廣花盆地淺層地下水環(huán)境質量評價

龐 園，李志威，曾 慧，張明珠

(廣州市水務科學研究所，廣州 510220)

廣花盆地是廣州市唯一的地下水應急水源區(qū)[1]，地下水資源豐富[2]，其地下水質量的好壞是制定廣花盆地地下水開發(fā)利用和保護政策的重要依據(jù)。因此，正確評價廣花盆地的地下水水質具有重要意義。地下水質量評價的方法較多，目前常用的主要有單項組分法、綜合要素法、層次分析法[5,8]、主成分分析法、灰色關聯(lián)法、模糊評價法[9,12]、集對分析法[10]、BP人工神經網絡法[4]、物元分析法、單因子評價法等。不同水質評價方法所得的評價結果有一定的差別，在實際應用中應根據(jù)具體的監(jiān)測要求和評價目的選擇合適的評價方法，使評價結果滿足管理需要，反映水體的實際情況[14]。前人分別采用單項組分法、綜合要素法和主成分分析法對廣花盆地地下水的水質進行了評價，結果表明部分指標已超過了國家《地下水質量標準》(GB/T14848-93)的三類標準限值，地下水綜合水質有良好、較差和極差3個級別[2,3]。這幾種方法各有優(yōu)劣，其中單項組分法是根據(jù)水環(huán)境質量標準中規(guī)定的指標限值或本底值與監(jiān)測值比較，評價其超標程度，相對較容易，但無法評判水體的整體質量好壞[13]。綜合要素法和主成分分析法則是考慮水體中所有指標的綜合作用，確定水質的綜合級別。但綜合要素法易受最大濃度污染因子的影響，會造成結果不夠合理。主成分分析法在使用前必須保證提取的前幾個主成分的累計貢獻率達到一個較高的水平，且在降維過程中會損失一部分原始信息。為了更加全面的展現(xiàn)廣花盆地的地下水質量，本文采用灰色關聯(lián)法分別對廣花盆地2016年雨季和旱季的地下水水質進行了評價，并基于地下水實際狀況與綜合要素法評價結果進行了比較，旨在為廣州市地下水質量評價提供一種客觀、準確和有效的參照方法。

1 研究區(qū)概況

廣花盆地位于廣州市花都區(qū)和白云區(qū)境內，地理坐標為北緯23°00′～23°30′，東經112°57′～113°26′，面積約858 km2。廣花盆地地處南亞熱帶，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。區(qū)內水系發(fā)育，較大的河流有流溪河、白坭河、新街水、天馬河、官窯水等。廣花盆地地勢大致為北部高、南部低，地貌類型有丘陵、臺地和平原等，以平原為主，臺地和丘陵次之。基巖山區(qū)及丘陵臺地的地下水主要接受大氣降雨的入滲補給，山塘、水庫及渠道等對其入滲補給的規(guī)模較小。平原區(qū)地下水的補給來源較為豐富，除主要接受大氣降雨的入滲補給外，還接受地表河流及灌溉的入滲、渠道滲流、基巖山區(qū)及丘陵臺地地下水的側向補給等。區(qū)內地下水以松散巖類孔隙水、巖溶水和基巖裂隙水為主，松散巖類孔隙水廣泛分布于廣花盆地平原、山間谷地及山前地帶；基巖裂隙水廣泛分布于低山、丘陵及臺地；巖溶水呈北東-南西向條帶狀展布于廣花盆地中，以覆蓋型巖溶水分布為主。廣花盆地地下水水位動態(tài)變化主要受大氣降雨影響，地下水水位變化受開發(fā)利用的干擾較少，水位變化主要隨降雨量的增減而升降，并具明顯的季節(jié)性[3]。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

本次研究共布設采樣點80個(見圖1)，其中松散巖類孔隙水采樣點28個，井深范圍0～10 m；基巖裂隙水采樣點20個，井深范圍34～95 m；巖溶水采樣點32個，井深范圍23～100 m。所有采樣點的水位均隨降雨增減而升降，具有明顯的季節(jié)性特征，均屬淺層地下水。分別于2016年的雨季(4-9月)和旱季(10月-次年3月)各采樣1次，共采集水樣160組。監(jiān)測項目包括pH值、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氰化物、砷、汞、鉻(六價)、總硬度、鉛、氟化物、鎘、溶解性總固體、高錳酸鹽指數(shù)、硫酸鹽、氯化物、鐵和錳共18項，所有項目的檢驗方法均按《生活飲用水標準檢驗法》(GB5750-2006)[15]執(zhí)行。

圖1 廣花盆地地下水采樣點分布圖Fig.1 Distribution map of groundwater monitoring well in Guanghua basin

2.2 評價方法

灰色關聯(lián)法把水質狀態(tài)看作灰色變量，把水質級別作為一個灰類，考慮了水質分級界線的不確定性，可以避免分級臨界值附近的實測濃度值或綜合污染指數(shù)的微小變化可能導致的評價結果級別歸屬的改變[16]。其基本步驟如下[17]。

步驟1：確定參考數(shù)列和比較數(shù)列。

設Xj為參考數(shù)列(水質數(shù)據(jù))；Xi為比較序列(水質標準),本文采用《地下水質量標準》(GB/T14848-93)的水質等級劃分標準。

Xj=xj(k)k=1,2,…,n

(1)

Xj=xi(k) (k=1,2,…,n;i=1,2,…,m)

(2)

式中：k為參與評價的指標；j為參與評價的斷面；i為水質標準的水質級別。

步驟2：無量綱化處理。

由于水質標準中各個指標的量級不同，必須在關聯(lián)分析之前進行數(shù)據(jù)的無量綱化處理，常用的方法有極小化處理、極差化處理、均值化處理、中心化處理等[16]。本文采用極小化處理法：

(3)

(4)

步驟3：求關聯(lián)系數(shù)。

參考數(shù)列(水質數(shù)據(jù))Xj與比較序列(水質標準)Xi在第k點(指標k)的關聯(lián)系數(shù)為：

(5)

式中：Δji(k)為數(shù)列Xj與數(shù)列Xi在第k點的絕對差；ρ為分辨系數(shù)，ρ越小，分辨力越大，本文取0.5。

由于評價標準組成的比較序列并非一具體數(shù)值，而是一個區(qū)間，故定義yi(k)=ai(k),bi(k)[ai(k)和bi(k)為指標k第i個級別的上限和下限]，則：

(6)

步驟4：求關聯(lián)度。

綜合k=1,2,…,n的所有關聯(lián)系數(shù)，可分別得到不同水質級別的關聯(lián)度，則關聯(lián)度為：

(7)

式中：Cj(k)為第j個斷面中第k項評價因子的權重，本文認為各評價因子所占權重相同。

步驟5：比較灰關聯(lián)度大小，確定斷面水質級別。

比較各關聯(lián)度的大小，關聯(lián)度越大說明兩者越接近。最大的關聯(lián)度對應的比較數(shù)列(水質標準)即為所評價的水質所屬等級。

3 結果與分析

3.1 灰色關聯(lián)法評價結果

基于上述灰色關聯(lián)法計算方法，對廣花盆地80個采樣點18項指標的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了評價，結果表明2016年雨季80個采樣點中有47個采樣點的水質屬于Ⅰ類，33個采樣點的水質屬于Ⅱ類，無Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類水；旱季80個采樣點中有58個采樣點的水質屬于Ⅰ類，22個采樣點的水質屬于Ⅱ類，無Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類水。這表明廣花盆地淺層地下水在雨季和旱季的質量均較好，但在旱季更優(yōu)。

由圖2可知，在雨季，松散巖類孔隙水和巖溶水中屬于Ⅰ類和Ⅱ類的采樣點數(shù)量基本相同，各占50%左右。而基巖裂隙水中屬于Ⅰ類的采樣點有15個，屬于Ⅱ類的采樣點有5個，Ⅰ類采樣點的數(shù)量是Ⅱ類采樣點的3倍。這表明雨季基巖裂隙水的綜合水質優(yōu)于松散巖類孔隙水和巖溶水。在旱季，三類地下水中屬于Ⅰ類的采樣點數(shù)量均多于Ⅱ類采樣點，Ⅰ類采樣點的數(shù)量分別是Ⅱ類采樣點的2.5倍、2.6倍和3倍。這表明旱季三類地下水的綜合水質極為接近。對于雨季和旱季的地下水綜合水質，可知松散巖類孔隙水和巖溶水在旱季的綜合水質更優(yōu)，基巖裂隙水在雨季和旱季的綜合水質基本一致。

圖2 灰色關聯(lián)法評價結果Fig.2 Evaluation result of the grey correlation method

由圖3可知，雨季廣花盆地靠花都區(qū)一側有33個采樣點的綜合水質屬于Ⅰ類，17個采樣點的綜合水質屬于Ⅱ類，分別占花都區(qū)總采樣點的66%和34%；靠白云區(qū)一側有14個采樣點的綜合水質屬于Ⅰ類，16個采樣點的綜合水質屬于Ⅱ類，分別占白云區(qū)采樣點的47%和53%；這表明雨季廣花盆地靠花都區(qū)一側的地下水質量更優(yōu)。旱季廣花盆地靠花都區(qū)一側有41個采樣點的綜合水質屬于Ⅰ類，9個采樣點的綜合水質屬于Ⅱ類，分別占花都區(qū)的82%和18%；靠白云區(qū)一側有17個采樣點的綜合水質屬于Ⅰ類，13個采樣點的綜合水質屬于Ⅱ類，分別占白云區(qū)采樣點的57%和43%；這表明旱季廣花盆地靠花都區(qū)一側的地下水質量更優(yōu)。對比雨季和旱季的地下水水質，可知花都區(qū)旱季的綜合水質更優(yōu)，白云區(qū)雨季的綜合水質更優(yōu)。

圖3 廣花盆地地下水質量等級空間分布Fig.3 Spatial distribution of groundwater quality assessment in Guanghua basin

3.2 灰色關聯(lián)法與綜合要素法的評價結果對比

3.2.1 實際水質狀況

根據(jù)《地下水質量標準》(GB/T14848-93)的地下水質量分級劃分標準，采用單項組分法對廣花盆地雨季和旱季的地下水水質進行評價，結果見圖4。由評價結果可知，雨季18項指標中，氰化物、汞、六價鉻和氯化物4項指標的水質類別均在Ⅱ類及以上，其余指標在Ⅱ類及以上的采樣點占比分別為88%、13%、79%、69%、96%、98%、96%、98%、0%、94%、73%、99%、91%、80%；另外總硬度、鉛、鎘、溶解性總固體和硫酸鹽5項指標的水質類別均在Ⅲ類及以上，其余指標在Ⅲ類及以上的采樣點占比分別為88%、69%、95%、75%、99%、98%、83%、93%、86%。旱季18項指標中，氰化物、汞、六價鉻和硫酸鹽4項指標的水質類別均在Ⅱ類及以上，其余指標在Ⅱ類及以上的采樣點占比分別為95%、19%、83%、70%、90%、98%、99%、96%、0%、91%、76%、98%、90%、79%；另外砷、總硬度、鉛、鎘和溶解性總固體5項指標的水質類別均在Ⅲ類及以上，其余指標在Ⅲ類及以上的采樣點占比分別為95%、68%、95%、78%、96%、86%、98%、93%、83%。由此可見，雨季和旱季大部分采樣點的大部分指標均屬于Ⅰ類或Ⅱ類。

對各指標的濃度特征值進行統(tǒng)計，結果見表1。由表1可知，無論雨季還是旱季，pH值、硝酸鹽氮、氰化物、砷、汞、六價鉻、總硬度、鉛、氟化物、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物和鐵13項指標的平均濃度均屬Ⅱ類或以上級別。另外，由于鎘的檢測限值為0.004 mg/L，大于Ⅱ類標準限值0.001 mg/L，其水質類別均屬Ⅲ類。高錳酸鹽指數(shù)的平均濃度在旱季時可達到Ⅱ類以上。僅氨氮、亞硝酸鹽氮和錳的平均濃度在雨季和旱季均超出Ⅱ類。

圖4 單項組分法評價結果Fig.4 Evaluation result of single component method

表1 水質濃度特征值Tab.1 Characteristic value of water concentration

3.2.2 綜合要素法評價結果

采用綜合要素法對廣花盆地80個采樣點的水質進行評價，根據(jù)評價結果可知，廣花盆地雨季無水質優(yōu)良或較好的采樣點，水質良好的采樣點37個，水質較差或極差的采樣點共43個，占總采樣數(shù)的54%；旱季無水質優(yōu)良或較好的采樣點，水質良好的采樣點37個，水質較差或極差的采樣點共43個，占總采樣數(shù)的54%。分析結果表明，廣花盆地地下水在雨季和旱季的綜合水質極為接近，地下水質量總體較差。

由表2可知，就各類地下水來看，松散巖類孔隙水中，雨季和旱季水質為良好的采樣點分別占松散巖類孔隙水采樣數(shù)的50%和57%；巖溶水中，雨季和旱季水質為良好的采樣點分別占巖溶水采樣數(shù)的50%和47%；基巖裂隙水中，雨季和旱季水質為良好的采樣點分別占基巖裂隙水采樣數(shù)的35%和30%；其余采樣點的水質均屬較差或極差。這表明雨季三類地下水的綜合水質為松散巖類孔隙水=巖溶水>基巖裂隙水，旱季三類地下水的綜合水質為松散巖類孔隙水>巖溶水>基巖裂隙水；松散巖類孔隙水的綜合水質在旱季更優(yōu)，巖溶水和基巖裂隙水的綜合水質與其不同，在雨季更優(yōu)。

表2 按地下水類型的綜合要素法評價結果 個Tab.2 Evaluation result of comprehensive factor method according to the groundwater type

由表3可知，從空間分布來看，廣花盆地靠花都區(qū)一側50個采樣點在雨季和旱季均有27個采樣點的水質屬良好，占比為54%；靠白云區(qū)一側30個采樣點在雨季和旱季均有10個采樣點的水質屬良好，占比為33%。評價結果表明，花都區(qū)地下水的水質在雨季和旱季均優(yōu)于白云區(qū)，且兩個區(qū)域的地下水在雨季的水質均與在旱季的水質基本一致。

3.2.3 討論與分析

就廣花盆地地下水的整體水質而言，灰色關聯(lián)法評價結果顯示廣花盆地地下水質量較好，旱季的水質優(yōu)于雨季；綜合要素法評價結果則顯示廣花盆地地下水質量總體較差，雨季與旱季的水質極為接近。

表3 按行政區(qū)劃的綜合要素法評價結果 個Tab.3 Evaluation result of comprehensive factor method of administrative division

就各類地下水來看，灰色關聯(lián)法評價結果顯示雨季基巖裂隙水的水質優(yōu)于松散巖類孔隙水和巖溶水的水質，而綜合要素法得出的結論正好相反，基巖裂隙水的水質在三類地下水中最差。旱季的水質評價結果也不相同，灰色關聯(lián)法的結論是旱季三類地下水的水質極為接近，綜合要素法的結論則是松散巖類孔隙水>巖溶水>基巖裂隙水，三類地下水的水質存在差別。在對比三類地下水在不同季節(jié)的水質時，兩種方法的結論也有所不同，灰色關聯(lián)法的結論是松散巖類孔隙水和巖溶水的水質在旱季更優(yōu)，基巖裂隙水的水質沒有變化，綜合要素法的結論是松散巖類孔隙水的水質在旱季更優(yōu)，巖溶水和基巖裂隙水的水質在雨季更優(yōu)。

就地下水質量的空間分布來看，灰色關聯(lián)法的結論是雨季和旱季花都區(qū)一側的地下水質量均優(yōu)于白云區(qū)，這一結論與綜合要素法的評價結果相同。對比兩個區(qū)域在雨季和旱季的水質，灰色關聯(lián)法的結論是花都區(qū)地下水的水質在旱季更優(yōu)，白云區(qū)地下水的水質在雨季更優(yōu)，而綜合要素法的結論則是兩個區(qū)域的地下水水質未隨季節(jié)變化。

對比兩種方法的評價結果，可以發(fā)現(xiàn)二者得出的結論存較大差異甚至完全相反，其原因主要是因為兩種方法的原理不同。綜合要素法方法簡單方便，但偏于突出最大污染因子，當某種污染物的單項組分評價分值Fi較高時，會使該監(jiān)測點的綜合評分值偏高。灰色關聯(lián)法注意到水質分級界限的模糊性，采用可變的權重，結果可信度高，但有可能掩蓋部分超標因子對評價結果的影響。就廣花盆地地下水的實際情況而言，雨季和旱季大部分采樣點的大部分指標均屬于Ⅰ類或Ⅱ類，水質總體是偏好的，顯然灰色關聯(lián)法在研究區(qū)的評價結果更為合理。

4 結 語

基于灰色關聯(lián)法評價了廣花盆地淺層地下水2016年的質量，結果顯示廣花盆地淺層地下水的質量總體較好，且隨時間及空間的變化而變化。與綜合要素法相比，灰色關聯(lián)法評價結果更符合實際。結果可為廣州市開展地下水保護與開發(fā)利用提供參考。