皇后園村松散層孔隙地下水水質(zhì)評價與保護(hù)探討

楊 柳

(山西福隆水利咨詢有限公司，山西 太原 030001)

1 區(qū)域概況

1.1 地形地貌特征

皇后園村位于太原盆地的北端，山西省省會太原城區(qū)之北，東經(jīng)112°15′～112°46′，北緯37°48′～38°06′。東與陽曲縣堯子尚村相連；南與萬柏林區(qū)后北屯村接壤；西與下槐樹交界；北與陽曲縣楊家井村相鄰。區(qū)政府所在地柴村，距太原城8 km。全區(qū)西、北環(huán)山，汾河自北入境出烈石口向南縱貫全境。東西最大長度為26 km，南北最長距離22 km，總面積286.5 km2，分布呈不規(guī)則狀。地勢北高南低，海拔780 m～1865 m之間。皇后園村地表水均屬黃河流域汾河水系，汾河一級支流泥屯河、柏板河、楊興河、澗河均在境內(nèi)匯入汾河。

1.2 水文地質(zhì)條件

區(qū)域內(nèi)第四系松散巖類含水巖性主要為砂卵石層，主要補(bǔ)給來源為大氣降水及側(cè)向徑流，富水性較好。根據(jù)含水層在垂直向的變動趨勢及水力特性、地層時代、地下水賦存條件等，將皇后園村松散層孔隙含水層劃分為潛水含水層和承壓含水層，其中潛水含水層主要為全新統(tǒng)含水層Q4，承壓含水層包括上更新統(tǒng)孔隙含水層Q3、中更新統(tǒng)孔隙含水層Q2和下更新統(tǒng)孔隙含水層Q1，具體見表1。

表1 皇后園村松散層孔隙含水巖組

2 地下水資源開發(fā)利用情況

2.1 水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

根據(jù)太原市第二次水資源調(diào)查評價成果，皇后園村1956年～2000年地下水可開采量13100萬m3，全區(qū)巖溶水可開采量為7222萬m3，盆地孔隙水開采量為5878萬m3。根據(jù)2014年～2016年的水資源公報(bào)及2017年、2018年用水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，皇后園村地下水孔隙水平均總?cè)∷?951.8萬m3，孔隙地下水開發(fā)利用程度50.22%，屬于尚有開發(fā)潛力區(qū)?；屎髨@村2014年～2018年地下水開采量見表2。

從皇后園村的近年開發(fā)利用情況來看，孔隙地下水開采量逐年降低，由此說明地下水關(guān)井壓采行動中已經(jīng)取得一定成效，全社會應(yīng)繼續(xù)增加地表水、中水、礦井水等水資源的利用比例，促進(jìn)地下水量采補(bǔ)平衡、地下水位止降返升，提升用水安全保障能力。

表2 皇后園村2014年～2018年地下水取水量統(tǒng)計(jì)表

2.2 水資源開發(fā)利用潛力

按地下水開采系數(shù)法對皇后園村地下水資源開采程度進(jìn)行分析，即：開采系數(shù)K>1.2，為地下水嚴(yán)重超采區(qū)；1.0

皇后園村2014年～2018地下水平均總?cè)∷?042萬m3(不包括皇后園村蘭村泉域外供給其他城區(qū)的巖溶地下水)，其中孔隙地下水平均總?cè)∷?951.8萬m3，孔隙地下水開發(fā)利用50.22%，屬于孔隙地下水開發(fā)尚有潛力區(qū)。

3 地下水水質(zhì)評價

3.1 評價方法

用于松散層孔隙地下水水質(zhì)評價的方法較多，本文主要采用模糊綜合評價法，該評價方法能有效克服單因子評價等方法使用過程中最劣超標(biāo)因子影響較大的缺陷，評價結(jié)果更加合理，也更符合區(qū)域地下水水質(zhì)狀況實(shí)際。在采用模糊綜合評價法進(jìn)行皇后園村松散層孔隙地下水水質(zhì)級別評價的過程中，采用《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-2017)進(jìn)行地下水各組分分級及界值類別和標(biāo)準(zhǔn)值[1]的選取。

模糊綜合評價法是以模糊數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)的綜合評價方法，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)中的從屬度理論，通過定量評價取代定性評價，從而順利解決地下水質(zhì)量評價因子量化的難題?；诨屎髨@村地下水環(huán)境質(zhì)量特征，進(jìn)行區(qū)域地下水環(huán)境質(zhì)量模糊綜合評價模型的構(gòu)建，步驟如下：

Step1：創(chuàng)建區(qū)域地下水環(huán)境質(zhì)量綜合判斷因素集，表示為X={i|i=1,2,…,n}；

Step2：創(chuàng)建區(qū)域地下水環(huán)境質(zhì)量評價集，表示為V={i|i=1,2,…,n}；

Step3：基于區(qū)域地下水水質(zhì)分級，構(gòu)建隸屬函數(shù)。當(dāng)時，區(qū)域地下水環(huán)境質(zhì)量為1級，隸屬函數(shù)可表示為：

(1)

當(dāng)j=2,3,…(m-1)時，區(qū)域地下水環(huán)境質(zhì)量為2～(m-1)級，隸屬函數(shù)可表示為：

(2)

當(dāng)j=m時，區(qū)域地下水環(huán)境質(zhì)量為m級，隸屬函數(shù)可表示為：

(3)

Step4：根據(jù)對區(qū)域地下水環(huán)境質(zhì)量評價因子隸屬度的分析，構(gòu)建模糊矩陣R，矩陣中的各項(xiàng)元素主要由隸屬度函數(shù)求得；

Step5：基于區(qū)域地下水環(huán)境質(zhì)量評價中各因子影響程度對各評價因子進(jìn)行權(quán)重的賦值，為保證賦值結(jié)果更加符合工程實(shí)際，還應(yīng)對各項(xiàng)因子權(quán)重進(jìn)行歸一化處理，公式如下：

(4)

式中：xi為第i種區(qū)域地下水污染物實(shí)測值，mg/L；δij為第i種區(qū)域地下水污染物第級標(biāo)準(zhǔn)值，mg/L；δi(j+1)為第i種區(qū)域地下水污染物第j+1級標(biāo)準(zhǔn)值，mg/L；δi(j-1)為第i種區(qū)域地下水污染物第j-1級標(biāo)準(zhǔn)值，mg/L；Ci為第i種區(qū)域地下水污染物標(biāo)準(zhǔn)值，mg/L；μi為第i種區(qū)域地下水污染物標(biāo)準(zhǔn)值均值，mg/L；Ai為第i種區(qū)域地下水污染物歸一化處理后的權(quán)重系數(shù)。

Step6：構(gòu)建區(qū)域地下水環(huán)境質(zhì)量綜合評價模型，并按照隸屬度最大值原則進(jìn)行地下水質(zhì)分類等級確定：

(5)

選取2018年皇后園村9眼井為主要研究對象，包括3眼潛水井、2眼承壓井Ⅰ、2眼承壓井Ⅱ、2眼承壓井Ⅲ，分別位于皇后園村東北、西北、東南和村中心區(qū)域的顧莊、王莊、雙溝、順溝、李樓、塔山、五段、畔灣、河灣等地，并分別設(shè)置1個監(jiān)測點(diǎn)。松散層孔隙地下水水質(zhì)評價主要包括硫酸鹽、總硬度、氯化物、氨氮、溶解性總固體、高錳酸鹽指數(shù)、硫化物等化學(xué)項(xiàng)目及氟化物、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氰化物、鉛、鎘等毒理學(xué)項(xiàng)目。

3.2 地下水化學(xué)特征

(1)潛水含水層

皇后園村松散層潛層孔隙地下水呈弱堿性，pH值在7.0～8.1范圍內(nèi)，測井內(nèi)地下水礦化度在1.0g/L以內(nèi)的淡水井占比84.1%，礦化度在1.0 g/L～2.0 g/L的微咸水占比7.3%，礦化度在3.0 g/L～10.0 g/L的咸水占比8.6%，就分布區(qū)域而言，礦化度整體呈南高北低、東高西低趨勢。測井內(nèi)地下水總硬度低于450 mg/L的軟水占比40.9%，總硬度在451 mg/L～600 mg/L之間的硬水占比24.8%，總硬度在600 mg/L以上的極硬水占比34.3%，地下水總硬度的變化趨勢與礦化度基本相同，潛層孔隙地下水總硬度監(jiān)測值在220 mg/L～1996 mg/L范圍內(nèi)變化，總硬度值偏高。

(2)承壓含水層

皇后園村松散層各承壓層孔隙地下水pH值、總硬度及礦化度等監(jiān)測結(jié)果見表3，通過監(jiān)測結(jié)果可以看出，各承壓含水層地下水pH值、總硬度及礦化度等總體上呈南高北低、東高西低變動趨勢。

表3 皇后園村松散層各承壓層孔隙地下水水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果

皇后園村松散層各承壓層孔隙地下水pH值在7.31～8.05區(qū)間內(nèi)，整體呈弱堿性特征。承壓Ⅰ、承壓Ⅱ、承壓Ⅲ含水層內(nèi)礦化度≤1000 mg/L的淡水井占比分別為65.8%、69.2%和76.1%；礦化度在1000 mg/L～2000 mg/L的淡水井占比分別為21.4%、22.9%和23.9%；礦化度在3000 mg/L～10000 mg/L的淡水井占比分別為12.8%、7.9%和0%。承壓Ⅰ、承壓Ⅱ、承壓Ⅲ含水層內(nèi)總硬度在450 mg/L以內(nèi)的軟水井占比分別為67.2%、58.9%、82.6%；總硬度在451 mg/L～600 mg/L以內(nèi)的硬水井占比分別為12.3%、32.7%和17.4%；總硬度在600 mg/L以上的極硬水井占比分別為20.5%、8.4%和0%。

3.3 各監(jiān)測點(diǎn)評價因子權(quán)重系數(shù)

基于皇后園村地下水環(huán)境質(zhì)量評價中各因子的影響程度，對各評價因子進(jìn)行權(quán)重賦值并根據(jù)式(4)進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果見表4。

表4 皇后園村各監(jiān)測點(diǎn)評價因子權(quán)重系數(shù)

3.4 地下水質(zhì)量綜合評價

在進(jìn)行各監(jiān)測點(diǎn)評價因子權(quán)重系數(shù)歸一化處理的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Matlab軟件編程計(jì)算，并將各監(jiān)測點(diǎn)評價因子權(quán)重系數(shù)代入模糊綜合評級模型D中進(jìn)行皇后園村松散層孔隙地下水水質(zhì)評價，評價結(jié)果見表5。

表5 皇后園村松散層孔隙地下水水質(zhì)評價結(jié)果

根據(jù)表中水質(zhì)評價結(jié)果，潛水層監(jiān)測結(jié)果中Ⅲ類以上水質(zhì)、Ⅴ類水質(zhì)占比分別為75.5%和24.5%；承壓Ⅰ含水層內(nèi)Ⅲ類以上水質(zhì)、Ⅴ類水質(zhì)占比分別為79.8%和20.2%；承壓Ⅱ含水層中Ⅲ類以上水質(zhì)、Ⅴ類水質(zhì)占比分別為88.9%和11.1%；承壓Ⅲ含水層中Ⅲ類以上水質(zhì)、Ⅳ類水質(zhì)占比分別為89.5%和10.5%。

圖1 不同含水層水質(zhì)類別占比

皇后園村松散層孔隙地下水不同含水層水質(zhì)類別占比情況見圖1，由圖可知，Ⅰ類水百分占比由高至低所在含水層依次為承壓Ⅱ、承壓Ⅲ、承壓Ⅰ和潛水層；Ⅱ類水百分占比由高至低所在含水層依次為承壓Ⅲ、承壓Ⅰ、承壓Ⅱ、潛水層；Ⅲ類水百分占比由高至低所在含水層依次為潛水層、承壓Ⅰ、承壓Ⅱ、承壓Ⅲ；Ⅳ類和Ⅴ類水百分占比之和由上至下依次降低?？傊袎孩蠛畬铀|(zhì)最好，承壓Ⅱ含水層水質(zhì)次之，水質(zhì)較差的是潛水層和承壓Ⅰ含水層。

潛水層、承壓Ⅰ、承壓Ⅱ、承壓Ⅲ含水層水質(zhì)較差的區(qū)域分別位于順溝、五段、畔灣等地，在地質(zhì)條件等的影響下，上述區(qū)域含水層存在礦化度、氟化物和總硬度等主要污染因子，此外，五段污水處理廠污水管網(wǎng)滲漏也是造成周邊區(qū)域松散層孔隙地下水污染的主要原因；河灣地區(qū)主要受人類活動影響較大，導(dǎo)致氨氮含量超標(biāo)近7倍，潛層地下水受到嚴(yán)重污染。

4 地下水保護(hù)措施

以上對皇后園村松散層孔隙地下水水質(zhì)的評價與分析表明，該區(qū)域孔隙地下水水質(zhì)存在一定程度的污染，區(qū)域內(nèi)各業(yè)主單位應(yīng)制定事故狀況下的廢污水應(yīng)急預(yù)案，并把污水處理措施落實(shí)到實(shí)處，確保項(xiàng)目實(shí)施不對地下水環(huán)境造成新的污染，真正做到廢污水不亂排放。與此同時，還應(yīng)加大對當(dāng)?shù)卮迕竦男麄鹘逃Χ?，?qiáng)化對水污染事件的防范意識和責(zé)任意識。

地方水管部門應(yīng)及時掌握區(qū)域水環(huán)境動態(tài)變化特征，業(yè)主應(yīng)積極配合區(qū)域水資源管理部門做好項(xiàng)目周邊區(qū)域水環(huán)境監(jiān)測工作。水環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)以項(xiàng)目區(qū)以及周圍區(qū)域地表水、地下水為主布設(shè)，其中地下水監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)盡量與現(xiàn)有地下水水位觀測井相結(jié)合。業(yè)主應(yīng)派專人按照《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》(SL 219-2013)的有關(guān)要求定時對監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)、水量[2]進(jìn)行觀測，監(jiān)測成果應(yīng)及時上報(bào)當(dāng)?shù)厮姓鞴懿块T。

為有效防范各類項(xiàng)目及村民生活污水未經(jīng)處理排放等突發(fā)水環(huán)境事件的發(fā)生，及時、合理處置可能發(fā)生的各類水環(huán)境事故，確保項(xiàng)目建設(shè)運(yùn)行對泉域水環(huán)境影響程度降至最低，必須以預(yù)防突發(fā)水環(huán)境事件為重點(diǎn)，逐步完善處置水環(huán)境突發(fā)事件的預(yù)警、處置及善后工作機(jī)制，建立防范有力、指揮有序、快速高效和統(tǒng)一協(xié)調(diào)的突發(fā)水環(huán)境事件的應(yīng)急處置體系。

5 結(jié)論

通過對山西省太原市尖草坪區(qū)皇后園村松散層孔隙地下水水質(zhì)的分析與評價表明，區(qū)域內(nèi)因?yàn)榇嬖诟黝惤ㄔO(shè)運(yùn)營項(xiàng)目及村民生活污水污染，再加上在地質(zhì)條件等的影響下，導(dǎo)致承壓Ⅱ含水層水質(zhì)一般，潛水層和承壓Ⅰ含水層水質(zhì)較差。為加強(qiáng)地下水水質(zhì)保護(hù)及強(qiáng)化區(qū)域地下水資源管理，必須從加強(qiáng)水務(wù)管理、加強(qiáng)水環(huán)境監(jiān)測、制定水污染突發(fā)事件時的應(yīng)急處置預(yù)案等方面著手，制定科學(xué)合理的地下水保護(hù)方案，并有針對性地加強(qiáng)地下水水質(zhì)治理。