礦區地下水水質評價方法探究*

李 波 汪大亞 李 彪 華紹廣3

（1．中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2．國家環境保護礦山固體廢物處理與處置工程技術中心）

隨著經濟的快速增長以及人類活動范圍和強度不斷增大，地下水水位下降、水體鹽堿化、水環境污染、水質惡化等環境問題日益突出［1-2］。為了保護和合理開發地下水資源，需要對地下水質量做出科學可靠的評價，以便對區域內地下水資源的可持續開發利用和綜合管理起到指導作用［3-4］。

地下水水質評價是否客觀全面，很大程度上取決于所選取的水質評價方法的合理性。由于人類生活以及生產過程中對地下水水質的需求不同，因此，在地下水水質評價指標的選擇以及對分類結果的判斷都存在差異，從而決定了地下水水質評價方法多樣性［5-9］。目前，在地下水評價過程中使用較多的是內梅羅指數法，引入評價指標中的最大單項污染指數項，進而在評價過程中凸顯濃度最高的評價指標對地下水質的影響。但是，在水質評價中，各種污染物對環境及人體的危害程度有很大差別，各種污染因子對環境和生物體的危害程度的貢獻量不同，一些污染物的危害性甚至與濃度呈現出反比的內在聯系。因此，由于傳統內梅羅污染指數法過于突出污染因子中的極大值，而對各類污染因子權重考慮不足，在污染因子差別較大的區域可能會導致評價結果不夠客觀。改進內梅羅污染指數法融入了各評價指標對水質綜合評價中所占的權重問題，加入了各類污染因子對環境及人體危害程度不同的考量［10］，在污染較復雜的區域能夠更客觀、準確地反映待評價水體的實際情況。在水質評價過程中，具體采用哪種方法，往往需要通過對比分析才能確定。

本研究擬通過考察總硬度（以CaCO3計）、氨氮、揮發酚、Hg、Cd等水質指標，使用傳統和改進的內梅羅污染指數法來進行對比研究，將2種評價方法得到的污染指數分布圖與礦區水域進行對比，考察2種方法對于復雜礦區水質評價的客觀性、準確性，進而得出更加適合本地區水質評價的方法，同時也為礦區地下水綜合評價提供參考方法。

1 評價工作與方案

1.1 樣品采集與分析

在典型礦區56 km2范圍內開展取樣調查，采集礦區及周邊范圍內地下水樣品共28件，水樣采集和處理方法參照《水質采樣技術規程》（SL 187—96）進行。樣品采用化學法保存，通過加硝酸至pH＜2，防止重金屬元素沉淀或被容器吸附，從而保證最終化驗分析結果特別是重金屬分析結果的準確性和可靠性。

1.2 評價方法

由于采樣點所取地下水多為人畜飲用水源，水質的好壞是以水是否滿足人類飲用為標準來衡量的，因此，根據《地下水質量標準》（GB/T 14848—2017），本次評價采用Ⅲ類水水質標準。

1.2.1 傳統內梅羅污染指數法

傳統內梅羅污染指數法計算式中含有評價指標中的最大單項污染指數項，從而凸顯濃度最高的評價指標對地下水質的影響，進而通過與標準污染指數相對照，確定水質類型，其評價方法如下。

式中，ci為各評價指標的實測濃度；sij為Ⅲ類水質標準對應的標準濃度；Pi為各評價指標的單項污染指數；Pmax為Pi中的最大值；為Pi的均值，i=1，2，…，n，n為評價指標的個數；Pc為傳統的內梅羅污染指數。

以地下水質量標準中的Ⅲ類水質標準為基礎劃分污染等級，根據水質指標的標準濃度，對內梅羅標準污染指數的水質劃分標準見表1。

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1.2.2 改進內梅羅污染指數法

改進內梅羅污染指數法融入了各評價指標對水質綜合評價中所占的權重問題，各評價指標權重值的確定過程如下。

將各種參評的評價指標排放標準值si由小到大的順序排列，將其最大值smax與si比較，并令ri表示第i種評價指標的相關性比值，則

式中，wi為各種評價指標的權重值。

為克服傳統的內梅羅綜合污染指數過于突出最大污染因子對水質污染的影響和未考慮權重因素的缺點，引入P′代替Pmax算式，改進內梅羅污染指數Pg：

式中，Pq為權重最大的評價指標對應的Pi值；P′為傳統Pmax替代值。

根據各評價指標的標準濃度，計算各級標準對應的改進內梅羅標準污染指數見表2。

2 應用結果與分析

2.1 傳統內梅羅法評價結果分析

根據式（1）計算采樣點樣品的內梅羅污染指數，對照相應的分級標準，得出評價區域的地下水水質狀況。傳統內梅羅的污染評價結果見圖1。

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根據傳統內梅羅指數的評價結果，多數采樣點水質隸屬于Ⅱ、Ⅳ類水質范圍，少數樣品隸屬于Ⅲ類水質，該區域地下水在一定程度上受到了污染，部分地下水已不能滿足人類日常飲用水的標準，需要對其采取一定的治理措施。其中采樣點4的傳統內梅羅污染指數最高，這是由于該點地下水樣品來自于礦區附近，樣品中所含Mn含量較高，單項水質評價為Ⅳ類水質。傳統內梅羅指數較高的區域主要是礦場及采礦點附近，污染指數分布的空間規律與礦業活動的布局具有一定程度的一致性。

2.2 改進法結果分析

按照改進內梅羅指數法計算各污染因子的權重，Hg的權重值最大，即Hg是所有參評污染因子中對水質的影響較大的一種污染源。根據各污染指標的標準濃度，計算各級標準對應的內梅羅標準污染指數，見表3。根據實測濃度計算各監測斷面的內梅羅污染指數，結果見圖2。

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與傳統內梅羅指數法評價的結果類似，改進法指數分布較高的區域也基本位于礦場或采礦點附近（圖2），這與實際的地下水污染分布情況相一致，污染指數分布的空間規律與礦業活動的分布相一致。但改進法的水質評價結果劣于傳統法，水質評價等級基本均在Ⅲ、Ⅳ等級范圍內。

2.3 對比分析

傳統的和改進的內梅羅法計算的污染指數及水質劃分對比見圖3。

可看出2種方法的評價水質類型不盡相同，整體上各采樣點傳統內梅羅指數略高于改進內梅羅指數，但由于劃分指標不同，多數按照改進內梅羅指數進行劃分的采樣點水質劣于或與傳統劃分方法相同，這可能是由于所有評價指標中重金屬的評價指標所占的權重比較大，由表3可知，Hg的權重值達到了0.588，其余的重金屬如Cd，As等權重也高于其他評價因子。因此相對于其他污染因子來說，重金屬對于人類的危害程度更大，因此針對日常生活飲用水，重金屬的含量高低對于最終水質的評價結果有著較大的影響。

改進法評價結果劣于傳統法的采樣點基本均位于礦坑或采礦場周邊，因此地下水樣品中重金屬含量相對較高，且由于重金屬屬于毒理性指標，對于人體的危害程度較大（如Cd，As，Hg，Pb），因此重金屬指標在所有污染因子中所占的權重較高，故而根據改進法的評價結果水質劣于傳統法。根據采樣地的實際情況（屬于典型礦區，且許多采樣點位于礦坑附近）可知，對于采樣點水質影響較大的評價指標為重金屬類，且重金屬的毒害作用較大，因此相較于傳統法，改進法的水質評價結果劣于傳統法。根據傳統法的結果，采樣點中有相當部分的水質評價達到Ⅱ類水質，即能夠反映地下水化學組分的天然背景含量，水質較好，這與實際情況不相符合。

相較于傳統內梅羅指數法而言，改進法加入了權重分析，在一定程度上消除了極大值的影響，并且兼顧了各類污染因子的理化性質與水質惡化間的關系，提高了毒理指標（如重金屬等）的影響程度，因此更能合理體現各個污染因子的作用，從而使評價結果更為客觀、可靠、全面。由圖3可以看出，僅28號樣品的改進法水質劃分類別優于傳統法，這是由于該點水樣中Fe含量較高，導致利用傳統評價法計算時最大值的影響較大，且根據表3可知，Fe的權重值屬于評價因子中較低的一類，即危害較小，若根據傳統法評價，則該點的評價結果過于強調了單一最大值的影響，不夠客觀準確。因此，改進內梅羅污染指數法的評價結果比較符合該地的實際水質狀況，更為合理、客觀。

3 結論

（1）傳統和改進的內梅羅污染指數法均表明該典型礦區的部分地下水已經受到一定程度的污染，部分采樣點水質已達到Ⅳ類水質標準，無法滿足人類日常飲用需求，污染指數的空間分布規律與礦業活動的布局是一致的，礦區及其附近點的水質較差。

（2）根據對傳統法和改進法的對比分析可得，改進法對水質評價的結果劣于傳統法，這與重金屬指標所占權重有關，且更符合當地水質實際情況。

（3）改進的內梅羅污染指數法在對水質評價過程中考慮到了參評指標項目、數目等的差異，并將各項評價指標的權重值作為參考因素，將權重值最大的評價指標納入評價過程，其結果相對更為客觀。