广花盆地浅层地下水环境质量评价

2018-07-31李志威张明珠

节水灌溉 2018年7期

庞园，李志威，曾慧，张明珠

(广州市水务科学研究所，广州 510220)

广花盆地是广州市唯一的地下水应急水源区[1]，地下水资源丰富[2]，其地下水质量的好坏是制定广花盆地地下水开发利用和保护政策的重要依据。因此，正确评价广花盆地的地下水水质具有重要意义。地下水质量评价的方法较多，目前常用的主要有单项组分法、综合要素法、层次分析法[5,8]、主成分分析法、灰色关联法、模糊评价法[9,12]、集对分析法[10]、BP人工神经网络法[4]、物元分析法、单因子评价法等。不同水质评价方法所得的评价结果有一定的差别，在实际应用中应根据具体的监测要求和评价目的选择合适的评价方法，使评价结果满足管理需要，反映水体的实际情况[14]。前人分别采用单项组分法、综合要素法和主成分分析法对广花盆地地下水的水质进行了评价，结果表明部分指标已超过了国家《地下水质量标准》(GB/T14848-93)的三类标准限值，地下水综合水质有良好、较差和极差3个级别[2,3]。这几种方法各有优劣，其中单项组分法是根据水环境质量标准中规定的指标限值或本底值与监测值比较，评价其超标程度，相对较容易，但无法评判水体的整体质量好坏[13]。综合要素法和主成分分析法则是考虑水体中所有指标的综合作用，确定水质的综合级别。但综合要素法易受最大浓度污染因子的影响，会造成结果不够合理。主成分分析法在使用前必须保证提取的前几个主成分的累计贡献率达到一个较高的水平，且在降维过程中会损失一部分原始信息。为了更加全面的展现广花盆地的地下水质量，本文采用灰色关联法分别对广花盆地2016年雨季和旱季的地下水水质进行了评价，并基于地下水实际状况与综合要素法评价结果进行了比较，旨在为广州市地下水质量评价提供一种客观、准确和有效的参照方法。

1 研究区概况

广花盆地位于广州市花都区和白云区境内，地理坐标为北纬23°00′～23°30′，东经112°57′～113°26′，面积约858 km2。广花盆地地处南亚热带，雨量充沛，多年平均降雨量1 818.7 mm，其中雨季(4-9月)降水量占全年的85%左右。区内水系发育，较大的河流有流溪河、白坭河、新街水、天马河、官窑水等。广花盆地地势大致为北部高、南部低，地貌类型有丘陵、台地和平原等，以平原为主，台地和丘陵次之。基岩山区及丘陵台地的地下水主要接受大气降雨的入渗补给，山塘、水库及渠道等对其入渗补给的规模较小。平原区地下水的补给来源较为丰富，除主要接受大气降雨的入渗补给外，还接受地表河流及灌溉的入渗、渠道渗流、基岩山区及丘陵台地地下水的侧向补给等。区内地下水以松散岩类孔隙水、岩溶水和基岩裂隙水为主，松散岩类孔隙水广泛分布于广花盆地平原、山间谷地及山前地带；基岩裂隙水广泛分布于低山、丘陵及台地；岩溶水呈北东-南西向条带状展布于广花盆地中，以覆盖型岩溶水分布为主。广花盆地地下水水位动态变化主要受大气降雨影响，地下水水位变化受开发利用的干扰较少，水位变化主要随降雨量的增减而升降，并具明显的季节性[3]。

2 研究数据与方法

2.1 研究数据

本次研究共布设采样点80个(见图1)，其中松散岩类孔隙水采样点28个，井深范围0～10 m；基岩裂隙水采样点20个，井深范围34～95 m；岩溶水采样点32个，井深范围23～100 m。所有采样点的水位均随降雨增减而升降，具有明显的季节性特征，均属浅层地下水。分别于2016年的雨季(4-9月)和旱季(10月-次年3月)各采样1次，共采集水样160组。监测项目包括pH值、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氰化物、砷、汞、铬(六价)、总硬度、铅、氟化物、镉、溶解性总固体、高锰酸盐指数、硫酸盐、氯化物、铁和锰共18项，所有项目的检验方法均按《生活饮用水标准检验法》(GB5750-2006)[15]执行。

图1 广花盆地地下水采样点分布图Fig.1 Distribution map of groundwater monitoring well in Guanghua basin

2.2 评价方法

灰色关联法把水质状态看作灰色变量，把水质级别作为一个灰类，考虑了水质分级界线的不确定性，可以避免分级临界值附近的实测浓度值或综合污染指数的微小变化可能导致的评价结果级别归属的改变[16]。其基本步骤如下[17]。

步骤1：确定参考数列和比较数列。

设Xj为参考数列(水质数据)；Xi为比较序列(水质标准),本文采用《地下水质量标准》(GB/T14848-93)的水质等级划分标准。

Xj=xj(k)k=1,2,…,n

(1)

Xj=xi(k) (k=1,2,…,n;i=1,2,…,m)

(2)

式中：k为参与评价的指标；j为参与评价的断面；i为水质标准的水质级别。

步骤2：无量纲化处理。

由于水质标准中各个指标的量级不同，必须在关联分析之前进行数据的无量纲化处理，常用的方法有极小化处理、极差化处理、均值化处理、中心化处理等[16]。本文采用极小化处理法：

(3)

(4)

步骤3：求关联系数。

参考数列(水质数据)Xj与比较序列(水质标准)Xi在第k点(指标k)的关联系数为：

(5)

式中：Δji(k)为数列Xj与数列Xi在第k点的绝对差；ρ为分辨系数，ρ越小，分辨力越大，本文取0.5。

由于评价标准组成的比较序列并非一具体数值，而是一个区间，故定义yi(k)=ai(k),bi(k)[ai(k)和bi(k)为指标k第i个级别的上限和下限]，则：

(6)

步骤4：求关联度。

综合k=1,2,…,n的所有关联系数，可分别得到不同水质级别的关联度，则关联度为：

(7)

式中：Cj(k)为第j个断面中第k项评价因子的权重，本文认为各评价因子所占权重相同。

步骤5：比较灰关联度大小，确定断面水质级别。

比较各关联度的大小，关联度越大说明两者越接近。最大的关联度对应的比较数列(水质标准)即为所评价的水质所属等级。

3 结果与分析

3.1 灰色关联法评价结果

基于上述灰色关联法计算方法，对广花盆地80个采样点18项指标的监测数据进行了评价，结果表明2016年雨季80个采样点中有47个采样点的水质属于Ⅰ类，33个采样点的水质属于Ⅱ类，无Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类水；旱季80个采样点中有58个采样点的水质属于Ⅰ类，22个采样点的水质属于Ⅱ类，无Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类水。这表明广花盆地浅层地下水在雨季和旱季的质量均较好，但在旱季更优。

由图2可知，在雨季，松散岩类孔隙水和岩溶水中属于Ⅰ类和Ⅱ类的采样点数量基本相同，各占50%左右。而基岩裂隙水中属于Ⅰ类的采样点有15个，属于Ⅱ类的采样点有5个，Ⅰ类采样点的数量是Ⅱ类采样点的3倍。这表明雨季基岩裂隙水的综合水质优于松散岩类孔隙水和岩溶水。在旱季，三类地下水中属于Ⅰ类的采样点数量均多于Ⅱ类采样点，Ⅰ类采样点的数量分别是Ⅱ类采样点的2.5倍、2.6倍和3倍。这表明旱季三类地下水的综合水质极为接近。对于雨季和旱季的地下水综合水质，可知松散岩类孔隙水和岩溶水在旱季的综合水质更优，基岩裂隙水在雨季和旱季的综合水质基本一致。

图2 灰色关联法评价结果Fig.2 Evaluation result of the grey correlation method

由图3可知，雨季广花盆地靠花都区一侧有33个采样点的综合水质属于Ⅰ类，17个采样点的综合水质属于Ⅱ类，分别占花都区总采样点的66%和34%；靠白云区一侧有14个采样点的综合水质属于Ⅰ类，16个采样点的综合水质属于Ⅱ类，分别占白云区采样点的47%和53%；这表明雨季广花盆地靠花都区一侧的地下水质量更优。旱季广花盆地靠花都区一侧有41个采样点的综合水质属于Ⅰ类，9个采样点的综合水质属于Ⅱ类，分别占花都区的82%和18%；靠白云区一侧有17个采样点的综合水质属于Ⅰ类，13个采样点的综合水质属于Ⅱ类，分别占白云区采样点的57%和43%；这表明旱季广花盆地靠花都区一侧的地下水质量更优。对比雨季和旱季的地下水水质，可知花都区旱季的综合水质更优，白云区雨季的综合水质更优。

图3 广花盆地地下水质量等级空间分布Fig.3 Spatial distribution of groundwater quality assessment in Guanghua basin

3.2 灰色关联法与综合要素法的评价结果对比

3.2.1 实际水质状况

根据《地下水质量标准》(GB/T14848-93)的地下水质量分级划分标准，采用单项组分法对广花盆地雨季和旱季的地下水水质进行评价，结果见图4。由评价结果可知，雨季18项指标中，氰化物、汞、六价铬和氯化物4项指标的水质类别均在Ⅱ类及以上，其余指标在Ⅱ类及以上的采样点占比分别为88%、13%、79%、69%、96%、98%、96%、98%、0%、94%、73%、99%、91%、80%；另外总硬度、铅、镉、溶解性总固体和硫酸盐5项指标的水质类别均在Ⅲ类及以上，其余指标在Ⅲ类及以上的采样点占比分别为88%、69%、95%、75%、99%、98%、83%、93%、86%。旱季18项指标中，氰化物、汞、六价铬和硫酸盐4项指标的水质类别均在Ⅱ类及以上，其余指标在Ⅱ类及以上的采样点占比分别为95%、19%、83%、70%、90%、98%、99%、96%、0%、91%、76%、98%、90%、79%；另外砷、总硬度、铅、镉和溶解性总固体5项指标的水质类别均在Ⅲ类及以上，其余指标在Ⅲ类及以上的采样点占比分别为95%、68%、95%、78%、96%、86%、98%、93%、83%。由此可见，雨季和旱季大部分采样点的大部分指标均属于Ⅰ类或Ⅱ类。

对各指标的浓度特征值进行统计，结果见表1。由表1可知，无论雨季还是旱季，pH值、硝酸盐氮、氰化物、砷、汞、六价铬、总硬度、铅、氟化物、溶解性总固体、硫酸盐、氯化物和铁13项指标的平均浓度均属Ⅱ类或以上级别。另外，由于镉的检测限值为0.004 mg/L，大于Ⅱ类标准限值0.001 mg/L，其水质类别均属Ⅲ类。高锰酸盐指数的平均浓度在旱季时可达到Ⅱ类以上。仅氨氮、亚硝酸盐氮和锰的平均浓度在雨季和旱季均超出Ⅱ类。

图4 单项组分法评价结果Fig.4 Evaluation result of single component method

表1 水质浓度特征值Tab.1 Characteristic value of water concentration

3.2.2 综合要素法评价结果

采用综合要素法对广花盆地80个采样点的水质进行评价，根据评价结果可知，广花盆地雨季无水质优良或较好的采样点，水质良好的采样点37个，水质较差或极差的采样点共43个，占总采样数的54%；旱季无水质优良或较好的采样点，水质良好的采样点37个，水质较差或极差的采样点共43个，占总采样数的54%。分析结果表明，广花盆地地下水在雨季和旱季的综合水质极为接近，地下水质量总体较差。

由表2可知，就各类地下水来看，松散岩类孔隙水中，雨季和旱季水质为良好的采样点分别占松散岩类孔隙水采样数的50%和57%；岩溶水中，雨季和旱季水质为良好的采样点分别占岩溶水采样数的50%和47%；基岩裂隙水中，雨季和旱季水质为良好的采样点分别占基岩裂隙水采样数的35%和30%；其余采样点的水质均属较差或极差。这表明雨季三类地下水的综合水质为松散岩类孔隙水=岩溶水>基岩裂隙水，旱季三类地下水的综合水质为松散岩类孔隙水>岩溶水>基岩裂隙水；松散岩类孔隙水的综合水质在旱季更优，岩溶水和基岩裂隙水的综合水质与其不同，在雨季更优。

表2 按地下水类型的综合要素法评价结果个Tab.2 Evaluation result of comprehensive factor method according to the groundwater type

由表3可知，从空间分布来看，广花盆地靠花都区一侧50个采样点在雨季和旱季均有27个采样点的水质属良好，占比为54%；靠白云区一侧30个采样点在雨季和旱季均有10个采样点的水质属良好，占比为33%。评价结果表明，花都区地下水的水质在雨季和旱季均优于白云区，且两个区域的地下水在雨季的水质均与在旱季的水质基本一致。

3.2.3 讨论与分析

就广花盆地地下水的整体水质而言，灰色关联法评价结果显示广花盆地地下水质量较好，旱季的水质优于雨季；综合要素法评价结果则显示广花盆地地下水质量总体较差，雨季与旱季的水质极为接近。

表3 按行政区划的综合要素法评价结果个Tab.3 Evaluation result of comprehensive factor method of administrative division

就各类地下水来看，灰色关联法评价结果显示雨季基岩裂隙水的水质优于松散岩类孔隙水和岩溶水的水质，而综合要素法得出的结论正好相反，基岩裂隙水的水质在三类地下水中最差。旱季的水质评价结果也不相同，灰色关联法的结论是旱季三类地下水的水质极为接近，综合要素法的结论则是松散岩类孔隙水>岩溶水>基岩裂隙水，三类地下水的水质存在差别。在对比三类地下水在不同季节的水质时，两种方法的结论也有所不同，灰色关联法的结论是松散岩类孔隙水和岩溶水的水质在旱季更优，基岩裂隙水的水质没有变化，综合要素法的结论是松散岩类孔隙水的水质在旱季更优，岩溶水和基岩裂隙水的水质在雨季更优。

就地下水质量的空间分布来看，灰色关联法的结论是雨季和旱季花都区一侧的地下水质量均优于白云区，这一结论与综合要素法的评价结果相同。对比两个区域在雨季和旱季的水质，灰色关联法的结论是花都区地下水的水质在旱季更优，白云区地下水的水质在雨季更优，而综合要素法的结论则是两个区域的地下水水质未随季节变化。

对比两种方法的评价结果，可以发现二者得出的结论存较大差异甚至完全相反，其原因主要是因为两种方法的原理不同。综合要素法方法简单方便，但偏于突出最大污染因子，当某种污染物的单项组分评价分值Fi较高时，会使该监测点的综合评分值偏高。灰色关联法注意到水质分级界限的模糊性，采用可变的权重，结果可信度高，但有可能掩盖部分超标因子对评价结果的影响。就广花盆地地下水的实际情况而言，雨季和旱季大部分采样点的大部分指标均属于Ⅰ类或Ⅱ类，水质总体是偏好的，显然灰色关联法在研究区的评价结果更为合理。