江苏沭阳主城区地下水环境质量评价

汪名鹏，吴建春

(江苏省水文地质海洋地质勘查院，江苏淮安 223005)

地下水是人类赖以生存的重要资源。地下水环境质量的优劣直接影响城市的可持续发展，正确合理地评价地下水水环境质量，对保护地下水资源、准确掌握污染状况具有积极意义。

目前，国内水环境评价的方法较多，主要有内梅罗指数综合评价法、模糊数学法、灰色关联法、数理统计法、人工神经网络法等，其中内梅罗指数评价法是GB/T14848—93《地下水质量标准》推荐的方法。地下水水环境评价中，污染程度、水环境类别的评价存在概念模糊的现象［1-2］，因此，模糊数学法在地下水水环境评价中的应用也较广泛。笔者在分析江苏沭阳主城区水文地质条件的基础上，应用内梅罗综合指数评价法和模糊数学法对江苏沭阳主城区地下水环境质量进行评价。

1 研究区水文地质条件

沭阳主城区位于淮、沂、沭、泗流域下游，素有“洪水走廊”之称。新沂河和淮沭河贯穿沭阳主城区，地表水系相当发育。随着工业化进程的推进和城区人口密度的剧增，沭阳主城区地表水受污染的程度越发严重。由于沭阳的河堤、河漫滩多为粉土、砂土，大量工业及生活污水通过无防渗的沟渠排入河流，使污染水体连续渗漏，以直接或间接方式进入地下含水层，造成沭阳地下水特别是浅层地下水遭受污染。此外，沭阳主城区自20世纪80年代中期地下水持续过量开采，导致局部地区形成水位降落漏斗。地下水位的不断下降，加快了水质下降的速度。

针对沭阳的水质现状，以“沭阳主城区环境地质调查与评价”项目为依托，在工作区共采集地下水样10组(图1)，其中浅层(第Ⅰ含水层组)地下水4组，深层(第Ⅱ、Ⅲ含水层组)地下水6组。

图1 工作区地下水采样位置示意图

沭阳主城区各含水层水质特征见表1。

2 评价因子的选择和评价标准

2.1 评价因子的确定

地下水化学成分复杂，一般根据标准，地下水水质标准涉及指标共39项，其中20项指标规定为水质监测项目［3］，如果把测试项目都参与评价，或者参与评价的因子较多，不但增加评价计算的工作量，且不具代表性。因此，选择评价因子时要考虑到以下几个方面［3-4］:①所选指标的涵盖面要广，要覆盖各种污染类型的污染因子，能够较全面地反映当地地下水水质污染的特点和污染程度。②反映人为污染的原则，所选因子应尽可能反映人为污染这一特点，顾及对人体健康影响的因素。根据沭阳主城区地下水特征和地下水水质特点，选择对水质有较大影响的总硬度、TDS、F－、NO－3、Cl－、SO2－4、Mn、挥发酚类共8个指标作为评价因子。

2.2 评价标准的选择

依据我国地下水水质现状、人体健康基准值及地下水质量标准，并参照生活饮用水、工业用水、农业用水水质的最高要求，选择GB/T14848—93《地下水质量标准》［5］将地下水质量划分为5类。地下水质量分类指标见表2。

表1 沭阳主城区主要含水层水质分布 mg/L

表2 GB/T14848—93《地下水质量标准》分类指标 mg/L

3 地下水水环境评价

3.1 内梅罗综合指数法

3.1.1 内梅罗综合指数法的原理

内梅罗综合指数法计算公式［6］为

情况 4.1 若f3(v)=0,此时最坏的情况是v点关联6个6-面,v的邻点全部为3-点且这些3-点均关联着一个三角形。由R1,R2.1,R3.1或R3.2或R3.4得

其中 Fmax=max(ρi/Si)

i=1，2，…，n;j=1，2，…，m

式中:Pj为第j种用途的内梅罗综合指数;ρi为第i种评价因子的实测质量浓度值;Si为第i种评价因子对应的各水质级别的标准值之和的平均值;sij为第i种评价因子j种用途的标准值;¯F为ρi/sij相加后的平均值;Fmax为ρi/sij值中最大值;

根据研究区各评价因子的实测数据，选用GB/T14848—93《地下水质量标准》中Ⅲ类水质标准为基准，将区内水质类别划分为5个级别，见表3。

表3 内梅罗综合指数与水质类别的对应关系

3.1.2 内梅罗指数法的评判结果

3.2 模糊数学法

3.2.1 模糊数学法的原理

模糊数学方法［7］是系统评价方法的一种，在满足每一个集合都必须由确定的元素构成和元素对集合的隶属关系必须是明确的条件下，通过加权线性变换，弱化了指标和层次之间相互的独立性，使得评价结果中包括所有因素的共同作用，体现了评价方法综合性的特点。利用模糊数学法综合评判地下水水质的核心是，根据水质评价因子建立权重模糊矩阵，确定评价因子的权向量，根据模糊数学最大隶属度原则评定水样的等级。利用模糊数学法进行综合评价的步骤参见文献［8］。

表4 地下水质量级别

3.2.2 模糊数学法评判的过程

a.计算隶属度，建立模糊关系矩阵R。根据各因子5级标准设立5个级别的隶属函数，rij表示评价因子实测质量浓度ρi与其对应的第i个评价因子对应第j级水质标准的隶属度(0≤rij≤1)。当地下水污染物实测质量浓度ρi小于或等于j级地下水标准值ρij时，其隶属度取0;当地下水污染物实测质量浓度ρi大于或等于j+1级地下水标准值ρij+1时，其隶属度取1。介于j与j+1级的地下水质量浓度，其隶属度按式(2)和式(3)内插法确定。

b.确定权重分配模糊向量A。根据分指标超标比，可计算出各单项目参数的权重值，并对各项参数的权重值进行归一化处理，得出参数的权重。根据各因子指数计算各评价因子的权重矩阵为A=［a1，a2，…，am］(m 为指标项目数)

c.模糊矩阵复合运算。模糊矩阵复合运算［9］是A与R矩阵进行复合运算B=A·R，实际是对各评价因子进行加权的过程。模糊矩阵复合运算在模糊数学里是通过模糊算子进行的，常用的模糊算子有取小取大法、相乘取大法、取小相加法、相乘相加法，其中取小取大法为主因素突出型，相乘取大法为半主因素突出型，取小相加法、相乘相加法为加权平均型［10］。在模糊评判中，常用模糊算子为取小取大法和相乘取大法，计算公式如下:

通过对研究区地下水水样进行模糊矩阵复合运算，得出每个水样相对于各个质量类别的综合评判隶属度，比较各级隶属度的大小，其中隶属度最大者所在的等级就是水样点的分类等级。若在评判结果中出现两个最大值，取靠近最大值的那个大值来确定级别。各取样点隶属度水质计算结果见表5。

从选用的两种模糊算子复合运算结果的对比表明，在本地区两种算法对水质级别的评判基本一致，只有10%的差别，且这10%隶属度很接近。

4 结果分析与评价

a.采用内梅罗综合指数法与模糊数学法在沭阳主城区地下水水环境评价的应用中，结果一致性较好，见表6。从表6可以看出，两种评价方法的结果相同率达80%，尤其是第Ⅱ、第Ⅲ含水层组地下水评价结果相同率达100%。

表5 沭阳主城区主要含水层地下水水质模糊评价结果

表6 两种方法水质评价结果

b.内梅罗综合指数法与模糊数学法在沭阳主城区地下水水环境评价的应用中各有优缺点。内梅罗综合指数法简洁、运算方便;模糊数学法是采用隶属度函数来评判地下水污染状况，避免了平均值或简单值的累加，体现了实际界限的模糊性，其优点是综合、客观，使评价结果更符合实际且合理、可信［11］。内梅罗指数法过分突出极大值对水质污染的影响，只要一项因子的ρi/si值偏高，即使其他因子值较低，也会使内梅罗综合指数偏高;采用模糊数学法不足之处是计算较为繁琐，并且过分强调了极大值的作用，使评价结果朝污染重的方向偏移［12］。

c.根据沭阳主城区对3层地下水含水层共10个水样的综合评判，第Ⅰ含水层101、D1两个取样点分别是锰和溶解性总固体、总硬度严重超标，挥发酚、氟指标偏高。根据污染因子的主要毒副作用及危害性分类［13］，挥发酚属于Ⅰ类危害因子，对人产生极大危害和严重后果;氟化物和锰属于Ⅱ类危害因子;溶解性总固体、总硬度属于Ⅲ类危害因子，一般不会产生特别严重后果。根据内梅罗指数法与模糊数学法的评判结果，第Ⅰ含水层101、D1两个取样点水质类别为Ⅴ类，表明研究区该层地下水局部地段已遭受严重污染，不适宜饮用(101取样点被污染的主要原因是城市居民生活污水的直接排放以及城市河流污染地表水的渗透所致;D1取样点位于垃圾堆积场附近，污染是渗滤液入渗所致);研究区第Ⅱ、第Ⅲ含水层地下水达到了Ⅱ类水质标准，可以适用于各种用途。

5 结论

a.在分析沭阳主城区水文地质条件的基础上，运用内梅罗综合指数法与模糊数学法，对沭阳主城区各含水层地下水水环境质量进行了评判。评判结果表明，两种方法的评价结果在沭阳主城区的一致性较好:沭阳主城区第Ⅰ含水层水质因旧城区和现状垃圾堆积场周边受到严重污染，水质类别为Ⅴ类，不适宜饮用;其他地点第Ⅰ含水层水质达到Ⅰ～Ⅱ类水质标准，水质较好，第Ⅱ、第Ⅲ含水层地下水达到了Ⅱ类水质标准，可以适用于各种用途。

b.在进行定量评判水环境质量的同时，应结合水环境污染因子对人类的毒副作用与危害性开展研究，弥补采用不同方法评价水环境质量产生的差异，以保证评价的合理性。

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