江蘇沭陽主城區地下水環境質量評價

汪名鵬，吳建春

(江蘇省水文地質海洋地質勘查院，江蘇淮安 223005)

地下水是人類賴以生存的重要資源。地下水環境質量的優劣直接影響城市的可持續發展，正確合理地評價地下水水環境質量，對保護地下水資源、準確掌握污染狀況具有積極意義。

目前，國內水環境評價的方法較多，主要有內梅羅指數綜合評價法、模糊數學法、灰色關聯法、數理統計法、人工神經網絡法等，其中內梅羅指數評價法是GB/T14848—93《地下水質量標準》推薦的方法。地下水水環境評價中，污染程度、水環境類別的評價存在概念模糊的現象［1-2］，因此，模糊數學法在地下水水環境評價中的應用也較廣泛。筆者在分析江蘇沭陽主城區水文地質條件的基礎上，應用內梅羅綜合指數評價法和模糊數學法對江蘇沭陽主城區地下水環境質量進行評價。

1 研究區水文地質條件

沭陽主城區位于淮、沂、沭、泗流域下游，素有“洪水走廊”之稱。新沂河和淮沭河貫穿沭陽主城區，地表水系相當發育。隨著工業化進程的推進和城區人口密度的劇增，沭陽主城區地表水受污染的程度越發嚴重。由于沭陽的河堤、河漫灘多為粉土、砂土，大量工業及生活污水通過無防滲的溝渠排入河流，使污染水體連續滲漏，以直接或間接方式進入地下含水層，造成沭陽地下水特別是淺層地下水遭受污染。此外，沭陽主城區自20世紀80年代中期地下水持續過量開采，導致局部地區形成水位降落漏斗。地下水位的不斷下降，加快了水質下降的速度。

針對沭陽的水質現狀，以“沭陽主城區環境地質調查與評價”項目為依托，在工作區共采集地下水樣10組(圖1)，其中淺層(第Ⅰ含水層組)地下水4組，深層(第Ⅱ、Ⅲ含水層組)地下水6組。

圖1 工作區地下水采樣位置示意圖

沭陽主城區各含水層水質特征見表1。

2 評價因子的選擇和評價標準

2.1 評價因子的確定

地下水化學成分復雜，一般根據標準，地下水水質標準涉及指標共39項，其中20項指標規定為水質監測項目［3］，如果把測試項目都參與評價，或者參與評價的因子較多，不但增加評價計算的工作量，且不具代表性。因此，選擇評價因子時要考慮到以下幾個方面［3-4］:①所選指標的涵蓋面要廣，要覆蓋各種污染類型的污染因子，能夠較全面地反映當地地下水水質污染的特點和污染程度。②反映人為污染的原則，所選因子應盡可能反映人為污染這一特點，顧及對人體健康影響的因素。根據沭陽主城區地下水特征和地下水水質特點，選擇對水質有較大影響的總硬度、TDS、F－、NO－3、Cl－、SO2－4、Mn、揮發酚類共8個指標作為評價因子。

2.2 評價標準的選擇

依據我國地下水水質現狀、人體健康基準值及地下水質量標準，并參照生活飲用水、工業用水、農業用水水質的最高要求，選擇GB/T14848—93《地下水質量標準》［5］將地下水質量劃分為5類。地下水質量分類指標見表2。

表1 沭陽主城區主要含水層水質分布 mg/L

表2 GB/T14848—93《地下水質量標準》分類指標 mg/L

3 地下水水環境評價

3.1 內梅羅綜合指數法

3.1.1 內梅羅綜合指數法的原理

內梅羅綜合指數法計算公式［6］為

情況 4.1 若f3(v)=0,此時最壞的情況是v點關聯6個6-面,v的鄰點全部為3-點且這些3-點均關聯著一個三角形。由R1,R2.1,R3.1或R3.2或R3.4得

其中 Fmax=max(ρi/Si)

i=1，2，…，n;j=1，2，…，m

式中:Pj為第j種用途的內梅羅綜合指數;ρi為第i種評價因子的實測質量濃度值;Si為第i種評價因子對應的各水質級別的標準值之和的平均值;sij為第i種評價因子j種用途的標準值;ˉF為ρi/sij相加后的平均值;Fmax為ρi/sij值中最大值;

根據研究區各評價因子的實測數據，選用GB/T14848—93《地下水質量標準》中Ⅲ類水質標準為基準，將區內水質類別劃分為5個級別，見表3。

表3 內梅羅綜合指數與水質類別的對應關系

3.1.2 內梅羅指數法的評判結果

3.2 模糊數學法

3.2.1 模糊數學法的原理

模糊數學方法［7］是系統評價方法的一種，在滿足每一個集合都必須由確定的元素構成和元素對集合的隸屬關系必須是明確的條件下，通過加權線性變換，弱化了指標和層次之間相互的獨立性，使得評價結果中包括所有因素的共同作用，體現了評價方法綜合性的特點。利用模糊數學法綜合評判地下水水質的核心是，根據水質評價因子建立權重模糊矩陣，確定評價因子的權向量，根據模糊數學最大隸屬度原則評定水樣的等級。利用模糊數學法進行綜合評價的步驟參見文獻［8］。

表4 地下水質量級別

3.2.2 模糊數學法評判的過程

a.計算隸屬度，建立模糊關系矩陣R。根據各因子5級標準設立5個級別的隸屬函數，rij表示評價因子實測質量濃度ρi與其對應的第i個評價因子對應第j級水質標準的隸屬度(0≤rij≤1)。當地下水污染物實測質量濃度ρi小于或等于j級地下水標準值ρij時，其隸屬度取0;當地下水污染物實測質量濃度ρi大于或等于j+1級地下水標準值ρij+1時，其隸屬度取1。介于j與j+1級的地下水質量濃度，其隸屬度按式(2)和式(3)內插法確定。

b.確定權重分配模糊向量A。根據分指標超標比，可計算出各單項目參數的權重值，并對各項參數的權重值進行歸一化處理，得出參數的權重。根據各因子指數計算各評價因子的權重矩陣為A=［a1，a2，…，am］(m 為指標項目數)

c.模糊矩陣復合運算。模糊矩陣復合運算［9］是A與R矩陣進行復合運算B=A·R，實際是對各評價因子進行加權的過程。模糊矩陣復合運算在模糊數學里是通過模糊算子進行的，常用的模糊算子有取小取大法、相乘取大法、取小相加法、相乘相加法，其中取小取大法為主因素突出型，相乘取大法為半主因素突出型，取小相加法、相乘相加法為加權平均型［10］。在模糊評判中，常用模糊算子為取小取大法和相乘取大法，計算公式如下:

通過對研究區地下水水樣進行模糊矩陣復合運算，得出每個水樣相對于各個質量類別的綜合評判隸屬度，比較各級隸屬度的大小，其中隸屬度最大者所在的等級就是水樣點的分類等級。若在評判結果中出現兩個最大值，取靠近最大值的那個大值來確定級別。各取樣點隸屬度水質計算結果見表5。

從選用的兩種模糊算子復合運算結果的對比表明，在本地區兩種算法對水質級別的評判基本一致，只有10%的差別，且這10%隸屬度很接近。

4 結果分析與評價

a.采用內梅羅綜合指數法與模糊數學法在沭陽主城區地下水水環境評價的應用中，結果一致性較好，見表6。從表6可以看出，兩種評價方法的結果相同率達80%，尤其是第Ⅱ、第Ⅲ含水層組地下水評價結果相同率達100%。

表5 沭陽主城區主要含水層地下水水質模糊評價結果

表6 兩種方法水質評價結果

b.內梅羅綜合指數法與模糊數學法在沭陽主城區地下水水環境評價的應用中各有優缺點。內梅羅綜合指數法簡潔、運算方便;模糊數學法是采用隸屬度函數來評判地下水污染狀況，避免了平均值或簡單值的累加，體現了實際界限的模糊性，其優點是綜合、客觀，使評價結果更符合實際且合理、可信［11］。內梅羅指數法過分突出極大值對水質污染的影響，只要一項因子的ρi/si值偏高，即使其他因子值較低，也會使內梅羅綜合指數偏高;采用模糊數學法不足之處是計算較為繁瑣，并且過分強調了極大值的作用，使評價結果朝污染重的方向偏移［12］。

c.根據沭陽主城區對3層地下水含水層共10個水樣的綜合評判，第Ⅰ含水層101、D1兩個取樣點分別是錳和溶解性總固體、總硬度嚴重超標，揮發酚、氟指標偏高。根據污染因子的主要毒副作用及危害性分類［13］，揮發酚屬于Ⅰ類危害因子，對人產生極大危害和嚴重后果;氟化物和錳屬于Ⅱ類危害因子;溶解性總固體、總硬度屬于Ⅲ類危害因子，一般不會產生特別嚴重后果。根據內梅羅指數法與模糊數學法的評判結果，第Ⅰ含水層101、D1兩個取樣點水質類別為Ⅴ類，表明研究區該層地下水局部地段已遭受嚴重污染，不適宜飲用(101取樣點被污染的主要原因是城市居民生活污水的直接排放以及城市河流污染地表水的滲透所致;D1取樣點位于垃圾堆積場附近，污染是滲濾液入滲所致);研究區第Ⅱ、第Ⅲ含水層地下水達到了Ⅱ類水質標準，可以適用于各種用途。

5 結論

a.在分析沭陽主城區水文地質條件的基礎上，運用內梅羅綜合指數法與模糊數學法，對沭陽主城區各含水層地下水水環境質量進行了評判。評判結果表明，兩種方法的評價結果在沭陽主城區的一致性較好:沭陽主城區第Ⅰ含水層水質因舊城區和現狀垃圾堆積場周邊受到嚴重污染，水質類別為Ⅴ類，不適宜飲用;其他地點第Ⅰ含水層水質達到Ⅰ～Ⅱ類水質標準，水質較好，第Ⅱ、第Ⅲ含水層地下水達到了Ⅱ類水質標準，可以適用于各種用途。

b.在進行定量評判水環境質量的同時，應結合水環境污染因子對人類的毒副作用與危害性開展研究，彌補采用不同方法評價水環境質量產生的差異，以保證評價的合理性。

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