快速城镇化背景下关中地下水水质演化特征研究

刘浩然，严宝文

(1.河海大学 水文水资源学院，江苏 南京 210098；2.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

社会经济发展的一个必然结果是城镇化，改革开放以来，我国城镇化进程显著加快[1]。在我国，很多城镇地区的地下水水质在形成的过程中，人类活动对其影响甚至超过了自然环境对其的影响[2]。据对全国近120个城市连续5年左右的监测资料表明：仅有极少数的城市地下水基本清洁或污染较轻[3]。

关中地区位于陕西省中部，是关中平原的一部分，近些年来，关中地区城市规模扩大，城市人口增加，城镇化进程加速，而在这一过程中，其对地下水的影响越来越大，但具体的影响则趋于多样化。显然，厘清水质变化的特征，查明各水质指标与城镇化进程的关系，寻求更有针对性的水质改善措施，是更好地助力关中地区的城镇化发展的必要前提。

1 材料与方法

1.1 研究材料

以关中的宝鸡(16年数据)和西安(20年数据)两个城市为研究对象，选取单项水质指标为：pH值、氨氮、总硬度、COD(本文指化学需氧量)、阴离子(氯离子和硫酸根之和)、氟离子。研究各水质指标的变化特征，研究人口城镇化率与主要水质指标变化之间的关系，从城镇化发展对地下水水质的影响，对综合地下水水质的影响，来探寻快速城镇化进程对地下水水质动态的影响，提出城镇化过程中地下水开发利用的建议，以助力关中地区的新型城镇化发展。

数据来源于《陕西省地下水年鉴》。典型井选取时优先考虑数据完整、原始数据较长的潜水井和浅层承压水井。两市典型井选取的基本情况如表1所示。

表1 各典型井概况

1.2 模糊综合评价法

基于模糊数学理论的利用隶属函数的模糊综合评价模型可以较好地解决水质级别界限的模糊问题[4]，其不仅能评价水质类别，还能判断水质的主要污染物，具备定性评价和定量评价的特点，且计算过程简单，结果较科学合理[5]。

主要步骤如下：

(1)模糊因子集U和评价集W的建立。其中，U为评价的各个单项指标，W为水质分级，Ⅰ为最优，Ⅴ为最劣。

(2)建立单项因子的隶属函数，其采用线性函数，函数最小值为0，最大值为1。

(3)模糊关系矩阵R的建立。根据水样各评价因子的实测值及隶属度公式，计算出各自的隶属度，形成模糊关系矩阵R。

(4)评价因子权重矩阵B的建立。可采用层析分析法进行权重计算，它将决策者的主观判断和推理紧密联系起来，可避免失误，得到了广泛应用[6]。先利用九标度法对各评价因子进行相互比较，建立比较矩阵A，其中，比较遵照的标准如表2所示。

表2 比较的标准

之后再使用极差法利用建立好的比较矩阵构造判断矩阵[7-8]。

f(ri，rj)=cij=cb(ri-rj)/R

式中：cij为比较矩阵的元素；cb为按某种标准预先给定的极差元素对的相对重要程度；

判断矩阵C构造好之后，按照：

可以计算得到一个权重矩阵B。

(5)进行模糊综合评价。将得到的模糊关系矩阵R与权重矩阵B进行复合运算，确定水体的综合隶属度。对于模糊矩阵：两数相乘取小者为“积”，诸数相加取大者为“和”，最后得到综合隶属度矩阵，据此可确定水质级别。

2 城市区地下水水质的模糊综合评价

2.1 权重的计算

根据之前叙述的步骤，先请水环境领域的五位专家教授用九标度法对各因子进行相互比较，建立比较矩阵，评价目标是符合生活用水水质要求。再利用极差法构造判断矩阵，代入公式，由此得到pH值、氨氮、总硬度、COD、阴离子和氟离子6类水质指标最终的权重矩阵B如下。

B=[0.119 0.154 0.144 0.141 0.130 0.312]

2.2 模糊综合计算

现以西安市1996年井K234付的数据进行说明，其实测值见于表3。

表3 1996年井K234付水质指标实测值

地下水质量标准采用GB/T 14848-2017。其中，阴离子各级标准为氯离子和硫酸根各级标准之和，具体见于表4。

表4 地下水质量标准

基于西安市1996年井K234付的实测数据和2017年地下水质量标准，根据隶属度的计算公式，得到模糊关系矩阵R。

将模糊关系矩阵R与权重矩阵B进行复合运算，可以确定1996年井K234付的地下水水质综合隶属度矩阵S。

S=[0.312 0.144 0.113 0 0]

可以看出1996年K234付地下水水质类别为Ⅰ类。为了便于后续综合水质与人口城镇化率建立相关关系，我们把综合隶属度矩阵转换为一个数字。矩阵S反应了综合水质对各级水质的隶属度，根据其实际意义，将元素依次为1、2、3、4、5的一个5行1列矩阵与S相乘，得到综合水质值为0.939。同理可得到各市各井位地下水每一年的综合隶属度矩阵S和综合水质数值。显然，这里综合水质值越小，水质越优。

3 结果与分析

3.1 综合水质值

由模糊综合评价法计算得的综合水质值如表5所示。

表5 西安市和宝鸡市各井综合水质值

由表5可以看出：西安市典型井综合水质值有轻微波动变化，与1996年相比，2015年大多数井综合水质变好，少数几乎不变或变差；宝鸡市典型井综合水质值相对平稳，年际变化不大，井267综合水质一直较好，在2015年，井大50和井15综合水质与1996年相比略微变好。总的来说，关中地区研究区域典型井综合水质波动变化，2015年与最初年相比，大多数井综合水质稍稍变好，少数几乎不变或变差，无明显的规律。

3.2 地下水单项水质指标动态变化

依据西安市和宝鸡市典型井各年的水质指标值，画出其变化情况折线图，可以发现：

(1)在研究时段内(西安市1996-2015年，宝鸡市2000-2015年)，西安市和宝鸡市典型井pH值在2011年之前变化相对较小，但在2011-2015年有小幅上升。另外，近年来，两市pH值的波动变化幅度均大于之前年份。

(2)大多数典型井氟离子浓度上下波动较大，它们的氟离子浓度较最初下降，其余井上升或基本不变。

(3)关中地区研究区域大多数典型井COD浓度波动尤为剧烈，许多井的COD浓度出现了特大值，大多数井的COD浓度较最初下降或基本不变，其余井上升。同样，总硬度值整体波动较强，部分井有特大值出现，2015年与最初年相比变化不大，但各年的总硬度值极不稳定。

(4)西安市氨氮浓度波动较大，近年来浓度较之前上升，多个井出现特大值。宝鸡市部分井也有出现特大值的情况，但是其氨氮浓度变化相对平稳，近年来处在较低的状态。阴离子浓度同样波动剧烈，部分井阴离子浓度上升，部分井下降或不变，无明显规律。

3.3 地下水水质与人口城镇化率的相关关系

将各单项地下水水质指标与人口城镇化率、地下水综合水质值与人口城镇化率分别导入spss软件中，进行双变量相关分析，得到皮尔逊相关系数，进行双尾显著性检验，当显著性值小于0.05时，相关性星级为1星，即相关性显著但较弱，当显著性小于0.01时，相关性星级为2星，即相关性较强。具体情况如表6所示。

由表6可以看出：

(1)在关中地区研究区域中，西安市大部分井和宝鸡市部分井的pH值与人口城镇化率存在正相关关系，反映出随着城镇化进程的推进，城市中部分区域地下水的pH值上升，原因可能是地下水中碱性盐含量超标。

(2)关中地区部分井氟离子浓度与人口城镇化率存在相关关系，且大部分是负相关关系，随着城镇化的推进，部分井地下水氟离子浓度逐渐下降。同样，研究区域内部分井的阴离子浓度与人口城镇化率相关性显著，这其中少数是正相关，大部分是负相关。

(3)研究区域部分典型井的总硬度浓度与人口城镇化率相关性显著，在这些井中，两个是负相关，三个是正相关，后者表明，随着人口城镇化率的上升，总硬度上升。

(4)在关中地区研究区域中，只有宝鸡市的大50井的COD浓度与人口城镇化率有较弱的负相关关系。所以总的来说，城镇化与关中城市区地下水的COD浓度相关性不显著。同样，氨氮浓度与人口城镇化率间相关性也不显著，说明前者受后者影响很小。

表6 地下水水质与人口城镇化率相关关系情况

(5)关中地区大部分典型井的综合水质值与人口城镇化率相关性不显著，综合水质不太受人口城镇化率的影响，其余井中，部分典型井综合水质值与人口城镇化率间成负相关，综合水质随城镇化率上升而变好，剩余的典型井则相反。

(6)关中地区研究区域部分典型井的氟离子浓度、阴离子浓度、综合水质值与人口城镇化率成负相关，水质变好，反映出近年来，相关部门对地下水水质的维护与改善所采取的一系列措施，取得了较好的成效。

4 结语

分析可知，陕西关中主要城市西安和宝鸡两市：

(1)多数典型井的氨氮浓度、COD浓度与人口城镇化率不存在相关关系，说明虽然大量人口向城市迁徙，但由于管控和防治措施有力，未造成生活污水污染以加剧氨氮、有机物浓度的上升。但是，氨氮、COD浓度在个别年份有特大值情况的出现，可能与突发的污染事故有关，平时应加强防范，减少此类事件的发生。

(2)随着城镇化的推进，部分井地下水氟离子浓度、阴离子浓度逐渐下降，说明近年来，人们的环保意识加强，关中地区研究区域对工业污水的处理管控取得较好成效，工业污水的氟化物、阴离子得到了合格处理与排放。要保持对工业污水处理与排放的监管，使地下水水质继续向好。

(3)关中城市区典型井的pH值与人口城镇化率相关性显著，大部分井的pH值随人口城镇化率的上升而增加，在最近5年(2011-2015年) 这种变化尤为显著。由于细菌的理想生活环境是碱性的，这种水会对人体健康造成影响。要加强对水中硫化物、碳酸盐等的控制，对含此类物质的废水排放要加强监管，达标排放，减少地下水水中碱性盐的含量，以使pH值达到正常状态。

(4)部分井的总硬度与人口城镇化率成正相关，为了缓解这种情况，一是要加强对废水中钙、镁离子的管控，达标排放；二是对于这些井位的水，在到达居民家前，要经水厂处理以降低硬度。

总体上，应继续强化工业排污管理和生活垃圾处理，加强农业污染防治，增强人们的保护意识。多方面共同努力对地下水进行保护，更好地助力城镇化进程的推进[9]。