李冶平，鄧昌州，楊湘奎，楊 文

（黑龍江省地質(zhì)調(diào)查研究總院，黑龍江 哈爾濱 150036）

哈爾濱市及周邊地區(qū)第四系地下水水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

李冶平，鄧昌州，楊湘奎，楊 文

（黑龍江省地質(zhì)調(diào)查研究總院，黑龍江 哈爾濱 150036）

文章以地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，選取 pH 值、氮氨、汞等 19 項(xiàng)指標(biāo)，利用模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)哈爾濱市及周邊地區(qū)第四系地下水質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明，該區(qū)地下水水質(zhì)整體較好，可以直接作為飲用水水源的Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ類水占取樣總數(shù)的 77.1%；但由于受儲(chǔ)水地層還原沉積環(huán)境的影響，感官性狀和一般化學(xué)指標(biāo)鐵、錳、氨氮普遍超標(biāo)。另外，部分地區(qū)地下水還存在總硬度、硝酸鹽、可溶性總固體、高錳酸鉀溶液超標(biāo)現(xiàn)象。

哈爾濱；地下水水質(zhì)；模糊數(shù)學(xué)；綜合評(píng)價(jià)

隨著哈爾濱市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口的持續(xù)增加，對(duì)地下水資源特別是第四系地下水的依賴度逐日增強(qiáng)。相關(guān)研究表明，哈爾濱市及周邊地區(qū)第四系地下水資源利用過(guò)程中存在超量開采、水質(zhì)污染等問(wèn)題。下面利用該區(qū)內(nèi) 35 處監(jiān)測(cè)井水質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)哈爾濱市及周邊地區(qū)第四系地下水水質(zhì)質(zhì)量，為防治地下水污染和保障地下水資源可持續(xù)利用提供依據(jù)。

1 水文地質(zhì)概況

研究區(qū)屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬長(zhǎng)夏短，多年平均氣溫為 3.4 ℃。哈爾濱降水有明顯的季節(jié)性特征，多年平均降水量 523.3 mm/a，且多集中在 6—8 月份，約占全年總降水量的 60%以上。7 月份降水量為 100～126 mm，2 月份為 2～2.5m，降水變率為 20%左右。松花江為該區(qū)一級(jí)河流，支流有拉林河、阿什河、呼蘭河等，屬區(qū)內(nèi)二級(jí)河流。

工作區(qū)內(nèi)分布有高平原承壓水、一級(jí)階地承壓水和河漫灘潛水3種類型。高平原承壓水主要分布在工作區(qū)高平原地區(qū)，由猞猁組和下荒山組砂、礫含水層構(gòu)成，累積厚 15～25 m。底部以白堊系泥巖為隔水邊界，頂部由上荒山組和哈爾濱組粉質(zhì)粘土組成弱透水邊界。兩含水層之間以東深井組粉土或粉質(zhì)粘土弱隔水層分開。一級(jí)階地承壓水主要分布在工作區(qū)西北部松花江兩岸階地地區(qū)，阿什河和拉林河兩岸有小面積分布。含水層由顧?quán)l(xiāng)屯組和猞猁組細(xì)砂、中粗砂、砂礫石層構(gòu)成，厚一般為 20～35 m。底部以白堊系泥巖為隔水邊界，頂部以顧?quán)l(xiāng)屯組上段粉質(zhì)粘土為弱透水邊界。河漫灘潛水區(qū)分布于河漫灘區(qū)，含水層由全新統(tǒng)和下荒山組細(xì)砂、砂礫石構(gòu)成。底部大部分已白堊系泥巖為隔水邊界，部分地區(qū)以東深井組粉質(zhì)粘土為弱透水邊界。

2 評(píng)價(jià)方法的選取與模型的建立

2.1 方法的選取

地下水脆弱性評(píng)價(jià)模型有多種，比較常用的有內(nèi)梅洛法、模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法等。由于地下水質(zhì)量變化具有漸變“模糊性”特征，利用模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)方法能客觀、有效地對(duì)地下水水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，在分析地下水水質(zhì)質(zhì)量的過(guò)程中，采用模糊數(shù)學(xué)法建立評(píng)價(jià)模型。

2.2 模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)模型的建立

1）選擇評(píng)價(jià)因子，建立因素集。根據(jù) GB/T 14848-93《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》要求，地下水質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)選取 PH、氨氮等 19項(xiàng)作為評(píng)價(jià)因子，并且采用該標(biāo)準(zhǔn)中的地下水質(zhì)量分類指標(biāo)。

將以上 19 個(gè)因子建立評(píng)價(jià)因素集合 X，X={x1，x2，…，x19}，xi（i∈[1，19]）為上述所選因子的測(cè)試值。

2）構(gòu)建隸屬度矩陣。根據(jù)單一污染因的水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和其實(shí)測(cè)濃度來(lái)確定其隸屬度 Yji，j為地下水分類級(jí)別。隸屬度值通過(guò)以下公式計(jì)算。

①當(dāng)j為Ⅰ級(jí)時(shí)：

Xi為被評(píng)價(jià)因子的實(shí)測(cè)濃度值，mg/L；C1，C2，C3，C4，C5分別為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ各級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度值。根據(jù)隸屬度函數(shù)和實(shí)測(cè)值 Xi，對(duì)每個(gè)水點(diǎn)中各污染因子可以分別求出對(duì)Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級(jí)水的隸屬度，則得模糊矩 陣：R＝（Yji）（j＝Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級(jí)；i＝PH、氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽、揮發(fā)性酚類、氫化物、砷、汞、鉻（六價(jià)）、總硬度、鉛、氟、鎘、鐵、錳、溶解性總固體、高錳酸鉀指數(shù)、硫酸鹽、氯化物），Yji為第 i個(gè)因子對(duì)第 j類水的隸屬度。

3）構(gòu)建權(quán)重集。為了表達(dá)各評(píng)價(jià)因子對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響程度，現(xiàn)分別對(duì)其賦予一定的權(quán)重值，權(quán)重計(jì)算公式如下：

式中：Wi為污染因子基本權(quán)重；Ci為污染因子實(shí)測(cè)濃度值，mg/L；Si為水質(zhì)各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)平均值，mg/L。再歸一化，即得所求權(quán)重：

將歸一化后的權(quán)重，組成一個(gè)含 19個(gè)元素的權(quán)重矩陣 A：、氨氮 、硝酸鹽 、亞硝 酸鹽、揮 發(fā)性酚類、氫化物、砷、汞、鉻（六價(jià)）、總硬度、鉛、氟、鎘、鐵、錳、溶解性總固體、高錳酸鉀指數(shù)、硫酸鹽、氯化物）。

4）模糊綜合評(píng)價(jià)。將權(quán)重模糊矩陣 A 和隸屬度模糊矩陣 R 根據(jù)綜合模糊變換原則：B＝A·R 進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算。運(yùn)算過(guò)程中，以數(shù)學(xué)模型：M（∧，∨）進(jìn)行先取?。ā模┖笕〈螅ā牛┑玫侥：C合評(píng)價(jià)結(jié)果。最后選取隸屬度大的為該水樣的水質(zhì)級(jí)別。

3 結(jié)果與討論

3.1 評(píng)判結(jié)果

根據(jù)上述模糊數(shù)學(xué)模型，對(duì)研究區(qū) 35個(gè)監(jiān)測(cè)井 3 次采樣分析數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行評(píng)價(jià)，各因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)按照 GB/ T14848－93 進(jìn)行取值。

哈爾濱市及其周邊地區(qū)地下水質(zhì)量評(píng)判結(jié)果表明，研究區(qū)存在Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和 V 類水。

Ⅰ類水：主要分布在研究區(qū)東南部低山丘陵、研究區(qū)內(nèi)阿什河中部和松花江東北部一帶，該類水占取樣總數(shù)的8.6%。水化學(xué)類型以 HCO3－Ca 和 HCO3－Na－Ca 為主。除原生指標(biāo)外，其余各指標(biāo)均未超標(biāo)，適用于各種用途。

Ⅱ類水：該類水主要分布在研究區(qū)中部太平鎮(zhèn)－萬(wàn)寶鎮(zhèn)一帶和阿城市周邊地區(qū)，該類水在研究區(qū)分布廣泛，占取 樣 總 數(shù) 的 45.7% 。 水 化 學(xué) 類 型 主 要 為 HCO3－Ca 和HCO3－Na－Ca，其次為 HCO3－Cl－ Ca 型?？傆捕刃∮?58mg/L，水質(zhì)良好。

Ⅲ類水：主要分布在該區(qū)萬(wàn)寶鎮(zhèn)－呼蘭－白奎鎮(zhèn)一帶，另外在蘭陵鎮(zhèn)東南和小嶺鎮(zhèn)西北部有小面積分布。該類水占取樣總數(shù)的 22.9%，水化學(xué)類型以 HCO3－Ca 和 HCO3－Ca－Mg 為主。三類水區(qū)原生鐵、錳、氨氮普遍超標(biāo)，局部存在硝酸鹽和總硬度超標(biāo)。其中，總硬度最大超標(biāo) 1.13 倍，硝酸鹽最大超標(biāo) 2.46 倍。

V 類水：主要分布在研究區(qū)的西北部邊緣、雙城市周邊及蜚克圖鎮(zhèn)西北部地區(qū)，占取樣總數(shù)的 22.9%。水化學(xué)類型為 HCO3－Ca－Mg 型。水中 Mn、Fe、氮氨、總硬度、硝酸鹽、可溶性總固體、高錳酸鉀溶液超標(biāo)，局部耗氧量超標(biāo)。其中，硝酸鹽最大超標(biāo) 2.16 倍，總硬度最大超標(biāo) 1.9 倍，可溶性總固體最大超標(biāo) 1.4 倍。

Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類水占取樣總數(shù)的 77.1%。按照 GB/T 14848－93，Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ類水均適合作為飲用水水源，因此，整體來(lái)看，研究區(qū)水質(zhì)尚可。為了驗(yàn)證模糊數(shù)學(xué)方法在本區(qū)地下水評(píng)價(jià)應(yīng)用的可靠性，此文采用 GB/T14848－93 推薦的方法對(duì)該例進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)對(duì)比，驗(yàn)證結(jié)果與評(píng)價(jià)結(jié)果具有一致性，從而證明了評(píng)價(jià)的可靠性。

3.2 結(jié)果分析

評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)內(nèi)鐵、錳和氮氨為該區(qū)主要超標(biāo)因子，此外為總硬度、可溶解總固體、高錳酸鉀溶液等因子。通過(guò)與 GB/T14848－93 中Ⅲ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，該區(qū)鐵含量檢出超標(biāo)率 81.5%，錳檢出超標(biāo)率 88.9%，氮氨檢出超標(biāo)率為 51.85%。

通過(guò)研究鐵和硝酸鹽、亞硝酸鹽、氮氨的數(shù)量關(guān)系，鐵與還原狀態(tài)氮（以氮氨表示）呈線性正相關(guān)關(guān)系，而與氧化狀態(tài)的氮（含于硝酸鹽和亞硝酸鹽中）呈反比關(guān)系。超標(biāo)率高的錳與還原態(tài)氮也存在正線性關(guān)系，而與氧化態(tài)氮（含于硝酸鹽）呈反比關(guān)系。這表明該區(qū)鐵、錳和氮氨的超標(biāo)可能緣于更新世時(shí)期本區(qū)大范圍的河湖相沉積。由于沉積范圍大，河湖水位較深，沉積過(guò)程保持深水還原環(huán)境，使得后期的地下水富含還原性化學(xué)物質(zhì)。

4 結(jié)語(yǔ)

整體來(lái)看，研究區(qū)水質(zhì)較好，可以直接作為飲用水水源的Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ類水占取樣總數(shù)的 77.1%；不能直接作為生活用水的 V 類水占取樣總數(shù)的 22.9%。該類水主要為鐵、錳和氮氨的嚴(yán)重超標(biāo)引起，可能與儲(chǔ)水地層的還原沉積環(huán)境有關(guān)。另外，部分地區(qū)地下水還存在總硬度、硝酸鹽、可溶性總固體、高錳酸鉀溶液超標(biāo)現(xiàn)象。

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TV213.9

A

1002－0624（2014）01－0025－02

2013-04-13

哈爾濱城市地質(zhì)調(diào)查，該項(xiàng)目由黑龍江國(guó)土資源廳、哈爾濱市政府出資勘察項(xiàng)目 （SD2006-001） 和中國(guó)地調(diào)局項(xiàng)目（1212010881210）資助。