皇后園村松散層孔隙地下水水質評價與保護探討

楊 柳

(山西福隆水利咨詢有限公司，山西 太原 030001)

1 區(qū)域概況

1.1 地形地貌特征

皇后園村位于太原盆地的北端，山西省省會太原城區(qū)之北，東經112°15′～112°46′，北緯37°48′～38°06′。東與陽曲縣堯子尚村相連；南與萬柏林區(qū)后北屯村接壤；西與下槐樹交界；北與陽曲縣楊家井村相鄰。區(qū)政府所在地柴村，距太原城8 km。全區(qū)西、北環(huán)山，汾河自北入境出烈石口向南縱貫全境。東西最大長度為26 km，南北最長距離22 km，總面積286.5 km2，分布呈不規(guī)則狀。地勢北高南低，海拔780 m～1865 m之間。皇后園村地表水均屬黃河流域汾河水系，汾河一級支流泥屯河、柏板河、楊興河、澗河均在境內匯入汾河。

1.2 水文地質條件

區(qū)域內第四系松散巖類含水巖性主要為砂卵石層，主要補給來源為大氣降水及側向徑流，富水性較好。根據含水層在垂直向的變動趨勢及水力特性、地層時代、地下水賦存條件等，將皇后園村松散層孔隙含水層劃分為潛水含水層和承壓含水層，其中潛水含水層主要為全新統(tǒng)含水層Q4，承壓含水層包括上更新統(tǒng)孔隙含水層Q3、中更新統(tǒng)孔隙含水層Q2和下更新統(tǒng)孔隙含水層Q1，具體見表1。

表1 皇后園村松散層孔隙含水巖組

2 地下水資源開發(fā)利用情況

2.1 水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

根據太原市第二次水資源調查評價成果，皇后園村1956年～2000年地下水可開采量13100萬m3，全區(qū)巖溶水可開采量為7222萬m3，盆地孔隙水開采量為5878萬m3。根據2014年～2016年的水資源公報及2017年、2018年用水統(tǒng)計數(shù)據，皇后園村地下水孔隙水平均總取水量2951.8萬m3，孔隙地下水開發(fā)利用程度50.22%，屬于尚有開發(fā)潛力區(qū)。皇后園村2014年～2018年地下水開采量見表2。

從皇后園村的近年開發(fā)利用情況來看，孔隙地下水開采量逐年降低，由此說明地下水關井壓采行動中已經取得一定成效，全社會應繼續(xù)增加地表水、中水、礦井水等水資源的利用比例，促進地下水量采補平衡、地下水位止降返升，提升用水安全保障能力。

表2 皇后園村2014年～2018年地下水取水量統(tǒng)計表

2.2 水資源開發(fā)利用潛力

按地下水開采系數(shù)法對皇后園村地下水資源開采程度進行分析，即：開采系數(shù)K>1.2，為地下水嚴重超采區(qū)；1.0

皇后園村2014年～2018地下水平均總取水量4042萬m3(不包括皇后園村蘭村泉域外供給其他城區(qū)的巖溶地下水)，其中孔隙地下水平均總取水量2951.8萬m3，孔隙地下水開發(fā)利用50.22%，屬于孔隙地下水開發(fā)尚有潛力區(qū)。

3 地下水水質評價

3.1 評價方法

用于松散層孔隙地下水水質評價的方法較多，本文主要采用模糊綜合評價法，該評價方法能有效克服單因子評價等方法使用過程中最劣超標因子影響較大的缺陷，評價結果更加合理，也更符合區(qū)域地下水水質狀況實際。在采用模糊綜合評價法進行皇后園村松散層孔隙地下水水質級別評價的過程中，采用《地下水質量標準》(GB/T 14848-2017)進行地下水各組分分級及界值類別和標準值[1]的選取。

模糊綜合評價法是以模糊數(shù)學理論為基礎的綜合評價方法，根據模糊數(shù)學中的從屬度理論，通過定量評價取代定性評價，從而順利解決地下水質量評價因子量化的難題。基于皇后園村地下水環(huán)境質量特征，進行區(qū)域地下水環(huán)境質量模糊綜合評價模型的構建，步驟如下：

Step1：創(chuàng)建區(qū)域地下水環(huán)境質量綜合判斷因素集，表示為X={i|i=1,2,…,n}；

Step2：創(chuàng)建區(qū)域地下水環(huán)境質量評價集，表示為V={i|i=1,2,…,n}；

Step3：基于區(qū)域地下水水質分級，構建隸屬函數(shù)。當時，區(qū)域地下水環(huán)境質量為1級，隸屬函數(shù)可表示為：

(1)

當j=2,3,…(m-1)時，區(qū)域地下水環(huán)境質量為2～(m-1)級，隸屬函數(shù)可表示為：

(2)

當j=m時，區(qū)域地下水環(huán)境質量為m級，隸屬函數(shù)可表示為：

(3)

Step4：根據對區(qū)域地下水環(huán)境質量評價因子隸屬度的分析，構建模糊矩陣R，矩陣中的各項元素主要由隸屬度函數(shù)求得；

Step5：基于區(qū)域地下水環(huán)境質量評價中各因子影響程度對各評價因子進行權重的賦值，為保證賦值結果更加符合工程實際，還應對各項因子權重進行歸一化處理，公式如下：

(4)

式中：xi為第i種區(qū)域地下水污染物實測值，mg/L；δij為第i種區(qū)域地下水污染物第級標準值，mg/L；δi(j+1)為第i種區(qū)域地下水污染物第j+1級標準值，mg/L；δi(j-1)為第i種區(qū)域地下水污染物第j-1級標準值，mg/L；Ci為第i種區(qū)域地下水污染物標準值，mg/L；μi為第i種區(qū)域地下水污染物標準值均值，mg/L；Ai為第i種區(qū)域地下水污染物歸一化處理后的權重系數(shù)。

Step6：構建區(qū)域地下水環(huán)境質量綜合評價模型，并按照隸屬度最大值原則進行地下水質分類等級確定：

(5)

選取2018年皇后園村9眼井為主要研究對象，包括3眼潛水井、2眼承壓井Ⅰ、2眼承壓井Ⅱ、2眼承壓井Ⅲ，分別位于皇后園村東北、西北、東南和村中心區(qū)域的顧莊、王莊、雙溝、順溝、李樓、塔山、五段、畔灣、河灣等地，并分別設置1個監(jiān)測點。松散層孔隙地下水水質評價主要包括硫酸鹽、總硬度、氯化物、氨氮、溶解性總固體、高錳酸鹽指數(shù)、硫化物等化學項目及氟化物、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氰化物、鉛、鎘等毒理學項目。

3.2 地下水化學特征

(1)潛水含水層

皇后園村松散層潛層孔隙地下水呈弱堿性，pH值在7.0～8.1范圍內，測井內地下水礦化度在1.0g/L以內的淡水井占比84.1%，礦化度在1.0 g/L～2.0 g/L的微咸水占比7.3%，礦化度在3.0 g/L～10.0 g/L的咸水占比8.6%，就分布區(qū)域而言，礦化度整體呈南高北低、東高西低趨勢。測井內地下水總硬度低于450 mg/L的軟水占比40.9%，總硬度在451 mg/L～600 mg/L之間的硬水占比24.8%，總硬度在600 mg/L以上的極硬水占比34.3%，地下水總硬度的變化趨勢與礦化度基本相同，潛層孔隙地下水總硬度監(jiān)測值在220 mg/L～1996 mg/L范圍內變化，總硬度值偏高。

(2)承壓含水層

皇后園村松散層各承壓層孔隙地下水pH值、總硬度及礦化度等監(jiān)測結果見表3，通過監(jiān)測結果可以看出，各承壓含水層地下水pH值、總硬度及礦化度等總體上呈南高北低、東高西低變動趨勢。

表3 皇后園村松散層各承壓層孔隙地下水水質監(jiān)測結果

皇后園村松散層各承壓層孔隙地下水pH值在7.31～8.05區(qū)間內，整體呈弱堿性特征。承壓Ⅰ、承壓Ⅱ、承壓Ⅲ含水層內礦化度≤1000 mg/L的淡水井占比分別為65.8%、69.2%和76.1%；礦化度在1000 mg/L～2000 mg/L的淡水井占比分別為21.4%、22.9%和23.9%；礦化度在3000 mg/L～10000 mg/L的淡水井占比分別為12.8%、7.9%和0%。承壓Ⅰ、承壓Ⅱ、承壓Ⅲ含水層內總硬度在450 mg/L以內的軟水井占比分別為67.2%、58.9%、82.6%；總硬度在451 mg/L～600 mg/L以內的硬水井占比分別為12.3%、32.7%和17.4%；總硬度在600 mg/L以上的極硬水井占比分別為20.5%、8.4%和0%。

3.3 各監(jiān)測點評價因子權重系數(shù)

基于皇后園村地下水環(huán)境質量評價中各因子的影響程度，對各評價因子進行權重賦值并根據式(4)進行歸一化處理，結果見表4。

表4 皇后園村各監(jiān)測點評價因子權重系數(shù)

3.4 地下水質量綜合評價

在進行各監(jiān)測點評價因子權重系數(shù)歸一化處理的基礎上，運用Matlab軟件編程計算，并將各監(jiān)測點評價因子權重系數(shù)代入模糊綜合評級模型D中進行皇后園村松散層孔隙地下水水質評價，評價結果見表5。

表5 皇后園村松散層孔隙地下水水質評價結果

根據表中水質評價結果，潛水層監(jiān)測結果中Ⅲ類以上水質、Ⅴ類水質占比分別為75.5%和24.5%；承壓Ⅰ含水層內Ⅲ類以上水質、Ⅴ類水質占比分別為79.8%和20.2%；承壓Ⅱ含水層中Ⅲ類以上水質、Ⅴ類水質占比分別為88.9%和11.1%；承壓Ⅲ含水層中Ⅲ類以上水質、Ⅳ類水質占比分別為89.5%和10.5%。

圖1 不同含水層水質類別占比

皇后園村松散層孔隙地下水不同含水層水質類別占比情況見圖1，由圖可知，Ⅰ類水百分占比由高至低所在含水層依次為承壓Ⅱ、承壓Ⅲ、承壓Ⅰ和潛水層；Ⅱ類水百分占比由高至低所在含水層依次為承壓Ⅲ、承壓Ⅰ、承壓Ⅱ、潛水層；Ⅲ類水百分占比由高至低所在含水層依次為潛水層、承壓Ⅰ、承壓Ⅱ、承壓Ⅲ；Ⅳ類和Ⅴ類水百分占比之和由上至下依次降低。總之，承壓Ⅲ含水層水質最好，承壓Ⅱ含水層水質次之，水質較差的是潛水層和承壓Ⅰ含水層。

潛水層、承壓Ⅰ、承壓Ⅱ、承壓Ⅲ含水層水質較差的區(qū)域分別位于順溝、五段、畔灣等地，在地質條件等的影響下，上述區(qū)域含水層存在礦化度、氟化物和總硬度等主要污染因子，此外，五段污水處理廠污水管網滲漏也是造成周邊區(qū)域松散層孔隙地下水污染的主要原因；河灣地區(qū)主要受人類活動影響較大，導致氨氮含量超標近7倍，潛層地下水受到嚴重污染。

4 地下水保護措施

以上對皇后園村松散層孔隙地下水水質的評價與分析表明，該區(qū)域孔隙地下水水質存在一定程度的污染，區(qū)域內各業(yè)主單位應制定事故狀況下的廢污水應急預案，并把污水處理措施落實到實處，確保項目實施不對地下水環(huán)境造成新的污染，真正做到廢污水不亂排放。與此同時，還應加大對當?shù)卮迕竦男麄鹘逃Χ龋瑥娀瘜λ廴臼录姆婪兑庾R和責任意識。

地方水管部門應及時掌握區(qū)域水環(huán)境動態(tài)變化特征，業(yè)主應積極配合區(qū)域水資源管理部門做好項目周邊區(qū)域水環(huán)境監(jiān)測工作。水環(huán)境監(jiān)測點應以項目區(qū)以及周圍區(qū)域地表水、地下水為主布設，其中地下水監(jiān)測點應盡量與現(xiàn)有地下水水位觀測井相結合。業(yè)主應派專人按照《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》(SL 219-2013)的有關要求定時對監(jiān)測點水質、水量[2]進行觀測，監(jiān)測成果應及時上報當?shù)厮姓鞴懿块T。

為有效防范各類項目及村民生活污水未經處理排放等突發(fā)水環(huán)境事件的發(fā)生，及時、合理處置可能發(fā)生的各類水環(huán)境事故，確保項目建設運行對泉域水環(huán)境影響程度降至最低，必須以預防突發(fā)水環(huán)境事件為重點，逐步完善處置水環(huán)境突發(fā)事件的預警、處置及善后工作機制，建立防范有力、指揮有序、快速高效和統(tǒng)一協(xié)調的突發(fā)水環(huán)境事件的應急處置體系。

5 結論

通過對山西省太原市尖草坪區(qū)皇后園村松散層孔隙地下水水質的分析與評價表明，區(qū)域內因為存在各類建設運營項目及村民生活污水污染，再加上在地質條件等的影響下，導致承壓Ⅱ含水層水質一般，潛水層和承壓Ⅰ含水層水質較差。為加強地下水水質保護及強化區(qū)域地下水資源管理，必須從加強水務管理、加強水環(huán)境監(jiān)測、制定水污染突發(fā)事件時的應急處置預案等方面著手，制定科學合理的地下水保護方案，并有針對性地加強地下水水質治理。