矿区地下水水质评价方法探究*

2022-01-17汪大亚华绍广3

现代矿业 2021年12期

李波汪大亚李彪华绍广3

（1．中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；2．国家环境保护矿山固体废物处理与处置工程技术中心）

随着经济的快速增长以及人类活动范围和强度不断增大，地下水水位下降、水体盐碱化、水环境污染、水质恶化等环境问题日益突出［1-2］。为了保护和合理开发地下水资源，需要对地下水质量做出科学可靠的评价，以便对区域内地下水资源的可持续开发利用和综合管理起到指导作用［3-4］。

地下水水质评价是否客观全面，很大程度上取决于所选取的水质评价方法的合理性。由于人类生活以及生产过程中对地下水水质的需求不同，因此，在地下水水质评价指标的选择以及对分类结果的判断都存在差异，从而决定了地下水水质评价方法多样性［5-9］。目前，在地下水评价过程中使用较多的是内梅罗指数法，引入评价指标中的最大单项污染指数项，进而在评价过程中凸显浓度最高的评价指标对地下水质的影响。但是，在水质评价中，各种污染物对环境及人体的危害程度有很大差别，各种污染因子对环境和生物体的危害程度的贡献量不同，一些污染物的危害性甚至与浓度呈现出反比的内在联系。因此，由于传统内梅罗污染指数法过于突出污染因子中的极大值，而对各类污染因子权重考虑不足，在污染因子差别较大的区域可能会导致评价结果不够客观。改进内梅罗污染指数法融入了各评价指标对水质综合评价中所占的权重问题，加入了各类污染因子对环境及人体危害程度不同的考量［10］，在污染较复杂的区域能够更客观、准确地反映待评价水体的实际情况。在水质评价过程中，具体采用哪种方法，往往需要通过对比分析才能确定。

本研究拟通过考察总硬度（以CaCO3计）、氨氮、挥发酚、Hg、Cd等水质指标，使用传统和改进的内梅罗污染指数法来进行对比研究，将2种评价方法得到的污染指数分布图与矿区水域进行对比，考察2种方法对于复杂矿区水质评价的客观性、准确性，进而得出更加适合本地区水质评价的方法，同时也为矿区地下水综合评价提供参考方法。

1 评价工作与方案

1.1 样品采集与分析

在典型矿区56 km2范围内开展取样调查，采集矿区及周边范围内地下水样品共28件，水样采集和处理方法参照《水质采样技术规程》（SL 187—96）进行。样品采用化学法保存，通过加硝酸至pH＜2，防止重金属元素沉淀或被容器吸附，从而保证最终化验分析结果特别是重金属分析结果的准确性和可靠性。

1.2 评价方法

由于采样点所取地下水多为人畜饮用水源，水质的好坏是以水是否满足人类饮用为标准来衡量的，因此，根据《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017），本次评价采用Ⅲ类水水质标准。

1.2.1 传统内梅罗污染指数法

传统内梅罗污染指数法计算式中含有评价指标中的最大单项污染指数项，从而凸显浓度最高的评价指标对地下水质的影响，进而通过与标准污染指数相对照，确定水质类型，其评价方法如下。

式中，ci为各评价指标的实测浓度；sij为Ⅲ类水质标准对应的标准浓度；Pi为各评价指标的单项污染指数；Pmax为Pi中的最大值；为Pi的均值，i=1，2，…，n，n为评价指标的个数；Pc为传统的内梅罗污染指数。

以地下水质量标准中的Ⅲ类水质标准为基础划分污染等级，根据水质指标的标准浓度，对内梅罗标准污染指数的水质划分标准见表1。

1.2.2 改进内梅罗污染指数法

改进内梅罗污染指数法融入了各评价指标对水质综合评价中所占的权重问题，各评价指标权重值的确定过程如下。

将各种参评的评价指标排放标准值si由小到大的顺序排列，将其最大值smax与si比较，并令ri表示第i种评价指标的相关性比值，则

式中，wi为各种评价指标的权重值。

为克服传统的内梅罗综合污染指数过于突出最大污染因子对水质污染的影响和未考虑权重因素的缺点，引入P′代替Pmax算式，改进内梅罗污染指数Pg：

式中，Pq为权重最大的评价指标对应的Pi值；P′为传统Pmax替代值。

根据各评价指标的标准浓度，计算各级标准对应的改进内梅罗标准污染指数见表2。

2 应用结果与分析

2.1 传统内梅罗法评价结果分析

根据式（1）计算采样点样品的内梅罗污染指数，对照相应的分级标准，得出评价区域的地下水水质状况。传统内梅罗的污染评价结果见图1。

根据传统内梅罗指数的评价结果，多数采样点水质隶属于Ⅱ、Ⅳ类水质范围，少数样品隶属于Ⅲ类水质，该区域地下水在一定程度上受到了污染，部分地下水已不能满足人类日常饮用水的标准，需要对其采取一定的治理措施。其中采样点4的传统内梅罗污染指数最高，这是由于该点地下水样品来自于矿区附近，样品中所含Mn含量较高，单项水质评价为Ⅳ类水质。传统内梅罗指数较高的区域主要是矿场及采矿点附近，污染指数分布的空间规律与矿业活动的布局具有一定程度的一致性。

2.2 改进法结果分析

按照改进内梅罗指数法计算各污染因子的权重，Hg的权重值最大，即Hg是所有参评污染因子中对水质的影响较大的一种污染源。根据各污染指标的标准浓度，计算各级标准对应的内梅罗标准污染指数，见表3。根据实测浓度计算各监测断面的内梅罗污染指数，结果见图2。

与传统内梅罗指数法评价的结果类似，改进法指数分布较高的区域也基本位于矿场或采矿点附近（图2），这与实际的地下水污染分布情况相一致，污染指数分布的空间规律与矿业活动的分布相一致。但改进法的水质评价结果劣于传统法，水质评价等级基本均在Ⅲ、Ⅳ等级范围内。

2.3 对比分析

传统的和改进的内梅罗法计算的污染指数及水质划分对比见图3。

可看出2种方法的评价水质类型不尽相同，整体上各采样点传统内梅罗指数略高于改进内梅罗指数，但由于划分指标不同，多数按照改进内梅罗指数进行划分的采样点水质劣于或与传统划分方法相同，这可能是由于所有评价指标中重金属的评价指标所占的权重比较大，由表3可知，Hg的权重值达到了0.588，其余的重金属如Cd，As等权重也高于其他评价因子。因此相对于其他污染因子来说，重金属对于人类的危害程度更大，因此针对日常生活饮用水，重金属的含量高低对于最终水质的评价结果有着较大的影响。

改进法评价结果劣于传统法的采样点基本均位于矿坑或采矿场周边，因此地下水样品中重金属含量相对较高，且由于重金属属于毒理性指标，对于人体的危害程度较大（如Cd，As，Hg，Pb），因此重金属指标在所有污染因子中所占的权重较高，故而根据改进法的评价结果水质劣于传统法。根据采样地的实际情况（属于典型矿区，且许多采样点位于矿坑附近）可知，对于采样点水质影响较大的评价指标为重金属类，且重金属的毒害作用较大，因此相较于传统法，改进法的水质评价结果劣于传统法。根据传统法的结果，采样点中有相当部分的水质评价达到Ⅱ类水质，即能够反映地下水化学组分的天然背景含量，水质较好，这与实际情况不相符合。

相较于传统内梅罗指数法而言，改进法加入了权重分析，在一定程度上消除了极大值的影响，并且兼顾了各类污染因子的理化性质与水质恶化间的关系，提高了毒理指标（如重金属等）的影响程度，因此更能合理体现各个污染因子的作用，从而使评价结果更为客观、可靠、全面。由图3可以看出，仅28号样品的改进法水质划分类别优于传统法，这是由于该点水样中Fe含量较高，导致利用传统评价法计算时最大值的影响较大，且根据表3可知，Fe的权重值属于评价因子中较低的一类，即危害较小，若根据传统法评价，则该点的评价结果过于强调了单一最大值的影响，不够客观准确。因此，改进内梅罗污染指数法的评价结果比较符合该地的实际水质状况，更为合理、客观。