沂源縣地下水水質(zhì)評價(jià)及成因分析

楊 鵬，計(jì) 量，朱 偉，李小東，喬海峰，張大勇

(1.山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 日照 276826；2.吉林大學(xué)新能源與環(huán)境學(xué)院，長春 130021)

近年來，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)迅速發(fā)展，豐富的水資源為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了可靠的保證。但是由于人類活動的日益強(qiáng)烈，特別是工業(yè)“三廢”的大量排放，造成水環(huán)境污染嚴(yán)重，水體功能下降。所以，對地下水水質(zhì)做出科學(xué)、合理、準(zhǔn)確的評價(jià)顯得尤為重要[1]。目前，國內(nèi)外主要的水質(zhì)評價(jià)方法有很多，如單因子評價(jià)方法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、模糊綜合評價(jià)法、灰色綜合評價(jià)法、主成分分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)法、物元分析法等[2-4]。沂源縣位于山東省中部，是沂河的源頭，而沂河流域又貫穿整個(gè)山東省，因此沂源縣的水質(zhì)情況對整個(gè)沂河流域水質(zhì)影響明顯。本文采用改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法和模糊綜合評價(jià)法對研究區(qū)進(jìn)行地下水水質(zhì)評價(jià)，分析了地下水水質(zhì)成因。研究可對沂源縣地下水水質(zhì)的監(jiān)測治理提供參考。

1 研究區(qū)概況

山東省沂源縣位于魯中腹地，東經(jīng)117°48′38″～118°31′00″，北緯35°55′22″～36°23′14″，總面積22.5 km2，人口將近10萬。研究區(qū)以南麻盆地為主體，地勢西、南、北三面高，東部低。地貌類型單一，除沂河及其支流等河流地貌外，其他地區(qū)均為剝蝕堆積區(qū)。研究區(qū)為暖溫帶季風(fēng)區(qū)大陸性氣候，多年平均降水量為703.8 mm，多年平均蒸發(fā)量1 772.3 mm。區(qū)內(nèi)河流是螳螂河，為沂河支流，長約5.5 km。研究區(qū)內(nèi)主要出露的地層為奧陶系(O)、石炭系(C)、白堊系(K)和第四系(Q)。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育較差，對地下水環(huán)境有影響的主要為玻璃廠斷層和埠下斷層，兩斷層均為正斷層，近水平，走向NE，傾向NW。區(qū)內(nèi)地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖類裂隙巖溶水。第四系松散巖類孔隙水補(bǔ)給方式主要為大氣降水入滲補(bǔ)給和螳螂河的側(cè)滲補(bǔ)給；碳酸鹽巖類裂隙巖溶水補(bǔ)給方式主要是大氣降水入滲補(bǔ)給和上游地下水徑流補(bǔ)給[5]。

2 研究方法

2.1 改進(jìn)的模糊綜合評價(jià)法

模糊綜合評價(jià)法是以模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，將水質(zhì)數(shù)據(jù)模糊化，同時(shí)也具備定量性。地下水水質(zhì)評價(jià)過程中，影響水質(zhì)評價(jià)的因素很多，水質(zhì)因子的種類眾多，地下水分類過于硬性，不同因素對地下水的影響程度也不盡相同。而模糊綜合評價(jià)法，它是以對地下水污染分界的中介過渡性的模糊描述和以隸屬度表示地下水對各等級水的隸屬關(guān)系，是以水質(zhì)因子的隸屬度矩陣和對應(yīng)的權(quán)重矩陣的符合運(yùn)算得出最終隸屬度，對研究區(qū)的水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)[6,7]。在最終結(jié)果的基礎(chǔ)上，將隸屬度再進(jìn)行一次運(yùn)算，得出一個(gè)具有連續(xù)性的隸屬關(guān)系的數(shù)值，從而進(jìn)一步反應(yīng)同種水質(zhì)的優(yōu)劣情況。

2.1.1 隸屬度

假設(shè)地下水水質(zhì)一般可以分為m個(gè)等級，即

V=Ⅰ級，Ⅱ級，…，m級

設(shè)C表示某一樣品一種污染因子(x)的濃度，則x對于等級V的隸屬關(guān)系可以按下式計(jì)算。

Ⅰ級：

(1)

Ⅰ～m-1級：

(2)

m級：

(3)

i=1,2,…,n;j=1,2,…,n

式中：n為污染因子數(shù)；m為水質(zhì)級別數(shù)；sij為某一樣品第i種污染因子第j級的國家標(biāo)準(zhǔn)濃度。

由此可得到某一樣品的幾種污染因子的隸屬度矩陣：

(4)

2.1.2 權(quán) 重

根據(jù)這n種污染因子所產(chǎn)生的污染作用不同，可按下式計(jì)算，得到權(quán)重矩陣A(其中ai為A中的各元素)：

(5)

為了消除在權(quán)重計(jì)算過程中人為主觀因素的影響，上式中的x取不同水樣中同種因子的平均值。

2.1.3 模糊矩陣復(fù)合運(yùn)算

綜合評判結(jié)果是通過權(quán)重矩陣A和模糊關(guān)系矩陣R的復(fù)合運(yùn)算得到的，因此有矩陣：

(6)

按模糊矩陣合成法則，及按最大、最小運(yùn)算法則進(jìn)行，與普通矩陣算法相比較，運(yùn)算過程一樣，只不過是將實(shí)數(shù)加法改為邏輯加“∨”將實(shí)數(shù)乘法改為邏輯乘“∧”。由于最大、最小運(yùn)算法則只突出了隸屬度很大或很小項(xiàng)的作用，所得運(yùn)算結(jié)果B中的值有時(shí)相等，評價(jià)不出優(yōu)劣，這在實(shí)際問題中是不合理的。因此，本文選用普通的矩陣算法。

矩陣計(jì)算結(jié)果反映綜合水質(zhì)在各個(gè)水質(zhì)等級上的綜合隸屬度，其中最大隸屬度所在等級代表著水樣的整體級別，進(jìn)而可以進(jìn)行地下水安全評估。

2.1.4 隸屬關(guān)系的改進(jìn)

根據(jù)隸屬度關(guān)系，對結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)，計(jì)算評價(jià)指數(shù)[8]。

(7)

(8)

式中：k為水樣編號；Bn(x)為n等級隸屬度。

2.2 改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)法是目前國內(nèi)比較常用的一種水質(zhì)評價(jià)方法，適用于超標(biāo)因子只有一種的情況，對于超標(biāo)因子在兩種以上的情況時(shí)，內(nèi)梅羅指數(shù)法的評價(jià)結(jié)果比較模糊，精度較低，因?yàn)閮?nèi)梅羅指數(shù)法考慮了污染最嚴(yán)重的因子[9]。因此，本文采用改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法。此方法加入了最大權(quán)重因子，削弱了最大值的影響[10]。

(1)計(jì)算評價(jià)因子指數(shù)。根據(jù)地下水用途判斷地下水評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行計(jì)算。

Fmax=max{xi/Cij}

(9)

(10)

式中：xi為因子的實(shí)測濃度；Cij為因子在評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)值。

(2)計(jì)算評價(jià)因子的權(quán)重值。

(11)

(12)

式中：Ri為評價(jià)因子的相關(guān)性比值；Wi為評價(jià)因子的權(quán)重值。

(3)計(jì)算內(nèi)梅羅指數(shù)。

(13)

式中：Pj為內(nèi)梅羅指數(shù)；Fw為權(quán)重最大值所對應(yīng)的評價(jià)因子指數(shù)。

根據(jù)改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法可以看出，改方法雖然加入了權(quán)重因素，但根據(jù)公式可以看出，權(quán)重最大的因子往往可能在水樣中濃度相對更低，導(dǎo)致結(jié)果有可能因?yàn)樽畲笠蜃又笖?shù)的影響而過大，或者因?yàn)闄?quán)重最大值所對應(yīng)的因子指數(shù)過小而導(dǎo)致結(jié)果過小。但總體來看，改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法在算法上還是更加完善和精確了。

3 結(jié)果及分析

本文分析資料選取2017年沂源縣城區(qū)及其附近地區(qū)15個(gè)監(jiān)測點(diǎn)枯水期和豐水期連續(xù)兩期的水質(zhì)資料，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取溶解性總固體、總硬度、氯化物、硝酸鹽、硫酸鹽、氨氮、總鐵、亞硝酸鹽、氟化物、碘化物、錳、鉛、汞、鋅、砷、硒、耗氧量、氰化物、揮發(fā)性酚類、六價(jià)鉻、色度、渾濁度、總六六六、苯并芘共24項(xiàng)指標(biāo)，根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB14848-2017)對水質(zhì)資料進(jìn)行評價(jià)，并根據(jù)枯水期和豐水期、模糊綜合評價(jià)法及其改進(jìn)方法和改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法分別進(jìn)行對評價(jià)結(jié)果的對比分析，得出合理的分析結(jié)果。

3.1 模糊綜合評價(jià)法與內(nèi)梅羅指數(shù)法結(jié)果

如表1所示，為研究區(qū)模糊綜合評價(jià)法與內(nèi)梅羅指數(shù)法對于豐水期水質(zhì)評價(jià)結(jié)果的對比。

表1 水質(zhì)評價(jià)結(jié)果的對比

根據(jù)兩種方法的原理，模糊綜合評價(jià)法的結(jié)果考慮了各個(gè)因子對不同水質(zhì)類別的隸屬關(guān)系和權(quán)重的影響，使得評價(jià)過程考慮的更全面，結(jié)果更精確。如上表所示，改進(jìn)后的內(nèi)梅羅指數(shù)法結(jié)果與模糊綜合評價(jià)法相差不多，且水質(zhì)偏好，這是由于改進(jìn)后的內(nèi)梅羅指數(shù)法在該組水樣評價(jià)的計(jì)算中，權(quán)重因子對水質(zhì)的影響更大，該最大權(quán)重值所對應(yīng)的更小的評價(jià)指數(shù)對整個(gè)評價(jià)算法的影響大于最大評價(jià)指數(shù)的影響。

從模糊綜合評價(jià)法結(jié)果的改進(jìn)來看，評價(jià)指數(shù)與原結(jié)果比較相似，但改進(jìn)后的結(jié)果能準(zhǔn)確的給出地下水的水質(zhì)指數(shù)，而傳統(tǒng)的方法只能得到水質(zhì)級別，不能將同級別的水樣進(jìn)行優(yōu)劣比較。

3.2 研究區(qū)枯水期與豐水期的評價(jià)結(jié)果對比

由于以上討論結(jié)果，研究區(qū)豐水期與枯水期的水質(zhì)評價(jià)對比采用改進(jìn)后的模糊綜合評價(jià)法進(jìn)行，具體對比結(jié)果如表2所示。

表2 豐水期與枯水期水質(zhì)對比

由表2可知，豐水期與枯水期水質(zhì)評價(jià)指數(shù)相差不大，但大多監(jiān)測點(diǎn)豐水期水質(zhì)較好，豐水期水質(zhì)整體相比枯水期水質(zhì)略好。兩期水質(zhì)相差不大，說明該地區(qū)地下水動態(tài)較為穩(wěn)定，補(bǔ)、徑、排處于動態(tài)平衡，地下水保護(hù)較好。由于水質(zhì)分區(qū)還是要按照水質(zhì)等級劃分，所以分區(qū)圖的數(shù)據(jù)仍采用原始模糊綜合評價(jià)法結(jié)果。研究區(qū)具體地下水水質(zhì)狀況見圖1及圖2。

圖1 豐水期水質(zhì)評價(jià)分區(qū)圖

圖2 枯水期水質(zhì)評價(jià)分區(qū)圖

根據(jù)表2的結(jié)果分析，枯水期與豐水期的水質(zhì)差別不大，但從數(shù)據(jù)插值得出的分區(qū)圖可以看出:枯水期與豐水期的水質(zhì)評價(jià)分區(qū)趨勢相同，河流流向由西北向東南，總體趨勢沿著河流流向，水質(zhì)逐漸變差；但每一類水質(zhì)分區(qū)的面積有所變化。

枯水期相較于豐水期來看，Ⅰ、Ⅱ類水質(zhì)評價(jià)分區(qū)面積明顯減?。虎箢愃|(zhì)評價(jià)分區(qū)面積在II類到III類水質(zhì)過度區(qū)域略有增大，但在Ⅲ類到Ⅳ類水質(zhì)過度區(qū)域面積明顯減??；Ⅳ、Ⅴ類水質(zhì)評價(jià)分區(qū)面積明顯擴(kuò)大。

綜上，研究區(qū)水質(zhì)在河流上游水源地部分水質(zhì)良好，多為Ⅰ、Ⅱ類水，下游水質(zhì)較差，且多位于沂源縣城區(qū)；地下水水質(zhì)類別出現(xiàn)Ⅳ、Ⅴ類水，且面積較大，約占研究區(qū)60%，水質(zhì)情況堪憂；豐水期水質(zhì)較枯水期水質(zhì)好，這是因?yàn)樨S水期研究區(qū)降水量較大，地下水與地表水聯(lián)系密切，導(dǎo)致地下水水量大，且水量交換速度快，豐水期水質(zhì)較好。

3.3 水質(zhì)成因分析

成因分析法，也稱主成分分析法，是一種統(tǒng)計(jì)不同變量之間的相關(guān)關(guān)系的分析方法，將不同變量簡化、歸類，使數(shù)據(jù)簡化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的降維[10]。由于該種方法對監(jiān)測點(diǎn)和指標(biāo)的相對數(shù)目有要求，所以此次分析選取所有24個(gè)指標(biāo)中的11個(gè)進(jìn)行分析。

由于之前分析，研究區(qū)豐水期與枯水期水質(zhì)十分相近，所以成因分析只采用豐水期水質(zhì)資料。如表3所示，根據(jù)特征值大于1的原則，選取3個(gè)公因子，其累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到82.529%，說明該3個(gè)公因子能夠反映研究區(qū)82.529%的水質(zhì)狀況。為了使因子分析更加突出，更便于解釋，利用方差極大法對結(jié)果矩陣進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn)，得到的旋轉(zhuǎn)矩陣如表3、表4。

表3 總方差分析結(jié)果

表4 旋轉(zhuǎn)矩陣分析結(jié)果

由表3可知，F(xiàn)1為研究區(qū)主要的影響因子，其影響程度為44.088%，由表4可知，主因子F1中影響程度較大的是溶解性總固體、氯化物、總硬度、硫酸鹽、硝酸鹽以及亞硝酸鹽6種指標(biāo)。原生地層中石膏含量較多，導(dǎo)致硫酸鹽在地下水中的含量較大；化肥、生活污水及糞便的不當(dāng)處理，通過入滲進(jìn)入到地下水中，使硝酸鹽及亞硝酸鹽的含量增加；由于豐水期水量交替速度快，氯離子的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，含量不斷升高；沂源縣地處山間盆地，地下水徑流快，溶濾作用效果明顯，使溶解在地下水中的化學(xué)物質(zhì)增多，溶解性總固體和總硬度值增大。綜上，可以把F1歸結(jié)為地下水溶濾作用因子，空間分布圖見圖3，主要影響區(qū)域?yàn)楦哂迥喜?、安平村北部和前崖村附近?/p>

圖3 F1空間分布圖

F2對研究區(qū)的影響程度為26.732%，其中影響程度較大的是總錳、氨氮、耗氧量及總鐵4種指標(biāo)。該指標(biāo)均存在于還原地層環(huán)境中。地層上覆土壤中有機(jī)質(zhì)較多，通過自身的分解作用會產(chǎn)生還原性物質(zhì)，將鐵、錳從地層中分離出來，進(jìn)入到地下水中；在還原環(huán)境中，地層中的硝酸鹽被微生物還原成氨氮，溶于地下水中使氨氮含量升高；由于地下水處于還原環(huán)境中，耗氧量值自然較高。綜上，可以把F2歸結(jié)為還原環(huán)境因子，空間分布圖見圖4，主要影響區(qū)域?yàn)橐屎宇^村、桑家樓村、西消水村及西趙莊村。

圖4 F2空間分布圖

F3對研究區(qū)的影響程度為11.710%，其中影響程度較大的是氟化物。因此可以直接將F3定義為氟因子。氟化物的來源大致可以分為兩類:一類是地層中的礦石，螢石的主要成分為CaF2，當(dāng)?shù)叵滤嗜鯄A性時(shí)，Ca2+濃度會降低，溶解平衡會向右移動，利于F-富集；另一類是工廠排放的廢氣，工廠鋁制品的生產(chǎn)過程中，采用的是氧化鋁熔于熔融的冰晶石進(jìn)行電解還原的方法，電解過程中會產(chǎn)生大量氟化鋁、氟化鈣等粉塵，排到空氣中通過大氣降水入滲到地下水中，空間分布圖見5，影響區(qū)域主要為菜園村、史王莊村及西山村。

圖5 F3空間分布圖

3.4 水文地球化學(xué)模擬

反向水文地球化學(xué)模擬是根據(jù)觀測的化學(xué)資料來確定系統(tǒng)中進(jìn)行的水巖相互作用，即解釋觀測資料。可以定量分析礦物的沉淀量以及不同水體的混合比例?；驹硎巧嫌稳狱c(diǎn)的水化學(xué)組分加上中間過程發(fā)生的水巖相互作用等于下游取樣點(diǎn)的水化學(xué)組分，所以運(yùn)用反向水文地球化學(xué)模擬，根據(jù)始末位置的水化學(xué)組分，可以定量判斷演化過程。本文采用phreeQC進(jìn)行模擬。

圖6 水文地球化學(xué)模擬路徑圖

表5 反向水文地球化學(xué)模擬結(jié)果 mol/L

4 結(jié)論與建議

(1)改進(jìn)后的內(nèi)梅羅指數(shù)法平衡了最大值的影響，結(jié)果的準(zhǔn)確程度提高，但可能會偏大或偏小，有一定的不確定性；改進(jìn)后的模糊綜合評價(jià)法在原有的基礎(chǔ)上對結(jié)果在算法上進(jìn)一步改進(jìn)，使結(jié)果具有一定的連續(xù)性，可以將同種類別的水樣細(xì)化對比，評出優(yōu)劣。因此得出，改進(jìn)后的模糊綜合評價(jià)法結(jié)果更加準(zhǔn)確。

(2)研究區(qū)河流流向大體由西北流向東南，沿河流流向，水質(zhì)逐漸變差；枯水期水質(zhì)略差于豐水期，枯、豐水期整體水質(zhì)類別的分布情況大致相同，做為沂河源頭，研究區(qū)水質(zhì)出現(xiàn)大面積的IV、V類水，將會對沂河下游水質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響，水質(zhì)情況不容樂觀。

(3)F1為研究區(qū)主要的影響因子，其影響程度為44.088%，F(xiàn)1中影響程度較大的是溶解性總固體、氯化物、總硬度、硫酸鹽、硝酸鹽以及亞硝酸鹽6種指標(biāo)；F2對研究區(qū)的影響程度為26.732%，其中影響程度較大的是總錳、氨氮、耗氧量及總鐵4種指標(biāo)；F3對研究區(qū)的影響程度為11.710%，其中影響程度較大的是氟化物。

(4)沂源縣地下水水質(zhì)主要的影響因素為地層中各個(gè)因子的含量、地下水徑流產(chǎn)生的溶濾作用、工業(yè)廢水和粉塵的不當(dāng)排放及化肥農(nóng)藥的不當(dāng)使用等。

(5)研究區(qū)內(nèi)區(qū)域水文地球化學(xué)混合作用模擬的比例為73%和27%，發(fā)生的主要化學(xué)作用是礦物的溶解、離子的析出沉淀和離子的交換作用。

(6)做好芝芳等上游水源地的保護(hù)工作， 禁止再在上游建設(shè)新的工廠等建設(shè)項(xiàng)目；由于研究區(qū)地下水與地表水聯(lián)系密切，禁止向螳螂河排放污水，保證河流的水質(zhì)清澈。

(7)由于Ⅳ、Ⅴ類水多出現(xiàn)于沂源縣城區(qū)，表明水質(zhì)受人為因素影響嚴(yán)重，所以建議為提高人們用水、排水的意識，多進(jìn)行以居民區(qū)為單位的水資源保護(hù)宣傳活動；對于工廠等大型企業(yè)，要嚴(yán)格把控排水地點(diǎn)及排水質(zhì)量。