山东招远市地下水水化学特征及水质评价

彭康宁,张 卫,朱恒华,周建伟,万豪杰,赵 骏

(1.中国地质大学(武汉) 教育部长江三峡库区地质灾害研究中心，湖北 武汉 430074;2.山东省地质调查院，山东 济南 250000;3.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430074)

山东省招远市位于山东胶东半岛西北部，是重要的采金城市，工农业生产和城镇居民生活饮用水主要依赖地下水开采。近几十年来，由于超采地下水以及人类生产生活活动的影响，招远市地下水环境逐步恶化，地下水污染范围逐渐扩大，直接影响了工农业生产，并对人类健康和生态环境构成了严重的威胁。因此，开展招远市地下水水质污染状况的调查，并进行地下水水化学特征分析及水质评价迫在眉睫。

目前常用的地下水水质评价方法主要有单因子评价法、综合指数评价法、神经网络评价法和模糊数学评价法等[1]。其中，单因子评价法是对地下水中单个水质指标进行独立评价，因而其评价结果不能全面地反映地下水水质的整体情况，且误差较大[2]；综合指数评价法考虑了地下水中多个水质指标，并通过赋予各个指标不同的权重来综合评判地下水水质，但未考虑地下水水质分级界线的模糊性，不能很好地揭示地下水水质的真实情况[3-4]；神经网络评价法适用范围有一定的局限性，只有符合一定的条件才能取得较好的评价结果，且并不适用于有限样本的情况[5-6]；模糊数学评价法充分考虑了地下水水质分级界限的模糊性，数据具有连续性，且计算了每种污染因子对各级标准的隶属程度，而非某一级标准，并在样品数量有限的情况下，可使评价结果更接近实际[7]，因此该方法已成为目前最常用的地下水水质评价方法之一。

以往研究者针对山东招远地区地下水水质的相关研究较少，如秦瑞杰等[8]利用SPSS软件对招远市地下水水质进行了分析与评价，并揭示了该地区地下水水质的主要影响因子；刘军剑等[9]于1999年5月至7月对招远市农村饮用水源进行了卫生学调查及水质分析，结果显示该地区生活饮用水合格率仅为10%；田梅青等[10]对招远市金矿区采、选矿废水中的污染物对地下水可能造成的污染进行了调查研究。但这些研究均未对招远地区地下水水质进行较为科学、全面的评价，且对该地区地下水的水化学特征进行分析的研究也尚未见报道。因此，本文综合运用描述性统计法、溶解性总固体(TDS)含量分区图及Piper三线图对山东招远市地下水的水化学特征以及离子变异特征进行了研究，并利用模糊数学评价法对地下水水质进行了综合评价，以期为该地区地下水的合理开发和利用提供理论依据。

1 研究区概况

山东省招远市地处山东省胶东半岛西北部，位于北纬37°05′～37°33′、东经120°08′～120°38′之间，东接栖霞，西接莱州，南与莱西、莱阳两市相邻，北与龙口市为邻，西北濒临渤海，全市面积约1 433.18 km2，海岸线长13.5 km[11]。

研究区地处胶东半岛低山丘陵地带，地势西低东高，西邻渤海湾，为滨海平原，地势平坦，海拔为8～30 m，大部分地区被第四系所覆盖；东部为起伏的丘陵区，海拔为40～70 m，基岩裸露，冲沟发育。研究区地下水类型主要包括松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两大类。其中，第四系松散岩类孔隙潜水含水层为该地区最重要的含水层，主要分布在各河流河谷平原及大沽河主河道带；该含水层颗粒较粗，多为砂卵砾石，厚度在5～15 m之间，透水性强，水量丰富，单井涌水量一般在500～1 000 m3/d，水位埋深在1～3 m之间，水力性质基本属于孔隙潜水，为招远地区最具供水意义的地下水类型。研究区地下水主要接受大气降水入渗补给，其次为地表水和农田灌溉水的渗漏补给。

2 数据来源与评价方法

2.1 数据来源

本次调查研究共取地下水水样34个，均取自民井，地下水类型为潜水，研究区取样点分布见图1。具体水样采集方法如下：用聚乙烯瓶作为采样瓶，水样采集前先用蒸馏水清洗3次，再用待采集水样润洗3次；采样时严格防止气泡进入，每个取样点水样用0.45 μm滤膜过滤后采集2瓶水样样品，其中一瓶加入浓硝酸，使水样的pH值≤2，用于水样中常规阳离子的测试[12]。

2.2 地下水水质评价方法

由于影响地下水环境的因素众多，水质级别划分具有模糊性，因此可以考虑将模糊集理论和方法引入地下水水质评价中[13-15]。模糊数学评价法先依据实测数据建立各评价因子相对于各级标准的隶属度集，然后计算出各评价因子权重集，最后将各评价因子的权重集与隶属度集相乘，获得水体水质综合评判集，即可反映水体水质对各级标准的隶属程度[16]。这种基于权重的模糊数学评价法能够综合考虑各个评价指标对评价结果的影响，可以较客观、全面地反映地下水质量的状况[17]。因此，本次采用模糊数学评价法对研究区地下水水质进行综合评价。

图1 山东省招远地区水文地质及取样点分布图Fig.1 Hydrogeological map and the sampling sites of groundwater samplings in Zhaoyuan City

3 结果与分析

3.1 研究区地下水的水化学特征

3.1.1 地下水中水化学指标的描述性统计特征

对地下水中有关水化学指标进行描述性统计分析是研究其水化学特征及其演化规律的基础，通过描述性统计分析可以大致了解地下水中各水化学成分的富集及变化规律。研究区地下水中水化学指标的描述性统计特征值见表1。

表1 研究区地下水中水化学指标的描述性统计特征值Table 1 Descriptive analysis of hydro-chemical parameters of the groundwater in the study area

注：表中除pH值无量纲外，其他单位均为mg/L。

3.1.2 地下水中TDS含量和水化学类型的分布规律

本文结合研究区34个水样点的TDS含量，绘制了研究区地下水中TDS含量的分区图(见图2)，并根据地下水中TDS含量的大小，将研究区地下水划分为淡水(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]。

图2 研究区地下水中TDS含量的分区图Fig.2 Partition map of TDS content of the groundwater in the study area

由图2可见，研究区地下水淡水主要分布在山地丘陵区，微咸水分布在界河流域的河谷区，咸水均分布在西北方向的滨海平原区；TDS含量总体呈南北低、东西高的趋势，而西部地区TDS含量的异常升高与海水入侵有关。

此外，本文还绘制了研究区地下水水样点的Piper三线图，见图3。

图3 研究区地下水水样点的Piper三线图Fig.3 Piper diagram of the groundwater samples in the study area

3.2 研究区地下水水质的综合评价

基于上述研究区地下水水化学特征的分析，本文依据2015年10月26日国土资源部发布的《地下水水质标准》[18]，采用模糊数学评价法对研究区地下水水质进行了综合评价，具体评价过程如下(以研究区地下水ZY-01水样点为例)：

表2 我国《地下水水质标准》(DZ/T 0290—2015)中评价因子的分级限值[18](单位：mg/L)Table 2 Limits of the Standard for Groundwater Quality(DZ/T 0290—2015)[18](unit:mg/L)

(2) 隶属度及隶属函数的确定。地下水水质级别的划分具有模糊性，因此可以用隶属度来描述其模糊界限。所谓隶属度，系指每一个评价因子隶属于不同评价等级的程度，可用隶属函数来表示[20-21]:

对Ⅰ级(评价等级j=1)的隶属度函数为

(1)

对Ⅱ级至Ⅳ级(评价等级j=2,3,4)的隶属度函数为

(2)

对Ⅴ级(评价等级j=5)的隶属度函数为

(3)

式中：xki表示第k个水样中第i个评价因子的实测值；cij表示第i个评价因子相对于第j个评价等级的界限值；yij表示第i个评价因子相对于第j个评价等级的隶属度。

根据上面公式，即可以计算得到各评价因子相对于各评价等级的隶属度，由此可以确定每个水样的第i个评价因子相对于第j个评价等级的模糊数学关系矩阵R。研究区地下水ZY-01水样的模糊数学关系矩阵则为

(3) 权重及归一化运算。在地下水水质综合评价时，考虑到各评价因子对水质的影响程度不同，因而应对它们赋予不同的权重[22]。根据各评价因子参数超标情况进行加权，超标越多的评价因子，其权重越大[23]，则有：

(4)

式中:Wki表示第k个水样第i个评价因子的权重;si表示第i个评价因子各评价等级标准值的算术平均值。

若评价因子的权重大于1，则需按下式进行归一化运算：

(5)

式中:aki表示第k个水样第i个评价因子的归一化权重；其他物理量的含义同上。

按照以上公式，可计算得到研究区地下水ZY-01水样点各评价因子的权重集，即A01=(0.056,0.819,0.076,0.049)

按照以上公式，计算研究区地下水ZY-01水样点的水质参数评价矩阵B，可得B01=(0,0,0,0，1)。由最大隶属度原则可知，地下水ZY-01水样点的水质属于V类水。

按照上述方法，对研究区34个地下水水样点的水质进行模糊数学综合评价，可得到研究区地下水各水样点水质的隶属度和模糊评价等级，详见表3。

表3 研究区浅层地下水各水样水质评价结果Table 3 Water quality assessment result of the shallow groundwater samples in the study area

4 结 论

(2) 研究区地下水的水化学类型主要以Cl·HCO3-Ca·Na型水和Cl·SO4-Ca·Na型水为主，还出现了HCO3·Cl-Ca·Na型水和SO4-Ca·Na型水。

(3) 研究区地下水水质总体情况不容乐观，在罗峰街道楼里头村、金岭镇山上张家村和梦芝街道石星河村以南200 m附近，地下水水质属于II类水，在罗峰街道小宋家村附近，地下水水质为III类水，以上取样点地区地下水水质相对较好，均可适当开采作为生活饮用水，而其余地区地下水水质较差，可作为工农业用水。

通讯作者：朱恒华(1981—)，男，硕士，高级工程师，主要从事水工环调查方面的研究工作。E-mail:67146398@qq.com