劉立娟

（朝陽(yáng)縣水利勘測(cè)設(shè)計(jì)隊(duì)，遼寧 朝陽(yáng) 122000）

地下水環(huán)境一般會(huì)受到地下水-地表水相互作用、沉積物或土壤與水之間的生物化學(xué)反應(yīng)，以及城市建設(shè)、土地利用和農(nóng)業(yè)發(fā)展等因素影響影響[1]。無論污廢水是否經(jīng)過處理，都可能成為污染的排放源，對(duì)地下水的化學(xué)特征有明顯的影響。另外，還可能受到大氣降水產(chǎn)生的地下或地表徑流和城市地區(qū)灌溉用水等非點(diǎn)源污染的影響，地表灌溉系統(tǒng)演變、淺層地下水污染、灌溉水量及農(nóng)業(yè)灌溉方式的改變也將顯著影響地下水環(huán)境，許多學(xué)者廣泛研究地下水水質(zhì)受項(xiàng)目的實(shí)施及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)事件的影響作用[2-5]。國(guó)內(nèi)外研究大多將地下水質(zhì)視作水環(huán)境的一個(gè)方面，對(duì)于地下水環(huán)境評(píng)價(jià)，應(yīng)當(dāng)考慮地下水的水質(zhì)狀況，同時(shí)需要考慮合理開發(fā)情況和是否存在超采問題，這種地下水環(huán)境都屬于狹義上的研究。集中供水是一項(xiàng)解決農(nóng)村飲水問題的惠民工程，地下水資源對(duì)于保證農(nóng)村飲水安全具有重要作用，考慮集中供水工程的長(zhǎng)效運(yùn)行設(shè)防理念以及水源地的水質(zhì)水量保障能力，科學(xué)評(píng)價(jià)地下水環(huán)境質(zhì)量是具有預(yù)見性、前期性和基礎(chǔ)性的研究工作。鑒于此，文章采用熵權(quán)-模糊優(yōu)選法評(píng)定朝陽(yáng)縣地下水質(zhì)，旨在為保護(hù)集中供水水源的地下水環(huán)境以及農(nóng)村飲水安全目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供參考依據(jù)[6-8]。

1 評(píng)價(jià)方法

1.1 構(gòu)建決策評(píng)價(jià)集

設(shè)由m項(xiàng)參評(píng)指標(biāo)和n個(gè)評(píng)判等級(jí)構(gòu)成的地下水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)矩陣為Y為決策評(píng)價(jià)矩陣，其表達(dá)式如下：

式中：y為各指標(biāo)的等級(jí)界限值，i的取值區(qū)間1～m，h的取值區(qū)間1～n。

1.2 構(gòu)造觀測(cè)矩陣

設(shè)待觀測(cè)矩陣X由m個(gè)指標(biāo)實(shí)測(cè)值和k個(gè)評(píng)價(jià)單元構(gòu)成，即：

式中：x為評(píng)價(jià)單元的各指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其中i=1，2，…，m；j=1，2，…，k。

1.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

為消除各參評(píng)指標(biāo)數(shù)量級(jí)或單位不同帶來的不可通透性，必須標(biāo)準(zhǔn)化處理X和Y矩陣，設(shè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)矩陣Y經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后轉(zhuǎn)變成矩陣S，并且符合條件Si,n=1、Si,1=0，相應(yīng)的處理公式如下：

考慮各參評(píng)指標(biāo)的正向、逆向特征，運(yùn)用不同的標(biāo)準(zhǔn)化公式對(duì)實(shí)測(cè)值矩陣進(jìn)行處理，對(duì)正向和逆向指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化公式為：

1.4 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

采用熵權(quán)法計(jì)算參評(píng)指標(biāo)權(quán)重，按照熵的定義利用公式（6）計(jì)算參評(píng)指標(biāo)i的熵Hi，并確定熵權(quán)矩陣V，具體如下：

1.5 綜合評(píng)價(jià)模型

式中：p為距離系數(shù)，通過拉格朗日乘子法可以將上式轉(zhuǎn)化成如下形式：

式中：η 為加權(quán)因子，i=1，2，…，m；j=1，2，…，k。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果確定第j個(gè)單元隸屬于h級(jí)的程度uh，j，參照最大度原則確定水質(zhì)等級(jí)。

2 地下水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.1 研究區(qū)概況

朝陽(yáng)縣地處N40°55′～41°54′，E119°52′～120°47′之間，總面積3 762km2，下轄298個(gè)行政村，28個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。朝陽(yáng)縣屬于大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均降水量497.8mm，其中45.7%集中于7～8月，全年日照時(shí)數(shù)2 800h，平均氣溫為7.1℃，無霜期157d。結(jié)合統(tǒng)計(jì)資料，朝陽(yáng)縣年均地下水可開采量7 705萬m3，地下水13 226萬m3，由于降水、埋深、地貌和土質(zhì)巖性等條件不同地下水分布不均，總體呈山丘區(qū)富水性差而河谷平原區(qū)較好的特征，朝陽(yáng)縣大、小凌河河谷具有相對(duì)豐富的地下水資源[9-10]。

從用水現(xiàn)狀上，近年來朝陽(yáng)縣地下水開采量持續(xù)增加，而地表水占總用水量比例很小，地表水開發(fā)利用不足且局部地區(qū)地下水出現(xiàn)超采的情況，對(duì)誰(shuí)生態(tài)環(huán)境健康、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和水資源可持續(xù)利用造成直接影響。一直以來，由于地下水超采使得地下水位逐漸下降，通過最嚴(yán)格水資源管理、用水總量控制等部分地區(qū)地下水位進(jìn)一步下降的態(tài)勢(shì)得到有效遏制，地下水位呈現(xiàn)出直降回升的態(tài)勢(shì)[11-12]。截至2020 年，為保證農(nóng)村飲水安全朝陽(yáng)縣已建成地下水集中供水水源地18 處(編號(hào)P1～P18)，主要開采深層地下水，為當(dāng)?shù)靥峁┯盟?wù)。

2.2 構(gòu)建評(píng)價(jià)體系

文章以地下水環(huán)境影響因素及其水質(zhì)為出發(fā)點(diǎn)，從供水工程安全能力建設(shè)、水文和環(huán)境地質(zhì)條件三個(gè)方面，并可操作性和科學(xué)性原則選擇21 項(xiàng)指標(biāo)。參考水環(huán)境評(píng)價(jià)、地下水超采區(qū)劃、節(jié)水規(guī)劃、水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)、地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及生態(tài)系統(tǒng)健康等研究成果，將地下水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)劃分成差、較差、良、優(yōu)良、優(yōu)5 個(gè)等級(jí)，評(píng)價(jià)體系及等級(jí)界定標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 地下水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)體系及等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 評(píng)價(jià)分析

采用表1 中的參評(píng)指標(biāo)和公式(1)～(3)，根據(jù)分布面積對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)處理。然后，對(duì)觀測(cè)和標(biāo)準(zhǔn)矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，使用模糊數(shù)學(xué)法計(jì)算各指標(biāo)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的相對(duì)隸屬度。最后，根據(jù)隸屬度確定各個(gè)水源地的地裂縫x12、深層含水層富水性x8、深層地下水污染x2隸屬于優(yōu)良和優(yōu)等級(jí)，飲水安全宣傳x21、水源地保護(hù)措施x19等指標(biāo)隸屬于較差等級(jí)。

采用公式(7)計(jì)算確定x1～x21各參評(píng)指標(biāo)熵權(quán)矩陣V：V=[0.084 0.018 0.040 0.024 0.051 0.058 0.073 0.042 0.075 0.091 0.036 0.052 0.034 0.057 0.038 0.060 0.024 0.080 0.021 0.021 0.021]，結(jié)果表明土地利用現(xiàn)狀x18、污染源類型x10、污染源分布x9、深層含水層頂板埋深x7和深層地下水質(zhì)量x1五項(xiàng)指標(biāo)熵權(quán)值均超過0.070，并以污染源類型x10熵權(quán)值最高為0.091，說明以上指標(biāo)對(duì)朝陽(yáng)縣地下水集中供水水源地水環(huán)境質(zhì)量影響較大[13-14]。

采用公式(8)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理確定綜合權(quán)重W，結(jié)果發(fā)現(xiàn)個(gè)別水源地受x16、x12、x5和深層x2等指標(biāo)影響顯著，如P11～P18 水源地受x5和x2指標(biāo)的影響較大，水源地P1～P4 和P6、P10 受地裂縫x12的影響較大，水源地P1、P4、P7、P8、P9 受淺層地下水污染x16指標(biāo)的影響較大，綜合權(quán)重值超過0.07。

采用拉格朗日乘子法公式計(jì)算地下水質(zhì)隸屬于不同等級(jí)的程度U，其中距離系數(shù)p=2，加權(quán)因子η=2，結(jié)果如圖1 所示。結(jié)果表明，各水源地隸屬于“優(yōu)”等級(jí)的程度較低，水源地P1～P18隸屬于“優(yōu)”級(jí)程度處于0.1405～1833 之間，隸屬于“優(yōu)良”級(jí)的程度處于0.1471～2241 之間，隸屬于“良”級(jí)的程度處于0.2124～0.2578 之間，隸屬于“較差”級(jí)的程度處于0.1988～0.2702，不同水源地存在較大差異，隸屬于“差”級(jí)的程度處于0.1682～0.2451之間，各水源地也具有明顯差異。

圖1 各等級(jí)隸屬度

結(jié)果表明，P2、P4、P8 和P14 水源地水質(zhì)處于“較差”狀態(tài)，其它水源地水質(zhì)達(dá)到“良”狀態(tài)。結(jié)合實(shí)際情況，有多處工業(yè)污染源分布在P2、P4、P8 和P14 水源地附近，對(duì)地下水影響較大，并且污染物向深層水的遷移速度會(huì)隨著深層水包氣帶防污性和地下水位的下降而加快。因此，將模糊優(yōu)選法與熵權(quán)法相結(jié)合能夠全面客觀地反映地下水環(huán)境實(shí)際情況，計(jì)算簡(jiǎn)單且評(píng)價(jià)結(jié)果科學(xué)合理。

3 結(jié) 論

文章采用熵權(quán)-模糊優(yōu)選法科學(xué)評(píng)定朝陽(yáng)縣地下水質(zhì)狀況，初步探討了評(píng)價(jià)等級(jí)界定標(biāo)準(zhǔn)、指標(biāo)選取和評(píng)價(jià)方法，由于具有較強(qiáng)的主觀性，未來仍需深入研究相關(guān)方法，為區(qū)域地下水環(huán)境保護(hù)及管理決策提供可靠的數(shù)據(jù)支持，主要結(jié)論如下：

1）該模糊優(yōu)選法全面考慮了人類活動(dòng)、水源地管理和原生地質(zhì)條件等，對(duì)域地下水質(zhì)狀況評(píng)價(jià)表現(xiàn)出較強(qiáng)的實(shí)用性與可靠性，可以有效解決水源地等同于地下水質(zhì)量的片面性。

2）較差水源地附近存在工業(yè)污染源，所以污染源是其主要影響因素。對(duì)工業(yè)污染源有關(guān)部門應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行防控清理，通過定期調(diào)查周邊土壤質(zhì)量狀況及時(shí)了解風(fēng)險(xiǎn)水平，對(duì)水源地環(huán)境及時(shí)做好防護(hù)措施。