地下水质量指标分类综合评价方法研究

许 真，何江涛，马文洁，曾 颖

(1.中国地质大学(北京)水资源与环境工程北京市重点实验室，北京 100083;2.四川省地质工程勘察院，四川成都 610071;3.东华理工大学水资源与环境工程学院，江西南昌 330013)

为保护和合理开发地下水资源，需要对地下水质量做出科学可靠的评价。地下水作为一种宝贵的资源，是极其重要的生态环境因子［1］。近些年来，随着人类活动的增加，对地下水资源的需求量越来越大，地下水污染问题越发严重。地下水污染中检出的组分越来越多、越来越复杂，而且污染程度和深度也在不断增加。检出“三致”(致癌、致畸、致突变)微量有机物已经是普遍现象，新修订的地下水质量标准中水质指标由GB/T 14848-1993的39项增加至93项，其中47项为有机毒理学指标，原有的地下水质量综合评价方法受到巨大挑战。

目前国内关于地下水质量综合评价的方法较多，没有统一的标准方法。常见的地下水质量评价方法有综合指数法［2］、模糊综合评价法［3～4］、灰色聚类法［5］、熵权属性识别评价［6］等。还有利用水质指标分类评价的方法［7］以及在不同评价模型间进行交叉和融合的方法［8］对地下水质量进行评价。这些方法普遍存在问题主要表现为:(1)多数仅适用于常规指标，评价结果往往仅体现地下水的一般质量［9］，难以客观全面的反映地下水的综合质量。(2)差异巨大的不同性质指标采用同一种评价方法，结果容易产生严重歧义和误导，掩盖有毒有机物、重金属等对人体健康危害较大污染物的影响;(3)评价出来的水质类别分布不符合地下水水质分布连续性地学统计特征，存在水质类别缺失和跳跃的问题。国外对地下水质量评价是从水质指标出发，对比世界卫生组织饮用水标准或者美国环保局饮用水标准，查看水质指标的对比情况［10］。还有运用多元统计方法以及水文地球化学图解法进行评价［11］。以及基于化学浓度的测试，实验室毒性测试和物理化学分析三者相结合的地下水质量评价方法［12］。与中国水质综合评价要求不一致，难以借鉴。

地下水质量评价结果的可靠程度与评价方法的科学性密不可分，为了合理地对地下水质量进行评价，针对目前存在的问题，本文提出了指标分类的地下水质量综合评价方法。利用单指标质量分类统计法评价感官性状与一般化学指标，利用单指标最大分类确定法评价毒理学指标，最终结果分别给出感官性状与一般化学指标级别和毒理学指标级别。考虑到毒理学指标级别并不能完全体现其对人体的健康风险，评价结果附上毒理学指标的饮水途径健康风险以供参考。

1 地下水质量指标分类综合评价方法

针对地下水指标繁多，类型不一，尤其是在地下水质量标准中纳入了大量的有机毒理学指标，并且考虑到感官性状与一般化学指标和毒理学指标对人体健康的危害性存在比较大的差异，两者一起评价的结果可能会存在严重歧义。提出了指标分类评价，分别对感官性状与一般化学指标和毒理学指标进行评价，最终结果用两者共同表示。

提出感官性状与一般化学指标评价方法之前，曾经尝试从单指标赋值和综合指数分级区间调整对内梅罗指数法进行改进，并且尝试利用20项感官性状与一般化学指标所有排列组合的地下水水样进行评价试算，试算结果均不理想。对其它常用地下水质量评价方法的改进也以失败告终。几经反复最终提出了单指标质量分类统计法评价感官性状与一般化学指标。

由于毒理学指标危害性大，评价过程中采用一般的方法容易掩盖其危害性，评价结果可能产生严重歧义和误导。比如评价中同时存在一个高风险指标和一个低风险指标，叠加评价使得评价结果体现不出高风险指标。本文提出利用单指标最大分类确定法进行评价。考虑到地下水质量标准的制定不仅仅从水质指标出发，还要从社会经济管理的角度出发，因此某些毒理学指标在饮用水标准下已经存在一定的健康风险，所以非常有必要在水质评价结果的基础上，补充毒理学指标饮水途径的健康风险。本文利用美国环境保护署的健康风险评价模型计算出毒理学指标的人体健康风险水平［13］。

1．1 感官性状与一般化学指标评价方法

(1)参加评价的指标依据GB/T 14848-XXX《地下水质量标准》修订版规定的20项感官性状与一般化学指标确定，参评指标应不少于10项。

(2)依据GB/T 14848-XXX《地下水质量标准》修订版地下水质量指标及限值，对参评的各项单组分指标进行评价，划分单指标组分所属质量类别。

(3)统计所有参评指标Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ不同质量类别的个数。

(4)根据Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ不同质量类别的个数划分地下水综合质量类别，划分标准见表1。

表1 感官性状与一般化学指标级别分类表Table 1 Level classification of organoleptic and general chemical indicators

1．2 毒理学指标评价

依据GB/T 14848-XXX《地下水质量标准》修订版地下水质量指标及限值，对各项单组份毒理学指标进行质量类别判断，将毒理学指标中质量类别最高的作为评价的最终结果。

1．3 毒理学指标人体健康风险

毒理学指标区分致癌指标与非致癌指标，查询毒理学指标参数信息［14］，获取相关参数分别计算致癌指标与非致癌指标的人体健康风险［15］。

(1)非致癌指标人体健康风险

污染物暴露的日均剂量计算公式:

式中:CDI——污染物暴露的日均剂量(mg/kg/d);

CW——污染物浓度(mg/L);

IR——每日饮水量，建议值为成人2.0L/d;

EF——暴露频率，采用值为365d/a;

ED——暴露持续时间，采用值为70a;

BW——体重，采用值为60kg;

AT——暴露发生的平均时间(d)，致癌效应取值70a×365d/a，非致癌效应取值30a×365d/a。

非致癌指标人体健康风险计算公式:

式中:Ri＇——非致癌指标i的人体健康风险;

RfD——参考剂量(mg/kg/d);

10-6——与RfD相对应的假设可接受的健康风险水平。

(2)致癌指标人体健康风险

致癌指标人体健康风险计算公式:

式中:Ri——致癌指标i的人体健康风险;

SF——致癌斜率因子，(mg/kg/d)-1。

(3)毒理学指标总健康风险

总健康风险计算公式:

式中:RT——毒理学指标总健康风险;

ΣRi'——非致癌指标总健康风险，由于非致癌毒理学指标的阈值效应，当其健康风险小于10-6时，不参加叠加计算。

ΣRi——致癌指标总健康风险;

1．4 地下水质量综合评价结果表示

地下水质量综合评价结果采用联合表示方法，以罗马数字表示感官性状与一般化学指标评价结果，以阿拉伯数字表示毒理学指标评价结果，并将实际计算得出的毒理学指标总健康风险以括弧表示。示例如下:

2 实例验证及对比分析

采用淮河流域某地区2009年地下水水质监测数据，运用提出的地下水质量指标分类综合评价方法进行评价。

2．1 感官性状与一般化学指标评价

感官性状与一般化学指标评价因子为总硬度、氨氮、硫酸盐、氯化物、铁、溶解性总固体、锰、铝、锌、耗氧量和钠11项指标，地下水水样共计81组。评价标准采用GB/T 14848-XXX《地下水质量标准》(修订版)。评价方法采用提出的地下水质量指标分类综合评价方法中感官性状与一般化学指标评价方法，评价结果见图1。

从地下水感官性状与一般化学指标评价结果可以看出，从感官性状与一般化学指标考虑，淮河流域某地区的地下水主要以Ⅲ类水为主，约占全区的一半。其次为Ⅳ类水，所占比例为40%。Ⅱ类水与Ⅴ类水均出现的比较少，所占比例均不到10%。研究区未出现优良水。

2．2 毒理学指标评价

依据GB/T 14848-XXX《地下水质量标准》(修订版)地下水质量指标及限值，对检测的30项毒理学指标进行质量类别判断，将毒理学指标中质量类别最高的作为评价的最终结果，其中30项指标分别为硝酸盐、亚硝酸盐、氟化物、汞、砷、硒、镉、铬、铅、三氯甲烷、四氯化碳、四氯乙烯、1，2- 二氯乙烷、1，1，2- 三氯乙烷、三溴甲烷、1，1-二氯乙烯、氯苯、苯、甲苯、乙苯、苯乙烯、萘、蒽、荧蒽、苯并(b)荧蒽、苯并(a)芘、总六六六、γ-六六六、DDT、六氯苯。毒理学指标评价结果见图1，毒理学指标以 3级为主，所占比例达到了48.15%。其次为4级，所占比例为33.33%。5级所占比例为18.52%。分析原始水样数据得知，毒理学指标评价结果以4、5级为主的原因是硝酸盐、亚硝酸盐、氟化物、苯并(a)芘这4项指标浓度值过高所致，反映出该地区已经受到了毒理学指标的污染。

图1 感官性状与一般化学指标和毒理学指标评价结果Fig．1 Evaluation results of organoleptic indicators and general chemical and toxicological indicators

2．3 毒理学指标人体健康风险计算

对参评的30项毒理学指标进行致癌非致癌分类，同时查询相关计算参数，见表2。根据提出的人体健康风险计算公式，分别计算出致癌指标和非致癌指标的健康风险以及总健康风险，总健康风险结果统计见图3。从图2可以看出，总健康风险以10-4为主，所占比例约为92.6%。总健康风险为10-3与10-5所占比例均不到5%。根据美国环境保护署提出的人体可接受健康风险值的范围在10-6～10-4之间，研究区大部分水样点在可接受范围之内，仅5%左右的地下水水样点超过10-4。

图2 毒理学指标总健康风险分布图Fig．2 Distribution of total health risk of toxicological indicators

地下水质量综合评价结果成图过程中，感官性状与一般化学指标评价结果以质量分区图表示，毒理学指标评价结果以单点质量类别表示。采用提出的地下水质量指标分类综合评价方法，淮河流域某地区的地下水质量综合评价结果见图3。

从评价结果(图3)可以看出，研究区地下水感官性状与一般化学指标评价结果为Ⅲ类水主要分布在南部地区和东北部地区，Ⅳ类水主要分布在中东部地区与西北部地区。Ⅴ类水分布在中部地区，其它地区有零星分布。毒理学指标评价结果以3级为主，在全区分布。4、5级主要分布在研究区的中部区域以及中西部区域。

2．4 内梅罗指数法对比分析

按照GB14848-93中规定的内梅罗指数法对11项感官性状与一般化学指标进行评价，评价结果见图4。

图3 淮河流域某地区的地下水质量综合评价结果Fig．3 Results of comprehensive groundwater evaluation in a region of HuaiHe River Basin

表2 毒理学指标参数Table 2 The relevant parameters of toxicological indicators

从图4可以看出，内梅罗指数法评价11项感官性状与一般化学指标水质类别以Ⅳ类水为主，占研究区比例的70%左右，从评价结果分布(图5)可以看出Ⅳ类水分布遍及整个研究区。其次为Ⅴ类水，所占比例约为28%，评价结果分布图显示其主要分布在研究区的中部区域以及东南角。Ⅱ类水零星分布在研究区的西部区域以及东北角。没有出现Ⅰ、Ⅲ类水的质量类别。评价结果与提出的地下水质量指标分类综合评价方法结果相比，缺失了Ⅲ类水，不符合地下水水质连续分布的地学统计特征。同时内梅罗指数法过于突出最大污染因子，使得评价结果偏差。

利用内梅罗指数法对11项感官性状与一般化学指标加30项毒理学指标项进行评价。41项指标评价结果见图4，结果分布见图6。

图4 内梅罗指数法评价Fig．4 Eleven indicators and forty one indicators evaluation results of Nemerow method

图5 内梅罗指数法评价感官性状与一般化学指标结果分布图Fig．5 Distribution of organoleptic and general chemical indicators evaluation results of the Nemerow method

图6 内梅罗指数法评价所有指标结果分布图Fig．6 Distribution of all indicators evaluation results of the Nemerow method

从图4可以看出，利用内梅罗指数法评价11项感官性状与一般化学指标加30项毒理学指标，评价结果以Ⅳ类水为主，所占比例为93.83%。Ⅱ、Ⅴ类水所占比例均不到4%。从评价结果分布图可以看出，Ⅳ类水分布在研究区的大部分区域范围，Ⅱ、Ⅴ类水零星的分布在研究的中部区域与中西部区域。评价结果偏差的主要原因可能是内梅罗指数法过于突出最大污染因子。

通过对比分析可以看出，提出的地下水质量指标分类综合评价方法能够解决评价结果水质类别分布不符合地下水水质分布连续性地学统计特征，存在水质类别缺失和跳跃的问题，以及内梅罗指数法过于突出最大污染因子的问题，同时还考虑了不同性质指标之间的差异性。

3 结论

针对目前地下水质量综合评价存在的问题，采用指标分类地下水质量综合评价方法，分别利用单指标质量分类统计法评价感官性状与一般化学指标，利用单指标最大分类确定法评价毒理学指标，最终结果联合表示，同时给出毒理学指标的饮水途径人体健康风险。该方法简单实用，评价结果意义明确。

(1)淮河流域某地区的地下水质量综合评价中应用结果显示，评价结果简单明了，符合地学统计特征。与内梅罗指数法相比，指标分类评价结果更为客观。

(2)提出的地下水质量指标分类综合评价方法可有效解决水质综合评价结果容易产生歧义和误导的问题，满足常规指标和毒理学指标的综合评价，能够更好的综合体现地下水水质信息。

［1］ 王大纯，张人权，史毅红，等.水文地质学基础［M］.北京:地质出版社，1995.［WANG D C，ZHANG R Q，SHI Y H，et al.Basis of Hydrogeology［M］.Beijing:Geological Publishing House，1995.(in Chinese)］

［2］ 王文强.综合指数法在地下水水质评价中的应用［J］.水利科技与经济，2008，14(1):54-55.［WANG W Q.Application of Aggregative Index Number Method in Groundwater Quality Evaluation［J］.Water Conservancy Science and Technology and Economy，2008，14(1):54-55.(in Chinese)］

［3］ 边维勇，佟成冶，廉涛，等.模糊评判方法在辽宁省中部地区浅层地下水综合环境质量评价中的应用［J］.岩矿测试，2011，30(3):289-294.［BIANWY， TONGCY， LIANT， etal.Application of the Fuzzy Method in the Comprehensive Evaluation of the Environment Quality of Shallow Groundwater in the Liapning Central Area［J］.Rock and Mineral Analysis，2011，30(3):289-294.(in Chinese)］

［4］ 焦珣，苏小四，林学钰，等.考虑样本差异的一种地下水质模糊评判方法与应用［J］水文地质工程地质，2010，37(3):6-11.［JIAO X，SU X S，LIN X Y，et al.A Fuzzy method for groundwater quality evaluation introduced with weight of sample difference［J］.Hydrogeology ＆ Engineering Geology，2010，37(3):6-11.(in Chinese)］

［5］ 李亚松，张兆吉，费宇红，等.改进的灰色聚类法在地下水质量评价中的应用［J］.水资源保护，2012，28(5):25-28.［LI Y S，ZHANG Z J，FEI Y H，et al.Application of an improved grey clustering method to groundwater quality evaluation［J］.Water Resources Protection，2012，28(5):25-28.(in Chinese)］

［6］ 王鼐，董维红，张岩，等.开封南郊垃圾场地下水质量的熵权属性识别评价［J］.水文地质工程地质，2012，39(2):94-99.［WANG N，DONG W H，ZHANG Y， etal. Application ofattribute recognition model based on coefficient of entropy to groundwaterquality assessmentatthe Southern Suburbs Landfill of Kaifeng［J］.Hydrogeology ＆Engineering Geology，2012，39(2):94-99.(in Chinese)］

［7］ 曾玉超，戴韵，刘娜，等.基于指标分类的地下水水质评价模型及其应用［J］.世界地质，2008，27(3):279-283.［ZENG Y C，DAI Y，LIU N，et al.Groundwater quality evaluation and its application based on index classification［J］.Global Geology，2008，27(3):279-283.(in Chinese)］

［8］ 卢文喜，李迪，张蕾，等.基于层次分析法的模糊综合评价在水质评价中的应用［J］.节水灌溉，2011(3):43-46.［LU W X，LI D，ZHANG L，et al.Application of Fuzzy Comprehensive Evaluation Based on AHP in Water Quality Evaluation［J］.Water Saving Irrigation，2011(3):43-46.(in Chinese)］

［9］ 李亚松，张兆吉，费宇红，等.地下水质量综合评价方法优选与分析——以滹沱河冲洪积扇为例［J］.水文地质工程地质，2011，38(1):6-10.［LI Y S，ZHANG Z J，FEI Y H，et al.Optimal selection and analysis of groundwater quality evaluation methods:A case study in the Hutuo River alluvial pluvial fan［J］.Hydrogeology ＆ Engineering Geology，2011，38(1):6-10.(in Chinese)］

［10］ Kumar S K，Rammohan V，Sahayam J D，et al.Assessment of groundwater quality and hydrogeochemistry of manimuktha river basin，tamil nadu， india［J］. Environmentalmonitoringand assessment，2009，159(1/2/3/4):341-351.

［11］ Venugopal T， Giridharan L， Jayaprakash M.Groundwater quality assessment using chemometric analysis in the adyar river，south india［J］.Archives of environmental contamination and toxicology，2008，55(2):180-190.

［12］ Crévecoeur S，Debacker V，Joaquim-Justo C，et al.Groundwater quality assessment of one former industrial site in belgium using a triad-like approach［J］.Environmental Pollution，2011，159(10):2461-2466.

［13］ 段小丽，王宗爽，李琴，等.基于参数实测的水中重金属暴露的健康风险研究［J］.环境科学，2011，32(5):1329-1339.［DUAN X L，WANG Z S，LI Q，et al.Health Risk Assessment of Heavy Metals in Drinking Water Based on Field Measurement ofExposure Factors of Chinese People［J］.Environmental Science，2011，32(5):1329-1339.(in Chinese)］

［14］ USEPA.Integrated Risk Information System ［EB/OL］. ［2010-08-23］.http://www.epa.gov/ncea/iris/index.html.

［15］ USEPA.EPA/540/1-89/002. Risk Assessment Guidance for Superfund Volume I Human Health Evaluation Manual(Part A)［S］.1989.