CN106932549A - 地下水水质综合预警方法 - Google Patents

Abstract

一种地下水水质综合预警方法，包括基于地下水水质现状监测数据，采用改进的内梅罗综合评价指数法进行地下水水质状态预警，采用Visual MODFLOW软件建立的地下水水流模型和溶质运移模型进行地下水水质趋势预警，采用矩阵法叠加水质状态预警结果和水质趋势预警结果确定地下水水质综合预警警度。本发明的方法能够有效进行地下水水质综合预警，为政府部门开展地下水污染防治工作提供可靠的科学依据。

Description

地下水水质综合预警方法

技术领域

本发明涉及水环境保护领域，更具体地涉及一种地下水水质综合预警方法，为地下水污染防控提供科学依据。

背景技术

地下水污染预警基于预警理论，通过明确水质污染的现状、发展程度以及危害程度明确预警的级别，并且及时给出有效的警报，警示人们对地下水的开采利用所带来的影响，进一步规范约束人类的行为，同时为政府部门制定保护地下水资源的管理方针奠定基础，从而通过有效的防治措施控制地下水的演变方向。

目前国外通过预警技术方法解决地下水污染问题的应用尚不多见，对于地下水污染预警多着眼于水质状态预警，即通过进行水质现状监测实现预警的目标。这种方法缺乏一定的预防性，更加趋向于鉴别和控制水质恶化的结果。我国地下水污染预警主要进行的是趋势预警，发展多集中在预测模型方面。总的来说，目前地下水污染预警的技术方法还不够完善，有待于深入的探索。

发明内容

基于上述预警研究中存在的问题，本发明的目的在于提供一种综合考虑地下水水质现状预警和水质趋势预警的预警方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种地下水水质综合预警方法，包括：

(1)监测待预警区域地下水监测井中现状条件下的各污染物浓度，采用改进的内梅罗综合评价指数法计算水质综合评价指数；通过所述水质综合评价指数与水质状态预警等级划分标准的对比，确定水质状态预警级别。

(2)通过地下水水流和溶质运移模拟软件进行各污染物的迁移模拟，得出各污染物的浓度随时间的变化，据此计算水质变化速率；通过水质变化速率与水质趋势预警等级划分标准的对比，确定研究区水质趋势预警级别；

(3)综合考虑所述待预警区域的地下水水质状态预警警度和地下水水质趋势预警警度，采用组合矩阵法建立地下水水质预警多因素综合评价技术方法，确定所述待预警区域的地下水水质的预警警度。

基于上述技术方案可知，本发明的预警方法具有以下优点：

(1)本发明方法综合考虑了地下水水质现状情况、水质趋势变化，同时考虑了地下水中多种组分，建立了地下水水质综合多因素预警评价方法；

(2)本发明采用地下水溶质运移模型进行水质趋势预警，结果准确程度高，符合研究区实际的水文地质情况，特别适用于实际复杂的水文地质条件；

(3)本发明为了解决忽视实测浓度不大但对水质影响极大的评价因子和过分凸显污染指数最大值情况，采用改进的内梅罗综合评价指数法进行地下水水质评价。

附图说明

图1为本发明的地下水水质综合预警方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种地下水水质综合预警方法，包括基于地下水水质现状监测数据采用改进的内梅罗综合评价指数法进行水质状态预警，采用Visual MODFLOW软件建立的水流模型和溶质运移模型进行水质趋势预警，采用矩阵法叠加水质状态预警结果和水质趋势预警结果确定水质综合预警警度。本发明的方法能够有效进行地下水水质综合预警，为政府部门开展地下水污染防治工作提供可靠的科学依据。

更具体地，本发明的地下水水质综合预警技术方法，包括以下步骤：

(1)改进的内梅罗综合评价指数法评价水质

为了评价地下水水质现状和未来不同时间节点上的地下水水质趋势，采用改进的内梅罗综合评价指数法的计算公式和步骤如下：

①各项评价因子的评价

根据地下水水质监测结果中各项污染组分的实测浓度与地下水质量标准，计算各项评价因子的污染指数F_i。计算中将《地下水质量标准》(GB14848-93)III类标准值作为基准。计算公式如下：

式(1)

式中：C_i——第i种评价因子的实测浓度，i＝1，2，...，n；

S_ij——第i种评价因子的第j类标准浓度，j＝1，2，...，m。

②水质综合评价

按照下述公式进行综合评价分值F的计算：

式(2)

式中：F——水质综合评价指数；

种评价因子分值Fi的加权平均值；

F′_max———n种评价因子分值Fi的最大值(修正)。

其中：

式(3)

式(4)

式(5)

式(6)

式(3)和(4)中：w_i——第i种评价因子的权重值；

S_最大——第i种评价因子的最大标准值；

S_i——各评价因子的标准值；

n——评价因子的个数。

式(5)和(6)中：F_max——n种评价因子分值Fi的最大值；

F_w——k项污染因子分值F_i的平均值，k为n项中的项数。

③根据F值按照以下对应关系划分地下水质量级别。

当F＜0.8时，所述地下水质量级别为优良；

当F介于0.80-2.50之间时，所述地下水质量级别为良好；

当F介于2.50-4.25之间时，所述地下水质量级别为较好；

当F介于4.25-7.2之间时，所述地下水质量级别为较差；

当F＞7.20时，所述地下水质量级别为极差。

(2)确定水质状态预警级别

通过水质综合评价指数F与水质状态预警等级划分标准的对比确定水质状态预警的级别，具体对应关系为：

当F＜0.8时，所述水质状态预警等级划分为零级，警报颜色为绿色，说明地下水潜水面处未受到污染，地下水适用于各种用途；

当F介于0.80-2.50之间时，所述水质状态预警等级划分为一级，警报颜色为蓝色，说明地下水潜水面处受到污染较轻，地下水主要适用于集中式饮用水水源和工、农业用水；

当F介于2.50-4.25之间时，所述水质状态预警等级划分为二级，警报颜色为黄色，说明地下水潜水面处受到污染中等，地下水适用于工、农业用水，适当处理后可作生活饮用水；

当F介于4.25-7.2之间时，所述水质状态预警等级划分为三级警报颜色为橙色，说明地下水潜水面处受到污染较重，地下水不宜饮用，其他用水可根据使用目的选用；

当F＞7.20时，所述水质状态预警等级划分为四级，警报颜色为红色，说明地下水潜水面处受到污染非常严重，地下水不宜使用。

(3)确定污染物浓度随时间的变化趋势

采用地下水水质和溶质运移模拟软件Visual MODFLOW进行污染物在地下水中的迁移模拟，得出污染物浓度随时间的变化，具体步骤包括：

①收集获取研究区水文地质资料(含水层厚度、含水层顶底板等高线、含水层等水位线、渗透系数、给水度、孔隙度等)和污染源资料(污染源位置、特征污染物种类、排放量和浓度、排放去向等)；

②建立水文地质概念模型，包括研究区域范围、概化研究区域水文地质条件、边界条件、水文地质参数、源汇项、水文地质内部结构以及地下水流场等；

③建立地下水水流模型；

地下水水流模型的数学表达式如下：

式(7)

式中：K_x、K_y、K_z-渗透系数在x、y和z方向上的分量，m/d；

h-水头，m；

W-汇源项，L/d；

S_s-孔隙介质的贮水率，1/m；

t-时间，d。

水流模型的初始条件方程为：

h(x，y，z，t)＝h₀(x，y，z)；x，y，z∈Ω 式(8)

式中：h₀-已知初始水头；

Ω-研究区域的范围。

水流模型有三种类型的边界条件，即为水头边界、流量边界以及混合边界，各类边界的基本方程如下所示。

水头边界基本方程：

式(9)

式中：Γ₁-研究区域的第一类边界(水头边界)；

h₁(x，y，z，t)-沿着Γ₁的已知水头值，会随着时间而变。

流量边界基本方程：

式(10)

式中：K-含水层的渗透系数，m/d；

Γ₂-研究区域的第二类边界(流量边界)；

q(x，y，z)-沿着Γ₂的已知流量值。

混合边界基本方程：

式(11)

式中：Γ₃-研究区域的第三类边界(混合边界)；

q(x，y，z)-沿着Γ₃的已知流量值，m³/d；

k’-河床的渗透系数，m/d；

h₀-河流水位，m；

B’-河床厚度，m。

④建立地下水溶质运移模型；

地下水溶质运移模型的数学表达式如下：

式(12)

式中：C-地下水污染物浓度，kg/m³；

θ-介质的孔隙率，无单位；

t-时间，d；

x_i、x_j-沿直角坐标轴的距离，m；

D-水动力弥散系数，m²/d；

V-地下水实际流速，m/d；

q-单位体积含水层流量，L/d；

C_s-源或汇水流中污染物浓度，kg/m³；

∑R-化学反应项，kg/(m³·d)。

⑤联合运行水流模型和溶质运移模型，预测污染物在预测时段内不同时间节点上的污染物浓度。

(4)计算水质变化速率

根据不同时间节点上的水质综合评价指数计算水质变化速率，具体公式见：

式(13)

式中：R-水质变化速率；

E(T)-未来某一时刻的水质综合评价指数，水质综合评价指数通过改进的内梅罗综合评价指数法求得；

E(t)-已知某一时刻的水质综合评价指数；

Δt-时段个数，根据经验数值，以每2年为一个时段。

(5)确定水质趋势预警级别

通过水质变化速率R与水质趋势预警等级划分标准的对比，确定研究区地下水水质趋势预警级别，具体对应关系如下：

当R≤0时，水质趋势预警等级划分为零级，警报颜色为绿色，说明地下水水质稳定或有好转趋势；

当0＜R≤0.1时，水质趋势预警等级划分为一级，警报颜色为蓝色，说明地下水水质轻度恶化趋势；

当0.1＜R≤0.25时，水质趋势预警等级划分为二级，警报颜色为黄色，说明地下水水质中度恶化趋势；

当0.25＜R≤0.4时，水质趋势预警等级划分为三级，警报颜色为橙色，说明地下水水质重度恶化趋势；

当R＞0.4时，水质趋势预警等级划分为四级，警报颜色为红色，说明地下水水质有突变趋势。

(6)确定水质预警综合级别

采用组合矩阵法确定地下水水质预警综合警度，具体方法见下表。如，当水质趋势预警级别为一级，水质状态预警级别为二级时，水质综合预警等级为一级。

实施案例

下面结合说明书附图和实施案例，对本发明作进一步具体阐释说明。

某畜禽养殖场可能对周边第四系孔隙潜水含水层水质造成一定程度的污染，因此以地下水流下游的水井G1作为评价对象，通过本发明的地下水水综合预警方法确定水井的预警综合等级。经过地下水监测得知，G1中COD为13.1mg/L，氨氮为0.068mg/L，硝酸盐氮为0.125mg/L。

(1)改进的内梅罗综合评价指数法评价地下水水质

①各项污染组分的评价

将《地下水质量标准》(GB14848-93)III类标准值作为基准，根据式(1)计算，F_COD＝0.655，F_氨氮＝0.34，F_硝酸盐氮＝0.125。

②水质综合评价

根据式(4)计算，COD、氨氮和硝酸盐氮的权重w分别为0.0098、0.9804、0.0098。根据式(3)计算，根据式(5)计算，F′_max＝0.3275，根据式(2)计算，F＝0.2450。

(2)确定水质状态预警级别

F＝0.2450，通过水质综合评价指数与水质状态预警等级划分标准的对比确定水质状态预警的级别可知，G1预警级别为零级，警报颜色为绿色。

(3)确定污染物浓度随时间的变化趋势

利用Visual MODFLOW软件，进行地下水中COD、氨氮以及硝酸盐氮的运移模拟，基于式(7)-式(12)计算预测时间为2a时G1中COD、氨氮以及硝酸盐氮的浓度分别为15.52mg/L、0.154mg/L、0.223mg/L，预测时间为4a时G1中COD、氨氮以及硝酸盐氮的浓度分别为18.02mg/L、0.218mg/L、0.358mg/L。

(4)计算水质变化速率

预测时间为2a时，G1的F_COD＝0.776，F_氨氮＝0.77，F_硝酸盐氮＝0.0112，F′_max＝0.388，F＝0.3280。预测时间为4a时，G1的F_COD＝0.901，F_氨氮＝1.09，F_硝酸盐氮＝0.0179，F′_max＝1.09，F＝0.8115。

根据式(13)计算，R＝0.2416。

(5)确定水质趋势预警级别

根据水质变化速率与预警级别之间的关系表确定G1的水质趋势预警级别为二级，警报颜色为黄色，说明潜水含水层有中度恶化趋势。

(6)确定水质预警综合级别

水质现状预警级别为零级，水质趋势预警级别为二级，根据组合矩阵法确定地下水水质预警综合警度，水质预警综合级别为一级。警报颜色为蓝色，需要发布蓝色预警。

该水井地下水水质现状综合指数为0.2450，水质现状优良，4年后地下水水质综合评价指数为0.8115，水质有中度恶化趋势。可见，该水井地下水面临一定程度的污染风险，污染程度一般，须关注地下水水质的变化情况，并制定相应的污染防治措施以应对养殖基地污水渗漏带来的污染。另外，该井中氨氮浓度4年后达到0.218mg/l，超过水质质量III类标准，需要提前采取相应的污染防治措施。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种地下水水质综合预警方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1：监测待预警区域地下水监测井中现状条件下的各污染物浓度，采用改进的内梅罗综合评价指数法计算水质综合评价指数；通过所述水质综合评价指数与水质状态预警等级划分标准的对比，确定所述待预警区域水质状态的预警级别；

步骤2：通过地下水水流和溶质运移模拟软件进行各污染物的迁移模拟，得出各污染物的浓度随时间的变化，据此计算水质变化速率；通过所述水质变化速率与水质趋势预警等级划分标准的对比，确定所述待预警区域水质趋势的预警级别；

步骤3：综合考虑所述待预警区域的地下水水质状态的预警警度和地下水水质趋势的预警警度，采用组合矩阵法建立地下水水质预警多因素综合评价方法，确定所述待预警区域的地下水水质的预警警度。

2.如权利要求1所述的地下水水质综合预警方法，其特征在于，步骤1中所述改进的内梅罗综合评价指数法的计算公式和步骤如下：

步骤1-1：各项污染组分的评价

根据所述待预警区域地下水监测井中地下水水质的监测结果，通过各项污染组分的实测浓度与地下水质量标准来计算各项污染组分的污染指数，计算公式如下：

$F_i=\frac{C_i}{S_{ij}}$ 式(1)

式中：C_i——第i种评价因子的实测浓度，i＝1，2，...，n；

S_ij——第i种评价因子的第j类标准浓度，j＝1，2，...，m。

步骤1-2：水质综合评价指数的计算

式(2)

式中：F——水质综合评价指数；

——n种评价因子分值F_i的加权平均值；

F′_max——n种评价因子分值Fi的最大值(修正)；

其中：

式(3)

式(4)

式(5)

式(6)

式中，w_i——第i种评价因子的权重值；

S_最大——第i种评价因子的最大标准值；

S_i——各评价因子的标准值；

n——评价因子的个数；

F_max——n种评价因子分值Fi的最大值；

F_w——k项污染因子分值Fi的平均值，k为n项中的项数。

3.如权利要求2所述的地下水水质综合预警方法，其特征在于，步骤1-1在通过各项污染组分的实测浓度与地下水质量标准来计算各项污染组分的污染指数的步骤中，将《地下水质量标准》(GB14848-93)III类标准值作为基准。

4.如权利要求2所述的地下水水质综合预警方法，其特征在于，步骤1-2中还包括通过所述水质综合评价指数来确定所述待预警区域地下水质量级别的步骤，其中所述水质综合评价指数F与所述地下水质量级别的对应关系为：

当F＜0.8时，所述地下水质量级别为优良；

当F介于0.80-2.50之间时，所述地下水质量级别为良好；

当F介于2.50-4.25之间时，所述地下水质量级别为较好；

当F介于4.25-7.2之间时，所述地下水质量级别为较差；

当F＞7.20时，所述地下水质量级别为极差。

5.如权利要求2所述的地下水水质综合预警方法，其特征在于，还包括步骤1-3：通过所述水质综合评价指数F与水质状态预警等级划分标准的对比来确定所述待预警区域水质状态的预警级别，具体对应关系为：

当F＜0.8时，所述水质状态预警等级划分为零级；

当F介于0.80-2.50之间时，所述水质状态预警等级划分为一级；

当F介于2.50-4.25之间时，所述水质状态预警等级划分为二级；

当F介于4.25-7.2之间时，所述水质状态预警等级划分为三级；

当F＞7.20时，所述水质状态预警等级划分为四级。

6.如权利要求1所述的地下水水质综合预警方法，其特征在于，步骤2中的溶质运移模拟软件采用Visual MODFLOW软件进行各污染物在地下水中的迁移模拟。

7.如权利要求6所述的地下水水质综合预警方法，其特征在于，步骤2中所述通过地下水水流和溶质运移模拟软件进行各污染物的迁移模拟，得出各污染物的浓度随时间的变化，据此计算水质变化速率的步骤具体包括：

步骤2-1：收集获取待预测区域水文地质资料和污染源资料，其中所述水文地质资料包括含水层厚度、含水层顶底板等高线、含水层等水位线、渗透系数、给水度和/或孔隙度，所述污染源资料包括污染源位置、特征污染物种类、排放量和浓度和/或排放去向；

步骤2-2：建立水文地质概念模型，包括研究范围、概化待预测区域水文地质条件、边界条件、水文地质参数、源汇项、水文地质内部结构和地下水流场；

步骤2-3：建立所述待预测区域地下水水流模型；

步骤2-4：建立所述待预测区域地下水溶质运移模型；

步骤2-5：联合运行水流模型和溶质运移模型，预测污染物在预测时段内不同时间节点上的污染物浓度。

8.如权利要求6所述的地下水水质综合预警方法，其中步骤2中所述水质变化速率通过如下方法计算得到：

计算不同时间点上的水质综合评价指数，根据不同时间节点上的水质综合评价指数计算水质变化速率，具体公式为：

$R=\frac{E\left(T\right)-E\left(t\right)}{\mathrm{\Δ}t}$ 式(7)

式中：R-水质变化速率；

E(T)-未来某一时刻的水质综合评价指数，水质综合评价指数通过改进的内梅罗综合评价指数法求得；

E(t)-已知某一时刻的水质综合评价指数；

Δt-时段个数，以每2年为一个时段。

9.如权利要求6所述的地下水水质综合预警方法，其中步骤2中所述通过水质变化速率R与水质趋势预警等级划分标准的对比，确定研究区地下水水质趋势预警级别的步骤中，具体对应关系如下：

当R≤0时，所述水质趋势预警等级划分为零级；

当0＜R≤0.1时，所述水质趋势预警等级划分为一级；

当0.1＜R≤0.25时，所述水质趋势预警等级划分为二级；

当0.25＜R≤0.4时，所述水质趋势预警等级划分为三级；

当R＞0.4时，所述水质趋势预警等级划分为四级。

10.如权利要求1所述的地下水水质综合预警方法，其特征在于，步骤3中采用组合矩阵法确定地下水水质预警综合警度的具体步骤包括：根据步骤1求得的水质状态预警级别和步骤2求得的水质趋势预警级别在下表中查询对应项即可得到所述地下水水质预警综合警度：