当前世界环境

介绍

地下水是农村和城市地区饮用和家庭用水的主要来源。此外，它还是农业和工业的重要来源。在过去的几十年里，由于人口的快速增长和工业化步伐的加快，对淡水的需求急剧增加。快速的城市化，特别是在印度这样的发展中国家，由于地下水的过度开采和不当的废物处理，影响了地下水的可用性和质量，特别是在城市地区(Rama krishnalah等人，2009)。一旦地下水受到污染，其质量无法通过从源头阻止污染物来恢复，因此定期监测地下水质量并制定保护地下水的方法和手段变得非常重要(Mufid al-hadithi 2012)。水污染不仅影响水质，而且威胁人类健康、经济发展和社会繁荣(Milovanovic2007)。在过去几十年里，印度获得饮用水的机会有所增加，不安全的水对健康产生了巨大的不利影响(Singh等人，2013年)。根据世界卫生组织(WHO)的数据，人类大约80%的疾病是由水引起的。据估计，印度约21%的传染病是水传播的(Bradon和Homman1995)。近年来，在西孟加拉邦、贾坎德邦、奥里萨邦、西北方邦、安得拉邦、拉贾斯坦邦和旁遮普邦的许多地区，清洁和饮用水的短缺已成为最严重的发展问题之一(Tiwari & Singh 2014)。

水质指数是近年来评价地下水水质的一种重要方法。水质指数is an a superior way to the understanding of water quality issues by integrating complex data and generating a score, which ultimately describes the water quality status(Tiwari et al. 1985; Singh,D. F. 1992; Rao, S.N; 1997; Mishra et al.2001).GIS is a computer system for capturing, storing, querying, analyzing and displaying all types of geographical data. GIS allows viewing, understanding, questioning, interpreting, and visualizing data in many ways that reveal relationships, patterns, and trends in the form of maps, globes, reports, and charts.GIS is an effective tool not only for collection, storage, management and retrieval of a multitude of spatial and non-spatial data, but also for spatial analysis and integration of these data to derive useful outputs and modeling (Gupta and Srivastava et al. 2010). It can be a powerful tool for developing solutions for water resources problems for assessing water quality, determining water availability, preventing flooding, understanding the natural environment and managing water resources on a local or regional scale (Tjandra et al. 2003). GIS is widely used for collecting diverse spatial data and for overlay analysis in spatial register domain to represent spatially variable phenomena (Bonham-Carter1996;Babikeretal.2004; Gupta and Srivastava2010). GIS-based, simple, and robust WQI is an essential tool for rapid transfer of information to water resources managers and the public. GIS can be useful for taking quick decisions as graphical representation would be easy to take a policy decision by the makers (Singh et al. 2013).

目前，地下水污染已成为世界性的重大问题，为了社会的福祉，需要对水体进行定期监测，并提供所需的参数数量。WQI是最有效的表达方式之一，它反映了各种促成因素对任何水系统水质的综合影响(Tiwari et al. 1986)。本研究的主要目的是评估地下水水质是否适合饮用，并利用地理信息系统根据西博卡罗煤田33个地点的现有参数绘制水质图。本研究可为当前水资源规划提供参考，为今后水资源的合理开发利用提供基础数据。

研究区域

西博卡罗煤田位于北纬23°41′~ 23°52′，东经85°24′~ 85°41′之间(图1)，面积207平方公里。公里。它在地理上与东Bokaro煤田被明显的Lugu山(987米)隔开，整个煤田落在jraakhand的Ramgarh地区。是中焦煤的主要储存库。博卡罗河流经煤田中部，呈东风流，为煤田排水系统。楚图瓦河是博卡罗河的主要支流，博卡罗河流经煤田北部丘陵地带。乔塔河也是博卡罗河的支流，博卡罗河流经煤田南部地区。

西Bokaro煤田在Damodar Valley煤田中排名第四。西博卡罗煤田为东西向的宽向斜，下部冈瓦纳组完整序列与基底岩不整合(图1)。Barakar组覆盖煤田的主要部分，由粗粒至细粒砂岩、含砾砾岩、砂质砂岩、灰页岩、碳质页岩、火粘土和煤层组成。Barker组共有29个相关煤层，13个主要煤层(13号煤层)和Karharbari组仅含1个煤层(0号煤层)。西Bokaro煤田煤的类型从非焦化型到几乎主要焦化型不等。煤田西南部上部煤层普遍为非焦化煤层，而煤田北部煤层发育较成熟，处于中焦化至初焦化状态。总的来说，煤的等级从东到西以及深度都有所改善。

西博卡罗煤田地区属热带气候，季风前非常炎热，季风后非常寒冷。5月和6月中旬是季风前季节的高峰期，平均最高气温为44^oC，而十二月和一月是最冷的月份。全区年平均降雨量1418毫米，其中超过85%的年降雨量集中在4个季风月份(6月至9月)。

材料与方法

为了评价西博卡罗煤田的地下水质量，在2012年季风后进行了系统采样。从West Bokaro煤田区域的挖井中采集了33个地下水样本(图1)。地下水样本采集在1升预洗聚乙烯窄口瓶中。使用便携式电导率和pH计(Consort C831)在现场测量电导率(EC)和pH值。在实验室中，水样通过0.45 μm Millipore膜过滤器过滤，以分离悬浮颗粒。采用酸滴定法和硅酸钼法测定碳酸氢盐(HCO)的浓度_3. ^-) (APHA 1998)。主要阴离子(F^-, Cl^-,所以₄ ^{2 -} _，和3号^-)在洋葱色谱仪(Dionex Dx-120)上使用阴离子AS12A/AG12柱耦合阴离子自再生抑制物(ASRS)在循环模式下进行分析。主要城市(Ca^２＋、镁^２＋，和Na⁺)用原子吸收分光光度计(Varian 680FS)在火焰模式下测定。每个样品运行三个重复进行阳离子分析，仪器每15个样品后重新校准。总体精度，以相对标准偏差(RSD)的百分比表示，在整个样本中获得低于10%的精度。

图1:采样位置图 西博卡罗煤田 点击这里查看图

水质指数

WQI定义为从地下水是否适合人类饮用的角度出发，综合反映不同水质参数影响的一个等级。WQI的概念最早由Horton(1965)提出，随后由Brown等人发展。(1970)，并由Deininger(苏格兰发展部，1975)进一步改进。WQI是一种众所周知的方法，也是表达水质最有效的工具之一，它提供了一种简单、稳定、可重复的测量单位，并向政策制定者和有关公民传达有关水质的信息(Singh et al. 2013)。因此，它成为地下水评价和管理的一个重要参数(Venkata和Reddy, 1995)。水质指数summarizes large amounts of water quality data into simple terms (e.g., excellent, good, bad, etc.) for reporting to management and the public in a consistent manner. The WQI can also be used for estimating water quality on-line, but the accuracy of the model depends upon the judicious selection of parameters.

各种研究人员都考虑了空间地下水质量指数，并广泛采用称重程序来确定水质(Ckakraborthy et al.， 2007;Bhaskar and Nagendrappa 2008;Rama krishnalah et al. 2009, Sathish, 2011, Mufid al-hadithi 2012;Reddy and Patode 2013)。

GIS分析

生成了西Bokaro煤田硝酸盐、硫酸盐、总硬度和总溶解固形物的空间分布图。利用ARC GIS 9.3软件，根据印度(ISI 2003)饮用水标准，绘制了不同专题层的地下水质量分类图(图2a-c)。对水质进行分类对于评估水是否适合家庭使用至关重要。

图2(a):硝酸盐浓度分布 在西博卡罗煤田地区 点击这里查看图

图2(b):硫酸盐浓度分布 在西博卡罗煤田地区 点击这里查看图

图2(c): TDS浓度分布 在西博卡罗煤田地区 点击这里查看图

结果与讨论

研究区地下水样品pH值为微酸性至微碱性。F^-andCl^-结果表明，研究区空气中二氧化氮的浓度均低于理想限值^- _3.(图2a)和SO^{2 -} ₄(图2b)离子浓度在理想和最大范围内。允许的极限。TDS(图2c)、Ca和Mg的分类图在理想限值和允许限值之间变化。总硬度的浓度从软到非常硬的类别有所不同。

WQI的估计

水质指数(WQI)被定义为一种评级技术，它提供了单个水质参数对整体水质的综合影响(Singh et al. 2013)。WQI是用于将大量水质数据转换为单个数字的数学方程(Stambuk-Giljanovic 1999)。．对于决策者来说，任何水体的质量和可能的用途都是简单易懂的(Bordalo et al. 2001)。为了评估饮用水的适宜性，将分析样本的水质数据与BIS 2003 (IS:10500)规定的饮用水标准进行比较，并考虑WQI的计算。印度饮用水ISI标准及其相应的WQI状态类别(Rao1997)．计算WQI需要遵循三个步骤。在第一步中，10个参数(pH, TDS, F^-, Cl^- _，没有_3. ^-,所以₄ ^{2 -}HCO_3. ^-、钙^２＋、镁^２＋，根据其在整体饮用水质中的相对重要性，赋予其权重()(表1)。

表1:化学参数的相对权重 点击这里查看表格

TDS、F等参数的最大权重为5^-, Cl^- _，没有_3. ^-，所以₄ ^{2 -}因为它们在水质评估中非常重要(Srinivasamoorthy et al. 2008)。HCO_3. ^-的权重最小为1，因为其在水质评价中的作用不显著。其他参数，比如Ca^２＋、镁^２＋Na⁺，和TH根据其在水质确定中的重要性，赋予1 - 5之间的权重()。在第二步中，相对权重()由以下等式计算

式中，为相对权重，为各参数的权重，为参数个数。各参数的相对权重()计算值如表1所示。在第三步，根据BIS 10500(2003)的指引，将每个水样中各参数的浓度除以相应的标准，并将结果乘以100，为每个参数分配一个质量评级量表()



式中，为质量等级，为每个水样中各化学参数的浓度，单位为mg/l，为BIS根据BIS 10500(2003)指南对各化学参数的标准，单位为mg/l。

对于计算WQI如果首先确定每个化学参数，然后根据下式确定WQI

式中，为参数的子指标，为基于第j个参数浓度的评级，为参数个数。

表2 WOI的分类 水的范围和种类 点击这里查看表格

在水质指数的基础上确定水质类别。计算得到的WQI值范围为21 ~ 131，平均值为73。水的WQI范围和类别可以进行分类(表2)。从Murpa、Mandu、Tapin、Basntpur、Lahatungi和Ara采集的样本中计算出最高的WQI(表3)。研究区水质指数高的原因可能与自然和人为因素(采矿活动、农业废弃物、生活污水处理等)有关。在所有地下水样本中，水质指数类别为优(21%)、好(58%)和差(21%)的百分比(%)。超过一半的位置属于优秀到良好的类别(图3)。

图3:水质指数图 西博卡罗煤田地区 点击这里查看图

表3西博卡罗煤田地下水水质指标

S.No。	示例代码	样本Descripation	水质指数	描述
1	GW1	Datma	94	好
2	GW2	Topa	66	好
3.	GW3	欧尔	38	优秀的
4	GW4	Murpa	101	可怜的
5	GW5	Kuju	69	好
6	GW6	Nayamore	50	好
7	GW7	Hesagara	92	好
8	GW8	Hesagara	53	好
9	GW9	Pundi	56	好
10	GW10	Pundi	61	好
11	GW11	Mandu	101	可怜的
12	GW12	Mandu	114	可怜的
13	GW13	Charhi	75	好
14	GW14	Charhi	78	好
15	GW15	Tapin北	38	优秀的
16	GW16	Tapin	131	可怜的
17	GW17	Parej东	21	优秀的
18	GW18	Parej	44	优秀的
19	GW19	Basantpur	131	可怜的
20.	GW20	Kedla	83	好
21	GW21	Kedla	93	好
22	GW22	Jharkahnd	91	好
23	GW23	Laiyo	54	好
24	GW24	Bhalghara	43	优秀的
25	GW25	Lahatungri	122	可怜的
26	GW26	Mukund Beda	63	好
27	GW27	Butbera	49	优秀的
28	GW28	Saruber	54	好
29	GW29	Ara	38	优秀的
30.	GW30	Ara	129	可怜的
31	GW31	Chainpur	53	好
32	GW32	Badgon	87	好
33	GW33	Jageshvar比哈尔邦	51	好

结论

上述研究表明，西博卡罗煤田地区存在变质地下水。然而，尽管有煤炭开采和工业，对33个挖井样本的化学分析表明，除了一些地方外，它一般适合饮用。水质质量指数显示，79%的地下水样品为优良，可直接使用，21%的水样为差类，样品表明该水不适合直接使用，需要处理后再使用。应采用适当的水处理工艺，如水软化、离子交换和反渗透，以降低研究区域内污染物的浓度。

确认

作者感谢丹巴德中央采矿和燃料研究所所长提供的研究设施，也感谢ISM所长的友好支持。其中一位作者(Ashwani Kumar Tiwari)感谢印度矿业学院/ MHRD/印度政府给予的巨大支持。我们还要感谢中央矿业和燃料研究所高级科学家Abhay Kumar Singh博士和项目助理Amit Ghosh的支持和鼓励。

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