定靖中部地区地下水质量与分布特征分析

唐 欢,康卫东,王润兰,皮锴鸿

(西北大学大陆动力学国家重点实验室,陕西 西安 710069)

定边县和靖边县是陕北榆林市最西南的两个相邻的县,地处毛乌素沙漠与陕北黄土高原的接壤地带,属半干旱大陆性季风气候区,降水稀少,区内主要的供水水源为地下水。定靖中部地区为平原区,是主要人口活动区(图1)。近年来,对区内油、气、盐、煤资源的大量开发利用,以及城镇规模扩张和人口快速增长,使得区内的地下水环境问题日益突出,并对当地居民饮水安全等构成严重威胁。评价区内地下水质量并对及其分布特征开展研究,旨在为未来地下水的开发利用与保护以及地下水污染防控等提供基础依据。

图1 研究区范围

1 地下水质量评价

本文分别采用单指标评价法、内梅罗指数法、模糊综合评价法和层级阶梯评价法对定靖中部地区的地下水进行质量评价,并在此基础上,利用综合权重评价法对区内地下水质量进行最终评判。

1.1 数据采集与评价指标选取

1.2 各类评价方法简介

1.2.1 单指标评价法

单指标评价法是用水质最差的单项指标所属类别来确定水体综合水质类别,即将各类指标的测试结果对照GB/T14848—2007《地下水质量标准》,确定相应指标的水质类别,并选取指标最差水质类别作为该水样的水质类别[1]。

1.2.2 内梅罗指数法

根据实际评价中所选的污染因子计算评分标准及污染指数,将污染指数与标准污染指数相对照,以确定水质类型。内梅罗指数法计算公式为

(1)

(2)

1.2.3 模糊数学综合评价法

模糊综合评价法用模糊数学理论,通过隶属度的计算来确定水质类型,既考虑了各污染因子对水体的危害程度,也考虑了各污染因子与水体之间复杂的非线性关系。污染因子对水体危害越大,则所占的权重越大。在权重计算和隶属度符合运算时有4种复合算子,分别是主因素决定型算子(取小取大),主因素突出型算子(相乘取大),加权平均型算子(相乘相加)和不均匀平衡型算子(取小相加)。其中,相乘相加算子在计算时考虑了所有参评指标的影响,采用加权的方法既强调了最大污染指标,又使所有的参评指标在评价中均能发挥应有的作用,相对其他3种算子模型而言较为合理[3-4]。本文运用相乘相加算子对该区地下水质量进行模糊评价。

1.2.4 层级阶梯评价法

首先将测试指标分为现场测试指标、无机常规化学指标、无机毒理指标和微量有机指标4个类别,对现场指标和无机常规化学指标分别进行评价(单指标法),依据评价结果得出初步的水质评价结果;再对无机毒理指标和微量有机指标进行综合评价,得出污染评价结果。其中污染等级划分依据为:①1级,无机毒理指标和微量有机指标小于等于水质标准Ⅱ类;②2级,无机毒理指标或有机指标超水质标准Ⅱ类,但均未超Ⅲ类标准;③3级,单项无机毒理指标或有机指标超水质标准Ⅲ类,并小于Ⅲ类水标准的1.5倍;④4级,无机毒理指标或微量有机指标超水质标准Ⅳ类,或有多项参数超水质标准Ⅲ类且污染超标强度大于50%。最后根据污染等级决定对水质等级是否进行升级,当污染等级大于水质级别时,水质级别升高一级;反之,则不升级。

1.3 评价结果讨论

由图2可以看出各类方法的评价结果不同,差异也较大,很难评定哪一种方法的评价结果更可靠。为了解决这一难题,拟将4种方法的评价结果进行综合，得出最终的评判结果。本文从各种方法的基本原理出发,并结合其评价结果特点,赋予不同方法相对应的权重值来避免不同方法的缺陷(有些评价结果偏大,有些偏小),并要求几类方法的权重值之和为1。对同一水样,将不同方法评价结果进行加权求和,然后四舍五入取整,就是该水样最终的质

图2 4类方法的质量评价结果

量评价结果。该方法简称为综合权重评价法,用公式表达如下:

(3)

式中:Mj为水样j的最终质量评价结果;Nij为水样j第i种方法的质量评价结果;wi为第i种方法对应的权重值;[0.5+X]为对X进行四舍五入取整的结果。

下面分别对各种方法的权重值进行讨论。单指标评价法是以最差的水质级别为评价结果,所以必然导致最终评价结果偏高,赋予其权重值w1;内梅罗指数法过于突出最大污染因子,使综合评分值偏高[5-6],导致最终评价结果偏高,但是其评价结果比单指标评价法要低,所以赋予高于单指标评价法的权重值w2(w2>w1);层级阶梯评价法将测试指标进行分类,综合考虑了各类指标的影响,其评价结果比单指标评价法要低,所以赋予高于单指标评价法的权重值w3(w3>w1),但是其同类指标评价还是以水质最差级别作为评价结果,结果偏高;模糊综合评价采用相乘相加算子,加入每项指标的权重,综合考虑到每一类指标的影响,其结果比前3类评价方法的结果偏好,赋予高于w2、w3和w1的权重值w4(w4>w2、w3>w1)。权重值的选取是重要的，但也是难度很大的,目前还未能找到一种满意的方法。本文借鉴计算机程序的调试方法,对4种方法的权重进行反复调试,得出最终接近实际的权重值。已知:w4>w2、w3>w1且w1+w2+w3+w4=1,要求权重值间的差距不能过大,经过多次反复调试,最终确定w1=0.15,w2=0.25,w3=0.25,w4=0.35(表1)[7-13]。

表1 定靖中部地区地下水质量评价结果汇总 组

由图3可以看出,用综合权重评价法得出的质量评价结果明显克服了各种方法的缺陷:单指标和层级阶梯评价法以最劣水质为最终结果,而导致缺少Ⅰ类水;内梅罗指数评价结果过分考虑最大值项,而缺少Ⅲ类水;模糊综合评价法弱化最大值项,使结果偏小。综合权重评价法的评价结果综合了以上4种方法的结果,使结果更加可靠,更加接近实际。

图3 定靖中部地区地下水质量综合权重评价法评价结果

最终评价结果显示:Ⅰ类水2组,占取样总数3.23%;Ⅱ类水7组,占样品总数11.29%;Ⅲ类水6组,占取样总数9.68%;Ⅳ类水15组,占样品总数24.19%;Ⅴ类水32组,占样品总数51.61%(表1、图3)。超出Ⅲ类水标准的有47组,即有75.8%的地下水不适宜直接饮用。由此可见,定靖中部地区地下水质量总体不好,大多地下水不能直接饮用。

图4 定靖中部地区地下水质量状况分布

2 地下水质量分布特征与成因分析

2.1 分布特征

从图4可以看出,靖边北部地区水质较好,仅个别地区出现水质较差点;定边南部黄土丘陵地区水质普遍较差,区内地下水质量状况分布与地下水补给特征呈现出一定的相关性。Ⅴ类水主要分布在定边县城以南地区,Ⅳ类水主要分布在定边县城东部平原区和靖边县城之北的平原区以及靖边县城南部的黄土丘陵区;Ⅰ～Ⅲ类水主要分布在县城之北的平原区和沙漠区以及沙漠滩地区。整体上,从南到北,即从黄土丘陵区到平原区再到沙漠区,地下水的水质越来越好。

2.2 成因分析

原生环境中对地下水质量起最主要作用的是地层岩性和补给特征。在北部沙漠区和沙漠滩地区,包气带岩性主要为细砂、粉砂,含水性和透水性都好,地下水循环周期短、速度快,加之该区居民较少,石油天然气开采密度小,因而地下水水质较好;南部黄土斜坡与黄土丘陵区,包气带岩主要为粉土,地下水补给条件差、运移速度较慢,入渗水与周围岩层的淋滤作用和离子交换作用[14]时间充分,使得水中矿物质成分富集,地下水无机离子增加,原生沉积环境较差，导致地下水质量较差。

不同质量地下水的分布与人类活动的相关性主要体现在污染源的空间分布上。这些地区是石油勘探和开采的较密集区域,由于勘探井或开采井施工工艺的需要,泥浆中参有大量化学添加剂,使得地层中部分离子超量富集,导致地下水部分化学组分改变或超标。尤其定边南部分布大量开采油井,油井的开采层大多在该区地下水含水层之下,所以油井必然“穿过”地下含水层,从而影响地下水的质量,这也是定边南部水质差的原因之一。另外,靖边芦河周边地下水水质较差,与芦河沿河两岸的芦河酒厂、榆林炼油厂、天然气净化厂、甲醇厂等的生产废水,以及靖边城镇居民的生活污水直接排入芦河有关,芦河水补给地下水,导致芦河周边地下水水质较差,Ⅳ、Ⅴ类水点分布较多。

3 结 语

地下水质量评价方法很多,但是每一种方法都存在着不同的缺陷,导致结果往往与实际情况不一致。笔者首先采用单指标评价法、内梅罗指数评价法、层级阶梯评价法和模糊综合评价法对定靖中部地区地下水进行质量评价,各种方法的评价结果差异较大。为弥补这些方法的缺陷,让评价结果更加可靠,笔者提出综合权重质量评价方法。该方法对每一种方法进行权重赋值,通过权重大小来调节评价结果,最终评价结果为:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类水所占比例分别为:3.23%、11.29%、9.68%、24.19%、51.61%。这种最终评判结果更加可靠和符合实际情况:定靖中部地区地下水质量普遍较差,地下水大多不适宜直接饮用;水质分布东北好、西南差,而且水质分布规律与原生环境和人类活动有一定的相关性。

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