朝陽縣地下水集中供水水源地水環(huán)境質量評價

劉立娟

（朝陽縣水利勘測設計隊，遼寧 朝陽 122000）

地下水環(huán)境一般會受到地下水-地表水相互作用、沉積物或土壤與水之間的生物化學反應，以及城市建設、土地利用和農業(yè)發(fā)展等因素影響影響[1]。無論污廢水是否經過處理，都可能成為污染的排放源，對地下水的化學特征有明顯的影響。另外，還可能受到大氣降水產生的地下或地表徑流和城市地區(qū)灌溉用水等非點源污染的影響，地表灌溉系統演變、淺層地下水污染、灌溉水量及農業(yè)灌溉方式的改變也將顯著影響地下水環(huán)境，許多學者廣泛研究地下水水質受項目的實施及工農業(yè)生產事件的影響作用[2-5]。國內外研究大多將地下水質視作水環(huán)境的一個方面，對于地下水環(huán)境評價，應當考慮地下水的水質狀況，同時需要考慮合理開發(fā)情況和是否存在超采問題，這種地下水環(huán)境都屬于狹義上的研究。集中供水是一項解決農村飲水問題的惠民工程，地下水資源對于保證農村飲水安全具有重要作用，考慮集中供水工程的長效運行設防理念以及水源地的水質水量保障能力，科學評價地下水環(huán)境質量是具有預見性、前期性和基礎性的研究工作。鑒于此，文章采用熵權-模糊優(yōu)選法評定朝陽縣地下水質，旨在為保護集中供水水源的地下水環(huán)境以及農村飲水安全目標的實現提供參考依據[6-8]。

1 評價方法

1.1 構建決策評價集

設由m項參評指標和n個評判等級構成的地下水環(huán)境質量評價標準矩陣為Y為決策評價矩陣，其表達式如下：

式中：y為各指標的等級界限值，i的取值區(qū)間1～m，h的取值區(qū)間1～n。

1.2 構造觀測矩陣

設待觀測矩陣X由m個指標實測值和k個評價單元構成，即：

式中：x為評價單元的各指標實測數據，其中i=1，2，…，m；j=1，2，…，k。

1.3 數據標準化處理

為消除各參評指標數量級或單位不同帶來的不可通透性，必須標準化處理X和Y矩陣，設評價標準矩陣Y經標準化處理后轉變成矩陣S，并且符合條件Si,n=1、Si,1=0，相應的處理公式如下：

考慮各參評指標的正向、逆向特征，運用不同的標準化公式對實測值矩陣進行處理，對正向和逆向指標的標準化公式為：

1.4 計算指標權重

采用熵權法計算參評指標權重，按照熵的定義利用公式（6）計算參評指標i的熵Hi，并確定熵權矩陣V，具體如下：

1.5 綜合評價模型

式中：p為距離系數，通過拉格朗日乘子法可以將上式轉化成如下形式：

式中：η 為加權因子，i=1，2，…，m；j=1，2，…，k。根據以上計算結果確定第j個單元隸屬于h級的程度uh，j，參照最大度原則確定水質等級。

2 地下水環(huán)境質量評價

2.1 研究區(qū)概況

朝陽縣地處N40°55′～41°54′，E119°52′～120°47′之間，總面積3 762km2，下轄298個行政村，28個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。朝陽縣屬于大陸性季風氣候區(qū)，年均降水量497.8mm，其中45.7%集中于7～8月，全年日照時數2 800h，平均氣溫為7.1℃，無霜期157d。結合統計資料，朝陽縣年均地下水可開采量7 705萬m3，地下水13 226萬m3，由于降水、埋深、地貌和土質巖性等條件不同地下水分布不均，總體呈山丘區(qū)富水性差而河谷平原區(qū)較好的特征，朝陽縣大、小凌河河谷具有相對豐富的地下水資源[9-10]。

從用水現狀上，近年來朝陽縣地下水開采量持續(xù)增加，而地表水占總用水量比例很小，地表水開發(fā)利用不足且局部地區(qū)地下水出現超采的情況，對誰生態(tài)環(huán)境健康、經濟可持續(xù)發(fā)展和水資源可持續(xù)利用造成直接影響。一直以來，由于地下水超采使得地下水位逐漸下降，通過最嚴格水資源管理、用水總量控制等部分地區(qū)地下水位進一步下降的態(tài)勢得到有效遏制，地下水位呈現出直降回升的態(tài)勢[11-12]。截至2020 年，為保證農村飲水安全朝陽縣已建成地下水集中供水水源地18 處(編號P1～P18)，主要開采深層地下水，為當地提供用水服務。

2.2 構建評價體系

文章以地下水環(huán)境影響因素及其水質為出發(fā)點，從供水工程安全能力建設、水文和環(huán)境地質條件三個方面，并可操作性和科學性原則選擇21 項指標。參考水環(huán)境評價、地下水超采區(qū)劃、節(jié)水規(guī)劃、水資源可持續(xù)利用評價、地下水質量標準以及生態(tài)系統健康等研究成果，將地下水環(huán)境質量評價劃分成差、較差、良、優(yōu)良、優(yōu)5 個等級，評價體系及等級界定標準如表1 所示。

表1 地下水環(huán)境質量評價體系及等級標準

2.3 評價分析

采用表1 中的參評指標和公式(1)～(3)，根據分布面積對各指標進行加權處理。然后，對觀測和標準矩陣進行標準化，使用模糊數學法計算各指標和質量標準的相對隸屬度。最后，根據隸屬度確定各個水源地的地裂縫x12、深層含水層富水性x8、深層地下水污染x2隸屬于優(yōu)良和優(yōu)等級，飲水安全宣傳x21、水源地保護措施x19等指標隸屬于較差等級。

采用公式(7)計算確定x1～x21各參評指標熵權矩陣V：V=[0.084 0.018 0.040 0.024 0.051 0.058 0.073 0.042 0.075 0.091 0.036 0.052 0.034 0.057 0.038 0.060 0.024 0.080 0.021 0.021 0.021]，結果表明土地利用現狀x18、污染源類型x10、污染源分布x9、深層含水層頂板埋深x7和深層地下水質量x1五項指標熵權值均超過0.070，并以污染源類型x10熵權值最高為0.091，說明以上指標對朝陽縣地下水集中供水水源地水環(huán)境質量影響較大[13-14]。

采用公式(8)經標準化處理確定綜合權重W，結果發(fā)現個別水源地受x16、x12、x5和深層x2等指標影響顯著，如P11～P18 水源地受x5和x2指標的影響較大，水源地P1～P4 和P6、P10 受地裂縫x12的影響較大，水源地P1、P4、P7、P8、P9 受淺層地下水污染x16指標的影響較大，綜合權重值超過0.07。

采用拉格朗日乘子法公式計算地下水質隸屬于不同等級的程度U，其中距離系數p=2，加權因子η=2，結果如圖1 所示。結果表明，各水源地隸屬于“優(yōu)”等級的程度較低，水源地P1～P18隸屬于“優(yōu)”級程度處于0.1405～1833 之間，隸屬于“優(yōu)良”級的程度處于0.1471～2241 之間，隸屬于“良”級的程度處于0.2124～0.2578 之間，隸屬于“較差”級的程度處于0.1988～0.2702，不同水源地存在較大差異，隸屬于“差”級的程度處于0.1682～0.2451之間，各水源地也具有明顯差異。

圖1 各等級隸屬度

結果表明，P2、P4、P8 和P14 水源地水質處于“較差”狀態(tài)，其它水源地水質達到“良”狀態(tài)。結合實際情況，有多處工業(yè)污染源分布在P2、P4、P8 和P14 水源地附近，對地下水影響較大，并且污染物向深層水的遷移速度會隨著深層水包氣帶防污性和地下水位的下降而加快。因此，將模糊優(yōu)選法與熵權法相結合能夠全面客觀地反映地下水環(huán)境實際情況，計算簡單且評價結果科學合理。

3 結 論

文章采用熵權-模糊優(yōu)選法科學評定朝陽縣地下水質狀況，初步探討了評價等級界定標準、指標選取和評價方法，由于具有較強的主觀性，未來仍需深入研究相關方法，為區(qū)域地下水環(huán)境保護及管理決策提供可靠的數據支持，主要結論如下：

1）該模糊優(yōu)選法全面考慮了人類活動、水源地管理和原生地質條件等，對域地下水質狀況評價表現出較強的實用性與可靠性，可以有效解決水源地等同于地下水質量的片面性。

2）較差水源地附近存在工業(yè)污染源，所以污染源是其主要影響因素。對工業(yè)污染源有關部門應適當進行防控清理，通過定期調查周邊土壤質量狀況及時了解風險水平，對水源地環(huán)境及時做好防護措施。