山東招遠市地下水水化學特征及水質評價

彭康寧,張 衛,朱恒華,周建偉,萬豪杰,趙 駿

(1.中國地質大學(武漢) 教育部長江三峽庫區地質災害研究中心，湖北 武漢 430074;2.山東省地質調查院，山東 濟南 250000;3.中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢 430074)

山東省招遠市位于山東膠東半島西北部，是重要的采金城市，工農業生產和城鎮居民生活飲用水主要依賴地下水開采。近幾十年來，由于超采地下水以及人類生產生活活動的影響，招遠市地下水環境逐步惡化，地下水污染范圍逐漸擴大，直接影響了工農業生產，并對人類健康和生態環境構成了嚴重的威脅。因此，開展招遠市地下水水質污染狀況的調查，并進行地下水水化學特征分析及水質評價迫在眉睫。

目前常用的地下水水質評價方法主要有單因子評價法、綜合指數評價法、神經網絡評價法和模糊數學評價法等[1]。其中，單因子評價法是對地下水中單個水質指標進行獨立評價，因而其評價結果不能全面地反映地下水水質的整體情況，且誤差較大[2]；綜合指數評價法考慮了地下水中多個水質指標，并通過賦予各個指標不同的權重來綜合評判地下水水質，但未考慮地下水水質分級界線的模糊性，不能很好地揭示地下水水質的真實情況[3-4]；神經網絡評價法適用范圍有一定的局限性，只有符合一定的條件才能取得較好的評價結果，且并不適用于有限樣本的情況[5-6]；模糊數學評價法充分考慮了地下水水質分級界限的模糊性，數據具有連續性，且計算了每種污染因子對各級標準的隸屬程度，而非某一級標準，并在樣品數量有限的情況下，可使評價結果更接近實際[7]，因此該方法已成為目前最常用的地下水水質評價方法之一。

以往研究者針對山東招遠地區地下水水質的相關研究較少，如秦瑞杰等[8]利用SPSS軟件對招遠市地下水水質進行了分析與評價，并揭示了該地區地下水水質的主要影響因子；劉軍劍等[9]于1999年5月至7月對招遠市農村飲用水源進行了衛生學調查及水質分析，結果顯示該地區生活飲用水合格率僅為10%；田梅青等[10]對招遠市金礦區采、選礦廢水中的污染物對地下水可能造成的污染進行了調查研究。但這些研究均未對招遠地區地下水水質進行較為科學、全面的評價，且對該地區地下水的水化學特征進行分析的研究也尚未見報道。因此，本文綜合運用描述性統計法、溶解性總固體(TDS)含量分區圖及Piper三線圖對山東招遠市地下水的水化學特征以及離子變異特征進行了研究，并利用模糊數學評價法對地下水水質進行了綜合評價，以期為該地區地下水的合理開發和利用提供理論依據。

1 研究區概況

山東省招遠市地處山東省膠東半島西北部，位于北緯37°05′～37°33′、東經120°08′～120°38′之間，東接棲霞，西接萊州，南與萊西、萊陽兩市相鄰，北與龍口市為鄰，西北瀕臨渤海，全市面積約1 433.18 km2，海岸線長13.5 km[11]。

研究區地處膠東半島低山丘陵地帶，地勢西低東高，西鄰渤海灣，為濱海平原，地勢平坦，海拔為8～30 m，大部分地區被第四系所覆蓋；東部為起伏的丘陵區，海拔為40～70 m，基巖裸露，沖溝發育。研究區地下水類型主要包括松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩大類。其中，第四系松散巖類孔隙潛水含水層為該地區最重要的含水層，主要分布在各河流河谷平原及大沽河主河道帶；該含水層顆粒較粗，多為砂卵礫石，厚度在5～15 m之間，透水性強，水量豐富，單井涌水量一般在500～1 000 m3/d，水位埋深在1～3 m之間，水力性質基本屬于孔隙潛水，為招遠地區最具供水意義的地下水類型。研究區地下水主要接受大氣降水入滲補給，其次為地表水和農田灌溉水的滲漏補給。

2 數據來源與評價方法

2.1 數據來源

本次調查研究共取地下水水樣34個，均取自民井，地下水類型為潛水，研究區取樣點分布見圖1。具體水樣采集方法如下：用聚乙烯瓶作為采樣瓶，水樣采集前先用蒸餾水清洗3次，再用待采集水樣潤洗3次；采樣時嚴格防止氣泡進入，每個取樣點水樣用0.45 μm濾膜過濾后采集2瓶水樣樣品，其中一瓶加入濃硝酸，使水樣的pH值≤2，用于水樣中常規陽離子的測試[12]。

2.2 地下水水質評價方法

由于影響地下水環境的因素眾多，水質級別劃分具有模糊性，因此可以考慮將模糊集理論和方法引入地下水水質評價中[13-15]。模糊數學評價法先依據實測數據建立各評價因子相對于各級標準的隸屬度集，然后計算出各評價因子權重集，最后將各評價因子的權重集與隸屬度集相乘，獲得水體水質綜合評判集，即可反映水體水質對各級標準的隸屬程度[16]。這種基于權重的模糊數學評價法能夠綜合考慮各個評價指標對評價結果的影響，可以較客觀、全面地反映地下水質量的狀況[17]。因此，本次采用模糊數學評價法對研究區地下水水質進行綜合評價。

圖1 山東省招遠地區水文地質及取樣點分布圖Fig.1 Hydrogeological map and the sampling sites of groundwater samplings in Zhaoyuan City

3 結果與分析

3.1 研究區地下水的水化學特征

3.1.1 地下水中水化學指標的描述性統計特征

對地下水中有關水化學指標進行描述性統計分析是研究其水化學特征及其演化規律的基礎，通過描述性統計分析可以大致了解地下水中各水化學成分的富集及變化規律。研究區地下水中水化學指標的描述性統計特征值見表1。

表1 研究區地下水中水化學指標的描述性統計特征值Table 1 Descriptive analysis of hydro-chemical parameters of the groundwater in the study area

注：表中除pH值無量綱外，其他單位均為mg/L。

3.1.2 地下水中TDS含量和水化學類型的分布規律

本文結合研究區34個水樣點的TDS含量，繪制了研究區地下水中TDS含量的分區圖(見圖2)，并根據地下水中TDS含量的大小，將研究區地下水劃分為淡水(TDS含量<1 g/L)、微咸水(TDS含量介于1～3 g/L)和咸水(TDS含量>3 g/L)[19]。

圖2 研究區地下水中TDS含量的分區圖Fig.2 Partition map of TDS content of the groundwater in the study area

由圖2可見，研究區地下水淡水主要分布在山地丘陵區，微咸水分布在界河流域的河谷區，咸水均分布在西北方向的濱海平原區；TDS含量總體呈南北低、東西高的趨勢，而西部地區TDS含量的異常升高與海水入侵有關。

此外，本文還繪制了研究區地下水水樣點的Piper三線圖，見圖3。

圖3 研究區地下水水樣點的Piper三線圖Fig.3 Piper diagram of the groundwater samples in the study area

3.2 研究區地下水水質的綜合評價

基于上述研究區地下水水化學特征的分析，本文依據2015年10月26日國土資源部發布的《地下水水質標準》[18]，采用模糊數學評價法對研究區地下水水質進行了綜合評價，具體評價過程如下(以研究區地下水ZY-01水樣點為例)：

表2 我國《地下水水質標準》(DZ/T 0290—2015)中評價因子的分級限值[18](單位：mg/L)Table 2 Limits of the Standard for Groundwater Quality(DZ/T 0290—2015)[18](unit:mg/L)

(2) 隸屬度及隸屬函數的確定。地下水水質級別的劃分具有模糊性，因此可以用隸屬度來描述其模糊界限。所謂隸屬度，系指每一個評價因子隸屬于不同評價等級的程度，可用隸屬函數來表示[20-21]:

對Ⅰ級(評價等級j=1)的隸屬度函數為

(1)

對Ⅱ級至Ⅳ級(評價等級j=2,3,4)的隸屬度函數為

(2)

對Ⅴ級(評價等級j=5)的隸屬度函數為

(3)

式中：xki表示第k個水樣中第i個評價因子的實測值；cij表示第i個評價因子相對于第j個評價等級的界限值；yij表示第i個評價因子相對于第j個評價等級的隸屬度。

根據上面公式，即可以計算得到各評價因子相對于各評價等級的隸屬度，由此可以確定每個水樣的第i個評價因子相對于第j個評價等級的模糊數學關系矩陣R。研究區地下水ZY-01水樣的模糊數學關系矩陣則為

(3) 權重及歸一化運算。在地下水水質綜合評價時，考慮到各評價因子對水質的影響程度不同，因而應對它們賦予不同的權重[22]。根據各評價因子參數超標情況進行加權，超標越多的評價因子，其權重越大[23]，則有：

(4)

式中:Wki表示第k個水樣第i個評價因子的權重;si表示第i個評價因子各評價等級標準值的算術平均值。

若評價因子的權重大于1，則需按下式進行歸一化運算：

(5)

式中:aki表示第k個水樣第i個評價因子的歸一化權重；其他物理量的含義同上。

按照以上公式，可計算得到研究區地下水ZY-01水樣點各評價因子的權重集，即A01=(0.056,0.819,0.076,0.049)

按照以上公式，計算研究區地下水ZY-01水樣點的水質參數評價矩陣B，可得B01=(0,0,0,0，1)。由最大隸屬度原則可知，地下水ZY-01水樣點的水質屬于V類水。

按照上述方法，對研究區34個地下水水樣點的水質進行模糊數學綜合評價，可得到研究區地下水各水樣點水質的隸屬度和模糊評價等級，詳見表3。

表3 研究區淺層地下水各水樣水質評價結果Table 3 Water quality assessment result of the shallow groundwater samples in the study area

4 結 論

(2) 研究區地下水的水化學類型主要以Cl·HCO3-Ca·Na型水和Cl·SO4-Ca·Na型水為主，還出現了HCO3·Cl-Ca·Na型水和SO4-Ca·Na型水。

(3) 研究區地下水水質總體情況不容樂觀，在羅峰街道樓里頭村、金嶺鎮山上張家村和夢芝街道石星河村以南200 m附近，地下水水質屬于II類水，在羅峰街道小宋家村附近，地下水水質為III類水，以上取樣點地區地下水水質相對較好，均可適當開采作為生活飲用水，而其余地區地下水水質較差，可作為工農業用水。

通訊作者：朱恒華(1981—)，男，碩士，高級工程師，主要從事水工環調查方面的研究工作。E-mail:67146398@qq.com