山东半岛蓝色经济区烟台市地下水质量综合评价

于林弘

(山东省第三地质矿产勘查院，山东 烟台 264004)

0 引言

随着经济的快速发展、人口增加、城市规模的不断扩大，烟台市出现了城市环境与生态透支的现象，过快过量的城市改造在一定程度上破坏了自然生态系统，加上历史上形成的化工、建材、机械等工业污染源，污水排放量逐年增加，导致城市环境问题急剧增加，农业大量使用化肥、农药，地下水污染问题突显，制约了城市的可持续发展；除此之外，大量的开采地下水，导致地下水位多年来持续下降，海水入侵面积增大。十九大报告提出坚持人与自然和谐共生的理念，必须坚持节约优先、保护优先、自然恢复为主的方针，形成节约资源和保护环境的空间格局、产业结构、生产方式、生活方式，还自然以宁静、和谐、美丽。可见保护地下水生态环境关系到和谐社会的可持续发展，关系到子孙后代的身体健康。

该文针对烟台市地下水水质检测结果，选取10种离子作为评价因子，利用熵权法计算各评价指标的权重，利用综合指数法对水质结果进行综合评价，划分研究区水质情况分区图，利于了解烟台市水质现状，为今后地下水保护和修复提供了基础资料。

1 研究区概况

根据《烟台市城市总体规划(2006年—2020年)》，研究区范围为芝罘区、莱山区、高新区、开发区及福山区、牟平区的城建规划区，西起开发区大季家，东到牟平区金山港，北至海岸线，南至东陌堂,面积636km2。地势总体南高北低，自南向北逐渐延伸为山前平原和滨海平原，海拔均在50m以下，在山东省地貌分区中主要属于构造剥蚀丘陵亚区和堆积山间平原、滨海平原亚区(图1)。

1—构造侵蚀低山丘陵亚区，2—构造剥蚀丘陵亚区，3—堆积山间平原、滨海平原亚区，4—分区界线，5—研究区界线图1 研究区地貌分区图

研究区内属暖温带季风型大陆性气候，四季分明，气候温和，年平均风速3.5m/s，多年平均气温11.4℃(1979—2017年)，多年平均降水量648.27mm(1979—2017年)，多年平均蒸发量1745.7mm，多年平均无霜期199d[1]。

按地下水赋存特征及含水层性质，区内地下水类型分为松散岩类孔隙含水岩组、碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组、碳酸岩类岩溶裂隙含水岩组和基岩裂隙含水岩组。

2 样品采集与分析

共采取地下水水样136件，各采集点位置见图2，按8～12件/100km2采取，每个取样点均有GPS定位，取样瓶为500mL白色塑料瓶，水样24h内送至山东省第三地质矿产勘查院实验室化验。水质分析项目主要为pH值、游离二氧化碳、侵蚀性二氧化碳、氯离子、硫酸根、重碳酸根、碳酸根、钾离子、钠离子、钙离子、镁离子、全硬度、溶解性总固体、氨、硝酸盐、亚硝酸盐、氢氧根、磷酸根、铁、锰、氟化物、可溶性二氧化硅、矿化度、汞、砷、六价铬、氰化物、酚等。检测采用的仪器主要有原子吸收分光光度计、紫外分光光度计、离子色谱仪、ICP-MC、多参数分析仪、电导率仪、原子光谱分光光度计等。

3 地下水环境质量评价

3.1 评价方法

3.1.1 方法选择

目前水质评价方法有多种，包括单因子评价法[2-3]、模糊评价法[4-7]、综合指数法[7]、熵权集对分析法[8-10]、灰色评价法[11-14]等。鉴于水质评价的随机性、复杂性，水质评价暂时没有统一的评价方法。单因子评价方法过于悲观；熵权集对分析法虽评价结果可靠，但过于复杂，不易理解；模糊评价法考虑了水质和各污染因子间的非线性关系，但主观性较强；灰色评价法评价精度低，认为主观性大，且过程复杂；综合指数法方法简单，含义清晰、容易理解，评价结果可靠，基本反映了地下水的污染程度。该文利用熵权法确定各个评价指标的权重，可以消除主观人为因素的干扰，权重结果更为准确[15-16]，采用综合指数法对研究区的水质进行分析[17-18]。

地下水质量评价标准采用《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)[19]中的水质分类标准，分级标准如表1所示。将地下水质量分为5个等级。以水质监测资料为基础，结合以往的水质结果，选取对研究区内水质影响较大的10种离子作为参与评价的因子，主要有亚硝酸盐、硝酸盐、氯化物、硫酸盐、氨氮、溶解性总固体(TDS)、总硬度、镉、铅、挥发酚。

1—取样点位置；2—研究区界线图2 研究区样品采集点位置示意图

表1 地下水水质常规指标分级标准

3.1.2 熵权法确定权重系数

(1)建立地下水水质评价矩阵：设地下水水质待评价样本有x件，则有M1，M2,…Mi(i=1,2，…，x)，评价指标有y种，则指标数列为N1，N2,…Nj(j=1,2，…，y),设样本Mi在评价指标Nj下的检测值为Pij，将地下水质量的5种分类标准对应的评价指标也作为实测样本，由此建立了x+5个样本与y种评价指标构成的初始评价矩阵(Pij)(x+5)×y。

(2)初始矩阵标准化处理：从表1可以看出，10种评价指标均为负向评价指标，即实测值越小，对应的水质越优，将初始矩阵根据式(1)(2)进行标准化处理，得到标准化矩阵(Yij)(x+5)×y。

(1)

(2)

(3)信息熵值的确定：根据斯林公式计算，可得j项指标的信息熵值ej

(3)

式中：k=1/ln(x+5)，k是与评价样本x有关的常数，无量纲。

(4)信息效用值确定：某项指标的信息效用值hj取决于该指标的信息熵与1的差值

hj=1-ej

(4)

(5)评价指标权重确定：信息熵越大，该指标在评价中所起的作用也越小，反之越大。j项指标的权重为：

(5)

3.1.3 综合指数法

通过权重计算的结果计算第i个样本的地下水水质综合指数为：

(6)

3.2 评价结果

根据公式(1)～(5)，求得2013年烟台市136个地下水水质检测结果与5类地下水质量标准的综合指数值，如表2所示。

表2 地下水水质评价指标的信息熵值、信息效用值和权重值

根据公式(6)，得出综合指数值见表3。

表3 基于熵权的综合指数计算结果

根据表3综合排序结果，综合指数值越大，水质越好。根据《地下水质量标准》中10种评价因子的界限值，由公式(6)得出其中5类水的综合指数值，Ⅰ类水界限指标排序为3；Ⅱ类水限指标排序为22；Ⅲ类水限指标排序为77；Ⅳ类水限指标排序为134；由于Ⅴ类水的界限指标为范围值，初始矩阵建立时，将其限值设为边界值，综合指数分值与Ⅳ类水一致，将<0.0018的综合指数值划分成Ⅴ类水，总体趋势是丘陵地区水质优于第四系覆盖区，内陆地区好于沿海地带,工业密集区上游好于下游地区，地下水质量评价分区见图3。

(1)地下水质量优良(Ⅰ类水)区

仅分布在莱山区轸格庄-草埠附近，该区面积为2.1km2，综合指数值均>0.0577,主要水化学类型为Cl·HCO3-Ca·Na，该区地下水中的各个评价指标均符合地下水水质Ⅰ类水标准，需重点保护。

(2)地下水质量良好(Ⅱ类水)区

分布在优良区外围、牟平区、世回尧镇西南,该区面积为17.4km2，综合指数值在0.0074～0.0577之间，主要水化学类型为Cl·HCO3-Na·Ca,HCO3-Ca·Na等，为第四系孔隙水和基岩裂隙水，该区主要为居住密集区，工业厂房零星分布，水质良好，需加强保护。

(3)地下水质量较好(Ⅲ类水)区

主要分布在开发区大季家镇-古现镇-福山区臧家镇一带、芝罘区黄务-世回尧一带及牟平区大窑镇以西，该区面积235.8km2，综合指数值在0.0030～0.0074之间，主要水化学类型为Cl·HCO3-Ca·Na,HCO3-Ca·Na。多为丘陵地区的基岩裂隙水和低洼地带的喷出岩、碎屑岩类裂隙水。该区地下水中的各个评价指标均符合Ⅲ类水指标，个别指标可达Ⅰ类水标准，该区人口密集，工业厂房较分散，需加强对本区地下水的保护。

1—地下水质量优良区；2—地下水质量良好区；3—地下水质量较好区；4—地下水质量差区；5—地下水质量极差区；6—分区界线，7—研究区界线图3 研究区地下水环境质量评价图

(4)地下水质量较差(Ⅳ类水)区

(5)地下水质量极差(Ⅴ类水)区

研究区地下水水质类型分布面积见图4,可见研究区内Ⅰ～Ⅲ类水占总面积的40.1%，Ⅳ,Ⅴ类水占总面积59.9%，总体水质一般，分析原因主要有：①城市建设、人口经济的迅速发展，导致工业污水、生活污水排放量逐年增长；②烟台地区盛产大樱桃、苹果、葡萄、蓝莓等，近年来农民在追求经济作物产量、质量的过程中，大量使用化肥、农药，忽视了其产生的生态环境问题，使水质变差；③地下水开采无规范措施，监管薄弱，烟台属缺水地区，枯水期大量开采地下水，水位持续下降，导致海水入侵面积逐年加大，水质变差。

1—Ⅰ类水；2—Ⅱ类水；3—Ⅲ类水；4—Ⅳ类水，5—Ⅴ类水图4 研究区地下水环境质量评价图

4 结论

(1)根据烟台市地下水水质评价结果显示，区内水质总体一般，较差区域的超标因子主要有亚硝酸盐、硝酸盐、氯化物、溶解性总固体(TDS)、总硬度、氨氮、镉、铅、挥发酚等。

(2)选用基于熵权的综合指数法进行评价，结果表明，该方法可靠、准确，操作方便，计算简单，值得推广。

(3)通过地下水质评价结果，制定一系列地下水污染防治措施，避免地下水水质日益恶化。建议加强对工业污水、生活污水的监管排放，对不达标的污水必须处理后排放。加强对农业种植区的管理，提倡有机种植，有序合理地使用农药、化肥。加强地下水资源的监控，防治无序、过量开采。