包头市地下水质量评价

邢高哲，孙 恺

(西北大学地质学系，陕西 西安 710069)

地下水是一种不可替代的自然资源，与人类生存和发展紧密相连，它是人类生存环境不可或缺的重要组成部分。我国地下水资源量占总水量的30%，却维持着全国70%的居民生活用水和40%的农田浇灌[1]。包头市干旱少雨，蒸发强烈，水资源时空分布极不均匀，是我国严重缺水的城市之一。现阶段包头市地下水质量在逐渐变差，一旦地下水质量变差，不仅限制了包头市经济发展，而且会严重影响包头地区居民的身心健康，因此，对包头市地下水进行质量评价是了解包头市地下水水质状况的一项重要内容，对防治地下水污染起到重要的作用。

1 研究区概况

包头市位于内蒙古高原南端，北依大青山、乌拉山，南临黄河，总体地势北高南低，地处中纬度地区，远离海洋，深居内陆，属于半干旱中温带大陆性季风气候，春季干旱少雨多风沙;夏季短雨热同期;秋高气爽霜冻早;冬季寒冷降水少。

研究区内前第四系基岩裂隙潜水主要赋存于北部乌兰山南麓低山丘陵地带的基裂隙之中，富水性差，基岩裂隙水通过山前断裂以跌水的形式补给山前倾斜平原，但补给量较小。第四系松散岩类孔隙水遍布于全区，主要赋存于山前倾斜平原和黄河冲积平原，含水层岩性为冲洪积砂砾卵石层和冲积砂层，结构松散，易接受大气降水及河沟水的入渗补给，含水层厚度较稳定，颗粒粗、孔隙大、渗透性强，富水性好。[1]

2 评价标准、方法和指标

2.1 评价标准

依据《地下水质量标准》(GB/T14848－93)、《生活饮用水卫生标准》(GB5749－2006)，参照《地下水质量标准》(报批稿)(GB/T14848－2007)，对包头市地下水水质状况进行分析评价。

依据我国地下水质量状况和人体健康基准值，参照生活、工业、农业等用水水质要求，将地下水质量划分为五类[2]。

Ⅰ类:地下水化学组分含量低，原则上适用于各种用途;

Ⅱ类:主要反映地下水化学组分的天然背景含量。适用于各种用途。

Ⅲ类:以人体健康基准值为依据，主要适用于集中式生活饮用水水源及工、农业用水;

Ⅳ类:以农业和工业用水质量要求以及人体健康风险为依据，适用于农业和部分工业用水，适当处理后可作生活饮用水;

Ⅴ类:不宜作生活饮用水，其他用水可根据使用目的选用。

2.2 评价方法

目前地下水质量评价方法较多，在进行地下水质量评价时必须结合研究区特点和评价目的选定评价方法。本文选用单指标评价法、内梅罗指数法和模糊综合评价法对研究区76组地下水水样进行质量评价，深入剖析评价结果的差异，综合研究包头市地下水质量特征。

2.2.1 单指标评价法

单指标评价法以地下水水质调查分析资料或水质监测资料为基础，按照评价指标所在的限值区间确定地下水质量类别，不同地下水质量类别的指标限值相同时，从优不从劣。单因子评价方法不适宜水质的综合评价，但其评价结果对于了解单一组分超标程度，区分影响地下水水质的主要组分，以及评判其他评价方法的评价结果的合理性提供依据。

2.2.2 内梅罗指数法

内梅罗指数法，即以标准中各项目浓度水平的划分级别为基础，用综合评价分值的方法来对地下水进行评价[3]。计算公式计算综合评分值 PI。

式中:Ci为i组分的实测值;C0为i组分的比较值。

表1 内梅罗指数法地下水质量级别划分标准

2.2.3 模糊综合评价法

地下水质量由好到坏是一个渐变的过程，在过渡中存在着不确定性和模糊性。而模糊数学理论充分考虑事物的不确定性，可以浮动选取阈值，给出一系列不同水平下的分析结果。因此，使用模糊综合评价法得出的评价结果更加地真实。模糊评价依据评价指标的实测值，首先计算各指标相对不同水质分类的隶属度及其权重[4－9]，然后以特定的数学方法求出水样点不同类别的隶属度，其中最大隶属度就是该水样点的水质级别。

1)隶属度确定

隶属度由隶属函数表示，依据隶属度函数表达式计算各隶属度矩阵，即各水点的模糊关系矩阵Rk。

2)权重计算

为反映地下水各评价指标在地下水污染中所占比重，综合评判中分别给予不同的权重 Wj，公式为:

式中:Wj为 j指标的权重;Nj为 j指标的实测值;Cj为 j指标对应于5个类别地下水质量标准的均值(mg/l)。

将各水点评价指标权重计算结果按以下公式进行归一化处理得到权重矩阵Ak:

式中:aj为j指标的权重值。

3)综合评价

模糊综合评价是通过模糊关系矩阵的复合运算而实现的，实际上就是对各因子的评价进行加权合成。数学公式为:

Bk=Ak·Rk

式中:Bk为k点的综合评价矩阵;Ak为k点的权重矩阵;Rk为 k点的模糊关系矩阵;k为评价水点，k=1、2、3…

依据Bk值，评价出地下水的水质级别，任一水样点最大值Bk值所对应的地下水质量级别即为该水点的水质级别。

2.3 评价指标

参照《地下水污染调查评价规范》(DD2008－01)，依据水化学测试数据，选用 pH、总硬度(TH)、溶解性总固体(TDS)、钙(Ca)、镁(Mg)、钠(Na)、氯离子(Cl－)、硫酸根(SO42－)、COD、总铁(Fe)、锰(Mn)、硝酸盐(NO3－)、亚硝酸盐(NO2－)、氟化物(F－)、六价铬(Cr6+)、铅(Pb)、砷(As)共17个指标作为参评指标。参评指标的限值以《地下水质量标准》(GB/T14848－2007)(报批稿)为基础，结合国家饮用水卫生标准及国外相关水质标准而确定。

3 地下水质量评价

3.1 评价结果

根据单指标评价方法，对包头市地下水76组水样进行单指标评价，评价结果显示，在45组潜水水样中，Ⅱ类水为2组，占4%;Ⅲ类水为 7组，占 16%，Ⅳ类水为 9组，占 20%;Ⅴ类水为27组，占60%(见图1)，无Ⅰ类水，潜水超标率为80%，说明研究区潜水超标情况很严重;在31组承压水水样中，Ⅱ类水为1组，占3%;Ⅲ类水为13组，占42%;Ⅳ类水为8组，占26%;Ⅴ类水为9组，占29%(见图2)，无Ⅰ类水，承压水超标率为55%，评价结果表明研究区承压水超标严重。

图1 潜水单指标评价结果图

图2 承压水单指标评价结果图

根据内梅罗指数法评价结果，潜水水质Ⅰ ～Ⅴ类的水点的个数分别为:13、12、5、7、8，所占总取点数的比例分别为:29% ，27% ，11% ，16% ，18%(见图 3)，超标率为 34%;承压水水质Ⅰ ～Ⅴ类的水点的个数分别为:18、7、2、1、3，所占总取点数的比例分别为:58%，23%，6%，3%，10%(见图 4)，超标率为13%。

图3 潜水内梅罗指数法评价结果图

图4 承压水内梅罗指数法评价结果图

根据潜水综合模糊评价结果(见图5):Ⅰ类水21组，占水样总数的46%;无Ⅱ类水;Ⅲ类水8组，占水样总数的18%;Ⅳ类水4组，占水样总数的9%;Ⅴ类水12组，占水样总数的27%，超标率为36%，可见研究区的潜水总体质量较差;承压水综合模糊评价结果(见图6):水质Ⅰ ～Ⅴ类的水样组数为 24、2、2、1、2，所占总水点数的 76% 、7% 、7% 、3% 、7%。超标率为10%，可见承压水总体水质较好。

3.2 对比分析

以上分别利用三种方法对研究区地下水质量进行综合评价，结果对比见表4。

分析研究不同评价方法对包头市地下水质量的评价，其评价结果差异较大。单指标评价结果中潜水超标率为80%，承压水为55%;而内梅罗指数法评价结果潜水超标率为34%，承压水为13%;模糊综合评价结果潜水超标率为36%，承压水为10%。单指标评价结果表明地下水质量较差，源于该方法中地下水质量分类是参照单指标组分的最高类别确定的，考虑因素过于单一，所以当整体把握地区地下水质量状况时，不采用单指标评价法。内梅罗指数法和模糊综合评判法都强调超标组分对评价结果的影响程度，两种方法的评价结果基本接近，但两者之间还存在着差别。内梅罗指数法计算过程过分突出少数高超标组分对水质的影响程度，综合指数PI对超标组分的超标数量以及超标倍数反应敏感，而对非超标或低超组分反应一般。模糊综合评判法综合考虑所有组分的测试结果，由各评价因子的权数分配作为行向量构成权重矩阵，它反映样品中各地下水评价因子在地下水总体影响中各自的贡献，评价结果中Ⅴ类水质等级分布较均匀。模糊综合评价结果更符合该区域地下水质量总体特征。

图5 潜水模糊综合评价结果图

依据模糊综合评判结果绘制研究区潜水、承压水质量空间分布图(见图7和图8)。由图7看出，Ⅳ类、Ⅴ类潜水水样点主要分布在昆都仑区、青山区南部地段和东河区的东南地段，超标点多位于山前倾斜平原及黄河冲积平原的交汇地带，而这些地区地势平坦，水位埋深较浅，频繁的工农业生产活动，众多工矿企业大量未经处理的废污水、固废的随意排放，加之农业种植区为了追求经济效益而大量使用农药和化肥，导致浅层地下水质量变差。承压水(见图8)的Ⅰ—Ⅲ类水遍及包头市全区，Ⅳ、Ⅴ类水零星分布于研究区的西南部，为亚硝酸盐超标，表明在研究区内承压水整体质量较好。个别亚硝酸盐超标可能是由于混合水开采井中受污染的潜水越流补给造成的，因为这几个超标点位于昆都仑区潜水“三氮”超标区内，且水位埋深均小于10 m。可见，不合理的人类活动不仅影响着包头市的潜水，同时也威胁着承压水的质量。

表4 不同评价方法评价结果比较表

4 结语

通过对包头市地下水进行评价，评价结果显示，包头市潜水质量总体较差，且水质有逐渐恶化的趋势;承压水质量整体较好。建议尽快实施我国地下水污染防治规划，建立地下水防护体系。重点进行污染源治理，改善研究区的地下水环境质量。对研究区承压水实行重点防护措施，应对混采井尽快进行改造或封闭。

图7 潜水综合质量空间分布图

图8 承压水综合质量空间分布图

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[13]USEPA 822 －R －02 －038.2002.Edition of the drinking water standards and health advisories[S]. office of water US environmental protection agency，Washington，DC，2002.