定靖中部地區地下水質量與分布特征分析

唐 歡,康衛東,王潤蘭,皮鍇鴻

(西北大學大陸動力學國家重點實驗室,陜西 西安 710069)

定邊縣和靖邊縣是陜北榆林市最西南的兩個相鄰的縣,地處毛烏素沙漠與陜北黃土高原的接壤地帶,屬半干旱大陸性季風氣候區,降水稀少,區內主要的供水水源為地下水。定靖中部地區為平原區,是主要人口活動區(圖1)。近年來,對區內油、氣、鹽、煤資源的大量開發利用,以及城鎮規模擴張和人口快速增長,使得區內的地下水環境問題日益突出,并對當地居民飲水安全等構成嚴重威脅。評價區內地下水質量并對及其分布特征開展研究,旨在為未來地下水的開發利用與保護以及地下水污染防控等提供基礎依據。

圖1 研究區范圍

1 地下水質量評價

本文分別采用單指標評價法、內梅羅指數法、模糊綜合評價法和層級階梯評價法對定靖中部地區的地下水進行質量評價,并在此基礎上,利用綜合權重評價法對區內地下水質量進行最終評判。

1.1 數據采集與評價指標選取

1.2 各類評價方法簡介

1.2.1 單指標評價法

單指標評價法是用水質最差的單項指標所屬類別來確定水體綜合水質類別,即將各類指標的測試結果對照GB/T14848—2007《地下水質量標準》,確定相應指標的水質類別,并選取指標最差水質類別作為該水樣的水質類別[1]。

1.2.2 內梅羅指數法

根據實際評價中所選的污染因子計算評分標準及污染指數,將污染指數與標準污染指數相對照,以確定水質類型。內梅羅指數法計算公式為

(1)

(2)

1.2.3 模糊數學綜合評價法

模糊綜合評價法用模糊數學理論,通過隸屬度的計算來確定水質類型,既考慮了各污染因子對水體的危害程度,也考慮了各污染因子與水體之間復雜的非線性關系。污染因子對水體危害越大,則所占的權重越大。在權重計算和隸屬度符合運算時有4種復合算子,分別是主因素決定型算子(取小取大),主因素突出型算子(相乘取大),加權平均型算子(相乘相加)和不均勻平衡型算子(取小相加)。其中,相乘相加算子在計算時考慮了所有參評指標的影響,采用加權的方法既強調了最大污染指標,又使所有的參評指標在評價中均能發揮應有的作用,相對其他3種算子模型而言較為合理[3-4]。本文運用相乘相加算子對該區地下水質量進行模糊評價。

1.2.4 層級階梯評價法

首先將測試指標分為現場測試指標、無機常規化學指標、無機毒理指標和微量有機指標4個類別,對現場指標和無機常規化學指標分別進行評價(單指標法),依據評價結果得出初步的水質評價結果;再對無機毒理指標和微量有機指標進行綜合評價,得出污染評價結果。其中污染等級劃分依據為:①1級,無機毒理指標和微量有機指標小于等于水質標準Ⅱ類;②2級,無機毒理指標或有機指標超水質標準Ⅱ類,但均未超Ⅲ類標準;③3級,單項無機毒理指標或有機指標超水質標準Ⅲ類,并小于Ⅲ類水標準的1.5倍;④4級,無機毒理指標或微量有機指標超水質標準Ⅳ類,或有多項參數超水質標準Ⅲ類且污染超標強度大于50%。最后根據污染等級決定對水質等級是否進行升級,當污染等級大于水質級別時,水質級別升高一級;反之,則不升級。

1.3 評價結果討論

由圖2可以看出各類方法的評價結果不同,差異也較大,很難評定哪一種方法的評價結果更可靠。為了解決這一難題,擬將4種方法的評價結果進行綜合，得出最終的評判結果。本文從各種方法的基本原理出發,并結合其評價結果特點,賦予不同方法相對應的權重值來避免不同方法的缺陷(有些評價結果偏大,有些偏小),并要求幾類方法的權重值之和為1。對同一水樣,將不同方法評價結果進行加權求和,然后四舍五入取整,就是該水樣最終的質

圖2 4類方法的質量評價結果

量評價結果。該方法簡稱為綜合權重評價法,用公式表達如下:

(3)

式中:Mj為水樣j的最終質量評價結果;Nij為水樣j第i種方法的質量評價結果;wi為第i種方法對應的權重值;[0.5+X]為對X進行四舍五入取整的結果。

下面分別對各種方法的權重值進行討論。單指標評價法是以最差的水質級別為評價結果,所以必然導致最終評價結果偏高,賦予其權重值w1;內梅羅指數法過于突出最大污染因子,使綜合評分值偏高[5-6],導致最終評價結果偏高,但是其評價結果比單指標評價法要低,所以賦予高于單指標評價法的權重值w2(w2>w1);層級階梯評價法將測試指標進行分類,綜合考慮了各類指標的影響,其評價結果比單指標評價法要低,所以賦予高于單指標評價法的權重值w3(w3>w1),但是其同類指標評價還是以水質最差級別作為評價結果,結果偏高;模糊綜合評價采用相乘相加算子,加入每項指標的權重,綜合考慮到每一類指標的影響,其結果比前3類評價方法的結果偏好,賦予高于w2、w3和w1的權重值w4(w4>w2、w3>w1)。權重值的選取是重要的，但也是難度很大的,目前還未能找到一種滿意的方法。本文借鑒計算機程序的調試方法,對4種方法的權重進行反復調試,得出最終接近實際的權重值。已知:w4>w2、w3>w1且w1+w2+w3+w4=1,要求權重值間的差距不能過大,經過多次反復調試,最終確定w1=0.15,w2=0.25,w3=0.25,w4=0.35(表1)[7-13]。

表1 定靖中部地區地下水質量評價結果匯總 組

由圖3可以看出,用綜合權重評價法得出的質量評價結果明顯克服了各種方法的缺陷:單指標和層級階梯評價法以最劣水質為最終結果,而導致缺少Ⅰ類水;內梅羅指數評價結果過分考慮最大值項,而缺少Ⅲ類水;模糊綜合評價法弱化最大值項,使結果偏小。綜合權重評價法的評價結果綜合了以上4種方法的結果,使結果更加可靠,更加接近實際。

圖3 定靖中部地區地下水質量綜合權重評價法評價結果

最終評價結果顯示:Ⅰ類水2組,占取樣總數3.23%;Ⅱ類水7組,占樣品總數11.29%;Ⅲ類水6組,占取樣總數9.68%;Ⅳ類水15組,占樣品總數24.19%;Ⅴ類水32組,占樣品總數51.61%(表1、圖3)。超出Ⅲ類水標準的有47組,即有75.8%的地下水不適宜直接飲用。由此可見,定靖中部地區地下水質量總體不好,大多地下水不能直接飲用。

圖4 定靖中部地區地下水質量狀況分布

2 地下水質量分布特征與成因分析

2.1 分布特征

從圖4可以看出,靖邊北部地區水質較好,僅個別地區出現水質較差點;定邊南部黃土丘陵地區水質普遍較差,區內地下水質量狀況分布與地下水補給特征呈現出一定的相關性。Ⅴ類水主要分布在定邊縣城以南地區,Ⅳ類水主要分布在定邊縣城東部平原區和靖邊縣城之北的平原區以及靖邊縣城南部的黃土丘陵區;Ⅰ～Ⅲ類水主要分布在縣城之北的平原區和沙漠區以及沙漠灘地區。整體上,從南到北,即從黃土丘陵區到平原區再到沙漠區,地下水的水質越來越好。

2.2 成因分析

原生環境中對地下水質量起最主要作用的是地層巖性和補給特征。在北部沙漠區和沙漠灘地區,包氣帶巖性主要為細砂、粉砂,含水性和透水性都好,地下水循環周期短、速度快,加之該區居民較少,石油天然氣開采密度小,因而地下水水質較好;南部黃土斜坡與黃土丘陵區,包氣帶巖主要為粉土,地下水補給條件差、運移速度較慢,入滲水與周圍巖層的淋濾作用和離子交換作用[14]時間充分,使得水中礦物質成分富集,地下水無機離子增加,原生沉積環境較差，導致地下水質量較差。

不同質量地下水的分布與人類活動的相關性主要體現在污染源的空間分布上。這些地區是石油勘探和開采的較密集區域,由于勘探井或開采井施工工藝的需要,泥漿中參有大量化學添加劑,使得地層中部分離子超量富集,導致地下水部分化學組分改變或超標。尤其定邊南部分布大量開采油井,油井的開采層大多在該區地下水含水層之下,所以油井必然“穿過”地下含水層,從而影響地下水的質量,這也是定邊南部水質差的原因之一。另外,靖邊蘆河周邊地下水水質較差,與蘆河沿河兩岸的蘆河酒廠、榆林煉油廠、天然氣凈化廠、甲醇廠等的生產廢水,以及靖邊城鎮居民的生活污水直接排入蘆河有關,蘆河水補給地下水,導致蘆河周邊地下水水質較差,Ⅳ、Ⅴ類水點分布較多。

3 結 語

地下水質量評價方法很多,但是每一種方法都存在著不同的缺陷,導致結果往往與實際情況不一致。筆者首先采用單指標評價法、內梅羅指數評價法、層級階梯評價法和模糊綜合評價法對定靖中部地區地下水進行質量評價,各種方法的評價結果差異較大。為彌補這些方法的缺陷,讓評價結果更加可靠,筆者提出綜合權重質量評價方法。該方法對每一種方法進行權重賦值,通過權重大小來調節評價結果,最終評價結果為:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類水所占比例分別為:3.23%、11.29%、9.68%、24.19%、51.61%。這種最終評判結果更加可靠和符合實際情況:定靖中部地區地下水質量普遍較差,地下水大多不適宜直接飲用;水質分布東北好、西南差,而且水質分布規律與原生環境和人類活動有一定的相關性。

[1] 程繼雄,程勝高,張煒. 地下水質量評價常用方法的對比分析[J]. 安全與環境工程,2008(2):23-25.(CHENG Jixiong,CHENG Shenggao,ZHANG Wei. Comparison and analysis on common methods of groundwater quality assessment[J].Safety and Environmental Engineering,2008(2):23-25.(in Chinese))

[2] 關云鵬.利用內梅羅指數法模型評價地下水水質的探討[J].山西水利科技,2012(1):81-84.(GUAN Yunpeng. A discussion on evaluating groundwater quality by Nemerow index method[J].Shanxi Hydrotechnics,2012(1):81-84.(in Chinese))

[3] 楊磊磊,盧文喜,黃鶴,等.改進內梅羅污染指數法和模糊綜合法在水質評價中的應用[J].水電能源科學,2012(6):41-44.(YANG Leilei, LU Wenxi, HUANG He, et al. Application of improved Nemerow pollution exponential method and fuzzy comprehensive evaluation method used in water quality assessment[J].Water Resources and Power,2012(6):41-44.(in Chinese))

[4] 馬莉. 神府礦區地下水污染評價與污染場地地下水“三氮”運移模擬研究[D].西安:西北大學,2014.

[5] 寇文杰,林健,陳忠榮,等.內梅羅指數法在水質評價中存在問題及修正[J].南水北調與水利科技,2012(4):39-41,47.(KOU Wenjie, LIN Jian, CHEN Zhongrong, et al. Existing problems and modifications of using Nemerow index method in water quality assessment[J].South-to-North Water Diversion and Water Sciences & Technology,2012(4):39-41,47.(in Chinese))

[6] 李亞松,張兆吉,費宇紅,等.內梅羅指數評價法的修正及其應用[J].水資源保護,2009,25(6):48-50.(LI Yasong, ZHANG Zhaoji, FEI Yuhong, et al. Improvement of Nemerow index method and its application[J].Water Resources Protection,2009,25(6):48-50. (in Chinese))

[7] 李亞松,張兆吉,費宇紅,等. 地下水質量綜合評價方法優選與分析:以滹沱河沖洪積扇為例[J]. 水文地質工程地質,2011(1):6-10.(LI Yasong,ZHANG Zhaoji,FEI Yuhong,et al. Optimal selection and analysis of groundwater quality evaluation methods:a case study in the Hutuo River alluvial pluvial fan[J].Hydrogeology & Engineering Geology,2011(1):6-10.(in Chinese))

[8] 李亞松. 地下水質量綜合評價方法研究:以滹沱河沖洪積扇為例[D].北京:中國地質科學院,2009.

[9] 楊炳超. 地下水質量綜合評價方法的研究[D].西安:長安大學,2004.

[10] 李名升,張建輝,梁念,等.常用水環境質量評價方法分析與比較[J].地理科學進展,2012(5):617-624.(LI Mingshen, ZHANG Jianhui, LIANG Nian, et al. Comparisons of some common methods for water environmental quality assessment[J].Progress in Geography,2012(5):617-624.(in Chinese))

[11] 劉石. 地下水質量評價方法探討[D].北京:中國地質大學(北京),2006.

[12] 文冬光,林良俊,孫繼朝, 等. 中國東部主要平原地下水質量與污染評價[J]. 地球科學(中國地質大學學報),2012(2):220-228.(WEN Dongguang,LIN Liangjun,SUN Jichao, et al.Groundwater quality and contamination assessment in the main plains of Eastern China[J].Earth Science(Journal of China University of Geosciences),2012(2):220-228.(in Chinese))

[13] 安達,姜永海,楊昱,等. 海明距離模糊法在垃圾填埋場地下水質量評價中的應用[J]. 環境工程技術學報,2013(2):119-123.(AN Da, JIANG Yonghai, YANG Yu, et al. Application of hamming distance fuzzy mathematics method in groundwater quality assessment of municipal solid waste landfills[J]. Journal of Environmental Engineering Technology,2013(2):119-123.(in Chinese))

[14] 王超,束龍倉,魯程鵬. 滲透系數空間變異性對低滲透地層中地下水溶質運移的影響[J]. 河海大學學報(自然科學版),2014,42(2):137-142.(WANG Chao, SHU Longcang, LU Chengpeng. Impacts of spatial variability of hydraulic conductivity on solute transport in groundwater of low permeability stratum[J]. Journal of Hohai University(Natural Sciences),2014,42(2):137-142. (in Chinese))