改进的灰色关联法在流溪河流域地下水环境质量评价中的应用研究

庞 园，曾 慧，张明珠

(广州市水务科学研究所，广东 广州 510220)

为了保障地下水安全，加快推进地下水污染防治，2019年3月国家五部门联合印发了《地下水污染防治实施方案》，地下水质量评价是其重要内容之一。如何对地下水质量进行全面、客观、准确的评价，已成为各地主管部门的一项重要任务。地下水质量评价结果的准确程度不仅取决于监测数据的准确性，也依赖科学的评价方法，因此，选择合适的评价方法对结果的准确程度非常重要[1]。流溪河流域是广州市五个重要地下水资源分布区之一[2]，其地下水质量的好坏对于保障广州市供水安全具有重要意义。宾岚等[3]采用《地下水质量标准》(GB/T 14848—93)推荐的内梅罗指数法，对流溪河流域2012—2015年采集的29组孔隙水水样进行了评价，结果表明流溪河流域地下水质量总体较差，其原因是孔隙水含水层埋藏浅、厚度大，与地表水连通性较好，受污染的地表水影响所致。王卓微等[4]利用2015年8月和12月采集的90个地下水水样，对流溪河流域的地下水化学时空分布特征、地下水及离子来源进行了分析。总体来看，关于流溪河流域地下水质量的相关研究较少，地下水质量未得到全面的评价。采用改进的灰色关联法对流溪河流域的地下水质量进行评价，结果可为研究区的地下水质量评价提供参考。

1 研究区概况

流溪河位于广州市，即珠江三角洲的中部。干流发源于广州市从化区吕田镇桂峰山，桂峰山顶海拔1 085 m(珠基)。河流大致从东北向西南流去，经从化区良口镇、街口街、太平镇、花都区花东镇，黄埔区九佛街、白云区钟落潭镇、人和镇至江高镇南岗口与白坭河相汇注入珠江。流域形状呈东北至西南的狭长形，南北长约116 km，东西宽约20 km。属粤北山区与珠江三角洲平原的过渡地带，东北高、西南低，上游为山区，间有小平原，良口以下逐渐进去丘陵平原区，流域地理坐标为东经113°10′12″～114°2′00″，北纬23°12′30″～23°57′36″[1]。地下水类型主要为基岩裂隙水、碳酸盐岩类溶洞水和松散岩层孔隙水，地下水流向基本与河流流向一致[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28个(见图1)，其中松散岩类孔隙水采样点9个，井深范围0～10 m；基岩裂隙水采样点19个，井深范围50～97 m。松散岩类孔隙水采样点均利用居民生活用井，基岩裂隙水采样点均利用广州市水务局建造的地下水监测专用井。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2018年的雨季(4—9月)和旱季(10—12月)各采样1次，共采集水样56组。为使采集的地下水水样更具代表性，每次采样前均用潜水泵抽干井内的水并直至水位恢复原状或对涌水量较大的井长时间抽水使井内的地下水得到充分循环更新。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、挥发性酚类、铁和锰共19项，所有项目的检验方法均按《生活饮用水标准检验法》(GB 5750—2006)[5]执行。

图1 流溪河流域地下水采样点分布示意

2.2 改进的灰色关联法

传统的灰色关联法把监测样本的各指标分布看作一条曲线，把质量标准的各级别视为一组曲线，以便进行灰色关联分析。但质量标准的各级别并非点的概念，而是区间的概念[6]。本文采用沈珍瑶等[6]提出的一种改进的灰色关联法，基于点到区间距离的灰关联分析方法，物理意义更加明确，评价结果也符合实际。沈珍瑶等[6]已详细说明改进的灰色关联法的基本步骤，本文不再赘述，仅对其中部分内容进一步明确。根据《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)[7]规定，本文将地下水质量分为五类，各指标分类及限值均以该标准为准。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[8]。无量纲处理方法通常有“中心化”处理、“极差化”处理、“极小化”处理、“初值化”处理等方法[9]，本文选用“极小化”处理，即每项指标的监测值均除以该指标监测值序列的最大值。由于pH值有数值愈大或者愈小污染均会愈严重的特点，本文参考沈珍瑶等[6]的做法，所有pH值均除以14。分辨系数一般在0和1之间取值，其值对整个顺序趋势无影响[8,10]。无验前信息，分辨系数多取0.5[6,8-13]。

3 结果与分析

3.1 单项指标评价结果

根据《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)[7]的地下水质量分类划分标准，以Ⅲ类作为超标标准，对采集的56组地下水样品进行单指标质量评价(见图2)。总体来看，2018年研究区地下水中镉、铬(六价)、氰化物、硝酸盐氮、硫酸盐、总硬度、挥发性酚类和亚硝酸盐氮等8项指标未出现超标；砷、铅、汞、氟化物、铁、氯化物和溶解性总固体等7项指标的超标率不超过9%；pH值、锰、耗氧量和氨氮等4项指标的超标率均达到10%以上。

由表1可知，从时间变化特征来看，出现超标的11项指标在旱季的质量均优于雨季；从垂向变化特征来看，砷、铅、氟化物、铁、锰、氯化物、溶解性总固体、耗氧量和氨氮等9项指标在松散孔隙水中的质量优于基岩裂隙水，与之相反，汞和pH值在基岩裂隙水中的质量更优；从水平变化特征来看，砷、铅、氟化物、铁、氯化物、溶解性总固体、耗氧量和氨氮等8项指标在中游的质量优于下游，与之相反，汞、pH值和锰在下游的质量更优。

表1 超标情况统计结果 %

由表2可知，雨季砷、铅、汞、氟化物、铁、氯化物、溶解性总固体、pH值、锰和氨氮等10项指标的质量浓度均值均达到Ⅲ类或以上级别的水质标准，仅耗氧量的质量浓度均值超过Ⅲ类。旱季11项指标的质量浓度均值均达到Ⅲ类或以上级别的水质标准。

(a) 雨季

表2 水质浓度特征值 mg/L

3.2 改进的灰色关联法评价结果

基于改进的灰色关联法对流溪河流域28个采样点19项指标的监测数据进行评价(见表3)。总体来看，研究区地下水质量综合评价结果较好，采集的56个水样中有44个水样属于Ⅰ类，占79%；12个水样属于Ⅱ类，占21%；无Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类水样。

表3 改进的灰色关联法评价结果统计

从时间变化特征来看，雨季28个水样中，Ⅰ类水样占82%，Ⅱ类水样占18%；旱季28个水样中，Ⅰ类水样占75%，Ⅱ类水样占25%。这表明研究区雨季和旱季的地下水质量均较好，雨季的地下水质量优于旱季。从垂向变化特征来看，18个松散岩类孔隙水水样中，Ⅰ类水样占61%，Ⅱ类水样占39%。38个基岩裂隙水水样中，Ⅰ类水样占87%，Ⅱ类水样占13%。这表明研究区松散岩类孔隙水和基岩裂隙水的质量均较好，基岩裂隙水的质量优于松散岩类孔隙水。从水平变化特征来看，研究区中游的12个水样中，Ⅰ类水样占92%，Ⅱ类水样占8%。下游的44个水样中，Ⅰ类水样占75%，Ⅱ类水样占25%。表明研究区中游和下游的地下水质量均较好，中游的地下水质量优于下游。

3.3 单因子评价法评价结果

单因子评价法是《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)推荐的地下水质量综合评价方法，按单指标评价结果最差的类别确定。采用单因子评价法对56个水样进行评价(见表4)。总体来看，研究区地下水质量较差，无Ⅰ类和Ⅱ类水，14个水样属于Ⅲ类，占25%；29个水样属于Ⅳ类，占52%；13个水样属于Ⅴ类，占23%。 从时间变化特征来看，雨季Ⅰ～Ⅲ类采样点占18%，Ⅳ～Ⅴ类采样点占82%；旱季Ⅰ～Ⅲ类采样点占32%，Ⅳ～Ⅴ类采样点占68%。这表明研究区雨季和旱季的地下水质量均较差，旱季的地下水质量优于雨季。从垂向变化特征来看，松散岩类孔隙水水样中，Ⅰ～Ⅲ类水样占39%，Ⅳ～Ⅴ类水样占61%。基岩裂隙水水样中Ⅰ～Ⅲ类水样占18%，Ⅳ～Ⅴ类水样占82%。这表明研究区松散岩类孔隙水和基岩裂隙水的质量均较差，松散岩类孔隙水的质量优于基岩裂隙水。从水平变化特征来看，研究区中游的12个水样中，Ⅰ～Ⅲ类水样占17%，Ⅳ～Ⅴ类水样占83%。下游的44个水样中，Ⅰ～Ⅲ类水样占27%，Ⅳ～Ⅴ类水样占73%。这表明研究区中游和下游的地下水质量均较差，下游的地下水质量优于中游。

表4 单因子评价结果统计

3.4 讨论与分析

总体而言，改进的灰色关联法评价结果与单因子评价法评价结果差别较大。灰色关联法评价结果显示，流溪河流域地下水质量较好，Ⅰ—Ⅲ类水占100%，无Ⅳ类和Ⅴ类水。单因子评价法评价结果显示，流溪河流域地下水质量较差，Ⅰ—Ⅲ类水占25%，Ⅳ—Ⅴ类水占75%。且根据两种评价方法得到的研究区地下水质量的时间变化特征、垂向变化特征和水平变化特征均完全相反。就时间变化特征来看，改进的灰色关联法评价结果显示，研究区雨季和旱季的地下水质量均较好，雨季的地下水质量优于旱季。单因子评价法评价结果显示，研究区雨季和旱季的地下水质量均较差，旱季的地下水质量优于雨季。就垂向变化特征来看，灰色关联法评价结果显示，研究区松散岩类孔隙水和基岩裂隙水的质量均较好，基岩裂隙水的质量优于松散岩类孔隙水。单因子评价法评价结果显示，研究区松散岩类孔隙水和基岩裂隙水的质量均较差，松散岩类孔隙水的质量优于基岩裂隙水。就水平变化特征来看，灰色关联法评价结果显示，研究区中游和下游的地下水质量均较好，中游的地下水质量优于下游。单因子评价法评价结果显示，研究区中游和下游的地下水质量均较差，下游的地下水质量优于中游。

结合研究区单项指标评价情况，可以发现单因子评价法得到的地下水质量变化特征与一些主要超标指标的变化特征一致。这是因为，单因子评价法较为严苛，只考虑了监测指标中污染状况最严重的因子对综合评价结果的影响，弱化了其他评价因子对水质的影响，使相同类别的水体无法进行比较。而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，因此综合评价结果好于单因子评价法。就流溪河流域地下水的实际情况而言，大部分水样的大部分指标均达到Ⅲ类或以上级别，水质总体是偏好的，显然利用改进的灰色关联法计算得到的地下水综合质量更能反映研究区地下水的整体情况。

4 结语

基于改进的灰色关联法评价了流溪河流域2018年的地下水水质数据，结果显示流溪河流域的地下水质量总体较好。与单因子评价法相比，改进的灰色关联法的评价结果更符合实际。结果可为流溪河流域的地下水质量评价工作提供参考。