彭阳县城区饮用水水源水质调查与评价

(宁夏彭阳县水务局，宁夏 固原 756500)

彭阳县地处我国西北半干旱生态脆弱区，作为资源性缺水的地区之一，人均水资源占有量仅有580m3，约为全国平均值的 1/4。近年来，随着城镇化的逐步推进，区域经济社会和居民生活用水量急剧增加，从而导致用水缺口进一步扩大。水质是水资源的生命，对彭阳县城区水源供应地的水质进行调查与评价，为保障居民用水安全和实施水资源保护、污染防治提供现实依据。水质综合评价是水环境监测的重要途径之一，其基于特定的评价标准建立由水质指标构成的综合评价矩阵，进而根据单一指标与水体量级间模糊关系，计算水体综合质量指数，以表征水质优劣。其中熵权-模糊综合评判法具有客观赋权、操作简易的特点，因而被广大水文工作者采用[1]。鉴于此，本文以彭阳城区饮用水源为研究对象，在实地调查与测定分析的基础上，研究了城区水质主要化学物质含量特征，并采用熵权-模糊综合评价法对水质样点进行评价，以期为城区居民用水安全提供信息服务。

1 研究过程

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏回族自治区彭阳县城区，16个深机井空间分布如图1所示。水源地属于六盘山东麓的红茹河流域，位于城区周边，介于六盘山向黄土高原延伸的裙皱带，南北两侧为横向山系，地势西高东低，高程介于1295～2453m，形成山地、沟壑地貌。由于距离海洋较远，形成温带半湿润季风型大陆性气候，冬季寒冷、夏季温凉，多年平均温度为7.5℃，多年平均降水量为350～550mm，蒸发量达1100mm。该地经济活动以农业为主，用地类型主要是耕地和草地，植被覆盖度低于20%，机井深度达360m，随着资源开发、土地利用的推进，给地下水质质量带来一定隐患。

图1 深机井分布

1.2 水质调查与样品制备分析

深机井水文情势平稳、周期较长，在考虑了降水、天气等因素影响后，于2017年10月晴天时分对各深机井水质进行取样。将水质样品放置于清净、干燥玻璃瓶中，封装后送检测定，为更好地了解水质空间分布差异，在取样时应用GPS仪记录了深机井的地理坐标。分析测定的指标主要有：水体的 pH、总硬度、溶解氧(DO)、氨氮(NH3)、总氮(TN)、总磷(TP)、高锰酸盐指数(CODMn)。其中pH采用酸碱度检测计进行现场测定，而其他指标分别按照EDTA滴定法、纳氏试剂分光光度法、碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法、钼酸铵分光光度法、高锰酸盐指数重铬酸钾法、分光光度法测定[2]。

1.3 水质评价方法

1.3.1 数据标准化

水质测定数据是进行水质评判的基础，设有m个水质样方，有n个水质指标，则原始数据矩阵如下：

(1)

在本研究中共计16个水质点和6项测定指标，故而m为16，n为7。

(2)

式中xminj、xmaxj分别表示在第j项指标中的最小值与最大值。据此得到归一化矩阵Y=[y]m*n。在归一化矩阵[y]m*n的基础上，计算各指标的熵值信息以客观赋权[3]，公式如下:

(3)

1.3.2 指标隶属度计算

《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)将水体中单一指标含量丰富度划分5个级别，并据此将水质划分为5种类别。水质综合评价的核心思想便是获知水质实测指标与标准值之间的隶属度。以水质分级标准Sij(i∈m，j∈n)为依据，计算实测指标的隶属度。对于第Ⅰ类水质，其隶属度公式如下[4]：

(4)

对于第Ⅱ～Ⅳ类水质，其计算公式如下：

(5)

对于第Ⅴ类水质，其隶属度为

(6)

对于各断面水质监测指标隶属度rij，r值越大，则其隶属度越高，水质越好。根据隶属度函数计算得到模糊关系矩阵[q]m·n。

1.3.3 水质模糊综合评价

水体是自然溶液，水体中的各项指标综合决定了水体质量。单一指标只能反映某一属性的丰缺程度，采用综合指数法对各项指标加权求和，即能表达水体综合质量，则水质综合指数的计算公式如下[5]：

(7)

1.4 数据处理

应用SPSS 19.0软件对样点水质指标的最大值、最小值、均值、标准差和变异系数等特征进行计算；person相关系数用于检测水质指标之间的关系，应用Excel 2016计算各项指标的熵权信息、隶属度和水质综合指数，ArcGIS 10.3绘制水质样点空间分布图。

2 结果分析

2.1 研究区水体质量描述性特征

彭阳城区水源地水质调查统计特征见表1。16个水质样点中pH值介于7.2～8.0之间，属于中性至弱碱性，均值为7.45，变异程度较小，变异系数仅为2.56%。总硬度在56.8～275.2之间，基本符合饮用水标准。溶解氧含量达8.7±0.2mg/L，呈现弱变异(6.25%)。本区水体中氮素含量较低，其中氨氮含量的最小值为0，最高达到0.015mg/L；总氮含量范围在0.001～0.01mg/L之间，并且差异性不大。全磷是水体富营养化的重要指标之一，深机井水体中全磷含量介于0.09～1.01mg/L之间，达到Ⅰ类水质标准。

表1 研究区水体主要化学指标统计特征 单位：mg/L

2.2 研究区水体指标间的相关性

水循环过程与大气、土壤、地质、植被等环境因素以及人为活动存在密切关系，因而水体中各指标含量来源较为复杂。相关分析能够揭示各指标之间来源是否相同或期间的元素迁移转化研究区水质指标间的相关系数见表2。由表2可知，研究区水体中溶解氧与pH值呈显著正相关，相关系数达0.462，表明存在一定的化学元素循环，主要由于pH较高的水体中含钙镁盐类较多，而他们的结构分子与水分子间有着频繁化学能量转化。溶解氧与氮素、全磷素均呈正相关关系，并且相关性尚不显著。

表2 研究区水质指标间的相关系数

注*表示在0.05水平上呈显著性

2.3 研究区水体质量综合评价

在模糊综合评判中，遵循最大值原则确定水质级别，表3为研究区16个样点水体质量指数的综合隶属度值。由表3可知，1～6号样点水质属Ⅰ类水质，7～16号样点属Ⅱ类水质，两类水质分别占37.5%和62.5%，综合来说，深机井水体质量相对较好，能够满足饮用水对水质的基本需求。

表3 研究区各样点水质水体指数及分级

2.4 研究区水质空间分布

为进一步了解彭阳县饮用水水源水质空间分布特征，将16个样点水体质量等级进行空间可视化，结果如图2所示。可知，Ⅰ类水质主要分布于城区中心，Ⅱ水质则分布在城区周边。水质的这种分布特征，原因如下：ⓐ城区中心深机井位于地下水拐弯地带，地下水流动能较强、流速快，不易于化学盐类聚集，水体交换能力好，因而水质较优；城区周边的深机井水体动能较弱、流速缓慢，便于盐类物质聚集，因而水质略差。ⓑ城区中心及周边深机井由于埋藏较深，降水、河流下渗补给时间长，且人为影响强度微乎其微，水体受影响较小。

图2 研究区水质空间分布

3 结 论

本文通过实地取样调查、化验分析，测定了彭阳县城区饮用水源的主要化学性质，并采用熵权模糊综合评判法，对水体质量进行综合评价。结果表明，该城区主要化学指标含量均符合饮用水水质标准，16个水质样点中水体质量达到I类的有6个，达到Ⅱ水质的有10个，表明整体水质较好。然而城区水质空间分布不均衡，总体来看，城区中心水质较优，周边水质略差，主要由于水文情势和地下水层岩土构造差异引起。为确保区域饮用水安全，当前应增加水质调查与化验分析频次，积极监管城区水环境变化，以防治潜在污染。

[1] 郭劲松,龙腾锐,霍国友,等.四种水质综合评价方法的比较[J].重庆建筑大学学报,2000(4):6-12.

[2] 李会仙,吴丰昌,陈艳卿,等.我国水质标准与国外水质标准/基准的对比分析[J].中国给水排水,2012,28(8):15-18.

[3] 曾永,樊引琴,王丽伟,等.水质模糊综合评价法与单因子指数评价法比较[J].人民黄河,2007(2):45，65.

[4] 张先起,梁川.基于熵权的模糊物元模型在水质综合评价中的应用[J].水利学报,2005(9):1057-1061.

[5] 邹志红,孙靖南,任广平.模糊评价因子的熵权法赋权及其在水质评价中的应用[J].环境科学学报,2005(4):552-556.