快速城鎮(zhèn)化背景下關(guān)中地下水水質(zhì)演化特征研究

劉浩然，嚴寶文

(1.河海大學 水文水資源學院，江蘇 南京 210098；2.西北農(nóng)林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100)

社會經(jīng)濟發(fā)展的一個必然結(jié)果是城鎮(zhèn)化，改革開放以來，我國城鎮(zhèn)化進程顯著加快[1]。在我國，很多城鎮(zhèn)地區(qū)的地下水水質(zhì)在形成的過程中，人類活動對其影響甚至超過了自然環(huán)境對其的影響[2]。據(jù)對全國近120個城市連續(xù)5年左右的監(jiān)測資料表明：僅有極少數(shù)的城市地下水基本清潔或污染較輕[3]。

關(guān)中地區(qū)位于陜西省中部，是關(guān)中平原的一部分，近些年來，關(guān)中地區(qū)城市規(guī)模擴大，城市人口增加，城鎮(zhèn)化進程加速，而在這一過程中，其對地下水的影響越來越大，但具體的影響則趨于多樣化。顯然，厘清水質(zhì)變化的特征，查明各水質(zhì)指標與城鎮(zhèn)化進程的關(guān)系，尋求更有針對性的水質(zhì)改善措施，是更好地助力關(guān)中地區(qū)的城鎮(zhèn)化發(fā)展的必要前提。

1 材料與方法

1.1 研究材料

以關(guān)中的寶雞(16年數(shù)據(jù))和西安(20年數(shù)據(jù))兩個城市為研究對象，選取單項水質(zhì)指標為：pH值、氨氮、總硬度、COD(本文指化學需氧量)、陰離子(氯離子和硫酸根之和)、氟離子。研究各水質(zhì)指標的變化特征，研究人口城鎮(zhèn)化率與主要水質(zhì)指標變化之間的關(guān)系，從城鎮(zhèn)化發(fā)展對地下水水質(zhì)的影響，對綜合地下水水質(zhì)的影響，來探尋快速城鎮(zhèn)化進程對地下水水質(zhì)動態(tài)的影響，提出城鎮(zhèn)化過程中地下水開發(fā)利用的建議，以助力關(guān)中地區(qū)的新型城鎮(zhèn)化發(fā)展。

數(shù)據(jù)來源于《陜西省地下水年鑒》。典型井選取時優(yōu)先考慮數(shù)據(jù)完整、原始數(shù)據(jù)較長的潛水井和淺層承壓水井。兩市典型井選取的基本情況如表1所示。

表1 各典型井概況

1.2 模糊綜合評價法

基于模糊數(shù)學理論的利用隸屬函數(shù)的模糊綜合評價模型可以較好地解決水質(zhì)級別界限的模糊問題[4]，其不僅能評價水質(zhì)類別，還能判斷水質(zhì)的主要污染物，具備定性評價和定量評價的特點，且計算過程簡單，結(jié)果較科學合理[5]。

主要步驟如下：

(1)模糊因子集U和評價集W的建立。其中，U為評價的各個單項指標，W為水質(zhì)分級，Ⅰ為最優(yōu)，Ⅴ為最劣。

(2)建立單項因子的隸屬函數(shù)，其采用線性函數(shù)，函數(shù)最小值為0，最大值為1。

(3)模糊關(guān)系矩陣R的建立。根據(jù)水樣各評價因子的實測值及隸屬度公式，計算出各自的隸屬度，形成模糊關(guān)系矩陣R。

(4)評價因子權(quán)重矩陣B的建立。可采用層析分析法進行權(quán)重計算，它將決策者的主觀判斷和推理緊密聯(lián)系起來，可避免失誤，得到了廣泛應(yīng)用[6]。先利用九標度法對各評價因子進行相互比較，建立比較矩陣A，其中，比較遵照的標準如表2所示。

表2 比較的標準

之后再使用極差法利用建立好的比較矩陣構(gòu)造判斷矩陣[7-8]。

f(ri，rj)=cij=cb(ri-rj)/R

式中：cij為比較矩陣的元素；cb為按某種標準預(yù)先給定的極差元素對的相對重要程度；

判斷矩陣C構(gòu)造好之后，按照：

可以計算得到一個權(quán)重矩陣B。

(5)進行模糊綜合評價。將得到的模糊關(guān)系矩陣R與權(quán)重矩陣B進行復合運算，確定水體的綜合隸屬度。對于模糊矩陣：兩數(shù)相乘取小者為“積”，諸數(shù)相加取大者為“和”，最后得到綜合隸屬度矩陣，據(jù)此可確定水質(zhì)級別。

2 城市區(qū)地下水水質(zhì)的模糊綜合評價

2.1 權(quán)重的計算

根據(jù)之前敘述的步驟，先請水環(huán)境領(lǐng)域的五位專家教授用九標度法對各因子進行相互比較，建立比較矩陣，評價目標是符合生活用水水質(zhì)要求。再利用極差法構(gòu)造判斷矩陣，代入公式，由此得到pH值、氨氮、總硬度、COD、陰離子和氟離子6類水質(zhì)指標最終的權(quán)重矩陣B如下。

B=[0.119 0.154 0.144 0.141 0.130 0.312]

2.2 模糊綜合計算

現(xiàn)以西安市1996年井K234付的數(shù)據(jù)進行說明，其實測值見于表3。

表3 1996年井K234付水質(zhì)指標實測值

地下水質(zhì)量標準采用GB/T 14848-2017。其中，陰離子各級標準為氯離子和硫酸根各級標準之和，具體見于表4。

表4 地下水質(zhì)量標準

基于西安市1996年井K234付的實測數(shù)據(jù)和2017年地下水質(zhì)量標準，根據(jù)隸屬度的計算公式，得到模糊關(guān)系矩陣R。

將模糊關(guān)系矩陣R與權(quán)重矩陣B進行復合運算，可以確定1996年井K234付的地下水水質(zhì)綜合隸屬度矩陣S。

S=[0.312 0.144 0.113 0 0]

可以看出1996年K234付地下水水質(zhì)類別為Ⅰ類。為了便于后續(xù)綜合水質(zhì)與人口城鎮(zhèn)化率建立相關(guān)關(guān)系，我們把綜合隸屬度矩陣轉(zhuǎn)換為一個數(shù)字。矩陣S反應(yīng)了綜合水質(zhì)對各級水質(zhì)的隸屬度，根據(jù)其實際意義，將元素依次為1、2、3、4、5的一個5行1列矩陣與S相乘，得到綜合水質(zhì)值為0.939。同理可得到各市各井位地下水每一年的綜合隸屬度矩陣S和綜合水質(zhì)數(shù)值。顯然，這里綜合水質(zhì)值越小，水質(zhì)越優(yōu)。

3 結(jié)果與分析

3.1 綜合水質(zhì)值

由模糊綜合評價法計算得的綜合水質(zhì)值如表5所示。

表5 西安市和寶雞市各井綜合水質(zhì)值

由表5可以看出：西安市典型井綜合水質(zhì)值有輕微波動變化，與1996年相比，2015年大多數(shù)井綜合水質(zhì)變好，少數(shù)幾乎不變或變差；寶雞市典型井綜合水質(zhì)值相對平穩(wěn)，年際變化不大，井267綜合水質(zhì)一直較好，在2015年，井大50和井15綜合水質(zhì)與1996年相比略微變好?？偟膩碚f，關(guān)中地區(qū)研究區(qū)域典型井綜合水質(zhì)波動變化，2015年與最初年相比，大多數(shù)井綜合水質(zhì)稍稍變好，少數(shù)幾乎不變或變差，無明顯的規(guī)律。

3.2 地下水單項水質(zhì)指標動態(tài)變化

依據(jù)西安市和寶雞市典型井各年的水質(zhì)指標值，畫出其變化情況折線圖，可以發(fā)現(xiàn)：

(1)在研究時段內(nèi)(西安市1996-2015年，寶雞市2000-2015年)，西安市和寶雞市典型井pH值在2011年之前變化相對較小，但在2011-2015年有小幅上升。另外，近年來，兩市pH值的波動變化幅度均大于之前年份。

(2)大多數(shù)典型井氟離子濃度上下波動較大，它們的氟離子濃度較最初下降，其余井上升或基本不變。

(3)關(guān)中地區(qū)研究區(qū)域大多數(shù)典型井COD濃度波動尤為劇烈，許多井的COD濃度出現(xiàn)了特大值，大多數(shù)井的COD濃度較最初下降或基本不變，其余井上升。同樣，總硬度值整體波動較強，部分井有特大值出現(xiàn)，2015年與最初年相比變化不大，但各年的總硬度值極不穩(wěn)定。

(4)西安市氨氮濃度波動較大，近年來濃度較之前上升，多個井出現(xiàn)特大值。寶雞市部分井也有出現(xiàn)特大值的情況，但是其氨氮濃度變化相對平穩(wěn)，近年來處在較低的狀態(tài)。陰離子濃度同樣波動劇烈，部分井陰離子濃度上升，部分井下降或不變，無明顯規(guī)律。

3.3 地下水水質(zhì)與人口城鎮(zhèn)化率的相關(guān)關(guān)系

將各單項地下水水質(zhì)指標與人口城鎮(zhèn)化率、地下水綜合水質(zhì)值與人口城鎮(zhèn)化率分別導入spss軟件中，進行雙變量相關(guān)分析，得到皮爾遜相關(guān)系數(shù)，進行雙尾顯著性檢驗，當顯著性值小于0.05時，相關(guān)性星級為1星，即相關(guān)性顯著但較弱，當顯著性小于0.01時，相關(guān)性星級為2星，即相關(guān)性較強。具體情況如表6所示。

由表6可以看出：

(1)在關(guān)中地區(qū)研究區(qū)域中，西安市大部分井和寶雞市部分井的pH值與人口城鎮(zhèn)化率存在正相關(guān)關(guān)系，反映出隨著城鎮(zhèn)化進程的推進，城市中部分區(qū)域地下水的pH值上升，原因可能是地下水中堿性鹽含量超標。

(2)關(guān)中地區(qū)部分井氟離子濃度與人口城鎮(zhèn)化率存在相關(guān)關(guān)系，且大部分是負相關(guān)關(guān)系，隨著城鎮(zhèn)化的推進，部分井地下水氟離子濃度逐漸下降。同樣，研究區(qū)域內(nèi)部分井的陰離子濃度與人口城鎮(zhèn)化率相關(guān)性顯著，這其中少數(shù)是正相關(guān)，大部分是負相關(guān)。

(3)研究區(qū)域部分典型井的總硬度濃度與人口城鎮(zhèn)化率相關(guān)性顯著，在這些井中，兩個是負相關(guān)，三個是正相關(guān)，后者表明，隨著人口城鎮(zhèn)化率的上升，總硬度上升。

(4)在關(guān)中地區(qū)研究區(qū)域中，只有寶雞市的大50井的COD濃度與人口城鎮(zhèn)化率有較弱的負相關(guān)關(guān)系。所以總的來說，城鎮(zhèn)化與關(guān)中城市區(qū)地下水的COD濃度相關(guān)性不顯著。同樣，氨氮濃度與人口城鎮(zhèn)化率間相關(guān)性也不顯著，說明前者受后者影響很小。

表6 地下水水質(zhì)與人口城鎮(zhèn)化率相關(guān)關(guān)系情況

(5)關(guān)中地區(qū)大部分典型井的綜合水質(zhì)值與人口城鎮(zhèn)化率相關(guān)性不顯著，綜合水質(zhì)不太受人口城鎮(zhèn)化率的影響，其余井中，部分典型井綜合水質(zhì)值與人口城鎮(zhèn)化率間成負相關(guān)，綜合水質(zhì)隨城鎮(zhèn)化率上升而變好，剩余的典型井則相反。

(6)關(guān)中地區(qū)研究區(qū)域部分典型井的氟離子濃度、陰離子濃度、綜合水質(zhì)值與人口城鎮(zhèn)化率成負相關(guān)，水質(zhì)變好，反映出近年來，相關(guān)部門對地下水水質(zhì)的維護與改善所采取的一系列措施，取得了較好的成效。

4 結(jié)語

分析可知，陜西關(guān)中主要城市西安和寶雞兩市：

(1)多數(shù)典型井的氨氮濃度、COD濃度與人口城鎮(zhèn)化率不存在相關(guān)關(guān)系，說明雖然大量人口向城市遷徙，但由于管控和防治措施有力，未造成生活污水污染以加劇氨氮、有機物濃度的上升。但是，氨氮、COD濃度在個別年份有特大值情況的出現(xiàn)，可能與突發(fā)的污染事故有關(guān)，平時應(yīng)加強防范，減少此類事件的發(fā)生。

(2)隨著城鎮(zhèn)化的推進，部分井地下水氟離子濃度、陰離子濃度逐漸下降，說明近年來，人們的環(huán)保意識加強，關(guān)中地區(qū)研究區(qū)域?qū)I(yè)污水的處理管控取得較好成效，工業(yè)污水的氟化物、陰離子得到了合格處理與排放。要保持對工業(yè)污水處理與排放的監(jiān)管，使地下水水質(zhì)繼續(xù)向好。

(3)關(guān)中城市區(qū)典型井的pH值與人口城鎮(zhèn)化率相關(guān)性顯著，大部分井的pH值隨人口城鎮(zhèn)化率的上升而增加，在最近5年(2011-2015年) 這種變化尤為顯著。由于細菌的理想生活環(huán)境是堿性的，這種水會對人體健康造成影響。要加強對水中硫化物、碳酸鹽等的控制，對含此類物質(zhì)的廢水排放要加強監(jiān)管，達標排放，減少地下水水中堿性鹽的含量，以使pH值達到正常狀態(tài)。

(4)部分井的總硬度與人口城鎮(zhèn)化率成正相關(guān)，為了緩解這種情況，一是要加強對廢水中鈣、鎂離子的管控，達標排放；二是對于這些井位的水，在到達居民家前，要經(jīng)水廠處理以降低硬度。

總體上，應(yīng)繼續(xù)強化工業(yè)排污管理和生活垃圾處理，加強農(nóng)業(yè)污染防治，增強人們的保護意識。多方面共同努力對地下水進行保護，更好地助力城鎮(zhèn)化進程的推進[9]。