不同評價方法在地下水源水質(zhì)評價中的應(yīng)用
——以天津市為例

趙興華，李澤利，賈冰瑩，王亞舒，肖傳寧，高鍇，梅鵬蔚，張震*

（1.天津市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，天津 300191；2.天津天濱瑞成環(huán)境技術(shù)工程有限公司，天津 300191；3.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300071；4.天津市勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300191）

地下水是水資源的重要組成部分，地下水環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到城市的環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟建設(shè)和居民生活等一系列問題[1]。地下水質(zhì)量是水巖作用和人類活動雙重動力的結(jié)果[2]，所以地下水質(zhì)量是自然因素和人為因素的集合表現(xiàn)。開展地下水環(huán)境質(zhì)量評價意義在于掌握地下水污染現(xiàn)狀、成因、范圍和程度，系統(tǒng)地對水文地質(zhì)問題作出定量評價和描述。

地下水環(huán)境是一個復(fù)雜系統(tǒng)，存在許多不確定性因素，在水質(zhì)評價中，評價指標(biāo)和評價方法的合理選擇對地下水質(zhì)評價結(jié)果具有至關(guān)重要的作用[3-4]。目前地下水水質(zhì)評價方法較多，各種評價方法各有特點。按照水質(zhì)級別的確定原則，可分為確定性方法和不確定性方法：確定性方法有單因子評價法、綜合指數(shù)法、分級評分法等，其特點是原理清晰，計算簡便，但評價結(jié)果偏于概況，如單因子評價方法操作較為簡單，是各種綜合評價方法的根本，使用最為廣泛，但僅反映最差因子狀況；不確定性方法有主成分分析法、模糊評價法、灰色理論法等，其分析過程結(jié)合數(shù)學(xué)理論和計算機技術(shù)，可進(jìn)行大量運算并處理較復(fù)雜問題，評價結(jié)果更加真實客觀，但因理論復(fù)雜，適用性較差，如主成分分析法計算過程繁瑣，需進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，但其能根據(jù)評價因子貢獻(xiàn)率進(jìn)行賦值，避免了主觀性[5]，然而不太適用于時間尺度比較。

天津市在開展地下水源保護(hù)工作中，提出了水質(zhì)指標(biāo)賦值法的評價方法，該方法不僅可以評估單指標(biāo)對評價結(jié)果的影響，同時考慮區(qū)域地質(zhì)條件對地下水的潛在影響，以保證評價結(jié)果更符合地下水水質(zhì)實際情況。為了更為客觀、科學(xué)地反映水體水質(zhì)狀況，通常將幾種方法相結(jié)合來對水體水質(zhì)進(jìn)行評價。本研究通過在天津市地下水水源地設(shè)置監(jiān)測點，全面監(jiān)測水源地水質(zhì)因子，分別采用單因子評價法、主成分分析法和水質(zhì)指標(biāo)賦值法[6-7]對地下水源水質(zhì)進(jìn)行評價和比較，旨在為天津市農(nóng)村地下水源水質(zhì)管理工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

天津地處華北平原北部，東臨渤海、北依燕山，位于海河下游，原為海洋，4 000多年前在黃河泥沙作用下形成沖積平原，之后因運河而興。根據(jù)天津市水務(wù)局統(tǒng)計結(jié)果，天津市共有205 個地下水型水源，主要分布于北辰區(qū)、武清區(qū)、靜海區(qū)、寧河區(qū)和薊州區(qū)，根據(jù)地下水源埋藏條件，除薊州區(qū)水源為孔隙水外，其余各區(qū)水源均為深層承壓水。地下水源每年總?cè)∷繛? 035.8 萬t，總服務(wù)人口為104.9 萬，占天津市總?cè)丝诘?%（表1）。

表1 天津市地下水源基本信息Table 1 Basic information of groundwater drinking water sources in Tianjin

1.2 采樣點設(shè)置

根據(jù)水源地在用情況，共設(shè)置202 個采樣點。原則上每個水源地設(shè)置1 個監(jiān)測點，對于存在多口井的水源，優(yōu)先選擇取水量較大的水井作為監(jiān)測點，各采樣點具體位置分布情況見圖1。

圖1 采樣點位示意圖Figure 1 Sketchmap of the sampling sites

1.3 監(jiān)測指標(biāo)

本研究于2018年每半年（豐水期、枯水期）對各水源地依據(jù)《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 164—2004）[8]采集水樣，分析指標(biāo)為色、pH、溶解性總固體、總硬度、硫酸鹽、氯化物、耗氧量、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮、氟化物、氰化物、揮發(fā)酚、銅、鋅、六價鉻、汞、砷、硒、鎘、鉛、鈉和菌落總數(shù)等23項。各指標(biāo)分析方法詳見《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法》（GB/T 5750.4～12—2006）。

1.4 評價方法

1.4.1 單因子評價法

單因子評價法是指所評價污染物實測值與水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值的比值，采用單因子評價法可直觀地篩選出水環(huán)境中超標(biāo)污染物，并顯示超標(biāo)污染物的超標(biāo)倍數(shù)[9]。其表達(dá)式為：

式中：Ii為污染因子i的評分值；Ci為污染因子i的實測值，mg·L-1；C0為《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2017）中Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值，mg·L-1。

1.4.2 主成分分析法

主成分分析法是利用降維法，在眾多指標(biāo)中篩選出最能代表完整信息的指標(biāo)，且所含的信息互不重復(fù)的一種方法。這種方法既可以保留原始數(shù)據(jù)的主要信息，又使得各指標(biāo)之間彼此不相關(guān)。而與原始變量相比，綜合指標(biāo)可以在研究復(fù)雜的環(huán)境問題時更容易抓住主要矛盾，目前，主成分分析法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于評價指標(biāo)的選擇及環(huán)境質(zhì)量評價研究中[10]。

1.4.3 水質(zhì)指標(biāo)賦值法

水質(zhì)指標(biāo)賦值法即通過對不同水質(zhì)指標(biāo)賦予一定分值進(jìn)行評價。該方法綜合考慮區(qū)域地下水水質(zhì)狀況[11]、天津市區(qū)域地質(zhì)特點[12]以及專家評分結(jié)果，對地下水水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分類，并賦予一定分值。最終將地下水水質(zhì)指標(biāo)分為三類：第一類為原生指標(biāo)，即受地質(zhì)因素影響指標(biāo)；第二類為一般指標(biāo)，即通過預(yù)處理工藝可消除的指標(biāo)；第三類為污染指標(biāo)，即重金屬指標(biāo)、毒理學(xué)指標(biāo)、有機污染指標(biāo)或其他可能受人為因素影響的指標(biāo)等。在計算過程中，首先根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2017）中Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值，采用單因子評價法確定超標(biāo)指標(biāo)，若所有指標(biāo)均達(dá)標(biāo)，賦值100，其次根據(jù)超標(biāo)指標(biāo)所屬分類分別對水源水質(zhì)狀況進(jìn)行賦分，若存在2類或以上指標(biāo)超標(biāo)，原則上取最低賦分值。指標(biāo)分類及賦分情況見表2。

表2 水質(zhì)指標(biāo)分類與賦分Table 2 Water quality index classification and scores

1.4.4 數(shù)據(jù)分析處理

單因子評價、水質(zhì)指標(biāo)賦值等采用Excel 軟件計算，主成分分析在SPSS軟件中進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因子評價分析

依據(jù)單因子水質(zhì)評價結(jié)果，天津市地下水源主要超標(biāo)指標(biāo)有9 項，分別為氟化物、pH、鈉、菌落總數(shù)、色、氯化物、耗氧量、硝酸鹽氮和硫酸鹽。不同區(qū)域之間超標(biāo)情況有所差異，寧河區(qū)、武清區(qū)、北辰區(qū)、靜海區(qū)和薊州區(qū)超標(biāo)指標(biāo)數(shù)量分別為3、5、5、6 項和3 項（表3）。根據(jù)達(dá)標(biāo)率排名，先后順序依次為薊州區(qū)、寧河區(qū)、武清區(qū)、靜海區(qū)和北辰區(qū)。

表3 單因子評價結(jié)果及達(dá)標(biāo)率排名Table 3 The result of single factor assessment and district ranking

2.2 主成分分析

天津市202 個地下水源的監(jiān)測結(jié)果如表4 所示，其中未列舉出的氰化物和揮發(fā)酚等2 項指標(biāo)均未檢出。由表4 可知，根據(jù)主成分分析的前提條件，選擇pH、總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、耗氧量、鈉、氟化物、色、菌落總數(shù)和硝酸鹽氮等11 項指標(biāo)，采用其年均值進(jìn)行主成分分析。

表4 地下水源水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計Table 4 Statistics of groundwater sources quality indexes

首先，對202個地下水源的11項指標(biāo)進(jìn)行分析評價，在SPSS中將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到標(biāo)準(zhǔn)化的檢測數(shù)據(jù)表，據(jù)此求得相關(guān)的數(shù)據(jù)矩陣（表5）。

表5 標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)（r）矩陣Table 5 The correlation coefficient（r）matrix of the standardized data

其次，利用選出的11 項指標(biāo)在SPSS 中求解主成分分析的荷載值、特征值及貢獻(xiàn)率等。KMO 檢驗值為0.679>0.6，說明適合進(jìn)行主成分分析[13]，其分析結(jié)果如表6 所示。所選的11 項指標(biāo)累計貢獻(xiàn)率達(dá)80.059%，說明4 個主成分基本包含了原始數(shù)據(jù)提供的信息總量。根據(jù)表6 主成分載荷值結(jié)果：pH、總硬度、鈉、氟化物和硝酸鹽氮等5 項指標(biāo)與主成分一（PC1）有較高相關(guān)性，溶解性總固體、硫酸鹽和氯化物等3 項指標(biāo)與主成分二（PC2）有較高相關(guān)性，與主成分一、主成分二有較高相關(guān)性的指標(biāo)主要為部分無機物指標(biāo)或溶解性離子，其累計貢獻(xiàn)率為51.793%；色和耗氧量2 項指標(biāo)與主成分三（PC3）有較高相關(guān)性，為物理指標(biāo)和有機物指標(biāo)，其貢獻(xiàn)率為18.236%；菌落總數(shù)與主成分四（PC4）有較高相關(guān)性，為生物性指標(biāo)，其貢獻(xiàn)率為10.031%。

表6 主成分荷載值、特征值、貢獻(xiàn)率及累計貢獻(xiàn)率Table 6 Load values，characteristic values，contribution rate and cumulative contribution rate of principal component

最后，根據(jù)求解出的主成分荷載值、特征值及標(biāo)準(zhǔn)化后的監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出主成分表達(dá)式（2）～（5）及綜合評價函數(shù)表達(dá)式（6），最終求得各地下水源的主成分得分（Fi）和綜合得分（F），見表7。

式中：x1～x11依次為表5中所列舉指標(biāo)。

由表7 看出，靜海區(qū)綜合得分最高，水質(zhì)最差，其次為武清區(qū)。由各主成分得分結(jié)果可以看出，靜海區(qū)F1和F2得分較高，說明該區(qū)域水質(zhì)受一些無機物指標(biāo)或溶解性離子指標(biāo)影響較大。武清區(qū)F3得分較高，說明該區(qū)域水質(zhì)受物理指標(biāo)和有機物指標(biāo)影響較大，上述結(jié)果與該區(qū)域?qū)嶋H情況（表3中超標(biāo)率）較為相符。

表7 地下水源水質(zhì)主成分分析法綜合評價結(jié)果Table 7 The comprehensive evaluation results of groundwater sources by principal component analysis

2.3 水質(zhì)指標(biāo)賦值法

根據(jù)表2 中水質(zhì)指標(biāo)分類及賦分結(jié)果，對各地下水源進(jìn)行評分，評分越高，水質(zhì)越好。由表8 可以看出，評分結(jié)果由高到低依次為寧河區(qū)>薊州區(qū)>靜海區(qū)>北辰區(qū)>武清區(qū)，其中寧河區(qū)和薊州區(qū)評分分值較高，說明該區(qū)域總體水質(zhì)較好，靜海區(qū)評分分值居中，武清區(qū)和北辰區(qū)評分結(jié)果較低，說明該區(qū)域總體水質(zhì)較差。

表8 地下水源水質(zhì)指標(biāo)賦值法評價結(jié)果Table 8 The evaluation results of groundwater sources by index valuation

3 討論

通過以上3種評價方法對天津市地下水源水質(zhì)進(jìn)行分析，比較和總結(jié)了其各自的優(yōu)缺點和適用條件。

單因子評價法較為簡單，操作性強，能夠快速確定地下水源超標(biāo)指標(biāo)，對于單個指標(biāo)有較好的評價意義，但若對全部指標(biāo)進(jìn)行單因子評價，則評價結(jié)果過于保守[14]，因此在實際工作中，如何合理選擇評價指標(biāo)對水質(zhì)進(jìn)行科學(xué)評價，仍是亟待解決的難題。天津市地質(zhì)特點為中部區(qū)域地帶地下承壓水氟含量本底值高[12]，使得北辰區(qū)因受氟化物指標(biāo)影響，水源達(dá)標(biāo)率最低。若直接用于水質(zhì)評價管理，則顯得過于保守。因此單因子評價法更適用于評價易受外界環(huán)境影響且波動幅度較大的指標(biāo)。

主成分分析法可以在保留絕大部分信息的情況下用少數(shù)幾個綜合指標(biāo)代替原指標(biāo)進(jìn)行分析。本研究案例中，主成分分析法將11個水質(zhì)指標(biāo)簡化為4個主成分，解釋了80.059%的結(jié)果，可以較為客觀反映地下水源水質(zhì)的基本情況。同時各主成分的權(quán)數(shù)為其貢獻(xiàn)率，這樣確定權(quán)數(shù)較為客觀、合理，克服了某些評價方法中人為確定權(quán)數(shù)的缺陷。但其僅適用于評價大范圍數(shù)據(jù)，難以對少量或單組數(shù)據(jù)進(jìn)行評價，且無法確定水質(zhì)類別，不能單獨應(yīng)用在水質(zhì)評價管理中。

水質(zhì)指標(biāo)賦值法在應(yīng)用于地下水評價時，能夠綜合考慮地質(zhì)因素影響及每個指標(biāo)對結(jié)果的影響，可以實現(xiàn)定性判斷，同時強調(diào)了污染指標(biāo)對結(jié)果的影響，弱化了本底指標(biāo)的影響程度，使得評價結(jié)果更符合實際情況，更適合運用于水源地保護(hù)及管理中。例如在對北辰區(qū)和靜海區(qū)水質(zhì)評價中，降低了氟化物、pH、鈉等本底指標(biāo)對結(jié)果的影響。但其缺點為指標(biāo)分類及賦值的確定受主觀影響較大，在進(jìn)行較大區(qū)域水質(zhì)評價時客觀公正性較差。

3 種水質(zhì)評價方法的結(jié)果顯示，水質(zhì)指標(biāo)賦值法具有單因子評價法的優(yōu)點，能夠定性分析水質(zhì)現(xiàn)狀，同時考慮地質(zhì)因素對地下水存在的客觀影響，以賦值形式實現(xiàn)定量分析，評價結(jié)果更能反映水體的非客觀因素影響程度，使得評價結(jié)果具備問題導(dǎo)向性。同時水質(zhì)指標(biāo)賦值法中指標(biāo)分類方法及分類結(jié)果與李文攀等[14]和王昭等[11]的研究或統(tǒng)計結(jié)果相似。但是水質(zhì)指標(biāo)賦值法受限于指標(biāo)賦值，易受主觀因素的影響，因此在其應(yīng)用時，建議采用主成分分析法對其結(jié)果進(jìn)行驗證，保證評價結(jié)果的科學(xué)性。

4 結(jié)論

（1）單因子評價結(jié)果表明，各區(qū)地下水源水質(zhì)達(dá)標(biāo)率排名先后順序依次為薊州區(qū)、寧河區(qū)、武清區(qū)、靜海區(qū)和北辰區(qū)；主成分分析綜合評價結(jié)果顯示，各區(qū)地下水源水質(zhì)由好到差依次為薊州區(qū)、寧河區(qū)、北辰區(qū)、武清區(qū)和靜海區(qū)；水質(zhì)指標(biāo)賦值法評價結(jié)果顯示，各區(qū)地下水源水質(zhì)狀況由優(yōu)到劣依次為寧河區(qū)、薊州區(qū)、靜海區(qū)、北辰區(qū)和武清區(qū)。

（2）3 種評價方法共同顯示，天津市區(qū)域之間水質(zhì)超標(biāo)指標(biāo)有所差異，但總體而言寧河區(qū)和薊州區(qū)地下水源水質(zhì)相對較好，武清區(qū)、北辰區(qū)和靜海區(qū)水質(zhì)較差。

（3）單因子評價法較為簡單，操作性強，能夠快速確定地下水源超標(biāo)指標(biāo)，對于單個指標(biāo)有較好的評價意義，但評價結(jié)果過于保守；主成分分析法可以較為客觀地反映地下水源水質(zhì)的基本情況，但難以對少量或單組數(shù)據(jù)進(jìn)行評價，且不能確定水質(zhì)類別；水質(zhì)指標(biāo)賦值法具有單因子評價法的優(yōu)點，同時可降低地質(zhì)因素對評價結(jié)果的影響，評價結(jié)果更加具備問題導(dǎo)向性，但易受主觀因素的影響，需輔以其他方法對其評價結(jié)果進(jìn)行驗證。

（4）地質(zhì)及人為因素對地下水源水質(zhì)的影響不可避免，為保障飲水安全，建議根據(jù)水質(zhì)評價結(jié)果，針對水源水質(zhì)特點，安裝凈水工藝設(shè)施，提升飲用水安全保障水平。