彭陽(yáng)縣城區(qū)飲用水水源水質(zhì)調(diào)查與評(píng)價(jià)

(寧夏彭陽(yáng)縣水務(wù)局，寧夏 固原 756500)

彭陽(yáng)縣地處我國(guó)西北半干旱生態(tài)脆弱區(qū)，作為資源性缺水的地區(qū)之一，人均水資源占有量?jī)H有580m3，約為全國(guó)平均值的 1/4。近年來(lái)，隨著城鎮(zhèn)化的逐步推進(jìn)，區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)和居民生活用水量急劇增加，從而導(dǎo)致用水缺口進(jìn)一步擴(kuò)大。水質(zhì)是水資源的生命，對(duì)彭陽(yáng)縣城區(qū)水源供應(yīng)地的水質(zhì)進(jìn)行調(diào)查與評(píng)價(jià)，為保障居民用水安全和實(shí)施水資源保護(hù)、污染防治提供現(xiàn)實(shí)依據(jù)。水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)是水環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要途徑之一，其基于特定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建立由水質(zhì)指標(biāo)構(gòu)成的綜合評(píng)價(jià)矩陣，進(jìn)而根據(jù)單一指標(biāo)與水體量級(jí)間模糊關(guān)系，計(jì)算水體綜合質(zhì)量指數(shù)，以表征水質(zhì)優(yōu)劣。其中熵權(quán)-模糊綜合評(píng)判法具有客觀賦權(quán)、操作簡(jiǎn)易的特點(diǎn)，因而被廣大水文工作者采用[1]。鑒于此，本文以彭陽(yáng)城區(qū)飲用水源為研究對(duì)象，在實(shí)地調(diào)查與測(cè)定分析的基礎(chǔ)上，研究了城區(qū)水質(zhì)主要化學(xué)物質(zhì)含量特征，并采用熵權(quán)-模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)水質(zhì)樣點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為城區(qū)居民用水安全提供信息服務(wù)。

1 研究過(guò)程

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)彭陽(yáng)縣城區(qū)，16個(gè)深機(jī)井空間分布如圖1所示。水源地屬于六盤(pán)山東麓的紅茹河流域，位于城區(qū)周邊，介于六盤(pán)山向黃土高原延伸的裙皺帶，南北兩側(cè)為橫向山系，地勢(shì)西高東低，高程介于1295～2453m，形成山地、溝壑地貌。由于距離海洋較遠(yuǎn)，形成溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)型大陸性氣候，冬季寒冷、夏季溫涼，多年平均溫度為7.5℃，多年平均降水量為350～550mm，蒸發(fā)量達(dá)1100mm。該地經(jīng)濟(jì)活動(dòng)以農(nóng)業(yè)為主，用地類型主要是耕地和草地，植被覆蓋度低于20%，機(jī)井深度達(dá)360m，隨著資源開(kāi)發(fā)、土地利用的推進(jìn)，給地下水質(zhì)質(zhì)量帶來(lái)一定隱患。

圖1 深機(jī)井分布

1.2 水質(zhì)調(diào)查與樣品制備分析

深機(jī)井水文情勢(shì)平穩(wěn)、周期較長(zhǎng)，在考慮了降水、天氣等因素影響后，于2017年10月晴天時(shí)分對(duì)各深機(jī)井水質(zhì)進(jìn)行取樣。將水質(zhì)樣品放置于清凈、干燥玻璃瓶中，封裝后送檢測(cè)定，為更好地了解水質(zhì)空間分布差異，在取樣時(shí)應(yīng)用GPS儀記錄了深機(jī)井的地理坐標(biāo)。分析測(cè)定的指標(biāo)主要有：水體的 pH、總硬度、溶解氧(DO)、氨氮(NH3)、總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)。其中pH采用酸堿度檢測(cè)計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，而其他指標(biāo)分別按照EDTA滴定法、納氏試劑分光光度法、堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法、鉬酸銨分光光度法、高錳酸鹽指數(shù)重鉻酸鉀法、分光光度法測(cè)定[2]。

1.3 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

1.3.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

水質(zhì)測(cè)定數(shù)據(jù)是進(jìn)行水質(zhì)評(píng)判的基礎(chǔ)，設(shè)有m個(gè)水質(zhì)樣方，有n個(gè)水質(zhì)指標(biāo)，則原始數(shù)據(jù)矩陣如下：

(1)

在本研究中共計(jì)16個(gè)水質(zhì)點(diǎn)和6項(xiàng)測(cè)定指標(biāo)，故而m為16，n為7。

(2)

式中xminj、xmaxj分別表示在第j項(xiàng)指標(biāo)中的最小值與最大值。據(jù)此得到歸一化矩陣Y=[y]m*n。在歸一化矩陣[y]m*n的基礎(chǔ)上，計(jì)算各指標(biāo)的熵值信息以客觀賦權(quán)[3]，公式如下:

(3)

1.3.2 指標(biāo)隸屬度計(jì)算

《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)將水體中單一指標(biāo)含量豐富度劃分5個(gè)級(jí)別，并據(jù)此將水質(zhì)劃分為5種類別。水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的核心思想便是獲知水質(zhì)實(shí)測(cè)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)值之間的隸屬度。以水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Sij(i∈m，j∈n)為依據(jù)，計(jì)算實(shí)測(cè)指標(biāo)的隸屬度。對(duì)于第Ⅰ類水質(zhì)，其隸屬度公式如下[4]：

(4)

對(duì)于第Ⅱ～Ⅳ類水質(zhì)，其計(jì)算公式如下：

(5)

對(duì)于第Ⅴ類水質(zhì)，其隸屬度為

(6)

對(duì)于各斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)隸屬度rij，r值越大，則其隸屬度越高，水質(zhì)越好。根據(jù)隸屬度函數(shù)計(jì)算得到模糊關(guān)系矩陣[q]m·n。

1.3.3 水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)

水體是自然溶液，水體中的各項(xiàng)指標(biāo)綜合決定了水體質(zhì)量。單一指標(biāo)只能反映某一屬性的豐缺程度，采用綜合指數(shù)法對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)加權(quán)求和，即能表達(dá)水體綜合質(zhì)量，則水質(zhì)綜合指數(shù)的計(jì)算公式如下[5]：

(7)

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SPSS 19.0軟件對(duì)樣點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)的最大值、最小值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)等特征進(jìn)行計(jì)算；person相關(guān)系數(shù)用于檢測(cè)水質(zhì)指標(biāo)之間的關(guān)系，應(yīng)用Excel 2016計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的熵權(quán)信息、隸屬度和水質(zhì)綜合指數(shù)，ArcGIS 10.3繪制水質(zhì)樣點(diǎn)空間分布圖。

2 結(jié)果分析

2.1 研究區(qū)水體質(zhì)量描述性特征

彭陽(yáng)城區(qū)水源地水質(zhì)調(diào)查統(tǒng)計(jì)特征見(jiàn)表1。16個(gè)水質(zhì)樣點(diǎn)中pH值介于7.2～8.0之間，屬于中性至弱堿性，均值為7.45，變異程度較小，變異系數(shù)僅為2.56%。總硬度在56.8～275.2之間，基本符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)。溶解氧含量達(dá)8.7±0.2mg/L，呈現(xiàn)弱變異(6.25%)。本區(qū)水體中氮素含量較低，其中氨氮含量的最小值為0，最高達(dá)到0.015mg/L；總氮含量范圍在0.001～0.01mg/L之間，并且差異性不大。全磷是水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要指標(biāo)之一，深機(jī)井水體中全磷含量介于0.09～1.01mg/L之間，達(dá)到Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 研究區(qū)水體主要化學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征 單位：mg/L

2.2 研究區(qū)水體指標(biāo)間的相關(guān)性

水循環(huán)過(guò)程與大氣、土壤、地質(zhì)、植被等環(huán)境因素以及人為活動(dòng)存在密切關(guān)系，因而水體中各指標(biāo)含量來(lái)源較為復(fù)雜。相關(guān)分析能夠揭示各指標(biāo)之間來(lái)源是否相同或期間的元素遷移轉(zhuǎn)化研究區(qū)水質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表2。由表2可知，研究區(qū)水體中溶解氧與pH值呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.462，表明存在一定的化學(xué)元素循環(huán)，主要由于pH較高的水體中含鈣鎂鹽類較多，而他們的結(jié)構(gòu)分子與水分子間有著頻繁化學(xué)能量轉(zhuǎn)化。溶解氧與氮素、全磷素均呈正相關(guān)關(guān)系，并且相關(guān)性尚不顯著。

表2 研究區(qū)水質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)

注*表示在0.05水平上呈顯著性

2.3 研究區(qū)水體質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

在模糊綜合評(píng)判中，遵循最大值原則確定水質(zhì)級(jí)別，表3為研究區(qū)16個(gè)樣點(diǎn)水體質(zhì)量指數(shù)的綜合隸屬度值。由表3可知，1～6號(hào)樣點(diǎn)水質(zhì)屬Ⅰ類水質(zhì)，7～16號(hào)樣點(diǎn)屬Ⅱ類水質(zhì)，兩類水質(zhì)分別占37.5%和62.5%，綜合來(lái)說(shuō)，深機(jī)井水體質(zhì)量相對(duì)較好，能夠滿足飲用水對(duì)水質(zhì)的基本需求。

表3 研究區(qū)各樣點(diǎn)水質(zhì)水體指數(shù)及分級(jí)

2.4 研究區(qū)水質(zhì)空間分布

為進(jìn)一步了解彭陽(yáng)縣飲用水水源水質(zhì)空間分布特征，將16個(gè)樣點(diǎn)水體質(zhì)量等級(jí)進(jìn)行空間可視化，結(jié)果如圖2所示。可知，Ⅰ類水質(zhì)主要分布于城區(qū)中心，Ⅱ水質(zhì)則分布在城區(qū)周邊。水質(zhì)的這種分布特征，原因如下：?城區(qū)中心深機(jī)井位于地下水拐彎地帶，地下水流動(dòng)能較強(qiáng)、流速快，不易于化學(xué)鹽類聚集，水體交換能力好，因而水質(zhì)較優(yōu)；城區(qū)周邊的深機(jī)井水體動(dòng)能較弱、流速緩慢，便于鹽類物質(zhì)聚集，因而水質(zhì)略差。?城區(qū)中心及周邊深機(jī)井由于埋藏較深，降水、河流下滲補(bǔ)給時(shí)間長(zhǎng)，且人為影響強(qiáng)度微乎其微，水體受影響較小。

圖2 研究區(qū)水質(zhì)空間分布

3 結(jié) 論

本文通過(guò)實(shí)地取樣調(diào)查、化驗(yàn)分析，測(cè)定了彭陽(yáng)縣城區(qū)飲用水源的主要化學(xué)性質(zhì)，并采用熵權(quán)模糊綜合評(píng)判法，對(duì)水體質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，該城區(qū)主要化學(xué)指標(biāo)含量均符合飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，16個(gè)水質(zhì)樣點(diǎn)中水體質(zhì)量達(dá)到I類的有6個(gè)，達(dá)到Ⅱ水質(zhì)的有10個(gè)，表明整體水質(zhì)較好。然而城區(qū)水質(zhì)空間分布不均衡，總體來(lái)看，城區(qū)中心水質(zhì)較優(yōu)，周邊水質(zhì)略差，主要由于水文情勢(shì)和地下水層巖土構(gòu)造差異引起。為確保區(qū)域飲用水安全，當(dāng)前應(yīng)增加水質(zhì)調(diào)查與化驗(yàn)分析頻次，積極監(jiān)管城區(qū)水環(huán)境變化，以防治潛在污染。

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