改進的灰色關聯法在流溪河流域地下水環境質量評價中的應用研究

龐 園，曾 慧，張明珠

(廣州市水務科學研究所，廣東 廣州 510220)

為了保障地下水安全，加快推進地下水污染防治，2019年3月國家五部門聯合印發了《地下水污染防治實施方案》，地下水質量評價是其重要內容之一。如何對地下水質量進行全面、客觀、準確的評價，已成為各地主管部門的一項重要任務。地下水質量評價結果的準確程度不僅取決于監測數據的準確性，也依賴科學的評價方法，因此，選擇合適的評價方法對結果的準確程度非常重要[1]。流溪河流域是廣州市五個重要地下水資源分布區之一[2]，其地下水質量的好壞對于保障廣州市供水安全具有重要意義。賓嵐等[3]采用《地下水質量標準》(GB/T 14848—93)推薦的內梅羅指數法，對流溪河流域2012—2015年采集的29組孔隙水水樣進行了評價，結果表明流溪河流域地下水質量總體較差，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個地下水水樣，對流溪河流域的地下水化學時空分布特征、地下水及離子來源進行了分析。總體來看，關于流溪河流域地下水質量的相關研究較少，地下水質量未得到全面的評價。采用改進的灰色關聯法對流溪河流域的地下水質量進行評價，結果可為研究區的地下水質量評價提供參考。

1 研究區概況

流溪河位于廣州市，即珠江三角洲的中部。干流發源于廣州市從化區呂田鎮桂峰山，桂峰山頂海拔1 085 m(珠基)。河流大致從東北向西南流去，經從化區良口鎮、街口街、太平鎮、花都區花東鎮，黃埔區九佛街、白云區鐘落潭鎮、人和鎮至江高鎮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。屬粵北山區與珠江三角洲平原的過渡地帶，東北高、西南低，上游為山區，間有小平原，良口以下逐漸進去丘陵平原區，流域地理坐標為東經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 研究數據與方法

2.1 研究數據

本次研究共布設采樣點28個(見圖1)，其中松散巖類孔隙水采樣點9個，井深范圍0～10 m；基巖裂隙水采樣點19個，井深范圍50～97 m。松散巖類孔隙水采樣點均利用居民生活用井，基巖裂隙水采樣點均利用廣州市水務局建造的地下水監測專用井。所有采樣點的水位均隨降雨增減而升降，具有明顯的季節性特征，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的水并直至水位恢復原狀或對涌水量較大的井長時間抽水使井內的地下水得到充分循環更新。監測項目包括pH值、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氰化物、砷、汞、鉻(六價)、總硬度、鉛、氟化物、鎘、溶解性總固體、高錳酸鹽指數、硫酸鹽、氯化物、揮發性酚類、鐵和錳共19項，所有項目的檢驗方法均按《生活飲用水標準檢驗法》(GB 5750—2006)[5]執行。

圖1 流溪河流域地下水采樣點分布示意

2.2 改進的灰色關聯法

傳統的灰色關聯法把監測樣本的各指標分布看作一條曲線，把質量標準的各級別視為一組曲線，以便進行灰色關聯分析。但質量標準的各級別并非點的概念，而是區間的概念[6]。本文采用沈珍瑤等[6]提出的一種改進的灰色關聯法，基于點到區間距離的灰關聯分析方法，物理意義更加明確，評價結果也符合實際。沈珍瑤等[6]已詳細說明改進的灰色關聯法的基本步驟，本文不再贅述，僅對其中部分內容進一步明確。根據《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)[7]規定，本文將地下水質量分為五類，各指標分類及限值均以該標準為準。由于水質標準中各個指標的量級不同，必須在關聯分析之前進行數據的無量綱化處理[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，即每項指標的監測值均除以該指標監測值序列的最大值。由于pH值有數值愈大或者愈小污染均會愈嚴重的特點，本文參考沈珍瑤等[6]的做法，所有pH值均除以14。分辨系數一般在0和1之間取值，其值對整個順序趨勢無影響[8,10]。無驗前信息，分辨系數多取0.5[6,8-13]。

3 結果與分析

3.1 單項指標評價結果

根據《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)[7]的地下水質量分類劃分標準，以Ⅲ類作為超標標準，對采集的56組地下水樣品進行單指標質量評價(見圖2)。總體來看，2018年研究區地下水中鎘、鉻(六價)、氰化物、硝酸鹽氮、硫酸鹽、總硬度、揮發性酚類和亞硝酸鹽氮等8項指標未出現超標；砷、鉛、汞、氟化物、鐵、氯化物和溶解性總固體等7項指標的超標率不超過9%；pH值、錳、耗氧量和氨氮等4項指標的超標率均達到10%以上。

由表1可知，從時間變化特征來看，出現超標的11項指標在旱季的質量均優于雨季；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項指標在松散孔隙水中的質量優于基巖裂隙水，與之相反，汞和pH值在基巖裂隙水中的質量更優；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項指標在中游的質量優于下游，與之相反，汞、pH值和錳在下游的質量更優。

表1 超標情況統計結果 %

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項指標的質量濃度均值均達到Ⅲ類或以上級別的水質標準，僅耗氧量的質量濃度均值超過Ⅲ類。旱季11項指標的質量濃度均值均達到Ⅲ類或以上級別的水質標準。

(a) 雨季

表2 水質濃度特征值 mg/L

3.2 改進的灰色關聯法評價結果

基于改進的灰色關聯法對流溪河流域28個采樣點19項指標的監測數據進行評價(見表3)。總體來看，研究區地下水質量綜合評價結果較好，采集的56個水樣中有44個水樣屬于Ⅰ類，占79%；12個水樣屬于Ⅱ類，占21%；無Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類水樣。

表3 改進的灰色關聯法評價結果統計

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

3.3 單因子評價法評價結果

單因子評價法是《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)推薦的地下水質量綜合評價方法，按單指標評價結果最差的類別確定。采用單因子評價法對56個水樣進行評價(見表4)。總體來看，研究區地下水質量較差，無Ⅰ類和Ⅱ類水，14個水樣屬于Ⅲ類，占25%；29個水樣屬于Ⅳ類，占52%；13個水樣屬于Ⅴ類，占23%。 從時間變化特征來看，雨季Ⅰ～Ⅲ類采樣點占18%，Ⅳ～Ⅴ類采樣點占82%；旱季Ⅰ～Ⅲ類采樣點占32%，Ⅳ～Ⅴ類采樣點占68%。這表明研究區雨季和旱季的地下水質量均較差，旱季的地下水質量優于雨季。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%。基巖裂隙水水樣中Ⅰ～Ⅲ類水樣占18%，Ⅳ～Ⅴ類水樣占82%。這表明研究區松散巖類孔隙水和基巖裂隙水的質量均較差，松散巖類孔隙水的質量優于基巖裂隙水。從水平變化特征來看，研究區中游的12個水樣中，Ⅰ～Ⅲ類水樣占17%，Ⅳ～Ⅴ類水樣占83%。下游的44個水樣中，Ⅰ～Ⅲ類水樣占27%，Ⅳ～Ⅴ類水樣占73%。這表明研究區中游和下游的地下水質量均較差，下游的地下水質量優于中游。

表4 單因子評價結果統計

3.4 討論與分析

總體而言，改進的灰色關聯法評價結果與單因子評價法評價結果差別較大。灰色關聯法評價結果顯示，流溪河流域地下水質量較好，Ⅰ—Ⅲ類水占100%，無Ⅳ類和Ⅴ類水。單因子評價法評價結果顯示，流溪河流域地下水質量較差，Ⅰ—Ⅲ類水占25%，Ⅳ—Ⅴ類水占75%。且根據兩種評價方法得到的研究區地下水質量的時間變化特征、垂向變化特征和水平變化特征均完全相反。就時間變化特征來看，改進的灰色關聯法評價結果顯示，研究區雨季和旱季的地下水質量均較好，雨季的地下水質量優于旱季。單因子評價法評價結果顯示，研究區雨季和旱季的地下水質量均較差，旱季的地下水質量優于雨季。就垂向變化特征來看，灰色關聯法評價結果顯示，研究區松散巖類孔隙水和基巖裂隙水的質量均較好，基巖裂隙水的質量優于松散巖類孔隙水。單因子評價法評價結果顯示，研究區松散巖類孔隙水和基巖裂隙水的質量均較差，松散巖類孔隙水的質量優于基巖裂隙水。就水平變化特征來看，灰色關聯法評價結果顯示，研究區中游和下游的地下水質量均較好，中游的地下水質量優于下游。單因子評價法評價結果顯示，研究區中游和下游的地下水質量均較差，下游的地下水質量優于中游。

結合研究區單項指標評價情況，可以發現單因子評價法得到的地下水質量變化特征與一些主要超標指標的變化特征一致。這是因為，單因子評價法較為嚴苛，只考慮了監測指標中污染狀況最嚴重的因子對綜合評價結果的影響，弱化了其他評價因子對水質的影響，使相同類別的水體無法進行比較。而灰色關聯法注意到水質分級界限的模糊性，采用可變的權重，結果可信度高，但有可能掩蓋部分超標因子對評價結果的影響，因此綜合評價結果好于單因子評價法。就流溪河流域地下水的實際情況而言，大部分水樣的大部分指標均達到Ⅲ類或以上級別，水質總體是偏好的，顯然利用改進的灰色關聯法計算得到的地下水綜合質量更能反映研究區地下水的整體情況。

4 結語

基于改進的灰色關聯法評價了流溪河流域2018年的地下水水質數據，結果顯示流溪河流域的地下水質量總體較好。與單因子評價法相比，改進的灰色關聯法的評價結果更符合實際。結果可為流溪河流域的地下水質量評價工作提供參考。