見(jiàn)圖5；砷濃度歷年變化過(guò)程，見(jiàn)圖6。

圖1 硫酸鹽濃度歷年變化過(guò)程

圖2 鐵濃度歷年變化過(guò)程

圖3 氟化物濃度歷年變化過(guò)程

圖4 總硬度濃度歷年變化過(guò)程

圖5 硝酸鹽濃度歷年變化過(guò)程

圖6 砷濃度歷年變化過(guò)程

從各指標(biāo)變化趨勢(shì)可看出，從1990-2018年，在營(yíng)口地區(qū)地下水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)中，硫酸鹽、硝酸鹽、鐵的濃度呈現(xiàn)遞增變化，砷、氟化物、總硬度這3種污染指標(biāo)的濃度總體呈現(xiàn)遞減變化[11]，且遞減幅度有所增加，這3種指標(biāo)濃度遞減變化的主因在于營(yíng)口地區(qū)地區(qū)從2005年后加大對(duì)地下水質(zhì)量的綜合保護(hù)，控制地下水中的重金屬以及氟化物的指標(biāo)，此外通過(guò)硬水軟化的綜合措施降低地下水的總硬度指標(biāo)，從而使得這3種指標(biāo)濃度呈現(xiàn)一定的遞減變化，從圖1-6中還可看出，從2005年以后，這3種污染指標(biāo)濃度相比于2005年以前，遞減幅度有所增加。而對(duì)于硫酸鹽、硝酸鹽、鐵濃度增加，主要是因?yàn)楣I(yè)和生活用水量的增加，使得進(jìn)入地下水的3種污染指標(biāo)濃度有所增加，但從圖中可看出，3種指標(biāo)在2005年以后，遞增的幅度有所減少。

4.2 各指標(biāo)均值及變異度分析

結(jié)合各指標(biāo)測(cè)定結(jié)果對(duì)其不同分區(qū)的濃度均值及變異系數(shù)進(jìn)行分析，各分區(qū)水質(zhì)濃度均值及其變異系數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 各分區(qū)水質(zhì)濃度均值及其變異系數(shù)

按照營(yíng)口地區(qū)水資源分區(qū)對(duì)其各污染物濃度均值和變異系數(shù)進(jìn)行分析，從分析結(jié)果可看出，在水資源分區(qū)II區(qū)內(nèi)各污染指標(biāo)濃度最高，這主要是因?yàn)檫@一區(qū)域主要位于地下水開(kāi)采較為集中的區(qū)域，受地下水開(kāi)采的影響程度較大，使得其各項(xiàng)污染指標(biāo)的均值和變異系數(shù)高于其他幾個(gè)水資源分區(qū)。水資源分區(qū)I區(qū)主要位于營(yíng)口地區(qū)的南部區(qū)域，從分析結(jié)果可看出，這一分區(qū)各污染指標(biāo)濃度均值和變異系數(shù)均好于其他幾個(gè)分區(qū)，這主要是因?yàn)樵摲謪^(qū)為營(yíng)口地區(qū)只要的飲用水源區(qū)，區(qū)域地下水質(zhì)綜合保護(hù)程度好于其他分區(qū)，因此地下水質(zhì)狀況也好于其他分區(qū)。水資源分區(qū)I區(qū)、III區(qū)主要位于營(yíng)口地區(qū)的東部，從分析結(jié)果可看出，營(yíng)口地區(qū)南部的地下水質(zhì)狀況好于東部。

4.3 各評(píng)價(jià)方法綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

結(jié)合4種綜合評(píng)級(jí)方法對(duì)其各分區(qū)的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行綜合確定[12]，其中鐵、總硬度、硝酸鹽 、硫酸鹽、砷、氟化物的權(quán)重設(shè)定為16%、23%、11%、25%、12%、13%。各方法地下水水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，見(jiàn)表2。

*1表示為F值評(píng)價(jià)法；2表示為指標(biāo)分類綜合法；3表示為模糊數(shù)學(xué)方法；4表示為改進(jìn)層次分析法。

從各方法的評(píng)價(jià)結(jié)果可看出，營(yíng)口地區(qū)各水質(zhì)類別下的權(quán)重值分別為16%、23%、11%、25%、12%、13%。各方法地下水水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，見(jiàn)表2。從對(duì)比結(jié)果可看出，改進(jìn)的層次分析法更適用于營(yíng)口地區(qū)的地下水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)，這主要是因?yàn)樵摲椒梢詫?duì)指標(biāo)的進(jìn)行綜合選優(yōu)，確定各污染評(píng)價(jià)指標(biāo)的最優(yōu)權(quán)重值，使得其評(píng)價(jià)結(jié)果更為合理[6-7]。其次為模糊綜合數(shù)學(xué)方法，該方法主要采用數(shù)學(xué)方法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行綜合判定，從營(yíng)口地區(qū)地下水水質(zhì)實(shí)際情況出發(fā)，各方法的適用性優(yōu)先次序?yàn)椋焊倪M(jìn)的層次分析法、模糊綜合數(shù)學(xué)方法、F值評(píng)價(jià)法、指標(biāo)分類綜合法[13-14]。

5 結(jié) 語(yǔ)

從營(yíng)口地區(qū)地下水水質(zhì)的實(shí)際情況來(lái)看，每種方法的優(yōu)選順序?yàn)椋焊倪M(jìn)的層次分析法，模糊綜合數(shù)學(xué)法，F(xiàn)值評(píng)價(jià)法和指標(biāo)分類綜合法。在營(yíng)口地區(qū)人為活動(dòng)集中的地區(qū)，地下水評(píng)價(jià)水平較低，應(yīng)加強(qiáng)營(yíng)口地區(qū)東部地區(qū)地下水水質(zhì)的綜合保護(hù)措施，以減少硫酸鹽，硝酸鹽和鐵的含量。文章主要使用主觀方法來(lái)設(shè)置每個(gè)索引的權(quán)重，在未來(lái)的研究中，應(yīng)該客觀地設(shè)置各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，以提高評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性。

表2 各方法地下水水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果