彭陽縣城區飲用水水源水質調查與評價

(寧夏彭陽縣水務局，寧夏 固原 756500)

彭陽縣地處我國西北半干旱生態脆弱區，作為資源性缺水的地區之一，人均水資源占有量僅有580m3，約為全國平均值的 1/4。近年來，隨著城鎮化的逐步推進，區域經濟社會和居民生活用水量急劇增加，從而導致用水缺口進一步擴大。水質是水資源的生命，對彭陽縣城區水源供應地的水質進行調查與評價，為保障居民用水安全和實施水資源保護、污染防治提供現實依據。水質綜合評價是水環境監測的重要途徑之一，其基于特定的評價標準建立由水質指標構成的綜合評價矩陣，進而根據單一指標與水體量級間模糊關系，計算水體綜合質量指數，以表征水質優劣。其中熵權-模糊綜合評判法具有客觀賦權、操作簡易的特點，因而被廣大水文工作者采用[1]。鑒于此，本文以彭陽城區飲用水源為研究對象，在實地調查與測定分析的基礎上，研究了城區水質主要化學物質含量特征，并采用熵權-模糊綜合評價法對水質樣點進行評價，以期為城區居民用水安全提供信息服務。

1 研究過程

1.1 研究區概況

研究區位于寧夏回族自治區彭陽縣城區，16個深機井空間分布如圖1所示。水源地屬于六盤山東麓的紅茹河流域，位于城區周邊，介于六盤山向黃土高原延伸的裙皺帶，南北兩側為橫向山系，地勢西高東低，高程介于1295～2453m，形成山地、溝壑地貌。由于距離海洋較遠，形成溫帶半濕潤季風型大陸性氣候，冬季寒冷、夏季溫涼，多年平均溫度為7.5℃，多年平均降水量為350～550mm，蒸發量達1100mm。該地經濟活動以農業為主，用地類型主要是耕地和草地，植被覆蓋度低于20%，機井深度達360m，隨著資源開發、土地利用的推進，給地下水質質量帶來一定隱患。

圖1 深機井分布

1.2 水質調查與樣品制備分析

深機井水文情勢平穩、周期較長，在考慮了降水、天氣等因素影響后，于2017年10月晴天時分對各深機井水質進行取樣。將水質樣品放置于清凈、干燥玻璃瓶中，封裝后送檢測定，為更好地了解水質空間分布差異，在取樣時應用GPS儀記錄了深機井的地理坐標。分析測定的指標主要有：水體的 pH、總硬度、溶解氧(DO)、氨氮(NH3)、總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(CODMn)。其中pH采用酸堿度檢測計進行現場測定，而其他指標分別按照EDTA滴定法、納氏試劑分光光度法、堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法、鉬酸銨分光光度法、高錳酸鹽指數重鉻酸鉀法、分光光度法測定[2]。

1.3 水質評價方法

1.3.1 數據標準化

水質測定數據是進行水質評判的基礎，設有m個水質樣方，有n個水質指標，則原始數據矩陣如下：

(1)

在本研究中共計16個水質點和6項測定指標，故而m為16，n為7。

(2)

式中xminj、xmaxj分別表示在第j項指標中的最小值與最大值。據此得到歸一化矩陣Y=[y]m*n。在歸一化矩陣[y]m*n的基礎上，計算各指標的熵值信息以客觀賦權[3]，公式如下:

(3)

1.3.2 指標隸屬度計算

《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)將水體中單一指標含量豐富度劃分5個級別，并據此將水質劃分為5種類別。水質綜合評價的核心思想便是獲知水質實測指標與標準值之間的隸屬度。以水質分級標準Sij(i∈m，j∈n)為依據，計算實測指標的隸屬度。對于第Ⅰ類水質，其隸屬度公式如下[4]：

(4)

對于第Ⅱ～Ⅳ類水質，其計算公式如下：

(5)

對于第Ⅴ類水質，其隸屬度為

(6)

對于各斷面水質監測指標隸屬度rij，r值越大，則其隸屬度越高，水質越好。根據隸屬度函數計算得到模糊關系矩陣[q]m·n。

1.3.3 水質模糊綜合評價

水體是自然溶液，水體中的各項指標綜合決定了水體質量。單一指標只能反映某一屬性的豐缺程度，采用綜合指數法對各項指標加權求和，即能表達水體綜合質量，則水質綜合指數的計算公式如下[5]：

(7)

1.4 數據處理

應用SPSS 19.0軟件對樣點水質指標的最大值、最小值、均值、標準差和變異系數等特征進行計算；person相關系數用于檢測水質指標之間的關系，應用Excel 2016計算各項指標的熵權信息、隸屬度和水質綜合指數，ArcGIS 10.3繪制水質樣點空間分布圖。

2 結果分析

2.1 研究區水體質量描述性特征

彭陽城區水源地水質調查統計特征見表1。16個水質樣點中pH值介于7.2～8.0之間，屬于中性至弱堿性，均值為7.45，變異程度較小，變異系數僅為2.56%。總硬度在56.8～275.2之間，基本符合飲用水標準。溶解氧含量達8.7±0.2mg/L，呈現弱變異(6.25%)。本區水體中氮素含量較低，其中氨氮含量的最小值為0，最高達到0.015mg/L；總氮含量范圍在0.001～0.01mg/L之間，并且差異性不大。全磷是水體富營養化的重要指標之一，深機井水體中全磷含量介于0.09～1.01mg/L之間，達到Ⅰ類水質標準。

表1 研究區水體主要化學指標統計特征 單位：mg/L

2.2 研究區水體指標間的相關性

水循環過程與大氣、土壤、地質、植被等環境因素以及人為活動存在密切關系，因而水體中各指標含量來源較為復雜。相關分析能夠揭示各指標之間來源是否相同或期間的元素遷移轉化研究區水質指標間的相關系數見表2。由表2可知，研究區水體中溶解氧與pH值呈顯著正相關，相關系數達0.462，表明存在一定的化學元素循環，主要由于pH較高的水體中含鈣鎂鹽類較多，而他們的結構分子與水分子間有著頻繁化學能量轉化。溶解氧與氮素、全磷素均呈正相關關系，并且相關性尚不顯著。

表2 研究區水質指標間的相關系數

注*表示在0.05水平上呈顯著性

2.3 研究區水體質量綜合評價

在模糊綜合評判中，遵循最大值原則確定水質級別，表3為研究區16個樣點水體質量指數的綜合隸屬度值。由表3可知，1～6號樣點水質屬Ⅰ類水質，7～16號樣點屬Ⅱ類水質，兩類水質分別占37.5%和62.5%，綜合來說，深機井水體質量相對較好，能夠滿足飲用水對水質的基本需求。

表3 研究區各樣點水質水體指數及分級

2.4 研究區水質空間分布

為進一步了解彭陽縣飲用水水源水質空間分布特征，將16個樣點水體質量等級進行空間可視化，結果如圖2所示。可知，Ⅰ類水質主要分布于城區中心，Ⅱ水質則分布在城區周邊。水質的這種分布特征，原因如下：?城區中心深機井位于地下水拐彎地帶，地下水流動能較強、流速快，不易于化學鹽類聚集，水體交換能力好，因而水質較優；城區周邊的深機井水體動能較弱、流速緩慢，便于鹽類物質聚集，因而水質略差。?城區中心及周邊深機井由于埋藏較深，降水、河流下滲補給時間長，且人為影響強度微乎其微，水體受影響較小。

圖2 研究區水質空間分布

3 結 論

本文通過實地取樣調查、化驗分析，測定了彭陽縣城區飲用水源的主要化學性質，并采用熵權模糊綜合評判法，對水體質量進行綜合評價。結果表明，該城區主要化學指標含量均符合飲用水水質標準，16個水質樣點中水體質量達到I類的有6個，達到Ⅱ水質的有10個，表明整體水質較好。然而城區水質空間分布不均衡，總體來看，城區中心水質較優，周邊水質略差，主要由于水文情勢和地下水層巖土構造差異引起。為確保區域飲用水安全，當前應增加水質調查與化驗分析頻次，積極監管城區水環境變化，以防治潛在污染。

[1] 郭勁松,龍騰銳,霍國友,等.四種水質綜合評價方法的比較[J].重慶建筑大學學報,2000(4):6-12.

[2] 李會仙,吳豐昌,陳艷卿,等.我國水質標準與國外水質標準/基準的對比分析[J].中國給水排水,2012,28(8):15-18.

[3] 曾永,樊引琴,王麗偉,等.水質模糊綜合評價法與單因子指數評價法比較[J].人民黃河,2007(2):45，65.

[4] 張先起,梁川.基于熵權的模糊物元模型在水質綜合評價中的應用[J].水利學報,2005(9):1057-1061.

[5] 鄒志紅,孫靖南,任廣平.模糊評價因子的熵權法賦權及其在水質評價中的應用[J].環境科學學報,2005(4):552-556.