貴陽(yáng)市巖溶地下水水化學(xué)特征及水質(zhì)評(píng)價(jià)

王亞維，王中美，王益?zhèn)ィ译p燕

(貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025)

0 引 言

貴陽(yáng)市是典型的巖溶地貌城市，巖溶地下水是城市主要的供水來(lái)源。貴陽(yáng)市巖溶多為裸露型巖溶，其具有特殊的水文地球化學(xué)特征和較強(qiáng)的環(huán)境敏感性[1]。地下水的開發(fā)利用與貴陽(yáng)市的發(fā)展密切相關(guān)，地下水水源地安全關(guān)系著萬(wàn)千群眾的生命健康，因此開展貴陽(yáng)市主城區(qū)及周邊地區(qū)水化學(xué)特征分析和水質(zhì)評(píng)價(jià)非常重要。目前針對(duì)地下水水質(zhì)的評(píng)價(jià)方法主要有單因子評(píng)價(jià)法和綜合評(píng)價(jià)法，綜合評(píng)價(jià)法有單項(xiàng)綜合評(píng)價(jià)和組合綜合評(píng)價(jià)兩大類[2]。其中單因子評(píng)價(jià)法是利用單個(gè)監(jiān)測(cè)值與水環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)的規(guī)定值作比較評(píng)價(jià)出超標(biāo)程度，該方法操作簡(jiǎn)單但不能全面反映出地下水質(zhì)量的真實(shí)狀態(tài)[3]；常用的單項(xiàng)綜合分析法有考慮水體中多個(gè)指標(biāo)的綜合效應(yīng)，但水質(zhì)級(jí)別確定時(shí)易受最大濃度污染因子的影響，會(huì)造成結(jié)果不夠合理[4]。地下水質(zhì)評(píng)價(jià)是一個(gè)多因子多層次耦合作用的復(fù)雜系統(tǒng)[5]，其評(píng)價(jià)指標(biāo)具有隨機(jī)和模糊的特點(diǎn)，評(píng)價(jià)過程會(huì)受到諸多不確定因素的影響[6]。單因子評(píng)價(jià)法和單項(xiàng)綜合評(píng)價(jià)法很難有效地反映出評(píng)價(jià)指標(biāo)的這些特點(diǎn)和難以定量的描述實(shí)測(cè)指標(biāo)在不同等級(jí)之間的轉(zhuǎn)換。針對(duì)上述問題，可以將基于指數(shù)標(biāo)度的層次分析法與灰色關(guān)聯(lián)法相結(jié)合建立水質(zhì)評(píng)價(jià)模型，該評(píng)價(jià)方法能夠綜合考慮各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，可以更客觀、更準(zhǔn)確地反映地下水的質(zhì)量。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

貴陽(yáng)市地貌類型是典型的巖溶盆地地貌，出露的地層比較齊全，碳酸鹽巖分布最廣。貴陽(yáng)市地質(zhì)構(gòu)造和地下水徑流條件非常復(fù)雜，主要有北東向構(gòu)造永樂堡復(fù)向斜、南北向構(gòu)造貴陽(yáng)復(fù)式向斜、黔靈向斜、黔靈湖阿哈阻水?dāng)嗔眩瑸醍?dāng)斷裂等[10]，地下水受到地質(zhì)構(gòu)造、地貌及水文網(wǎng)的控制[11]。貴陽(yáng)市的基巖出露面積較大，地下水的主要補(bǔ)給源是大氣降水，以徑流方式排泄[12]。分析貴陽(yáng)市地下水監(jiān)測(cè)水位數(shù)據(jù)可知貴陽(yáng)市地下水較豐富，貴陽(yáng)市主城區(qū)及白云區(qū)北側(cè)地形平坦，水位在5～10 m之間；在巖溶盆地周邊，南部的小河和東部的龍洞堡一帶，地形起伏比較大，水位一般大于30 m；在花溪區(qū)一帶、白云區(qū)和觀山湖區(qū)大部分區(qū)域，地形起伏相對(duì)較為平坦，水位一般在10～20 m之間。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

圖1 貴陽(yáng)市水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

2.2 研究方法

運(yùn)用SPSS軟件分析計(jì)算研究區(qū)60個(gè)地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)枯季和豐季各指標(biāo)的最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律描述各指標(biāo)的基本統(tǒng)計(jì)特征，繪制Piper三線圖、Schoeller圖分析地下水水化學(xué)特征。選取亞硝酸根、總硬度、硝酸根、氟化物、氯離子、硫酸根、三價(jià)鐵7個(gè)具有代表性判定巖溶地下水環(huán)境的水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)建立水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，應(yīng)用層次分析法 (AHP) 對(duì)各水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重分析，結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)法(GRA)對(duì)研究區(qū)的巖溶地下水水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2.2.1 確定指標(biāo)權(quán)重

權(quán)重值wk是依據(jù)層次分析法(AHP)確定的，層次分析法是將一個(gè)復(fù)雜問題劃分為多組組成因素，根據(jù)優(yōu)勢(shì)關(guān)系形成層次結(jié)構(gòu)，使用兩兩比較方法確定出決策值的相對(duì)重要性[13]。傳統(tǒng)上，“1-9標(biāo)度法”用于建立兩兩因素的判斷矩陣，做兩兩因素比較，但許多專家認(rèn)為最早提出的“1-9標(biāo)度法”存在思維與判斷矩陣一致性脫節(jié)等系列問題[14]，其排序權(quán)值較粗，與人們的判斷差別很大，但指數(shù)標(biāo)度就完全可以克服這些問題[15]。因此當(dāng)兩因素進(jìn)行比較時(shí)，本文就用指數(shù)標(biāo)度表示兩因素的相對(duì)重要程度，由此建立兩兩因素的判斷矩陣，從而得出各因素權(quán)重。

表1 指數(shù)標(biāo)度

注：指數(shù)標(biāo)度判斷極限為9，a8=9，a=1.316。

表2為指數(shù)型標(biāo)度的樣本容量為1 000的一致性指標(biāo)RI值。

表2 一致性指標(biāo)RI值

2.2.2 確定比較序列和標(biāo)準(zhǔn)序列關(guān)聯(lián)度

灰色關(guān)聯(lián)分析是基于序列曲線幾何形狀的相似程度來(lái)確定事物是否緊密相連，其關(guān)聯(lián)度即為事物之間關(guān)聯(lián)性程度。本文依據(jù)水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的參考數(shù)列和其比較數(shù)列的相關(guān)性，結(jié)合指標(biāo)權(quán)重建立評(píng)價(jià)模型。

無(wú)量綱化計(jì)算公式如下：

(1)

(2)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的求解。灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算公式如下：

(2)

式中：ξi(k)表示第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象中第k個(gè)最優(yōu)指標(biāo)與第k個(gè)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)；ρ為分辨系數(shù)；k=1,2,…..n，i=1, 2,…,m。

(3)計(jì)算灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度。基于指數(shù)標(biāo)度的層次分析法(AHP)確定的各指標(biāo)的權(quán)重后，計(jì)算灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度ri。

(3)

式中：wk為基于指數(shù)標(biāo)度的層次分析法(AHP)確定的各指標(biāo)的權(quán)重值，k=1,2,…,n。

(4)水質(zhì)評(píng)價(jià)。計(jì)算得到的關(guān)聯(lián)度越大代表與等級(jí)集合的關(guān)聯(lián)程度越高，以此來(lái)確定研究區(qū)域的水質(zhì)等級(jí)。

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水水化學(xué)特征分析

3.1.1 地下水水質(zhì)統(tǒng)計(jì)特征

巖溶地下水的水化學(xué)特征與含水層巖性、地下水動(dòng)力條件和地下水補(bǔ)給來(lái)源密切相關(guān)[16]，通過統(tǒng)計(jì)分析地下水有關(guān)水化學(xué)指標(biāo)可以了解地下水水化學(xué)成分的基本特征。研究區(qū)地下水水化學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征值見表3。

表3 研究區(qū)地下水水化學(xué)指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)特征

圖2 豐水期Piper三線圖

圖3 枯水期Piper三線圖

3.1.2 地下水水化學(xué)特征成因分析

水化學(xué)特征Schoeller圖可以用來(lái)分析水樣中主要離子的濃度變化，在Schoeller圖中，每條折線都分別代表一個(gè)樣品，若水樣的各參數(shù)濃度值在圖中呈現(xiàn)出平行線趨勢(shì)，則表示這水樣的各參數(shù)濃度比值相近或者相等，如果水樣中濃度不同，則在圖上顯示為一個(gè)樣品位于另一樣品的上方，離子隨著水流由濃度相對(duì)低點(diǎn)向濃度相對(duì)高點(diǎn)運(yùn)移，從而揭示出不同取樣點(diǎn)之間的地下水化學(xué)組分的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向，從圖4和圖5可以看出，研究區(qū)枯、豐期60個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水化學(xué)變化趨勢(shì)基本相同，這表明研究區(qū)60個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地下水補(bǔ)給來(lái)源相似。

圖4 豐水期Schoeller圖

圖5 枯水期Schoeller圖

(4)

(5)

3.2 地下水水質(zhì)分析

根據(jù)上述對(duì)研究區(qū)巖溶地下水水化學(xué)特征的分析，建立基于GRA-AHP的地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)模型，對(duì)研究區(qū)60個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，以研究區(qū)12067號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)豐水期水質(zhì)作為分析事例，具體評(píng)價(jià)過程如下。

表4 研究區(qū)地下水水化學(xué)指標(biāo)相關(guān)關(guān)系矩陣(豐水季)

表5 研究區(qū)地下水水化學(xué)指標(biāo)相關(guān)關(guān)系矩陣(枯水季)

表6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)指標(biāo)濃度 mg/L

表7 地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) mg/L

3.2.1 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

根據(jù)地下水中各種離子對(duì)于水質(zhì)的影響程度建立判斷矩陣A，如表8所示。

3.2.2 水質(zhì)評(píng)價(jià)中各評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度計(jì)算

(1)確定標(biāo)準(zhǔn)序列和參評(píng)數(shù)據(jù)序列。以研究區(qū)12067號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)豐水季地下水水質(zhì)為參評(píng)數(shù)據(jù)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析。

表8 判斷矩陣A

表9 水質(zhì)參評(píng)數(shù)據(jù)

(2)無(wú)量綱化處理。按照式(1)對(duì)表6中的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，得到矩陣：

(3)關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算。按照式(2)進(jìn)行關(guān)聯(lián)系數(shù)的計(jì)算，結(jié)果如下:

(4)灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度的計(jì)算。

在公式中，最大關(guān)聯(lián)度rmax為0.784 0，該結(jié)果說明研究區(qū)12067號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)豐水期地下水水質(zhì)屬于Ⅲ類水。

按照上述計(jì)算方法對(duì)研究區(qū)60個(gè)地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果為豐水期研究區(qū)的60個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中有20個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)屬于Ⅱ類，38個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)屬于Ⅲ類，2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)屬于Ⅳ類，具體分布見圖6(a)； 枯水期研究區(qū)有10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)屬于Ⅱ類，45個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)屬于Ⅲ類，5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)屬于Ⅳ類, 具體分布見圖6(b)。枯水期和豐水期研究區(qū)地下水的質(zhì)量總體一般，豐水期Ⅱ類水占33%，Ⅲ類水占63%，枯水期Ⅱ類水占16%，Ⅲ類水占75%；豐水季節(jié)的地下水質(zhì)量?jī)?yōu)于枯水季節(jié)的地下水質(zhì)量。

圖6 地下水質(zhì)量等級(jí)分布圖

4 結(jié) 論

本文采用多種統(tǒng)計(jì)分析方法較為詳細(xì)的研究了貴陽(yáng)市及周邊巖溶地下水水化學(xué)特征，并在此基礎(chǔ)上建立基于GRA-AHP的地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)模型進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，得到以下結(jié)論。

(3)利用基于GRA-AHP的水質(zhì)評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)了貴陽(yáng)市城區(qū)及周邊的地下水質(zhì)量，結(jié)果顯示該地區(qū)豐水期Ⅱ類水占33%，Ⅲ類水占63%，枯水期Ⅱ類水占16%，Ⅲ類水占75%，地下水的質(zhì)量一般且隨時(shí)間及空間的變化而變化。