基于模糊数学及数值模拟方法的孔隙地下水饮用水质量与安全综合评价

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成都平原北侧的龙桥镇以地下水位主要饮用水,灌溉和工业用水。然而,不合理的城市化进程和工业的快速发展等因素导致了严重的环境问题,例如饮用水污染。本论文的研究目的旨在以第四系松散沉积孔隙含水层为取水来源的地下水饮用水源为研究对象,通过模糊数学及数值模拟方法建立地下水水质及健康风险评价体系,为该地区的地下水资源管理提供科学依据。研究区采集共采集19组地下水样品(Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6,S1,S2,S3,S4,S5,S6,J1,J2,J3,J4,J5,J6和J7)。监测各样品的20种不同理化水质因子,检测指标包括:p H,EC,TH,TDS,Na+,K+,Ca2+,Mg2+HCO3,Cl,SO42–,NH4+,CODMn,NO2,NO3,Fe,Mn,As,Cr6+,Pb。基于检测数据,通过模糊数学方法对地下水质量进行评价,并通过传统的综合评估方法(CEM)和水质指数方法(WQI)进行了比较与验证。为进一步量化地下水污染可能对人类健康产生的影响,以成人和儿童为对象,考虑饮用水直接摄入及皮肤接触两种暴露途径,评估污染地下水对人类健康可能产生的风险。最终,根据调查获取的水文地质信息,构建水文地质概念模型,结合前述地下水质量现状及健康风险评价结果,考虑针对性的整治措施设置不同的数值模型模拟工况,并使用16个水位观测井进行流量模型校准,选择NH4+为指示因子,用于溶质运移模型的标定和预测。(1)理化数据的结果表明,研究区地下水样呈弱碱性,硬度偏高,以降雨为主要补给来源的浅层地下潜水,由于其较快的水力交替条件使其溶解性总固体均小于1000mg/L。模糊数学评估方法中基于中国地下水水质标准(GB/T 14848-2017)将样品分为五类,以饮用的适宜性分级为:I级=最适合,V级=最不适合。评价结果表明,大多数地下水水质均在II级和III级之内,符合适合饮用功能;仍有采集的Q1和S2水样评价等级V级,水质无法达到饮用水源功能。(2)根据所有比较方法(模糊,CEM和WQI)获得的评估结果,研究区域的地下水水质分别适合饮用,比例为89.5、78.9%和94.7。这证实了研究区域内地下水质量的整体情况令人满意,并且与当前条件下研究区域的实际情况相吻合。但是,模糊数学评估方法考虑各因子的隶属度和权重,并引入模型计算中提供的对水质质量的评估精度。(3)健康风险评估结果表明,通过皮肤接触途径的风险较低,儿童和成人都可以接受,可以忽略不计。但是,通过饮水摄入的风险很高,儿童和成人都无法接受。结果还表明,儿童通过两种暴露途径(饮水和皮肤接触)的风险均明显高于成人。(4)通过数值模拟的结果表明,工业污染源是导致水质恶化的主要因素。为分析补救措施对饮用水水源安全性的必要性和有效性,基于不同的保护措施,模拟预测20年后NH4+浓度的变化趋势。根据不采取任何预防措施和补救措施的情况I的结果,井中的NH4+浓度(S2,Q1和Q4)分别增加到0.83、2.19和0.56 mg/L,直到预测结束(2035年)。这表明水质将受到严重影响,不适合饮用,因为它比中国地下水质量标准(GB/T 14848-2017)的III类(0.5 mg/L)差。关于情景二的预测,已经考虑了一些补救措施,例如建设工业废水处理站和生活废水处理设施的防渗系统。结果,NH4+浓度峰值在预测期(2035)的井(S2,Q1和Q4)分别为0.14、0.33和0.26 mg/L,不超过III类的浓度。(GB/T 14848–2017)标准,因此饮酒功能不受影响。这项研究可以为改善地下水质量的决策效率提供重要的科学数据,进而为类似水文地质条件区域的地下水资源开发及饮用水源安全管理提供借鉴。
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