邢高哲，孫 愷

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

地下水是一種不可替代的自然資源，與人類生存和發(fā)展緊密相連，它是人類生存環(huán)境不可或缺的重要組成部分。我國地下水資源量占總水量的30%，卻維持著全國70%的居民生活用水和40%的農(nóng)田澆灌[1]。包頭市干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，水資源時空分布極不均勻，是我國嚴(yán)重缺水的城市之一?，F(xiàn)階段包頭市地下水質(zhì)量在逐漸變差，一旦地下水質(zhì)量變差，不僅限制了包頭市經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而且會嚴(yán)重影響包頭地區(qū)居民的身心健康，因此，對包頭市地下水進(jìn)行質(zhì)量評價是了解包頭市地下水水質(zhì)狀況的一項重要內(nèi)容，對防治地下水污染起到重要的作用。

1 研究區(qū)概況

包頭市位于內(nèi)蒙古高原南端，北依大青山、烏拉山，南臨黃河，總體地勢北高南低，地處中緯度地區(qū)，遠(yuǎn)離海洋，深居內(nèi)陸，屬于半干旱中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱少雨多風(fēng)沙;夏季短雨熱同期;秋高氣爽霜凍早;冬季寒冷降水少。

研究區(qū)內(nèi)前第四系基巖裂隙潛水主要賦存于北部烏蘭山南麓低山丘陵地帶的基裂隙之中，富水性差，基巖裂隙水通過山前斷裂以跌水的形式補(bǔ)給山前傾斜平原，但補(bǔ)給量較小。第四系松散巖類孔隙水遍布于全區(qū)，主要賦存于山前傾斜平原和黃河沖積平原，含水層巖性為沖洪積砂礫卵石層和沖積砂層，結(jié)構(gòu)松散，易接受大氣降水及河溝水的入滲補(bǔ)給，含水層厚度較穩(wěn)定，顆粒粗、孔隙大、滲透性強(qiáng)，富水性好。[1]

2 評價標(biāo)準(zhǔn)、方法和指標(biāo)

2.1 評價標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848－93)、《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749－2006)，參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(報批稿)(GB/T14848－2007)，對包頭市地下水水質(zhì)狀況進(jìn)行分析評價。

依據(jù)我國地下水質(zhì)量狀況和人體健康基準(zhǔn)值，參照生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等用水水質(zhì)要求，將地下水質(zhì)量劃分為五類[2]。

Ⅰ類:地下水化學(xué)組分含量低，原則上適用于各種用途;

Ⅱ類:主要反映地下水化學(xué)組分的天然背景含量。適用于各種用途。

Ⅲ類:以人體健康基準(zhǔn)值為依據(jù)，主要適用于集中式生活飲用水水源及工、農(nóng)業(yè)用水;

Ⅳ類:以農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水質(zhì)量要求以及人體健康風(fēng)險為依據(jù)，適用于農(nóng)業(yè)和部分工業(yè)用水，適當(dāng)處理后可作生活飲用水;

Ⅴ類:不宜作生活飲用水，其他用水可根據(jù)使用目的選用。

2.2 評價方法

目前地下水質(zhì)量評價方法較多，在進(jìn)行地下水質(zhì)量評價時必須結(jié)合研究區(qū)特點和評價目的選定評價方法。本文選用單指標(biāo)評價法、內(nèi)梅羅指數(shù)法和模糊綜合評價法對研究區(qū)76組地下水水樣進(jìn)行質(zhì)量評價，深入剖析評價結(jié)果的差異，綜合研究包頭市地下水質(zhì)量特征。

2.2.1 單指標(biāo)評價法

單指標(biāo)評價法以地下水水質(zhì)調(diào)查分析資料或水質(zhì)監(jiān)測資料為基礎(chǔ)，按照評價指標(biāo)所在的限值區(qū)間確定地下水質(zhì)量類別，不同地下水質(zhì)量類別的指標(biāo)限值相同時，從優(yōu)不從劣。單因子評價方法不適宜水質(zhì)的綜合評價，但其評價結(jié)果對于了解單一組分超標(biāo)程度，區(qū)分影響地下水水質(zhì)的主要組分，以及評判其他評價方法的評價結(jié)果的合理性提供依據(jù)。

2.2.2 內(nèi)梅羅指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)法，即以標(biāo)準(zhǔn)中各項目濃度水平的劃分級別為基礎(chǔ)，用綜合評價分值的方法來對地下水進(jìn)行評價[3]。計算公式計算綜合評分值 PI。

式中:Ci為i組分的實測值;C0為i組分的比較值。

表1 內(nèi)梅羅指數(shù)法地下水質(zhì)量級別劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.2.3 模糊綜合評價法

地下水質(zhì)量由好到壞是一個漸變的過程，在過渡中存在著不確定性和模糊性。而模糊數(shù)學(xué)理論充分考慮事物的不確定性，可以浮動選取閾值，給出一系列不同水平下的分析結(jié)果。因此，使用模糊綜合評價法得出的評價結(jié)果更加地真實。模糊評價依據(jù)評價指標(biāo)的實測值，首先計算各指標(biāo)相對不同水質(zhì)分類的隸屬度及其權(quán)重[4－9]，然后以特定的數(shù)學(xué)方法求出水樣點不同類別的隸屬度，其中最大隸屬度就是該水樣點的水質(zhì)級別。

1)隸屬度確定

隸屬度由隸屬函數(shù)表示，依據(jù)隸屬度函數(shù)表達(dá)式計算各隸屬度矩陣，即各水點的模糊關(guān)系矩陣Rk。

2)權(quán)重計算

為反映地下水各評價指標(biāo)在地下水污染中所占比重，綜合評判中分別給予不同的權(quán)重 Wj，公式為:

式中:Wj為 j指標(biāo)的權(quán)重;Nj為 j指標(biāo)的實測值;Cj為 j指標(biāo)對應(yīng)于5個類別地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的均值(mg/l)。

將各水點評價指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果按以下公式進(jìn)行歸一化處理得到權(quán)重矩陣Ak:

式中:aj為j指標(biāo)的權(quán)重值。

3)綜合評價

模糊綜合評價是通過模糊關(guān)系矩陣的復(fù)合運算而實現(xiàn)的，實際上就是對各因子的評價進(jìn)行加權(quán)合成。數(shù)學(xué)公式為:

Bk=Ak·Rk

式中:Bk為k點的綜合評價矩陣;Ak為k點的權(quán)重矩陣;Rk為 k點的模糊關(guān)系矩陣;k為評價水點，k=1、2、3…

依據(jù)Bk值，評價出地下水的水質(zhì)級別，任一水樣點最大值Bk值所對應(yīng)的地下水質(zhì)量級別即為該水點的水質(zhì)級別。

2.3 評價指標(biāo)

參照《地下水污染調(diào)查評價規(guī)范》(DD2008－01)，依據(jù)水化學(xué)測試數(shù)據(jù)，選用 pH、總硬度(TH)、溶解性總固體(TDS)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、鈉(Na)、氯離子(Cl－)、硫酸根(SO42－)、COD、總鐵(Fe)、錳(Mn)、硝酸鹽(NO3－)、亞硝酸鹽(NO2－)、氟化物(F－)、六價鉻(Cr6+)、鉛(Pb)、砷(As)共17個指標(biāo)作為參評指標(biāo)。參評指標(biāo)的限值以《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848－2007)(報批稿)為基礎(chǔ)，結(jié)合國家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)及國外相關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)而確定。

3 地下水質(zhì)量評價

3.1 評價結(jié)果

根據(jù)單指標(biāo)評價方法，對包頭市地下水76組水樣進(jìn)行單指標(biāo)評價，評價結(jié)果顯示，在45組潛水水樣中，Ⅱ類水為2組，占4%;Ⅲ類水為 7組，占 16%，Ⅳ類水為 9組，占 20%;Ⅴ類水為27組，占60%(見圖1)，無Ⅰ類水，潛水超標(biāo)率為80%，說明研究區(qū)潛水超標(biāo)情況很嚴(yán)重;在31組承壓水水樣中，Ⅱ類水為1組，占3%;Ⅲ類水為13組，占42%;Ⅳ類水為8組，占26%;Ⅴ類水為9組，占29%(見圖2)，無Ⅰ類水，承壓水超標(biāo)率為55%，評價結(jié)果表明研究區(qū)承壓水超標(biāo)嚴(yán)重。

圖1 潛水單指標(biāo)評價結(jié)果圖

圖2 承壓水單指標(biāo)評價結(jié)果圖

根據(jù)內(nèi)梅羅指數(shù)法評價結(jié)果，潛水水質(zhì)Ⅰ ～Ⅴ類的水點的個數(shù)分別為:13、12、5、7、8，所占總?cè)↑c數(shù)的比例分別為:29% ，27% ，11% ，16% ，18%(見圖 3)，超標(biāo)率為 34%;承壓水水質(zhì)Ⅰ ～Ⅴ類的水點的個數(shù)分別為:18、7、2、1、3，所占總?cè)↑c數(shù)的比例分別為:58%，23%，6%，3%，10%(見圖 4)，超標(biāo)率為13%。

圖3 潛水內(nèi)梅羅指數(shù)法評價結(jié)果圖

圖4 承壓水內(nèi)梅羅指數(shù)法評價結(jié)果圖

根據(jù)潛水綜合模糊評價結(jié)果(見圖5):Ⅰ類水21組，占水樣總數(shù)的46%;無Ⅱ類水;Ⅲ類水8組，占水樣總數(shù)的18%;Ⅳ類水4組，占水樣總數(shù)的9%;Ⅴ類水12組，占水樣總數(shù)的27%，超標(biāo)率為36%，可見研究區(qū)的潛水總體質(zhì)量較差;承壓水綜合模糊評價結(jié)果(見圖6):水質(zhì)Ⅰ ～Ⅴ類的水樣組數(shù)為 24、2、2、1、2，所占總水點數(shù)的 76% 、7% 、7% 、3% 、7%。超標(biāo)率為10%，可見承壓水總體水質(zhì)較好。

3.2 對比分析

以上分別利用三種方法對研究區(qū)地下水質(zhì)量進(jìn)行綜合評價，結(jié)果對比見表4。

分析研究不同評價方法對包頭市地下水質(zhì)量的評價，其評價結(jié)果差異較大。單指標(biāo)評價結(jié)果中潛水超標(biāo)率為80%，承壓水為55%;而內(nèi)梅羅指數(shù)法評價結(jié)果潛水超標(biāo)率為34%，承壓水為13%;模糊綜合評價結(jié)果潛水超標(biāo)率為36%，承壓水為10%。單指標(biāo)評價結(jié)果表明地下水質(zhì)量較差，源于該方法中地下水質(zhì)量分類是參照單指標(biāo)組分的最高類別確定的，考慮因素過于單一，所以當(dāng)整體把握地區(qū)地下水質(zhì)量狀況時，不采用單指標(biāo)評價法。內(nèi)梅羅指數(shù)法和模糊綜合評判法都強(qiáng)調(diào)超標(biāo)組分對評價結(jié)果的影響程度，兩種方法的評價結(jié)果基本接近，但兩者之間還存在著差別。內(nèi)梅羅指數(shù)法計算過程過分突出少數(shù)高超標(biāo)組分對水質(zhì)的影響程度，綜合指數(shù)PI對超標(biāo)組分的超標(biāo)數(shù)量以及超標(biāo)倍數(shù)反應(yīng)敏感，而對非超標(biāo)或低超組分反應(yīng)一般。模糊綜合評判法綜合考慮所有組分的測試結(jié)果，由各評價因子的權(quán)數(shù)分配作為行向量構(gòu)成權(quán)重矩陣，它反映樣品中各地下水評價因子在地下水總體影響中各自的貢獻(xiàn)，評價結(jié)果中Ⅴ類水質(zhì)等級分布較均勻。模糊綜合評價結(jié)果更符合該區(qū)域地下水質(zhì)量總體特征。

圖5 潛水模糊綜合評價結(jié)果圖

依據(jù)模糊綜合評判結(jié)果繪制研究區(qū)潛水、承壓水質(zhì)量空間分布圖(見圖7和圖8)。由圖7看出，Ⅳ類、Ⅴ類潛水水樣點主要分布在昆都侖區(qū)、青山區(qū)南部地段和東河區(qū)的東南地段，超標(biāo)點多位于山前傾斜平原及黃河沖積平原的交匯地帶，而這些地區(qū)地勢平坦，水位埋深較淺，頻繁的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，眾多工礦企業(yè)大量未經(jīng)處理的廢污水、固廢的隨意排放，加之農(nóng)業(yè)種植區(qū)為了追求經(jīng)濟(jì)效益而大量使用農(nóng)藥和化肥，導(dǎo)致淺層地下水質(zhì)量變差。承壓水(見圖8)的Ⅰ—Ⅲ類水遍及包頭市全區(qū)，Ⅳ、Ⅴ類水零星分布于研究區(qū)的西南部，為亞硝酸鹽超標(biāo)，表明在研究區(qū)內(nèi)承壓水整體質(zhì)量較好。個別亞硝酸鹽超標(biāo)可能是由于混合水開采井中受污染的潛水越流補(bǔ)給造成的，因為這幾個超標(biāo)點位于昆都侖區(qū)潛水“三氮”超標(biāo)區(qū)內(nèi)，且水位埋深均小于10 m?？梢?，不合理的人類活動不僅影響著包頭市的潛水，同時也威脅著承壓水的質(zhì)量。

表4 不同評價方法評價結(jié)果比較表

4 結(jié)語

通過對包頭市地下水進(jìn)行評價，評價結(jié)果顯示，包頭市潛水質(zhì)量總體較差，且水質(zhì)有逐漸惡化的趨勢;承壓水質(zhì)量整體較好。建議盡快實施我國地下水污染防治規(guī)劃，建立地下水防護(hù)體系。重點進(jìn)行污染源治理，改善研究區(qū)的地下水環(huán)境質(zhì)量。對研究區(qū)承壓水實行重點防護(hù)措施，應(yīng)對混采井盡快進(jìn)行改造或封閉。

圖7 潛水綜合質(zhì)量空間分布圖

圖8 承壓水綜合質(zhì)量空間分布圖

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