唐 歡,康衛(wèi)東,王潤蘭,皮鍇鴻

(西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710069)

定邊縣和靖邊縣是陜北榆林市最西南的兩個(gè)相鄰的縣,地處毛烏素沙漠與陜北黃土高原的接壤地帶,屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū),降水稀少,區(qū)內(nèi)主要的供水水源為地下水。定靖中部地區(qū)為平原區(qū),是主要人口活動(dòng)區(qū)(圖1)。近年來,對區(qū)內(nèi)油、氣、鹽、煤資源的大量開發(fā)利用,以及城鎮(zhèn)規(guī)模擴(kuò)張和人口快速增長,使得區(qū)內(nèi)的地下水環(huán)境問題日益突出,并對當(dāng)?shù)鼐用耧嬎踩葮?gòu)成嚴(yán)重威脅。評價(jià)區(qū)內(nèi)地下水質(zhì)量并對及其分布特征開展研究,旨在為未來地下水的開發(fā)利用與保護(hù)以及地下水污染防控等提供基礎(chǔ)依據(jù)。

圖1 研究區(qū)范圍

1 地下水質(zhì)量評價(jià)

本文分別采用單指標(biāo)評價(jià)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、模糊綜合評價(jià)法和層級階梯評價(jià)法對定靖中部地區(qū)的地下水進(jìn)行質(zhì)量評價(jià),并在此基礎(chǔ)上,利用綜合權(quán)重評價(jià)法對區(qū)內(nèi)地下水質(zhì)量進(jìn)行最終評判。

1.1 數(shù)據(jù)采集與評價(jià)指標(biāo)選取

1.2 各類評價(jià)方法簡介

1.2.1 單指標(biāo)評價(jià)法

單指標(biāo)評價(jià)法是用水質(zhì)最差的單項(xiàng)指標(biāo)所屬類別來確定水體綜合水質(zhì)類別,即將各類指標(biāo)的測試結(jié)果對照GB/T14848—2007《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,確定相應(yīng)指標(biāo)的水質(zhì)類別,并選取指標(biāo)最差水質(zhì)類別作為該水樣的水質(zhì)類別[1]。

1.2.2 內(nèi)梅羅指數(shù)法

根據(jù)實(shí)際評價(jià)中所選的污染因子計(jì)算評分標(biāo)準(zhǔn)及污染指數(shù),將污染指數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)污染指數(shù)相對照,以確定水質(zhì)類型。內(nèi)梅羅指數(shù)法計(jì)算公式為

(1)

(2)

1.2.3 模糊數(shù)學(xué)綜合評價(jià)法

模糊綜合評價(jià)法用模糊數(shù)學(xué)理論,通過隸屬度的計(jì)算來確定水質(zhì)類型,既考慮了各污染因子對水體的危害程度,也考慮了各污染因子與水體之間復(fù)雜的非線性關(guān)系。污染因子對水體危害越大,則所占的權(quán)重越大。在權(quán)重計(jì)算和隸屬度符合運(yùn)算時(shí)有4種復(fù)合算子,分別是主因素決定型算子(取小取大),主因素突出型算子(相乘取大),加權(quán)平均型算子(相乘相加)和不均勻平衡型算子(取小相加)。其中,相乘相加算子在計(jì)算時(shí)考慮了所有參評指標(biāo)的影響,采用加權(quán)的方法既強(qiáng)調(diào)了最大污染指標(biāo),又使所有的參評指標(biāo)在評價(jià)中均能發(fā)揮應(yīng)有的作用,相對其他3種算子模型而言較為合理[3-4]。本文運(yùn)用相乘相加算子對該區(qū)地下水質(zhì)量進(jìn)行模糊評價(jià)。

1.2.4 層級階梯評價(jià)法

首先將測試指標(biāo)分為現(xiàn)場測試指標(biāo)、無機(jī)常規(guī)化學(xué)指標(biāo)、無機(jī)毒理指標(biāo)和微量有機(jī)指標(biāo)4個(gè)類別,對現(xiàn)場指標(biāo)和無機(jī)常規(guī)化學(xué)指標(biāo)分別進(jìn)行評價(jià)(單指標(biāo)法),依據(jù)評價(jià)結(jié)果得出初步的水質(zhì)評價(jià)結(jié)果;再對無機(jī)毒理指標(biāo)和微量有機(jī)指標(biāo)進(jìn)行綜合評價(jià),得出污染評價(jià)結(jié)果。其中污染等級劃分依據(jù)為:①1級,無機(jī)毒理指標(biāo)和微量有機(jī)指標(biāo)小于等于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ類;②2級,無機(jī)毒理指標(biāo)或有機(jī)指標(biāo)超水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ類,但均未超Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn);③3級,單項(xiàng)無機(jī)毒理指標(biāo)或有機(jī)指標(biāo)超水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類,并小于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)的1.5倍;④4級,無機(jī)毒理指標(biāo)或微量有機(jī)指標(biāo)超水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ類,或有多項(xiàng)參數(shù)超水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類且污染超標(biāo)強(qiáng)度大于50%。最后根據(jù)污染等級決定對水質(zhì)等級是否進(jìn)行升級,當(dāng)污染等級大于水質(zhì)級別時(shí),水質(zhì)級別升高一級;反之,則不升級。

1.3 評價(jià)結(jié)果討論

由圖2可以看出各類方法的評價(jià)結(jié)果不同,差異也較大,很難評定哪一種方法的評價(jià)結(jié)果更可靠。為了解決這一難題,擬將4種方法的評價(jià)結(jié)果進(jìn)行綜合，得出最終的評判結(jié)果。本文從各種方法的基本原理出發(fā),并結(jié)合其評價(jià)結(jié)果特點(diǎn),賦予不同方法相對應(yīng)的權(quán)重值來避免不同方法的缺陷(有些評價(jià)結(jié)果偏大,有些偏小),并要求幾類方法的權(quán)重值之和為1。對同一水樣,將不同方法評價(jià)結(jié)果進(jìn)行加權(quán)求和,然后四舍五入取整,就是該水樣最終的質(zhì)

圖2 4類方法的質(zhì)量評價(jià)結(jié)果

量評價(jià)結(jié)果。該方法簡稱為綜合權(quán)重評價(jià)法,用公式表達(dá)如下:

(3)

式中:Mj為水樣j的最終質(zhì)量評價(jià)結(jié)果;Nij為水樣j第i種方法的質(zhì)量評價(jià)結(jié)果;wi為第i種方法對應(yīng)的權(quán)重值;[0.5+X]為對X進(jìn)行四舍五入取整的結(jié)果。

下面分別對各種方法的權(quán)重值進(jìn)行討論。單指標(biāo)評價(jià)法是以最差的水質(zhì)級別為評價(jià)結(jié)果,所以必然導(dǎo)致最終評價(jià)結(jié)果偏高,賦予其權(quán)重值w1;內(nèi)梅羅指數(shù)法過于突出最大污染因子,使綜合評分值偏高[5-6],導(dǎo)致最終評價(jià)結(jié)果偏高,但是其評價(jià)結(jié)果比單指標(biāo)評價(jià)法要低,所以賦予高于單指標(biāo)評價(jià)法的權(quán)重值w2(w2>w1);層級階梯評價(jià)法將測試指標(biāo)進(jìn)行分類,綜合考慮了各類指標(biāo)的影響,其評價(jià)結(jié)果比單指標(biāo)評價(jià)法要低,所以賦予高于單指標(biāo)評價(jià)法的權(quán)重值w3(w3>w1),但是其同類指標(biāo)評價(jià)還是以水質(zhì)最差級別作為評價(jià)結(jié)果,結(jié)果偏高;模糊綜合評價(jià)采用相乘相加算子,加入每項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重,綜合考慮到每一類指標(biāo)的影響,其結(jié)果比前3類評價(jià)方法的結(jié)果偏好,賦予高于w2、w3和w1的權(quán)重值w4(w4>w2、w3>w1)。權(quán)重值的選取是重要的，但也是難度很大的,目前還未能找到一種滿意的方法。本文借鑒計(jì)算機(jī)程序的調(diào)試方法,對4種方法的權(quán)重進(jìn)行反復(fù)調(diào)試,得出最終接近實(shí)際的權(quán)重值。已知:w4>w2、w3>w1且w1+w2+w3+w4=1,要求權(quán)重值間的差距不能過大,經(jīng)過多次反復(fù)調(diào)試,最終確定w1=0.15,w2=0.25,w3=0.25,w4=0.35(表1)[7-13]。

表1 定靖中部地區(qū)地下水質(zhì)量評價(jià)結(jié)果匯總 組

由圖3可以看出,用綜合權(quán)重評價(jià)法得出的質(zhì)量評價(jià)結(jié)果明顯克服了各種方法的缺陷:單指標(biāo)和層級階梯評價(jià)法以最劣水質(zhì)為最終結(jié)果,而導(dǎo)致缺少Ⅰ類水;內(nèi)梅羅指數(shù)評價(jià)結(jié)果過分考慮最大值項(xiàng),而缺少Ⅲ類水;模糊綜合評價(jià)法弱化最大值項(xiàng),使結(jié)果偏小。綜合權(quán)重評價(jià)法的評價(jià)結(jié)果綜合了以上4種方法的結(jié)果,使結(jié)果更加可靠,更加接近實(shí)際。

圖3 定靖中部地區(qū)地下水質(zhì)量綜合權(quán)重評價(jià)法評價(jià)結(jié)果

最終評價(jià)結(jié)果顯示:Ⅰ類水2組,占取樣總數(shù)3.23%;Ⅱ類水7組,占樣品總數(shù)11.29%;Ⅲ類水6組,占取樣總數(shù)9.68%;Ⅳ類水15組,占樣品總數(shù)24.19%;Ⅴ類水32組,占樣品總數(shù)51.61%(表1、圖3)。超出Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)的有47組,即有75.8%的地下水不適宜直接飲用。由此可見,定靖中部地區(qū)地下水質(zhì)量總體不好,大多地下水不能直接飲用。

圖4 定靖中部地區(qū)地下水質(zhì)量狀況分布

2 地下水質(zhì)量分布特征與成因分析

2.1 分布特征

從圖4可以看出,靖邊北部地區(qū)水質(zhì)較好,僅個(gè)別地區(qū)出現(xiàn)水質(zhì)較差點(diǎn);定邊南部黃土丘陵地區(qū)水質(zhì)普遍較差,區(qū)內(nèi)地下水質(zhì)量狀況分布與地下水補(bǔ)給特征呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性。Ⅴ類水主要分布在定邊縣城以南地區(qū),Ⅳ類水主要分布在定邊縣城東部平原區(qū)和靖邊縣城之北的平原區(qū)以及靖邊縣城南部的黃土丘陵區(qū);Ⅰ～Ⅲ類水主要分布在縣城之北的平原區(qū)和沙漠區(qū)以及沙漠灘地區(qū)。整體上,從南到北,即從黃土丘陵區(qū)到平原區(qū)再到沙漠區(qū),地下水的水質(zhì)越來越好。

2.2 成因分析

原生環(huán)境中對地下水質(zhì)量起最主要作用的是地層巖性和補(bǔ)給特征。在北部沙漠區(qū)和沙漠灘地區(qū),包氣帶巖性主要為細(xì)砂、粉砂,含水性和透水性都好,地下水循環(huán)周期短、速度快,加之該區(qū)居民較少,石油天然氣開采密度小,因而地下水水質(zhì)較好;南部黃土斜坡與黃土丘陵區(qū),包氣帶巖主要為粉土,地下水補(bǔ)給條件差、運(yùn)移速度較慢,入滲水與周圍巖層的淋濾作用和離子交換作用[14]時(shí)間充分,使得水中礦物質(zhì)成分富集,地下水無機(jī)離子增加,原生沉積環(huán)境較差，導(dǎo)致地下水質(zhì)量較差。

不同質(zhì)量地下水的分布與人類活動(dòng)的相關(guān)性主要體現(xiàn)在污染源的空間分布上。這些地區(qū)是石油勘探和開采的較密集區(qū)域,由于勘探井或開采井施工工藝的需要,泥漿中參有大量化學(xué)添加劑,使得地層中部分離子超量富集,導(dǎo)致地下水部分化學(xué)組分改變或超標(biāo)。尤其定邊南部分布大量開采油井,油井的開采層大多在該區(qū)地下水含水層之下,所以油井必然“穿過”地下含水層,從而影響地下水的質(zhì)量,這也是定邊南部水質(zhì)差的原因之一。另外,靖邊蘆河周邊地下水水質(zhì)較差,與蘆河沿河兩岸的蘆河酒廠、榆林煉油廠、天然氣凈化廠、甲醇廠等的生產(chǎn)廢水,以及靖邊城鎮(zhèn)居民的生活污水直接排入蘆河有關(guān),蘆河水補(bǔ)給地下水,導(dǎo)致蘆河周邊地下水水質(zhì)較差,Ⅳ、Ⅴ類水點(diǎn)分布較多。

3 結(jié) 語

地下水質(zhì)量評價(jià)方法很多,但是每一種方法都存在著不同的缺陷,導(dǎo)致結(jié)果往往與實(shí)際情況不一致。筆者首先采用單指標(biāo)評價(jià)法、內(nèi)梅羅指數(shù)評價(jià)法、層級階梯評價(jià)法和模糊綜合評價(jià)法對定靖中部地區(qū)地下水進(jìn)行質(zhì)量評價(jià),各種方法的評價(jià)結(jié)果差異較大。為彌補(bǔ)這些方法的缺陷,讓評價(jià)結(jié)果更加可靠,筆者提出綜合權(quán)重質(zhì)量評價(jià)方法。該方法對每一種方法進(jìn)行權(quán)重賦值,通過權(quán)重大小來調(diào)節(jié)評價(jià)結(jié)果,最終評價(jià)結(jié)果為:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類水所占比例分別為:3.23%、11.29%、9.68%、24.19%、51.61%。這種最終評判結(jié)果更加可靠和符合實(shí)際情況:定靖中部地區(qū)地下水質(zhì)量普遍較差,地下水大多不適宜直接飲用;水質(zhì)分布東北好、西南差,而且水質(zhì)分布規(guī)律與原生環(huán)境和人類活動(dòng)有一定的相關(guān)性。

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