哈尔滨市及周边地区第四系地下水水质综合评价

李冶平，邓昌州，杨湘奎，杨 文

（黑龙江省地质调查研究总院，黑龙江 哈尔滨 150036）

哈尔滨市及周边地区第四系地下水水质综合评价

李冶平，邓昌州，杨湘奎，杨 文

（黑龙江省地质调查研究总院，黑龙江 哈尔滨 150036）

文章以地下水质量标准为基础，选取 pH 值、氮氨、汞等 19 项指标，利用模糊数学方法对哈尔滨市及周边地区第四系地下水质量进行综合评价。研究结果表明，该区地下水水质整体较好，可以直接作为饮用水水源的Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ类水占取样总数的 77.1%；但由于受储水地层还原沉积环境的影响，感官性状和一般化学指标铁、锰、氨氮普遍超标。另外，部分地区地下水还存在总硬度、硝酸盐、可溶性总固体、高锰酸钾溶液超标现象。

哈尔滨；地下水水质；模糊数学；综合评价

随着哈尔滨市的经济发展和人口的持续增加，对地下水资源特别是第四系地下水的依赖度逐日增强。相关研究表明，哈尔滨市及周边地区第四系地下水资源利用过程中存在超量开采、水质污染等问题。下面利用该区内 35 处监测井水质数据来评价哈尔滨市及周边地区第四系地下水水质质量，为防治地下水污染和保障地下水资源可持续利用提供依据。

1 水文地质概况

研究区属中温带大陆性季风气候，冬长夏短，多年平均气温为 3.4 ℃。哈尔滨降水有明显的季节性特征，多年平均降水量 523.3 mm/a，且多集中在 6—8 月份，约占全年总降水量的 60%以上。7 月份降水量为 100～126 mm，2 月份为 2～2.5m，降水变率为 20%左右。松花江为该区一级河流，支流有拉林河、阿什河、呼兰河等，属区内二级河流。

工作区内分布有高平原承压水、一级阶地承压水和河漫滩潜水3种类型。高平原承压水主要分布在工作区高平原地区，由猞猁组和下荒山组砂、砾含水层构成，累积厚 15～25 m。底部以白垩系泥岩为隔水边界，顶部由上荒山组和哈尔滨组粉质粘土组成弱透水边界。两含水层之间以东深井组粉土或粉质粘土弱隔水层分开。一级阶地承压水主要分布在工作区西北部松花江两岸阶地地区，阿什河和拉林河两岸有小面积分布。含水层由顾乡屯组和猞猁组细砂、中粗砂、砂砾石层构成，厚一般为 20～35 m。底部以白垩系泥岩为隔水边界，顶部以顾乡屯组上段粉质粘土为弱透水边界。河漫滩潜水区分布于河漫滩区，含水层由全新统和下荒山组细砂、砂砾石构成。底部大部分已白垩系泥岩为隔水边界，部分地区以东深井组粉质粘土为弱透水边界。

2 评价方法的选取与模型的建立

2.1 方法的选取

地下水脆弱性评价模型有多种，比较常用的有内梅洛法、模糊数学综合评价法等。由于地下水质量变化具有渐变“模糊性”特征，利用模糊数学评价方法能客观、有效地对地下水水质进行综合评价，在分析地下水水质质量的过程中，采用模糊数学法建立评价模型。

2.2 模糊数学综合评价模型的建立

1）选择评价因子，建立因素集。根据 GB/T 14848-93《地下水质量标准》要求，地下水质量综合评价选取 PH、氨氮等 19项作为评价因子，并且采用该标准中的地下水质量分类指标。

将以上 19 个因子建立评价因素集合 X，X={x1，x2，…，x19}，xi（i∈[1，19]）为上述所选因子的测试值。

2）构建隶属度矩阵。根据单一污染因的水质分级标准和其实测浓度来确定其隶属度 Yji，j为地下水分类级别。隶属度值通过以下公式计算。

①当j为Ⅰ级时：

Xi为被评价因子的实测浓度值，mg/L；C1，C2，C3，C4，C5分别为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ各级水质标准浓度值。根据隶属度函数和实测值 Xi，对每个水点中各污染因子可以分别求出对Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级水的隶属度，则得模糊矩 阵：R＝（Yji）（j＝Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级；i＝PH、氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐、挥发性酚类、氢化物、砷、汞、铬（六价）、总硬度、铅、氟、镉、铁、锰、溶解性总固体、高锰酸钾指数、硫酸盐、氯化物），Yji为第 i个因子对第 j类水的隶属度。

3）构建权重集。为了表达各评价因子对水质评价结果的影响程度，现分别对其赋予一定的权重值，权重计算公式如下：

式中：Wi为污染因子基本权重；Ci为污染因子实测浓度值，mg/L；Si为水质各级标准平均值，mg/L。再归一化，即得所求权重：

将归一化后的权重，组成一个含 19个元素的权重矩阵 A：、氨氮 、硝酸盐 、亚硝 酸盐、挥 发性酚类、氢化物、砷、汞、铬（六价）、总硬度、铅、氟、镉、铁、锰、溶解性总固体、高锰酸钾指数、硫酸盐、氯化物）。

4）模糊综合评价。将权重模糊矩阵 A 和隶属度模糊矩阵 R 根据综合模糊变换原则：B＝A·R 进行复合运算。运算过程中，以数学模型：M（∧，∨）进行先取小（∧）后取大（∨）得到模糊综合评价结果。最后选取隶属度大的为该水样的水质级别。

3 结果与讨论

3.1 评判结果

根据上述模糊数学模型，对研究区 35个监测井 3 次采样分析数据平均值进行评价，各因子分级标准按照 GB/ T14848－93 进行取值。

哈尔滨市及其周边地区地下水质量评判结果表明，研究区存在Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和 V 类水。

Ⅰ类水：主要分布在研究区东南部低山丘陵、研究区内阿什河中部和松花江东北部一带，该类水占取样总数的8.6%。水化学类型以 HCO3－Ca 和 HCO3－Na－Ca 为主。除原生指标外，其余各指标均未超标，适用于各种用途。

Ⅱ类水：该类水主要分布在研究区中部太平镇－万宝镇一带和阿城市周边地区，该类水在研究区分布广泛，占取 样 总 数 的 45.7% 。 水 化 学 类 型 主 要 为 HCO3－Ca 和HCO3－Na－Ca，其次为 HCO3－Cl－ Ca 型。总硬度小于358mg/L，水质良好。

Ⅲ类水：主要分布在该区万宝镇－呼兰－白奎镇一带，另外在兰陵镇东南和小岭镇西北部有小面积分布。该类水占取样总数的 22.9%，水化学类型以 HCO3－Ca 和 HCO3－Ca－Mg 为主。三类水区原生铁、锰、氨氮普遍超标，局部存在硝酸盐和总硬度超标。其中，总硬度最大超标 1.13 倍，硝酸盐最大超标 2.46 倍。

V 类水：主要分布在研究区的西北部边缘、双城市周边及蜚克图镇西北部地区，占取样总数的 22.9%。水化学类型为 HCO3－Ca－Mg 型。水中 Mn、Fe、氮氨、总硬度、硝酸盐、可溶性总固体、高锰酸钾溶液超标，局部耗氧量超标。其中，硝酸盐最大超标 2.16 倍，总硬度最大超标 1.9 倍，可溶性总固体最大超标 1.4 倍。

Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ类水占取样总数的 77.1%。按照 GB/T 14848－93，Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ类水均适合作为饮用水水源，因此，整体来看，研究区水质尚可。为了验证模糊数学方法在本区地下水评价应用的可靠性，此文采用 GB/T14848－93 推荐的方法对该例进行评价，通过对比，验证结果与评价结果具有一致性，从而证明了评价的可靠性。

3.2 结果分析

评价结果显示，研究区内铁、锰和氮氨为该区主要超标因子，此外为总硬度、可溶解总固体、高锰酸钾溶液等因子。通过与 GB/T14848－93 中Ⅲ类水水质标准进行对比，该区铁含量检出超标率 81.5%，锰检出超标率 88.9%，氮氨检出超标率为 51.85%。

通过研究铁和硝酸盐、亚硝酸盐、氮氨的数量关系，铁与还原状态氮（以氮氨表示）呈线性正相关关系，而与氧化状态的氮（含于硝酸盐和亚硝酸盐中）呈反比关系。超标率高的锰与还原态氮也存在正线性关系，而与氧化态氮（含于硝酸盐）呈反比关系。这表明该区铁、锰和氮氨的超标可能缘于更新世时期本区大范围的河湖相沉积。由于沉积范围大，河湖水位较深，沉积过程保持深水还原环境，使得后期的地下水富含还原性化学物质。

4 结语

整体来看，研究区水质较好，可以直接作为饮用水水源的Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ类水占取样总数的 77.1%；不能直接作为生活用水的 V 类水占取样总数的 22.9%。该类水主要为铁、锰和氮氨的严重超标引起，可能与储水地层的还原沉积环境有关。另外，部分地区地下水还存在总硬度、硝酸盐、可溶性总固体、高锰酸钾溶液超标现象。

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TV213.9

A

1002－0624（2014）01－0025－02

2013-04-13

哈尔滨城市地质调查，该项目由黑龙江国土资源厅、哈尔滨市政府出资勘察项目 （SD2006-001） 和中国地调局项目（1212010881210）资助。