地下水環(huán)境質(zhì)量評價方法研究

許傳坤，翟亞男

(1.大連理工大學(xué)環(huán)境工程設(shè)計研究院有限公司，遼寧 大連 116023；2.中國冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院，河北 保定 071000)

在東北地區(qū)，很多地方將地下水作為飲用水源[1]。然而隨著大量工業(yè)廢水和城市垃圾的隨意排放，通過降水和地表徑流的過程，導(dǎo)致地下水污染日益嚴(yán)重。因此，需要科學(xué)、準(zhǔn)確地對地下水環(huán)境質(zhì)量做出評價，及時了解地下水環(huán)境狀況，為地下水污染防治控制以及制定城市地下水管理措施提供必要的依據(jù)。目前國內(nèi)外地下水主要評價方法有單因子指數(shù)法、綜合評價法、層次分析法以及灰色關(guān)聯(lián)法等[2-4]，每種評價方法都有自己的優(yōu)點和缺點，這就需要我們在應(yīng)用這些方法過程中及時了解其存在的不足，并進(jìn)行修正和改進(jìn)。本文選取常用的幾種地下水環(huán)境質(zhì)量評價方法對大連市地下環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價和分析，探討這幾種方法的適用性與優(yōu)缺點，為能夠及時掌握水體真實的環(huán)境質(zhì)量狀況提供科學(xué)的依據(jù)。

1 水質(zhì)評價方法

1.1 水質(zhì)單因子評價指數(shù)法

地下水環(huán)境質(zhì)量評價時，對重要的水質(zhì)指標(biāo)可作單因子評價，其原理是將評價指標(biāo)的監(jiān)測結(jié)果與GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中劃分的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，再選取評價指標(biāo)中最差的類別作為水體的水質(zhì)類別，單因子評價指數(shù)計算公式如下：

Wi=Ci/C0i

式中，Wi—單因子評價指數(shù)；Ci—地下水監(jiān)測項目中某一項的實測濃度值；C0i—地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的各類水限值的上限。Wi≤1時，說明水質(zhì)較好，監(jiān)測指標(biāo)未超標(biāo)；Wi>1時說明其已經(jīng)超標(biāo)[5]。

1.2 地下水綜合評價法

地下水綜合評價法首先根據(jù)不同評價參數(shù)的監(jiān)測結(jié)果確定它們的單組分水質(zhì)類別，應(yīng)注意不同類別標(biāo)準(zhǔn)值相同時，按從優(yōu)不從劣原則評價[6]。其次，通過選擇的各個評價參數(shù)的水質(zhì)類別與表1中單項組分評分標(biāo)準(zhǔn)Fi相對應(yīng)，確定單項的評分值。

表1 地下水綜合水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)和單組分評分標(biāo)準(zhǔn)[7-8]

最后根據(jù)單項評分值，按照式(1)和(2)計算綜合評分值F。

(1)

(2)

1.3 層次分析法

1.3.1建立層次結(jié)構(gòu)模型

1.3.2建立不同層次結(jié)構(gòu)模型的判斷矩陣

目標(biāo)層(A)與準(zhǔn)則層(Bi) 的判斷矩陣(A-Bi)是通過將單因子指標(biāo)兩兩比值確定的，準(zhǔn)則層(Bi)和方案層(C)的判斷矩陣(Bi-C)是用所選監(jiān)測項目的濃度與其對應(yīng)的各個水質(zhì)類別的標(biāo)準(zhǔn)限值的絕對值差的倒數(shù)構(gòu)建的。然后計算求出判斷矩陣(A-Bi) 和(Bi-C)矩陣的最大特征值λmax和特征向量[9，10]

1.3.3判斷矩陣一致性及其檢驗用CR來表示矩陣的隨機(jī)一致性，只有當(dāng)CR<0.1時，構(gòu)造的矩陣符合標(biāo)準(zhǔn)，否則重新構(gòu)建矩陣。按照式(3)—(4)計算CR。矩陣的RI見表2。

表2 平均隨即一致性指標(biāo)(RI)

CR=CI/RI

(3)

(4)

1.3.4層次總排序

評價地下水環(huán)境質(zhì)量時，即為求各水質(zhì)類別在各對應(yīng)的評價因子要求下相對于目標(biāo)層水環(huán)境質(zhì)量的排序[11]。設(shè)準(zhǔn)則層(B)的各項監(jiān)測指標(biāo)層次權(quán)重分別為b1，b2，…bm，由表3計算層次的總權(quán)重值及總排序。

表3 層次總排序表

1.4 灰色關(guān)聯(lián)分析法

1.4.1樣本矩陣和參考矩陣的選擇

假設(shè)監(jiān)測斷面的數(shù)量有m，則可以建立樣本矩陣

Pm×n={Xi(a)}

(5)

式中，a—監(jiān)測指標(biāo)，i—表監(jiān)測斷面。

參考矩陣

S={Sj(a)}

(6)

使用水環(huán)境質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)中各評價因子的標(biāo)準(zhǔn)值。

式中，j—水環(huán)境質(zhì)量級別。

按GB/T 14848—93中地下水環(huán)境質(zhì)量分類分級標(biāo)準(zhǔn)，分為5類[12-13]。

1.4.2評價指標(biāo)無量綱處理

本文選擇的灰色關(guān)聯(lián)分析法采用分段線性變換的方法進(jìn)行評價指標(biāo)無量綱化處理，將各級指標(biāo)實測數(shù)據(jù)和各級標(biāo)準(zhǔn)歸一化到[0，1]范圍內(nèi)[14-15]。針對監(jiān)測指標(biāo)值越大，污染越嚴(yán)重的相關(guān)監(jiān)測指標(biāo)可采用下列變化方法：

樣本矩陣各元素歸一化公式：

(7)

參考矩陣各元素歸一化公式：

(8)

1.4.3關(guān)聯(lián)系數(shù)的確定

關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi(a)，即無量綱處理后的樣本矩陣與參考矩陣的的關(guān)聯(lián)系數(shù)，可以通過如下公式計算：

(9)

式中，Δi(a)—絕對差；ρ—分辨系數(shù)，一般取0.5。

1.4.4關(guān)聯(lián)度的確定

本文采用的灰色關(guān)聯(lián)度分析法在計算關(guān)聯(lián)度時，對其賦予了權(quán)重值，能體現(xiàn)特定因子對環(huán)境的影響程度。按照式(10)—(11)計算權(quán)重值ωi(k)。

(10)

(11)

式中，C(k)—各監(jiān)測項目濃度值；Li(k)—各監(jiān)測項目對應(yīng)的各級水質(zhì)類別限值的上限(對Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，則為下限)，Mi(k)為無量綱數(shù)。

確定權(quán)重值后，關(guān)聯(lián)度Ri計算公式為：

(12)

最后按照關(guān)聯(lián)度最大原則，最大Ri對應(yīng)的水質(zhì)類別即為監(jiān)測斷面的最終水環(huán)境質(zhì)量級別。

2 結(jié)果與討論

運用單因子指數(shù)法、綜合評價法、層次分析法以及灰色關(guān)聯(lián)分析法對大連市國家地下水監(jiān)測井水環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行評價。10個國家地下水監(jiān)測井基本信息見表4，各個監(jiān)測斷面的詳細(xì)監(jiān)測數(shù)據(jù)見表5。

表4 國家地下水監(jiān)測井基本情況

表5 大連市國家地下水監(jiān)測井2018年監(jiān)測結(jié)果 單位：mg/L

2.1 單因子指數(shù)法評價大連市地下水環(huán)境質(zhì)量

大連市10個國家地下水監(jiān)測井的單因子評價結(jié)果見表6。由表6可知，永寧和長興島監(jiān)測斷面水質(zhì)類別為Ⅲ類；炮崖斷面水質(zhì)類別為Ⅳ類，而其斷面的水質(zhì)類別均為Ⅴ類。并且通過單因子評價結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大連市地下水主要超標(biāo)項目為鐵、硝酸鹽氮和氨氮。

表6 單因子評價指數(shù)法評價結(jié)果

2.2 綜合評價法評價大連市地下水環(huán)境質(zhì)量

根據(jù)10個國家地下水監(jiān)測井監(jiān)測結(jié)果以及地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中水質(zhì)分級分類限值，利用單組分評分標(biāo)準(zhǔn)(表1)、式(1)—(2)計算綜合評分值F，再通過表1判定地下水環(huán)境質(zhì)量級別，結(jié)果見表7。從表7中可知，永寧和長興島監(jiān)測斷面水質(zhì)級別為較好；炮崖斷面級別為較差，其余8個斷面均為極差級別。

表7 綜合評價法評價結(jié)果

2.3 層次分析法評價大連市地下水環(huán)境質(zhì)量

層次分析法評價大連市10處國家地下水監(jiān)測井結(jié)果見表8。從表8中可以看出，水質(zhì)類別為Ⅱ類的監(jiān)測斷面為永寧、長興島以及東崗；楊家和炮崖斷面為Ⅲ類水；李官斷面為Ⅳ類水；其他斷面水質(zhì)類別為Ⅴ類。

表8 層次分析法評價結(jié)果

2.4 灰色關(guān)聯(lián)分析法評價大連市地下水環(huán)境質(zhì)量

本文在運用灰色關(guān)聯(lián)分析法對大連市地下水環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行評價時，對樣本矩陣和參考矩陣的歸一化以及關(guān)聯(lián)度的計算方法進(jìn)行改進(jìn)，灰色關(guān)聯(lián)分析法評價結(jié)果見表9。

根據(jù)表9可得，水質(zhì)類別為Ⅱ類水的監(jiān)測斷面有永寧、炮崖和長興島；楊家和東崗為Ⅲ類水；得利寺、復(fù)州城為Ⅳ類水；李官、太陽、謝屯為Ⅴ類水。

表9 改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)分析法評價結(jié)果

2.5 不同水質(zhì)評價方法結(jié)果比較

基于不同評價方法得到的大連市國家地下水監(jiān)測井評價結(jié)果見表10。通過比較單因子指數(shù)法、綜合評價法、層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)分析法四種分析方法可知：單因子指數(shù)法和綜合評價法評價結(jié)果中，參與評價的10個監(jiān)測斷面中沒有Ⅰ類和Ⅱ類水，Ⅲ類水占20.0%，Ⅳ類水占10%，Ⅴ類水占70.0%；層次分析法評價結(jié)果中，沒有Ⅰ類水，Ⅱ類水占30%，Ⅲ類水占20.0%，Ⅳ類水占10%，Ⅴ類水占40.0%；灰色關(guān)聯(lián)分析法評價結(jié)果中，沒有Ⅰ類水，Ⅱ類水占30%，Ⅲ類水占20.0%，Ⅳ類水占20%，Ⅴ類水占30.0%。

表10 不同評價方法評價大連市地下水環(huán)境質(zhì)量結(jié)果

按照水質(zhì)類別劣于Ⅲ類水比較四種分析方法可知：層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)分析法的評價結(jié)果中，劣于Ⅲ類水的比例為50%，單因子法和綜合評價法劣于Ⅲ類水的占比為80%，層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)分析法獲得的水質(zhì)類別優(yōu)于另兩種方法。此外，相對于另兩種方法，層次分析法評價結(jié)果水質(zhì)類別改變1個級別的斷面占參評總斷面的40%，改變2個級別占10%，改變了3個級別占10%；灰色關(guān)聯(lián)分析法評價結(jié)果，水質(zhì)類別改變1個級別的斷面占參評總斷面的40%，改變2個級別占30%。

通過比較四種評價方法可知，水質(zhì)單因子評價指數(shù)能直觀地說明水質(zhì)是否污染或超標(biāo)，計算簡便，但評價結(jié)果過于保守，并且不能反映地下水環(huán)境質(zhì)量的整體狀況；綜合評價法雖然可以反映出整體水質(zhì)狀況，但前提條件是需要各個評價指標(biāo)之間分類分級比較分明；改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)分析法在主要是在無量綱化過程以及計算關(guān)聯(lián)度方面做了一些改進(jìn)，克服了傳統(tǒng)法的一些不足，使得評價結(jié)果能夠較為客觀準(zhǔn)確，不足之處是計算過程較復(fù)雜，需要一定的灰色理論知識；層次分析法是通過建立層次結(jié)構(gòu)模型之后，構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣，將復(fù)雜問題簡化為求最底層相對于最高層的權(quán)重值，該方法評價結(jié)果與灰色評價結(jié)果趨勢一致，評價結(jié)果較為客觀真實，具有一定參考價值。

3 結(jié)論

本文通過比較不同評價方法在大連市國家地下水監(jiān)測井評價中的應(yīng)用可知，層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)分析法評價結(jié)果中，水質(zhì)類別劣于Ⅲ類水的比例為50%，單因子法和綜合評價法水質(zhì)劣于Ⅲ類水的占比為80%，層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)分析法要優(yōu)于單因子法和綜合評價法。不同分析方法有各自的優(yōu)缺點，在對地下水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價時，應(yīng)根據(jù)實際監(jiān)測結(jié)果與評價需要，選擇最優(yōu)的評價方法，使評價結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，從而更科學(xué)客觀地反映出水體的實際情況，及時讓相關(guān)部門了解地下水環(huán)境狀況，為地下水污染防治控制以及制定城市地下水管理措施提供必要的依據(jù)。