基于不同评价方法的某市地下水源水质评价
2021-05-25尹源
尹 源
(邵阳市环境研究与信息中心，湖南 邵阳 422000)
1 引言
随着工业的发展和城市化进程加快，水质恶化状况加剧。最严峻的威胁来自于城市生存命脉的地下水污染。因此，要掌握地下水的污染程度，监测与评价水质是最基本的手段，通过监测指标制定地下水资源利用和保护的措施。刘婧采用模糊综合评价法和单因子评价法对甘肃省平凉市和庆阳市两地2018年21处地下水水质监测点11项水质指标参数进行评价，郭丽莉针对国内外的水质评价方式进行对比分析，李苏等用传统、改进内梅罗指数法在水库水质进行评价[1～3]。本文在前人研究的基础上，分别利用4种评价方式对地下水质实施全面评价，评价方式包括加附注评分法、主成分分析法、改进的内梅罗指数法和内梅罗指数法，针对这4种评价方式的差异性进行对比，对各自的优缺点进行分析，以探索出一套符合某市的地下水质评价体系，以确保评价的高效性、科学性、合理性。
2 评价原理
2.1 主成分分析法
该分析方法的功能是降维处理原始数据，按照方差贡献率超过85%的原则，同时，综合主成分得分的计算是按照方差贡献率的权数进行，利用计算获取的分数对水质结果实施定量化评价。计算具体步骤为：对指标存在的相关性的判定：设定m个采样点，设定n个评价指标，按照标准构建矩阵Xm×n，以矩阵Xm×n为基础，进行关联系数矩阵R的计算；特征值的计算及相应的正交化单位特征向量的计算；利用主成分：针对累计贡献率和主成分方差贡献率进行计算，提取相关的数据信息，获取的条件为特征值大于1、累计方差贡献率高于85%，获取的主成分综合原始信息设定为q个；提取q个相对应的特征向量，进行标准化处理；主成分荷载的计算；进行q个主成分样品的得分计算。
2.2 传统、改进内梅罗指数法
2.2.1 传统内梅罗指数法
通常使用的地下水水质的评价方法就是传统内梅罗指数法，主要是对水质的综质指数进行评价，计算方式如下：
(1)
2.2.2 改进的内梅罗指数法
针对不同污染因子，改进的内梅罗指数法对其赋予权重，考虑了高危险的污染因子影响水质的情况，最大值影响计算的程度降低。在内梅罗指数法基础上该公式增加了权重分配计算环节，如式(2)所示：
(2)
2.3 加附注评分法
地下水质量综合评价采用加附注评分法，步骤如下：
首先对各单项组分进行评价，进行质量类别划分(分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5类，其对应的单组分水质评价值分别为0、1、3、6、10)。
计算综合评价分值F。
(3)
(4)
最终获得F值区间为：F<0.80、0.80
3 实例分析
本文案例水质资料评价基础为2018年某地区地下水枯水期采集的，选取A1～A10随机均匀布置的共10个监测点，选取6个污染指标作为评价因子，具体包括硫酸盐、氯化物、氟化物、高锰酸盐指数、硝酸盐(以N计)、氨氮(NH4)，根据GB14848—93，按照五个等级划分水质标准：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。
3.1 水质监测数据
各监测点水质理化指标测定结果见表1。
表1 水质监测结果 mg/L
从表1不难看出，某市地下水水质指标均在地下水水质标准Ⅲ类限度内，总体水质比较好，只有个别监测点的水样硫酸盐和氟化物稍高状态。
3.2 评价结果
通过内梅罗指数法原理计算表明：针对地下水质的所有监测点都达到了Ⅲ类水质等级之上，其中有7处为Ⅰ类水质，占整体的70.0%，有2处为Ⅱ类水质，占整体的20.0%，1处为Ⅲ类水质，占整体的10.0%，总体的水质为优良。改进的内梅罗指数法计算的标准参照Ⅲ类水质，水质标准中的污染因子与监测点的水体污染因子相同，经过计算显示，在10个监测点中共6处为水质评价等级的Ⅲ类水，占整体的60.0%，3处为Ⅱ类水质，占整体的30.0%，1处为Ⅰ类水质，占整体的10.0%，呈现较好的水质。其中，A6监测点为最高的水质评价指数(0.95)，评价为最差水质；A8监测点为最低评价指数(0.40)，为最好的水质，其他的监测点水样水质为中级水平，为Ⅱ级和Ⅲ之间。在10个监测的水样中，利用传统内梅罗指数法与改进内梅罗指数法评定结果水质类型相同的点占30%，不相同的监测点占70%。对比两种评定方法显示：其影响大小与单项组分含量大小成正比例，但水体的综合利用价值不能通过最大值体现，改进内梅罗指数法让最大值的影响力严重降低，在引入评价因子权重的情况下，评价结果比传统的梅罗指数法更客观、更准确。
利用加附注评分法原理确定评价结果显示，10个监测点中只有A6的水质是较差的Ⅳ类以及A10的水质为较好的Ⅲ类，其他的8个监测点水质都是良好的Ⅱ类，整体的水质评定为良好。主成分分析法分析判断表现A1、A4、A10三个点水质评价等级判定为较好的Ⅲ级，占总体的30.0%；A2、A3、A5、A7、A8和A9六个点水质评价结果为良好的Ⅱ级，占整体的60.0%；水质最差的点为A6，水质的评价等级定为Ⅳ级，占整体的10.0%，呈现良好的水质。
4 适应性分析
4种评价方法的各自评价结果见表2。
表2 各方法的水质评价结果
从表2不难看出：Ⅰ类的结果都是通过传统内梅罗法的评价的，仅A6为Ⅲ类；Ⅲ类的结果主要是改进内梅罗指数法评价，只有A8为Ⅰ类；加附注评分法评价水质结果主要为呈现良好的Ⅱ类主要是通过加附注评分法评价进行的，其中A6水质呈现较差的Ⅳ类；良好的Ⅱ类水质评价主要通过主成分分析法评价进行，综合可得A8水质最好，A6水质最差。
4.1 四种评价方法横向比较
以上进行了评价水质的4种方法的比较，某市地下水的水质变化情况完全可以通过这4种评价结果反映出来，该4种方式中唯有传统内梅罗指数法显现偏高的结果，其他的评价方式的结果都接近实际状况，可以对该地区的地下水水质进行客观地反映，这四种方法都符合该区域的水质评价。
4.2 四种评价方法纵向比较
由表2可以看出：唯有主成分分析法例外，其余3种分析法的结果呈现一致的趋势，其中等级水质评价等级偏高的为内梅罗指数法，另外两种评价法呈现较大幅度波动等级的评价，而加附注评分法评价值基本处于前两种评价法之间水平，呈现最小的波动幅度，显而易见，加附注评分法比起其他几种方式，具备很高的相似度和重合度，会表现平稳的评价结果。
4.3 4种评价方法综合比较
通过上面4种评价方法的介绍显示：与实际情况差距大的为传统内梅罗指数法评价结果，不能在该区地下水水质评价中应用。而另外的3种评价方法都能够相对客观地反映该地区的地下水的水质状况，其中表现最佳的为加附注评分法，表现为两个方面的特点和优势：与其他方式相比，评价结果更能客观地反映水质情况，可以相对准确地反映地下水水质的等级、评价因子超标、水质功能状态；容易操作、计算便捷、原理简单，具备较强的可推广性和适用性。通过评价显示该地区水质的现状较好，没有超过三类水的界限，水质最好的为A8监测点，水质最差的是A6监测点，评价结果表明研究区现状水质整体较好，基本控制在Ⅲ类水以内，A8监测点水质最好，A6监测点水质最差，水质由盆地边缘(A8监测点)向盆地中心(A6监测点)表现良好到较差的趋势。
5 结语
本文通过以上4种评价方法的比较，对某市某区枯水期10种水样进行评价，该4种方法的优缺点在具体应用中得以体现。通过本文上述的分析不难看出，在实际的方式应用中不应该只突出某种评价方式的优势，而是要对区域的实际情况进行研究，因地制宜地选择最佳的评价方式，把研究区域的水质情况客观、真实地反映出来。
