中宁盆地地下水水质评价

马永祥，马林军，海 玮，苗 刚

(1.宁夏回族自治区煤炭地质局，银川 750001； 2.宁夏回族自治区中宁县水务局，宁夏中宁 755100)

0 前言

西北干旱地区水资源短缺阻碍了地方经济的发展，其原因不仅仅是水资源量的短缺，水质型缺水是主要的原因之一[1-2]。中宁盆地位于宁夏中部黄河冲积平原，由于区域水文地质背景原因，当地气候蒸发量大，降雨量稀少，地下水中各项离子指标普遍偏高。文中采用单一指数法、综合指数法和模糊评价法，对中宁盆地8个钻孔水样中的硫酸盐、氯化物、总硬度、溶解性总固体、硝酸盐和亚硝酸盐进行分级评价，目的是得出中宁盆地地下水水质优良程度，以及三种水质评价方法的适宜性，为中宁盆地今后的地下水开发利用作参考依据。

1 研究区概况

中宁盆地位于宁夏回族自治区中西部，主要范围在中卫市中宁县。地处黄河两岸(图1)，为内蒙古高原和黄土高原过渡带，属北温带大陆性季风气候区，年平均气温10.9℃左右，月平均气温七月最高，一月最低，多年平均降水量175～206mm，多年平均蒸发量为1 390mm，全年平均风速2.9m/s，冬季最大冻土层深度达134cm。

地下水赋存于黄河冲积平原巨厚的第四系松散沉积物孔隙中，厚度超过100m，岩性主要为卵砾石、砾石、粗砂、细砂等，中间夹有粘土层透镜体，富水性强，单井涌水量大于1 000m3/d，溶解性总固体一般为1～3g/L。本次采用中宁县水务局于2016—2017年完成的8个勘探钻孔为水质采样点，钻孔深度为50～120m，揭露含水层岩性主要为砂砾石、细砂、粉砂，该含水层是具有供水意义的含水层，亦是中宁盆地人蓄供水井的取水层位，对水质指标中硫酸盐、氯化物、总硬度、溶解性总固体、硝酸盐和亚硝酸盐6项离子进行分析研究[3-7](表1)。

2 水质评价

目前水质评价的方法繁多，一般是对水质化验结果按照一定标准值对比得出水质优良程度，为了提高研究程度，单一指数法、F值法、灰色聚类法、内梅罗指数法、物元可拓法、模糊综合评价法[8-10]等评价方法得到应用。本文选取单因子指数法、综合指数法、模糊评价法对中宁盆地水质进行评价分析研究，以《地下水质量标准》(GB/T14848-2017) 为基础规范依据，分别对8个钻孔水质进行评价，获得了中宁盆地地下水质等级。

2.1 单因子指标评价法

单因子指数法是利用水样水质实测数据和标准对比分类，本次评价标准采用《地下水质量标准》(GB/T14848-2017) Ⅲ类水质标准的上限值作为单因子指数法的控制标准。

图1 钻孔分布Figure 1 Borehole distributions

位置及孔号深度/m采样时间硫酸盐/mg·L-1氯化物/mg·L-1总硬度/mg·L-1溶解性总固体(以GaCO3计)/mg·L-1硝酸盐(以N计)/mg·L-1亚硝酸盐(以N计)/mg·L-1新建村1#72002017-05476.63230.17654.481 622.000.000.00盖湾村2#86.152017-06173.70110.34533.271 030.000.000.00吴桥村3#65.002017-05126.36124.22406.84960.000.000.00吴桥村4#82.002017-0768.7464.30240.43548.000.060.02古城镇5#53.002017-09222.68120.57402.071 084.000.000.00长滩村6#52.802017-053 875.211 929.052 371.969 369.000.000.00黄营村7#62.202016-07444.94176.83205.501 499.000.000.00枣二村8#123.892016-032 299.612 733.372 675.728 013.000.000.00

2.2 综合指数评价法

综合指数评价法是把各种指标定义为另一种形式，用各水样指标的实测值与标准限值对比得出单项指数，该标准亦采用《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)Ⅲ类水质标准的上限值，再用加权平均的数学方法将各单项指数综合得到该水样的综合指数。

2.2.1 确定各项离子单项指数

其公式为

(1)

式中：i= 1，2，…，n；j= 1，2，…，m；Sij是第i个水样的第j项离子单项指数，rij是第i个水样的第j项离子的实测值，Xij为第i个水样的第j项Ⅲ类水质标准的上限值,若rij≥Xij，规定Sij=1。

把钻孔水样实测数据带入(1)式计算各项离子的单项指数，见表2。

表2 钻孔离子单项指数Table 2 Borehole water sample ion single indices mg·L-1

2.2.2 确定水样综合指数

其公式为

(2)

式中：I为地下水的综合指数；Fij是第i个水样的第j项离子的权重因子；地下水质量标准各项组分离子要求十分严格，因此，下列计算中采用较为广泛的等权值的加权平均计算方法。

把表2中各钻孔数据带入式(2)中，参照《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)，得到各钻孔水质级别(表3)。

表3 钻孔水质级别Table 3 Borehole water quality grades

2.3 模糊评价法

模糊评价法[11-15]是一种基于模糊数学的综合评价方法。该评价方法根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价。具体步骤如下：

2.3.1 因子集和评价集

因子集是参与评价的地下水各项水质指标组成的数据集合，就是参与本次评价的钻孔各项浓度的实测值，因子集为：

(3)

根据公式(3)，求得因子集为：

r=(硫酸盐，氯化物，总硬度，溶解性总体，硝酸盐，亚硝酸盐)

评价集是与因子集中评价因子相应的评价标准集合[16]。参照《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)，评价集是各个污染因子相应的水质环境质量标准等级的集合，则评价集为：

(4)

根据公式(4)，求得评价集为:

X=(Ⅰ级，Ⅱ级，Ⅲ级，Ⅵ级，Ⅴ级)

2.3.2 隶属度函数和模糊矩阵

模糊关系矩阵[17](Kij)通过隶属函数的计算得到。文中水质污染指标均是成本型指标，实测值越低，水质越优。这种越小越优成本型指标采用从1变到0的分段函数表示，表达式为:

Ⅰ类水的隶属函数，j=1：

(5)

Ⅲ～Ⅳ类水的隶属函数，j=2,3,4：

(6)

Ⅴ类水的隶属函数，j=5：

(7)

在隶属函数公式(5)～(7)中，Xij不再代表各类污染物指标的上下标准限值，而是上下限值的中间值。以硫酸盐为例，硫酸盐指标地下水水质标准分为Ⅰ～Ⅴ类分别为(0，0.050]、(0.050，0.150]、(0.150，0.250]、(0.250，0.350]、(>0.350]，若Xij取中间值，则可以得到Ⅰ类( 0，0.025]、Ⅱ类(0.025，0.075]、Ⅲ类( 0.075，0.125]、Ⅳ类(0.125，0.175]、Ⅴ类(>0.175]5个区间，相应地得到5个隶属函数与隶属度。

以4号钻孔实测数据为例，根据(5)～(7)式，计算各类级别水质的隶属度函数如下：

Xij表示第i种污染物被评价为第j类的可能性，则模糊关系矩阵U为：

(8)

2.3.3 评价因子权重向量

权重的计算是利用浓度超标法来完成的，具体计算公式见下:

(9)

式中,ri为第i项指标的实测值 ,Xi为第i项指标标准限值的算数平均值。使用以上两式计算出来的权重值可能> 1 , 因此需要使用下式对各单项权重进行归一化处理 :

(10)

(11)

式中:Ai为第i项监测指标的归一化后的权重值 ,m为评价中所采用的监测指标数。

根据(9)～(11)式，求得4号钻孔权重函数A4=[0.183 8,0.171 9,0.336 0,0.290 5,0.017 2,0.000 7]。

2.3.4 水质类别的确定

模糊综合评判矩阵是权向量集和隶属度集的复合运算，

B=A×U=(bi)

(12)

根据(10)式得到4号钻孔水质模糊矩阵B4=[0.059 8,0.296 4,0.546 9,0.079 7,0.000 00]。同理，可得其他钻孔权重函数如下：

A1=[0.347 8,0.167 9,0.249 6,0.234 7,0.000 0，0.000 0]；

A2=[0.226 5,0.143 9,0.363 4,0.266 3,0.000 0，0.000 0]；

A3=[0.193 3,0.190 1,0.325 4,0.291 2,0.000 0，0.000 0]；

A5=[0.289 8,0.156 9,0.273 5,0.279 7,0.000 0，0.000 0]；

A6=[0.435 3,0.216 7,0.139 3,0.208 7,0.000 0，0.000 0]；

A7=[0.433 5,0.172 3,0.104 7,0.289 6,0.000 0，0.000 0]；

A8=[0.286 7,0.340 8,0.174 4,0.198 1,0.000 0，0.000 0]。

其他钻孔模糊矩阵：

B1=[0.000 0,0.000 0,0.000 0,0.000 0,1.000 0]；

B2=[0.000 0,0.042 2,0.107 6,0.223 6,0.629 7]；

B3=[0.000 0,0.000 0,0.398 4,0.273 2,0.325 4]；

B5=[0.000 0,0.013 9,0.143 0,0.000 0,0.803 0]；

B6=[0.000 0,0.000 0,0.000 0,0.000 0,1.000 0]；

B7=[0.000 0,0.027 2,0.077 5,0.000 0,0.895 4]；

B8=[0.000 0,0.000 0,0.000 0,0.000 0,1.000 0]。

根据最大隶属度原则[18-19]，Bmax=1.0，1、6、8号钻孔属于Ⅴ类水；0.5

3 评价结果对比

3.1 水质类别分区

通过上述三种评价方法得出，1、2、5、6、7、8号钻孔水质类别属于Ⅵ—Ⅴ类水，3、4号钻孔地下水水质类型为Ⅱ—Ⅲ类水，如图3所示，符合中宁盆地水质实际情况，黄河北侧枣二村、黄河南侧古城村、鸣沙镇长滩村、黄营村一带水质较差，水中总硬度、溶解性总固体超标；3、4号钻孔所在的恩和镇吴桥村水质较好，但是农村牲畜粪便等随意排放导致水中检出亚硝酸盐。黄河自西南向北东流去，中宁盆地地下水补给来源主要靠农田灌溉，从图3中可以看出，沟渠纵横，补给条件好，地下水的流向大致与黄河水一致，靠近黄河河床一带，含水层泥质含量高，水循环周期长，水质较差；再向南侧地下水循环周期较短，形成潜流，水质稍好，出现Ⅱ—Ⅲ类水。

图3 水质类别分区Figure 3 Water quality category partitioning

3.2 评价方法对比

单因子指数法计算简便，可以清晰明了地判断出主要污染因子以及其分布位置，但是单因子指数法采取一票否决制，评价较为严格，结果往往比较悲观，不能全面反映评价区域的水质状况。综合评价法较单一指数法有所改善，能够全面反应实际情况。模糊评价法具有评价结果清晰、系统性强、分析全面的特点，能较好地解决模糊的、难以量化的水质问题，适合各种非确定性问题的解决。从表4可以看出，单因子指数法比较严格，综合指数法和模糊评价法良好的反映了实际情况，两种评价方法得出的结论一致，较单一指数法评价效果切合实际情况，单一指数法在4号钻孔评价结果为Ⅲ类水，后两者评价结果为Ⅱ类水，结合中宁盆地地下水水质多年实际情况，中宁盆地中部恩和镇吴桥村一带水质偏好。单一指数法在7号钻孔水质评价结果为Ⅴ类水，后两者评价结果为Ⅳ类水，根据中宁盆地多年水质情况，盆地东北侧鸣沙镇黄营村一带水质较差。因此，综合评价法和模糊指数法客观的反映了中宁盆地地下水水质情况。

表4 不同水质评价方法对比Table 4 Comparison of water quality assessment methods

4 结语

通过对中宁盆地地下水8个勘探钻孔水质指标的评价，单一指数法评价方法简单实用，只要结合规范就可以判定地下水水质情况，但是评价结果比较严格，采用一票否决制；综合评级法能够全面的反应地下水水质情况，只有简单的数学运算即可得到水质情况；模糊评价法比较繁琐，有一定的数学运算过程，但可以全面的反应出地下水水质情况。总之，综合指数法和模糊评价法能够全面反应中宁盆地地下水水质实际情况，能够量化的圈定水质级别范围，评价结果可以作为地下水开发利用的参考依据。