改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)法在流溪河流域地下水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究

龐 園，曾 慧，張明珠

(廣州市水務(wù)科學(xué)研究所，廣東 廣州 510220)

為了保障地下水安全，加快推進(jìn)地下水污染防治，2019年3月國家五部門聯(lián)合印發(fā)了《地下水污染防治實(shí)施方案》，地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)是其重要內(nèi)容之一。如何對(duì)地下水質(zhì)量進(jìn)行全面、客觀、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，已成為各地主管部門的一項(xiàng)重要任務(wù)。地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確程度不僅取決于監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，也依賴科學(xué)的評(píng)價(jià)方法，因此，選擇合適的評(píng)價(jià)方法對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確程度非常重要[1]。流溪河流域是廣州市五個(gè)重要地下水資源分布區(qū)之一[2]，其地下水質(zhì)量的好壞對(duì)于保障廣州市供水安全具有重要意義。賓嵐等[3]采用《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—93)推薦的內(nèi)梅羅指數(shù)法，對(duì)流溪河流域2012—2015年采集的29組孔隙水水樣進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明流溪河流域地下水質(zhì)量總體較差，其原因是孔隙水含水層埋藏淺、厚度大，與地表水連通性較好，受污染的地表水影響所致。王卓微等[4]利用2015年8月和12月采集的90個(gè)地下水水樣，對(duì)流溪河流域的地下水化學(xué)時(shí)空分布特征、地下水及離子來源進(jìn)行了分析。總體來看，關(guān)于流溪河流域地下水質(zhì)量的相關(guān)研究較少，地下水質(zhì)量未得到全面的評(píng)價(jià)。采用改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)流溪河流域的地下水質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果可為研究區(qū)的地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)提供參考。

1 研究區(qū)概況

流溪河位于廣州市，即珠江三角洲的中部。干流發(fā)源于廣州市從化區(qū)呂田鎮(zhèn)桂峰山，桂峰山頂海拔1 085 m(珠基)。河流大致從東北向西南流去，經(jīng)從化區(qū)良口鎮(zhèn)、街口街、太平鎮(zhèn)、花都區(qū)花東鎮(zhèn)，黃埔區(qū)九佛街、白云區(qū)鐘落潭鎮(zhèn)、人和鎮(zhèn)至江高鎮(zhèn)南崗口與白坭河相匯注入珠江。流域形狀呈東北至西南的狹長形，南北長約116 km，東西寬約20 km。屬粵北山區(qū)與珠江三角洲平原的過渡地帶，東北高、西南低，上游為山區(qū)，間有小平原，良口以下逐漸進(jìn)去丘陵平原區(qū)，流域地理坐標(biāo)為東經(jīng)113°10′12″～114°2′00″，北緯23°12′30″～23°57′36″[1]。地下水類型主要為基巖裂隙水、碳酸鹽巖類溶洞水和松散巖層孔隙水，地下水流向基本與河流流向一致[3]。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

本次研究共布設(shè)采樣點(diǎn)28個(gè)(見圖1)，其中松散巖類孔隙水采樣點(diǎn)9個(gè)，井深范圍0～10 m；基巖裂隙水采樣點(diǎn)19個(gè)，井深范圍50～97 m。松散巖類孔隙水采樣點(diǎn)均利用居民生活用井，基巖裂隙水采樣點(diǎn)均利用廣州市水務(wù)局建造的地下水監(jiān)測專用井。所有采樣點(diǎn)的水位均隨降雨增減而升降，具有明顯的季節(jié)性特征，均屬淺層地下水。分別于2018年的雨季(4—9月)和旱季(10—12月)各采樣1次，共采集水樣56組。為使采集的地下水水樣更具代表性，每次采樣前均用潛水泵抽干井內(nèi)的水并直至水位恢復(fù)原狀或?qū)τ克枯^大的井長時(shí)間抽水使井內(nèi)的地下水得到充分循環(huán)更新。監(jiān)測項(xiàng)目包括pH值、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氰化物、砷、汞、鉻(六價(jià))、總硬度、鉛、氟化物、鎘、溶解性總固體、高錳酸鹽指數(shù)、硫酸鹽、氯化物、揮發(fā)性酚類、鐵和錳共19項(xiàng)，所有項(xiàng)目的檢驗(yàn)方法均按《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)法》(GB 5750—2006)[5]執(zhí)行。

圖1 流溪河流域地下水采樣點(diǎn)分布示意

2.2 改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)法

傳統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)法把監(jiān)測樣本的各指標(biāo)分布看作一條曲線，把質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的各級(jí)別視為一組曲線，以便進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析。但質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的各級(jí)別并非點(diǎn)的概念，而是區(qū)間的概念[6]。本文采用沈珍瑤等[6]提出的一種改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)法，基于點(diǎn)到區(qū)間距離的灰關(guān)聯(lián)分析方法，物理意義更加明確，評(píng)價(jià)結(jié)果也符合實(shí)際。沈珍瑤等[6]已詳細(xì)說明改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)法的基本步驟，本文不再贅述，僅對(duì)其中部分內(nèi)容進(jìn)一步明確。根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)[7]規(guī)定，本文將地下水質(zhì)量分為五類，各指標(biāo)分類及限值均以該標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)。由于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中各個(gè)指標(biāo)的量級(jí)不同，必須在關(guān)聯(lián)分析之前進(jìn)行數(shù)據(jù)的無量綱化處理[8]。無量綱處理方法通常有“中心化”處理、“極差化”處理、“極小化”處理、“初值化”處理等方法[9]，本文選用“極小化”處理，即每項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測值均除以該指標(biāo)監(jiān)測值序列的最大值。由于pH值有數(shù)值愈大或者愈小污染均會(huì)愈嚴(yán)重的特點(diǎn)，本文參考沈珍瑤等[6]的做法，所有pH值均除以14。分辨系數(shù)一般在0和1之間取值，其值對(duì)整個(gè)順序趨勢(shì)無影響[8,10]。無驗(yàn)前信息，分辨系數(shù)多取0.5[6,8-13]。

3 結(jié)果與分析

3.1 單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)[7]的地下水質(zhì)量分類劃分標(biāo)準(zhǔn)，以Ⅲ類作為超標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)采集的56組地下水樣品進(jìn)行單指標(biāo)質(zhì)量評(píng)價(jià)(見圖2)。總體來看，2018年研究區(qū)地下水中鎘、鉻(六價(jià))、氰化物、硝酸鹽氮、硫酸鹽、總硬度、揮發(fā)性酚類和亞硝酸鹽氮等8項(xiàng)指標(biāo)未出現(xiàn)超標(biāo)；砷、鉛、汞、氟化物、鐵、氯化物和溶解性總固體等7項(xiàng)指標(biāo)的超標(biāo)率不超過9%；pH值、錳、耗氧量和氨氮等4項(xiàng)指標(biāo)的超標(biāo)率均達(dá)到10%以上。

由表1可知，從時(shí)間變化特征來看，出現(xiàn)超標(biāo)的11項(xiàng)指標(biāo)在旱季的質(zhì)量均優(yōu)于雨季；從垂向變化特征來看，砷、鉛、氟化物、鐵、錳、氯化物、溶解性總固體、耗氧量和氨氮等9項(xiàng)指標(biāo)在松散孔隙水中的質(zhì)量優(yōu)于基巖裂隙水，與之相反，汞和pH值在基巖裂隙水中的質(zhì)量更優(yōu)；從水平變化特征來看，砷、鉛、氟化物、鐵、氯化物、溶解性總固體、耗氧量和氨氮等8項(xiàng)指標(biāo)在中游的質(zhì)量優(yōu)于下游，與之相反，汞、pH值和錳在下游的質(zhì)量更優(yōu)。

表1 超標(biāo)情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果 %

由表2可知，雨季砷、鉛、汞、氟化物、鐵、氯化物、溶解性總固體、pH值、錳和氨氮等10項(xiàng)指標(biāo)的質(zhì)量濃度均值均達(dá)到Ⅲ類或以上級(jí)別的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，僅耗氧量的質(zhì)量濃度均值超過Ⅲ類。旱季11項(xiàng)指標(biāo)的質(zhì)量濃度均值均達(dá)到Ⅲ類或以上級(jí)別的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

(a) 雨季

表2 水質(zhì)濃度特征值 mg/L

3.2 改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)法評(píng)價(jià)結(jié)果

基于改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)流溪河流域28個(gè)采樣點(diǎn)19項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)(見表3)?？傮w來看，研究區(qū)地下水質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果較好，采集的56個(gè)水樣中有44個(gè)水樣屬于Ⅰ類，占79%；12個(gè)水樣屬于Ⅱ類，占21%；無Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類水樣。

表3 改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)法評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

從時(shí)間變化特征來看，雨季28個(gè)水樣中，Ⅰ類水樣占82%，Ⅱ類水樣占18%；旱季28個(gè)水樣中，Ⅰ類水樣占75%，Ⅱ類水樣占25%。這表明研究區(qū)雨季和旱季的地下水質(zhì)量均較好，雨季的地下水質(zhì)量優(yōu)于旱季。從垂向變化特征來看，18個(gè)松散巖類孔隙水水樣中，Ⅰ類水樣占61%，Ⅱ類水樣占39%。38個(gè)基巖裂隙水水樣中，Ⅰ類水樣占87%，Ⅱ類水樣占13%。這表明研究區(qū)松散巖類孔隙水和基巖裂隙水的質(zhì)量均較好，基巖裂隙水的質(zhì)量優(yōu)于松散巖類孔隙水。從水平變化特征來看，研究區(qū)中游的12個(gè)水樣中，Ⅰ類水樣占92%，Ⅱ類水樣占8%。下游的44個(gè)水樣中，Ⅰ類水樣占75%，Ⅱ類水樣占25%。表明研究區(qū)中游和下游的地下水質(zhì)量均較好，中游的地下水質(zhì)量優(yōu)于下游。

3.3 單因子評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果

單因子評(píng)價(jià)法是《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)推薦的地下水質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法，按單指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果最差的類別確定。采用單因子評(píng)價(jià)法對(duì)56個(gè)水樣進(jìn)行評(píng)價(jià)(見表4)?？傮w來看，研究區(qū)地下水質(zhì)量較差，無Ⅰ類和Ⅱ類水，14個(gè)水樣屬于Ⅲ類，占25%；29個(gè)水樣屬于Ⅳ類，占52%；13個(gè)水樣屬于Ⅴ類，占23%。 從時(shí)間變化特征來看，雨季Ⅰ～Ⅲ類采樣點(diǎn)占18%，Ⅳ～Ⅴ類采樣點(diǎn)占82%；旱季Ⅰ～Ⅲ類采樣點(diǎn)占32%，Ⅳ～Ⅴ類采樣點(diǎn)占68%。這表明研究區(qū)雨季和旱季的地下水質(zhì)量均較差，旱季的地下水質(zhì)量優(yōu)于雨季。從垂向變化特征來看，松散巖類孔隙水水樣中，Ⅰ～Ⅲ類水樣占39%，Ⅳ～Ⅴ類水樣占61%?；鶐r裂隙水水樣中Ⅰ～Ⅲ類水樣占18%，Ⅳ～Ⅴ類水樣占82%。這表明研究區(qū)松散巖類孔隙水和基巖裂隙水的質(zhì)量均較差，松散巖類孔隙水的質(zhì)量優(yōu)于基巖裂隙水。從水平變化特征來看，研究區(qū)中游的12個(gè)水樣中，Ⅰ～Ⅲ類水樣占17%，Ⅳ～Ⅴ類水樣占83%。下游的44個(gè)水樣中，Ⅰ～Ⅲ類水樣占27%，Ⅳ～Ⅴ類水樣占73%。這表明研究區(qū)中游和下游的地下水質(zhì)量均較差，下游的地下水質(zhì)量優(yōu)于中游。

表4 單因子評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.4 討論與分析

總體而言，改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)法評(píng)價(jià)結(jié)果與單因子評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果差別較大?；疑P(guān)聯(lián)法評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，流溪河流域地下水質(zhì)量較好，Ⅰ—Ⅲ類水占100%，無Ⅳ類和Ⅴ類水。單因子評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，流溪河流域地下水質(zhì)量較差，Ⅰ—Ⅲ類水占25%，Ⅳ—Ⅴ類水占75%。且根據(jù)兩種評(píng)價(jià)方法得到的研究區(qū)地下水質(zhì)量的時(shí)間變化特征、垂向變化特征和水平變化特征均完全相反。就時(shí)間變化特征來看，改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)法評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)雨季和旱季的地下水質(zhì)量均較好，雨季的地下水質(zhì)量優(yōu)于旱季。單因子評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)雨季和旱季的地下水質(zhì)量均較差，旱季的地下水質(zhì)量優(yōu)于雨季。就垂向變化特征來看，灰色關(guān)聯(lián)法評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)松散巖類孔隙水和基巖裂隙水的質(zhì)量均較好，基巖裂隙水的質(zhì)量優(yōu)于松散巖類孔隙水。單因子評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)松散巖類孔隙水和基巖裂隙水的質(zhì)量均較差，松散巖類孔隙水的質(zhì)量優(yōu)于基巖裂隙水。就水平變化特征來看，灰色關(guān)聯(lián)法評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)中游和下游的地下水質(zhì)量均較好，中游的地下水質(zhì)量優(yōu)于下游。單因子評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)中游和下游的地下水質(zhì)量均較差，下游的地下水質(zhì)量優(yōu)于中游。

結(jié)合研究區(qū)單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)情況，可以發(fā)現(xiàn)單因子評(píng)價(jià)法得到的地下水質(zhì)量變化特征與一些主要超標(biāo)指標(biāo)的變化特征一致。這是因?yàn)椋瑔我蜃釉u(píng)價(jià)法較為嚴(yán)苛，只考慮了監(jiān)測指標(biāo)中污染狀況最嚴(yán)重的因子對(duì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，弱化了其他評(píng)價(jià)因子對(duì)水質(zhì)的影響，使相同類別的水體無法進(jìn)行比較。而灰色關(guān)聯(lián)法注意到水質(zhì)分級(jí)界限的模糊性，采用可變的權(quán)重，結(jié)果可信度高，但有可能掩蓋部分超標(biāo)因子對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，因此綜合評(píng)價(jià)結(jié)果好于單因子評(píng)價(jià)法。就流溪河流域地下水的實(shí)際情況而言，大部分水樣的大部分指標(biāo)均達(dá)到Ⅲ類或以上級(jí)別，水質(zhì)總體是偏好的，顯然利用改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)法計(jì)算得到的地下水綜合質(zhì)量更能反映研究區(qū)地下水的整體情況。

4 結(jié)語

基于改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)法評(píng)價(jià)了流溪河流域2018年的地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示流溪河流域的地下水質(zhì)量總體較好。與單因子評(píng)價(jià)法相比，改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)法的評(píng)價(jià)結(jié)果更符合實(shí)際。結(jié)果可為流溪河流域的地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)工作提供參考。