礦區(qū)地下水水質(zhì)評價方法探究*

李 波 汪大亞 李 彪 華紹廣3

（1．中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2．國家環(huán)境保護礦山固體廢物處理與處置工程技術(shù)中心）

隨著經(jīng)濟的快速增長以及人類活動范圍和強度不斷增大，地下水水位下降、水體鹽堿化、水環(huán)境污染、水質(zhì)惡化等環(huán)境問題日益突出［1-2］。為了保護和合理開發(fā)地下水資源，需要對地下水質(zhì)量做出科學(xué)可靠的評價，以便對區(qū)域內(nèi)地下水資源的可持續(xù)開發(fā)利用和綜合管理起到指導(dǎo)作用［3-4］。

地下水水質(zhì)評價是否客觀全面，很大程度上取決于所選取的水質(zhì)評價方法的合理性。由于人類生活以及生產(chǎn)過程中對地下水水質(zhì)的需求不同，因此，在地下水水質(zhì)評價指標(biāo)的選擇以及對分類結(jié)果的判斷都存在差異，從而決定了地下水水質(zhì)評價方法多樣性［5-9］。目前，在地下水評價過程中使用較多的是內(nèi)梅羅指數(shù)法，引入評價指標(biāo)中的最大單項污染指數(shù)項，進而在評價過程中凸顯濃度最高的評價指標(biāo)對地下水質(zhì)的影響。但是，在水質(zhì)評價中，各種污染物對環(huán)境及人體的危害程度有很大差別，各種污染因子對環(huán)境和生物體的危害程度的貢獻量不同，一些污染物的危害性甚至與濃度呈現(xiàn)出反比的內(nèi)在聯(lián)系。因此，由于傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法過于突出污染因子中的極大值，而對各類污染因子權(quán)重考慮不足，在污染因子差別較大的區(qū)域可能會導(dǎo)致評價結(jié)果不夠客觀。改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)法融入了各評價指標(biāo)對水質(zhì)綜合評價中所占的權(quán)重問題，加入了各類污染因子對環(huán)境及人體危害程度不同的考量［10］，在污染較復(fù)雜的區(qū)域能夠更客觀、準(zhǔn)確地反映待評價水體的實際情況。在水質(zhì)評價過程中，具體采用哪種方法，往往需要通過對比分析才能確定。

本研究擬通過考察總硬度（以CaCO3計）、氨氮、揮發(fā)酚、Hg、Cd等水質(zhì)指標(biāo)，使用傳統(tǒng)和改進的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法來進行對比研究，將2種評價方法得到的污染指數(shù)分布圖與礦區(qū)水域進行對比，考察2種方法對于復(fù)雜礦區(qū)水質(zhì)評價的客觀性、準(zhǔn)確性，進而得出更加適合本地區(qū)水質(zhì)評價的方法，同時也為礦區(qū)地下水綜合評價提供參考方法。

1 評價工作與方案

1.1 樣品采集與分析

在典型礦區(qū)56 km2范圍內(nèi)開展取樣調(diào)查，采集礦區(qū)及周邊范圍內(nèi)地下水樣品共28件，水樣采集和處理方法參照《水質(zhì)采樣技術(shù)規(guī)程》（SL 187—96）進行。樣品采用化學(xué)法保存，通過加硝酸至pH＜2，防止重金屬元素沉淀或被容器吸附，從而保證最終化驗分析結(jié)果特別是重金屬分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

1.2 評價方法

由于采樣點所取地下水多為人畜飲用水源，水質(zhì)的好壞是以水是否滿足人類飲用為標(biāo)準(zhǔn)來衡量的，因此，根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2017），本次評價采用Ⅲ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.1 傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法計算式中含有評價指標(biāo)中的最大單項污染指數(shù)項，從而凸顯濃度最高的評價指標(biāo)對地下水質(zhì)的影響，進而通過與標(biāo)準(zhǔn)污染指數(shù)相對照，確定水質(zhì)類型，其評價方法如下。

式中，ci為各評價指標(biāo)的實測濃度；sij為Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)濃度；Pi為各評價指標(biāo)的單項污染指數(shù)；Pmax為Pi中的最大值；為Pi的均值，i=1，2，…，n，n為評價指標(biāo)的個數(shù)；Pc為傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)。

以地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)劃分污染等級，根據(jù)水質(zhì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)濃度，對內(nèi)梅羅標(biāo)準(zhǔn)污染指數(shù)的水質(zhì)劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

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1.2.2 改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)法融入了各評價指標(biāo)對水質(zhì)綜合評價中所占的權(quán)重問題，各評價指標(biāo)權(quán)重值的確定過程如下。

將各種參評的評價指標(biāo)排放標(biāo)準(zhǔn)值si由小到大的順序排列，將其最大值smax與si比較，并令ri表示第i種評價指標(biāo)的相關(guān)性比值，則

式中，wi為各種評價指標(biāo)的權(quán)重值。

為克服傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)過于突出最大污染因子對水質(zhì)污染的影響和未考慮權(quán)重因素的缺點，引入P′代替Pmax算式，改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)Pg：

式中，Pq為權(quán)重最大的評價指標(biāo)對應(yīng)的Pi值；P′為傳統(tǒng)Pmax替代值。

根據(jù)各評價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)濃度，計算各級標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的改進內(nèi)梅羅標(biāo)準(zhǔn)污染指數(shù)見表2。

2 應(yīng)用結(jié)果與分析

2.1 傳統(tǒng)內(nèi)梅羅法評價結(jié)果分析

根據(jù)式（1）計算采樣點樣品的內(nèi)梅羅污染指數(shù)，對照相應(yīng)的分級標(biāo)準(zhǔn)，得出評價區(qū)域的地下水水質(zhì)狀況。傳統(tǒng)內(nèi)梅羅的污染評價結(jié)果見圖1。

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根據(jù)傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)的評價結(jié)果，多數(shù)采樣點水質(zhì)隸屬于Ⅱ、Ⅳ類水質(zhì)范圍，少數(shù)樣品隸屬于Ⅲ類水質(zhì)，該區(qū)域地下水在一定程度上受到了污染，部分地下水已不能滿足人類日常飲用水的標(biāo)準(zhǔn)，需要對其采取一定的治理措施。其中采樣點4的傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù)最高，這是由于該點地下水樣品來自于礦區(qū)附近，樣品中所含Mn含量較高，單項水質(zhì)評價為Ⅳ類水質(zhì)。傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)較高的區(qū)域主要是礦場及采礦點附近，污染指數(shù)分布的空間規(guī)律與礦業(yè)活動的布局具有一定程度的一致性。

2.2 改進法結(jié)果分析

按照改進內(nèi)梅羅指數(shù)法計算各污染因子的權(quán)重，Hg的權(quán)重值最大，即Hg是所有參評污染因子中對水質(zhì)的影響較大的一種污染源。根據(jù)各污染指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)濃度，計算各級標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的內(nèi)梅羅標(biāo)準(zhǔn)污染指數(shù)，見表3。根據(jù)實測濃度計算各監(jiān)測斷面的內(nèi)梅羅污染指數(shù)，結(jié)果見圖2。

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與傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法評價的結(jié)果類似，改進法指數(shù)分布較高的區(qū)域也基本位于礦場或采礦點附近（圖2），這與實際的地下水污染分布情況相一致，污染指數(shù)分布的空間規(guī)律與礦業(yè)活動的分布相一致。但改進法的水質(zhì)評價結(jié)果劣于傳統(tǒng)法，水質(zhì)評價等級基本均在Ⅲ、Ⅳ等級范圍內(nèi)。

2.3 對比分析

傳統(tǒng)的和改進的內(nèi)梅羅法計算的污染指數(shù)及水質(zhì)劃分對比見圖3。

可看出2種方法的評價水質(zhì)類型不盡相同，整體上各采樣點傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)略高于改進內(nèi)梅羅指數(shù)，但由于劃分指標(biāo)不同，多數(shù)按照改進內(nèi)梅羅指數(shù)進行劃分的采樣點水質(zhì)劣于或與傳統(tǒng)劃分方法相同，這可能是由于所有評價指標(biāo)中重金屬的評價指標(biāo)所占的權(quán)重比較大，由表3可知，Hg的權(quán)重值達到了0.588，其余的重金屬如Cd，As等權(quán)重也高于其他評價因子。因此相對于其他污染因子來說，重金屬對于人類的危害程度更大，因此針對日常生活飲用水，重金屬的含量高低對于最終水質(zhì)的評價結(jié)果有著較大的影響。

改進法評價結(jié)果劣于傳統(tǒng)法的采樣點基本均位于礦坑或采礦場周邊，因此地下水樣品中重金屬含量相對較高，且由于重金屬屬于毒理性指標(biāo)，對于人體的危害程度較大（如Cd，As，Hg，Pb），因此重金屬指標(biāo)在所有污染因子中所占的權(quán)重較高，故而根據(jù)改進法的評價結(jié)果水質(zhì)劣于傳統(tǒng)法。根據(jù)采樣地的實際情況（屬于典型礦區(qū)，且許多采樣點位于礦坑附近）可知，對于采樣點水質(zhì)影響較大的評價指標(biāo)為重金屬類，且重金屬的毒害作用較大，因此相較于傳統(tǒng)法，改進法的水質(zhì)評價結(jié)果劣于傳統(tǒng)法。根據(jù)傳統(tǒng)法的結(jié)果，采樣點中有相當(dāng)部分的水質(zhì)評價達到Ⅱ類水質(zhì)，即能夠反映地下水化學(xué)組分的天然背景含量，水質(zhì)較好，這與實際情況不相符合。

相較于傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法而言，改進法加入了權(quán)重分析，在一定程度上消除了極大值的影響，并且兼顧了各類污染因子的理化性質(zhì)與水質(zhì)惡化間的關(guān)系，提高了毒理指標(biāo)（如重金屬等）的影響程度，因此更能合理體現(xiàn)各個污染因子的作用，從而使評價結(jié)果更為客觀、可靠、全面。由圖3可以看出，僅28號樣品的改進法水質(zhì)劃分類別優(yōu)于傳統(tǒng)法，這是由于該點水樣中Fe含量較高，導(dǎo)致利用傳統(tǒng)評價法計算時最大值的影響較大，且根據(jù)表3可知，F(xiàn)e的權(quán)重值屬于評價因子中較低的一類，即危害較小，若根據(jù)傳統(tǒng)法評價，則該點的評價結(jié)果過于強調(diào)了單一最大值的影響，不夠客觀準(zhǔn)確。因此，改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)法的評價結(jié)果比較符合該地的實際水質(zhì)狀況，更為合理、客觀。

3 結(jié)論

（1）傳統(tǒng)和改進的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法均表明該典型礦區(qū)的部分地下水已經(jīng)受到一定程度的污染，部分采樣點水質(zhì)已達到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，無法滿足人類日常飲用需求，污染指數(shù)的空間分布規(guī)律與礦業(yè)活動的布局是一致的，礦區(qū)及其附近點的水質(zhì)較差。

（2）根據(jù)對傳統(tǒng)法和改進法的對比分析可得，改進法對水質(zhì)評價的結(jié)果劣于傳統(tǒng)法，這與重金屬指標(biāo)所占權(quán)重有關(guān)，且更符合當(dāng)?shù)厮|(zhì)實際情況。

（3）改進的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法在對水質(zhì)評價過程中考慮到了參評指標(biāo)項目、數(shù)目等的差異，并將各項評價指標(biāo)的權(quán)重值作為參考因素，將權(quán)重值最大的評價指標(biāo)納入評價過程，其結(jié)果相對更為客觀。