朝阳县地下水集中供水水源地水环境质量评价

刘立娟

（朝阳县水利勘测设计队，辽宁 朝阳 122000）

地下水环境一般会受到地下水-地表水相互作用、沉积物或土壤与水之间的生物化学反应，以及城市建设、土地利用和农业发展等因素影响影响[1]。无论污废水是否经过处理，都可能成为污染的排放源，对地下水的化学特征有明显的影响。另外，还可能受到大气降水产生的地下或地表径流和城市地区灌溉用水等非点源污染的影响，地表灌溉系统演变、浅层地下水污染、灌溉水量及农业灌溉方式的改变也将显著影响地下水环境，许多学者广泛研究地下水水质受项目的实施及工农业生产事件的影响作用[2-5]。国内外研究大多将地下水质视作水环境的一个方面，对于地下水环境评价，应当考虑地下水的水质状况，同时需要考虑合理开发情况和是否存在超采问题，这种地下水环境都属于狭义上的研究。集中供水是一项解决农村饮水问题的惠民工程，地下水资源对于保证农村饮水安全具有重要作用，考虑集中供水工程的长效运行设防理念以及水源地的水质水量保障能力，科学评价地下水环境质量是具有预见性、前期性和基础性的研究工作。鉴于此，文章采用熵权-模糊优选法评定朝阳县地下水质，旨在为保护集中供水水源的地下水环境以及农村饮水安全目标的实现提供参考依据[6-8]。

1 评价方法

1.1 构建决策评价集

设由m项参评指标和n个评判等级构成的地下水环境质量评价标准矩阵为Y为决策评价矩阵，其表达式如下：

式中：y为各指标的等级界限值，i的取值区间1～m，h的取值区间1～n。

1.2 构造观测矩阵

设待观测矩阵X由m个指标实测值和k个评价单元构成，即：

式中：x为评价单元的各指标实测数据，其中i=1，2，…，m；j=1，2，…，k。

1.3 数据标准化处理

为消除各参评指标数量级或单位不同带来的不可通透性，必须标准化处理X和Y矩阵，设评价标准矩阵Y经标准化处理后转变成矩阵S，并且符合条件Si,n=1、Si,1=0，相应的处理公式如下：

考虑各参评指标的正向、逆向特征，运用不同的标准化公式对实测值矩阵进行处理，对正向和逆向指标的标准化公式为：

1.4 计算指标权重

采用熵权法计算参评指标权重，按照熵的定义利用公式（6）计算参评指标i的熵Hi，并确定熵权矩阵V，具体如下：

1.5 综合评价模型

式中：p为距离系数，通过拉格朗日乘子法可以将上式转化成如下形式：

式中：η 为加权因子，i=1，2，…，m；j=1，2，…，k。根据以上计算结果确定第j个单元隶属于h级的程度uh，j，参照最大度原则确定水质等级。

2 地下水环境质量评价

2.1 研究区概况

朝阳县地处N40°55′～41°54′，E119°52′～120°47′之间，总面积3 762km2，下辖298个行政村，28个乡镇。朝阳县属于大陆性季风气候区，年均降水量497.8mm，其中45.7%集中于7～8月，全年日照时数2 800h，平均气温为7.1℃，无霜期157d。结合统计资料，朝阳县年均地下水可开采量7 705万m3，地下水13 226万m3，由于降水、埋深、地貌和土质岩性等条件不同地下水分布不均，总体呈山丘区富水性差而河谷平原区较好的特征，朝阳县大、小凌河河谷具有相对丰富的地下水资源[9-10]。

从用水现状上，近年来朝阳县地下水开采量持续增加，而地表水占总用水量比例很小，地表水开发利用不足且局部地区地下水出现超采的情况，对谁生态环境健康、经济可持续发展和水资源可持续利用造成直接影响。一直以来，由于地下水超采使得地下水位逐渐下降，通过最严格水资源管理、用水总量控制等部分地区地下水位进一步下降的态势得到有效遏制，地下水位呈现出直降回升的态势[11-12]。截至2020 年，为保证农村饮水安全朝阳县已建成地下水集中供水水源地18 处(编号P1～P18)，主要开采深层地下水，为当地提供用水服务。

2.2 构建评价体系

文章以地下水环境影响因素及其水质为出发点，从供水工程安全能力建设、水文和环境地质条件三个方面，并可操作性和科学性原则选择21 项指标。参考水环境评价、地下水超采区划、节水规划、水资源可持续利用评价、地下水质量标准以及生态系统健康等研究成果，将地下水环境质量评价划分成差、较差、良、优良、优5 个等级，评价体系及等级界定标准如表1 所示。

表1 地下水环境质量评价体系及等级标准

2.3 评价分析

采用表1 中的参评指标和公式(1)～(3)，根据分布面积对各指标进行加权处理。然后，对观测和标准矩阵进行标准化，使用模糊数学法计算各指标和质量标准的相对隶属度。最后，根据隶属度确定各个水源地的地裂缝x12、深层含水层富水性x8、深层地下水污染x2隶属于优良和优等级，饮水安全宣传x21、水源地保护措施x19等指标隶属于较差等级。

采用公式(7)计算确定x1～x21各参评指标熵权矩阵V：V=[0.084 0.018 0.040 0.024 0.051 0.058 0.073 0.042 0.075 0.091 0.036 0.052 0.034 0.057 0.038 0.060 0.024 0.080 0.021 0.021 0.021]，结果表明土地利用现状x18、污染源类型x10、污染源分布x9、深层含水层顶板埋深x7和深层地下水质量x1五项指标熵权值均超过0.070，并以污染源类型x10熵权值最高为0.091，说明以上指标对朝阳县地下水集中供水水源地水环境质量影响较大[13-14]。

采用公式(8)经标准化处理确定综合权重W，结果发现个别水源地受x16、x12、x5和深层x2等指标影响显著，如P11～P18 水源地受x5和x2指标的影响较大，水源地P1～P4 和P6、P10 受地裂缝x12的影响较大，水源地P1、P4、P7、P8、P9 受浅层地下水污染x16指标的影响较大，综合权重值超过0.07。

采用拉格朗日乘子法公式计算地下水质隶属于不同等级的程度U，其中距离系数p=2，加权因子η=2，结果如图1 所示。结果表明，各水源地隶属于“优”等级的程度较低，水源地P1～P18隶属于“优”级程度处于0.1405～1833 之间，隶属于“优良”级的程度处于0.1471～2241 之间，隶属于“良”级的程度处于0.2124～0.2578 之间，隶属于“较差”级的程度处于0.1988～0.2702，不同水源地存在较大差异，隶属于“差”级的程度处于0.1682～0.2451之间，各水源地也具有明显差异。

图1 各等级隶属度

结果表明，P2、P4、P8 和P14 水源地水质处于“较差”状态，其它水源地水质达到“良”状态。结合实际情况，有多处工业污染源分布在P2、P4、P8 和P14 水源地附近，对地下水影响较大，并且污染物向深层水的迁移速度会随着深层水包气带防污性和地下水位的下降而加快。因此，将模糊优选法与熵权法相结合能够全面客观地反映地下水环境实际情况，计算简单且评价结果科学合理。

3 结 论

文章采用熵权-模糊优选法科学评定朝阳县地下水质状况，初步探讨了评价等级界定标准、指标选取和评价方法，由于具有较强的主观性，未来仍需深入研究相关方法，为区域地下水环境保护及管理决策提供可靠的数据支持，主要结论如下：

1）该模糊优选法全面考虑了人类活动、水源地管理和原生地质条件等，对域地下水质状况评价表现出较强的实用性与可靠性，可以有效解决水源地等同于地下水质量的片面性。

2）较差水源地附近存在工业污染源，所以污染源是其主要影响因素。对工业污染源有关部门应适当进行防控清理，通过定期调查周边土壤质量状况及时了解风险水平，对水源地环境及时做好防护措施。