皇后园村松散层孔隙地下水水质评价与保护探讨

杨 柳

(山西福隆水利咨询有限公司，山西 太原 030001)

1 区域概况

1.1 地形地貌特征

皇后园村位于太原盆地的北端，山西省省会太原城区之北，东经112°15′～112°46′，北纬37°48′～38°06′。东与阳曲县尧子尚村相连；南与万柏林区后北屯村接壤；西与下槐树交界；北与阳曲县杨家井村相邻。区政府所在地柴村，距太原城8 km。全区西、北环山，汾河自北入境出烈石口向南纵贯全境。东西最大长度为26 km，南北最长距离22 km，总面积286.5 km2，分布呈不规则状。地势北高南低，海拔780 m～1865 m之间。皇后园村地表水均属黄河流域汾河水系，汾河一级支流泥屯河、柏板河、杨兴河、涧河均在境内汇入汾河。

1.2 水文地质条件

区域内第四系松散岩类含水岩性主要为砂卵石层，主要补给来源为大气降水及侧向径流，富水性较好。根据含水层在垂直向的变动趋势及水力特性、地层时代、地下水赋存条件等，将皇后园村松散层孔隙含水层划分为潜水含水层和承压含水层，其中潜水含水层主要为全新统含水层Q4，承压含水层包括上更新统孔隙含水层Q3、中更新统孔隙含水层Q2和下更新统孔隙含水层Q1，具体见表1。

表1 皇后园村松散层孔隙含水岩组

2 地下水资源开发利用情况

2.1 水资源开发利用现状

根据太原市第二次水资源调查评价成果，皇后园村1956年～2000年地下水可开采量13100万m3，全区岩溶水可开采量为7222万m3，盆地孔隙水开采量为5878万m3。根据2014年～2016年的水资源公报及2017年、2018年用水统计数据，皇后园村地下水孔隙水平均总取水量2951.8万m3，孔隙地下水开发利用程度50.22%，属于尚有开发潜力区。皇后园村2014年～2018年地下水开采量见表2。

从皇后园村的近年开发利用情况来看，孔隙地下水开采量逐年降低，由此说明地下水关井压采行动中已经取得一定成效，全社会应继续增加地表水、中水、矿井水等水资源的利用比例，促进地下水量采补平衡、地下水位止降返升，提升用水安全保障能力。

表2 皇后园村2014年～2018年地下水取水量统计表

2.2 水资源开发利用潜力

按地下水开采系数法对皇后园村地下水资源开采程度进行分析，即：开采系数K>1.2，为地下水严重超采区；1.0

皇后园村2014年～2018地下水平均总取水量4042万m3(不包括皇后园村兰村泉域外供给其他城区的岩溶地下水)，其中孔隙地下水平均总取水量2951.8万m3，孔隙地下水开发利用50.22%，属于孔隙地下水开发尚有潜力区。

3 地下水水质评价

3.1 评价方法

用于松散层孔隙地下水水质评价的方法较多，本文主要采用模糊综合评价法，该评价方法能有效克服单因子评价等方法使用过程中最劣超标因子影响较大的缺陷，评价结果更加合理，也更符合区域地下水水质状况实际。在采用模糊综合评价法进行皇后园村松散层孔隙地下水水质级别评价的过程中，采用《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)进行地下水各组分分级及界值类别和标准值[1]的选取。

模糊综合评价法是以模糊数学理论为基础的综合评价方法，根据模糊数学中的从属度理论，通过定量评价取代定性评价，从而顺利解决地下水质量评价因子量化的难题。基于皇后园村地下水环境质量特征，进行区域地下水环境质量模糊综合评价模型的构建，步骤如下：

Step1：创建区域地下水环境质量综合判断因素集，表示为X={i|i=1,2,…,n}；

Step2：创建区域地下水环境质量评价集，表示为V={i|i=1,2,…,n}；

Step3：基于区域地下水水质分级，构建隶属函数。当时，区域地下水环境质量为1级，隶属函数可表示为：

(1)

当j=2,3,…(m-1)时，区域地下水环境质量为2～(m-1)级，隶属函数可表示为：

(2)

当j=m时，区域地下水环境质量为m级，隶属函数可表示为：

(3)

Step4：根据对区域地下水环境质量评价因子隶属度的分析，构建模糊矩阵R，矩阵中的各项元素主要由隶属度函数求得；

Step5：基于区域地下水环境质量评价中各因子影响程度对各评价因子进行权重的赋值，为保证赋值结果更加符合工程实际，还应对各项因子权重进行归一化处理，公式如下：

(4)

式中：xi为第i种区域地下水污染物实测值，mg/L；δij为第i种区域地下水污染物第级标准值，mg/L；δi(j+1)为第i种区域地下水污染物第j+1级标准值，mg/L；δi(j-1)为第i种区域地下水污染物第j-1级标准值，mg/L；Ci为第i种区域地下水污染物标准值，mg/L；μi为第i种区域地下水污染物标准值均值，mg/L；Ai为第i种区域地下水污染物归一化处理后的权重系数。

Step6：构建区域地下水环境质量综合评价模型，并按照隶属度最大值原则进行地下水质分类等级确定：

(5)

选取2018年皇后园村9眼井为主要研究对象，包括3眼潜水井、2眼承压井Ⅰ、2眼承压井Ⅱ、2眼承压井Ⅲ，分别位于皇后园村东北、西北、东南和村中心区域的顾庄、王庄、双沟、顺沟、李楼、塔山、五段、畔湾、河湾等地，并分别设置1个监测点。松散层孔隙地下水水质评价主要包括硫酸盐、总硬度、氯化物、氨氮、溶解性总固体、高锰酸盐指数、硫化物等化学项目及氟化物、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氰化物、铅、镉等毒理学项目。

3.2 地下水化学特征

(1)潜水含水层

皇后园村松散层潜层孔隙地下水呈弱碱性，pH值在7.0～8.1范围内，测井内地下水矿化度在1.0g/L以内的淡水井占比84.1%，矿化度在1.0 g/L～2.0 g/L的微咸水占比7.3%，矿化度在3.0 g/L～10.0 g/L的咸水占比8.6%，就分布区域而言，矿化度整体呈南高北低、东高西低趋势。测井内地下水总硬度低于450 mg/L的软水占比40.9%，总硬度在451 mg/L～600 mg/L之间的硬水占比24.8%，总硬度在600 mg/L以上的极硬水占比34.3%，地下水总硬度的变化趋势与矿化度基本相同，潜层孔隙地下水总硬度监测值在220 mg/L～1996 mg/L范围内变化，总硬度值偏高。

(2)承压含水层

皇后园村松散层各承压层孔隙地下水pH值、总硬度及矿化度等监测结果见表3，通过监测结果可以看出，各承压含水层地下水pH值、总硬度及矿化度等总体上呈南高北低、东高西低变动趋势。

表3 皇后园村松散层各承压层孔隙地下水水质监测结果

皇后园村松散层各承压层孔隙地下水pH值在7.31～8.05区间内，整体呈弱碱性特征。承压Ⅰ、承压Ⅱ、承压Ⅲ含水层内矿化度≤1000 mg/L的淡水井占比分别为65.8%、69.2%和76.1%；矿化度在1000 mg/L～2000 mg/L的淡水井占比分别为21.4%、22.9%和23.9%；矿化度在3000 mg/L～10000 mg/L的淡水井占比分别为12.8%、7.9%和0%。承压Ⅰ、承压Ⅱ、承压Ⅲ含水层内总硬度在450 mg/L以内的软水井占比分别为67.2%、58.9%、82.6%；总硬度在451 mg/L～600 mg/L以内的硬水井占比分别为12.3%、32.7%和17.4%；总硬度在600 mg/L以上的极硬水井占比分别为20.5%、8.4%和0%。

3.3 各监测点评价因子权重系数

基于皇后园村地下水环境质量评价中各因子的影响程度，对各评价因子进行权重赋值并根据式(4)进行归一化处理，结果见表4。

表4 皇后园村各监测点评价因子权重系数

3.4 地下水质量综合评价

在进行各监测点评价因子权重系数归一化处理的基础上，运用Matlab软件编程计算，并将各监测点评价因子权重系数代入模糊综合评级模型D中进行皇后园村松散层孔隙地下水水质评价，评价结果见表5。

表5 皇后园村松散层孔隙地下水水质评价结果

根据表中水质评价结果，潜水层监测结果中Ⅲ类以上水质、Ⅴ类水质占比分别为75.5%和24.5%；承压Ⅰ含水层内Ⅲ类以上水质、Ⅴ类水质占比分别为79.8%和20.2%；承压Ⅱ含水层中Ⅲ类以上水质、Ⅴ类水质占比分别为88.9%和11.1%；承压Ⅲ含水层中Ⅲ类以上水质、Ⅳ类水质占比分别为89.5%和10.5%。

图1 不同含水层水质类别占比

皇后园村松散层孔隙地下水不同含水层水质类别占比情况见图1，由图可知，Ⅰ类水百分占比由高至低所在含水层依次为承压Ⅱ、承压Ⅲ、承压Ⅰ和潜水层；Ⅱ类水百分占比由高至低所在含水层依次为承压Ⅲ、承压Ⅰ、承压Ⅱ、潜水层；Ⅲ类水百分占比由高至低所在含水层依次为潜水层、承压Ⅰ、承压Ⅱ、承压Ⅲ；Ⅳ类和Ⅴ类水百分占比之和由上至下依次降低。总之，承压Ⅲ含水层水质最好，承压Ⅱ含水层水质次之，水质较差的是潜水层和承压Ⅰ含水层。

潜水层、承压Ⅰ、承压Ⅱ、承压Ⅲ含水层水质较差的区域分别位于顺沟、五段、畔湾等地，在地质条件等的影响下，上述区域含水层存在矿化度、氟化物和总硬度等主要污染因子，此外，五段污水处理厂污水管网渗漏也是造成周边区域松散层孔隙地下水污染的主要原因；河湾地区主要受人类活动影响较大，导致氨氮含量超标近7倍，潜层地下水受到严重污染。

4 地下水保护措施

以上对皇后园村松散层孔隙地下水水质的评价与分析表明，该区域孔隙地下水水质存在一定程度的污染，区域内各业主单位应制定事故状况下的废污水应急预案，并把污水处理措施落实到实处，确保项目实施不对地下水环境造成新的污染，真正做到废污水不乱排放。与此同时，还应加大对当地村民的宣传教育力度，强化对水污染事件的防范意识和责任意识。

地方水管部门应及时掌握区域水环境动态变化特征，业主应积极配合区域水资源管理部门做好项目周边区域水环境监测工作。水环境监测点应以项目区以及周围区域地表水、地下水为主布设，其中地下水监测点应尽量与现有地下水水位观测井相结合。业主应派专人按照《水环境监测规范》(SL 219-2013)的有关要求定时对监测点水质、水量[2]进行观测，监测成果应及时上报当地水行政主管部门。

为有效防范各类项目及村民生活污水未经处理排放等突发水环境事件的发生，及时、合理处置可能发生的各类水环境事故，确保项目建设运行对泉域水环境影响程度降至最低，必须以预防突发水环境事件为重点，逐步完善处置水环境突发事件的预警、处置及善后工作机制，建立防范有力、指挥有序、快速高效和统一协调的突发水环境事件的应急处置体系。

5 结论

通过对山西省太原市尖草坪区皇后园村松散层孔隙地下水水质的分析与评价表明，区域内因为存在各类建设运营项目及村民生活污水污染，再加上在地质条件等的影响下，导致承压Ⅱ含水层水质一般，潜水层和承压Ⅰ含水层水质较差。为加强地下水水质保护及强化区域地下水资源管理，必须从加强水务管理、加强水环境监测、制定水污染突发事件时的应急处置预案等方面着手，制定科学合理的地下水保护方案，并有针对性地加强地下水水质治理。