地下水環境質量評價方法研究

許傳坤，翟亞男

(1.大連理工大學環境工程設計研究院有限公司，遼寧 大連 116023；2.中國冶金地質總局地球物理勘查院，河北 保定 071000)

在東北地區，很多地方將地下水作為飲用水源[1]。然而隨著大量工業廢水和城市垃圾的隨意排放，通過降水和地表徑流的過程，導致地下水污染日益嚴重。因此，需要科學、準確地對地下水環境質量做出評價，及時了解地下水環境狀況，為地下水污染防治控制以及制定城市地下水管理措施提供必要的依據。目前國內外地下水主要評價方法有單因子指數法、綜合評價法、層次分析法以及灰色關聯法等[2-4]，每種評價方法都有自己的優點和缺點，這就需要我們在應用這些方法過程中及時了解其存在的不足，并進行修正和改進。本文選取常用的幾種地下水環境質量評價方法對大連市地下環境質量進行評價和分析，探討這幾種方法的適用性與優缺點，為能夠及時掌握水體真實的環境質量狀況提供科學的依據。

1 水質評價方法

1.1 水質單因子評價指數法

地下水環境質量評價時，對重要的水質指標可作單因子評價，其原理是將評價指標的監測結果與GB/T 14848—2017《地下水質量標準》中劃分的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ類水標準值進行比較，再選取評價指標中最差的類別作為水體的水質類別，單因子評價指數計算公式如下：

Wi=Ci/C0i

式中，Wi—單因子評價指數；Ci—地下水監測項目中某一項的實測濃度值；C0i—地下水環境質量標準中規定的各類水限值的上限。Wi≤1時，說明水質較好，監測指標未超標；Wi>1時說明其已經超標[5]。

1.2 地下水綜合評價法

地下水綜合評價法首先根據不同評價參數的監測結果確定它們的單組分水質類別，應注意不同類別標準值相同時，按從優不從劣原則評價[6]。其次，通過選擇的各個評價參數的水質類別與表1中單項組分評分標準Fi相對應，確定單項的評分值。

表1 地下水綜合水質分級標準和單組分評分標準[7-8]

最后根據單項評分值，按照式(1)和(2)計算綜合評分值F。

(1)

(2)

1.3 層次分析法

1.3.1建立層次結構模型

1.3.2建立不同層次結構模型的判斷矩陣

目標層(A)與準則層(Bi) 的判斷矩陣(A-Bi)是通過將單因子指標兩兩比值確定的，準則層(Bi)和方案層(C)的判斷矩陣(Bi-C)是用所選監測項目的濃度與其對應的各個水質類別的標準限值的絕對值差的倒數構建的。然后計算求出判斷矩陣(A-Bi) 和(Bi-C)矩陣的最大特征值λmax和特征向量[9，10]

1.3.3判斷矩陣一致性及其檢驗用CR來表示矩陣的隨機一致性，只有當CR<0.1時，構造的矩陣符合標準，否則重新構建矩陣。按照式(3)—(4)計算CR。矩陣的RI見表2。

表2 平均隨即一致性指標(RI)

CR=CI/RI

(3)

(4)

1.3.4層次總排序

評價地下水環境質量時，即為求各水質類別在各對應的評價因子要求下相對于目標層水環境質量的排序[11]。設準則層(B)的各項監測指標層次權重分別為b1，b2，…bm，由表3計算層次的總權重值及總排序。

表3 層次總排序表

1.4 灰色關聯分析法

1.4.1樣本矩陣和參考矩陣的選擇

假設監測斷面的數量有m，則可以建立樣本矩陣

Pm×n={Xi(a)}

(5)

式中，a—監測指標，i—表監測斷面。

參考矩陣

S={Sj(a)}

(6)

使用水環境質量分級標準中各評價因子的標準值。

式中，j—水環境質量級別。

按GB/T 14848—93中地下水環境質量分類分級標準，分為5類[12-13]。

1.4.2評價指標無量綱處理

本文選擇的灰色關聯分析法采用分段線性變換的方法進行評價指標無量綱化處理，將各級指標實測數據和各級標準歸一化到[0，1]范圍內[14-15]。針對監測指標值越大，污染越嚴重的相關監測指標可采用下列變化方法：

樣本矩陣各元素歸一化公式：

(7)

參考矩陣各元素歸一化公式：

(8)

1.4.3關聯系數的確定

關聯系數ξi(a)，即無量綱處理后的樣本矩陣與參考矩陣的的關聯系數，可以通過如下公式計算：

(9)

式中，Δi(a)—絕對差；ρ—分辨系數，一般取0.5。

1.4.4關聯度的確定

本文采用的灰色關聯度分析法在計算關聯度時，對其賦予了權重值，能體現特定因子對環境的影響程度。按照式(10)—(11)計算權重值ωi(k)。

(10)

(11)

式中，C(k)—各監測項目濃度值；Li(k)—各監測項目對應的各級水質類別限值的上限(對Ⅴ類水標準，則為下限)，Mi(k)為無量綱數。

確定權重值后，關聯度Ri計算公式為：

(12)

最后按照關聯度最大原則，最大Ri對應的水質類別即為監測斷面的最終水環境質量級別。

2 結果與討論

運用單因子指數法、綜合評價法、層次分析法以及灰色關聯分析法對大連市國家地下水監測井水環境質量狀況進行評價。10個國家地下水監測井基本信息見表4，各個監測斷面的詳細監測數據見表5。

表4 國家地下水監測井基本情況

表5 大連市國家地下水監測井2018年監測結果 單位：mg/L

2.1 單因子指數法評價大連市地下水環境質量

大連市10個國家地下水監測井的單因子評價結果見表6。由表6可知，永寧和長興島監測斷面水質類別為Ⅲ類；炮崖斷面水質類別為Ⅳ類，而其斷面的水質類別均為Ⅴ類。并且通過單因子評價結果發現，大連市地下水主要超標項目為鐵、硝酸鹽氮和氨氮。

表6 單因子評價指數法評價結果

2.2 綜合評價法評價大連市地下水環境質量

根據10個國家地下水監測井監測結果以及地下水質量標準中水質分級分類限值，利用單組分評分標準(表1)、式(1)—(2)計算綜合評分值F，再通過表1判定地下水環境質量級別，結果見表7。從表7中可知，永寧和長興島監測斷面水質級別為較好；炮崖斷面級別為較差，其余8個斷面均為極差級別。

表7 綜合評價法評價結果

2.3 層次分析法評價大連市地下水環境質量

層次分析法評價大連市10處國家地下水監測井結果見表8。從表8中可以看出，水質類別為Ⅱ類的監測斷面為永寧、長興島以及東崗；楊家和炮崖斷面為Ⅲ類水；李官斷面為Ⅳ類水；其他斷面水質類別為Ⅴ類。

表8 層次分析法評價結果

2.4 灰色關聯分析法評價大連市地下水環境質量

本文在運用灰色關聯分析法對大連市地下水環境質量狀況進行評價時，對樣本矩陣和參考矩陣的歸一化以及關聯度的計算方法進行改進，灰色關聯分析法評價結果見表9。

根據表9可得，水質類別為Ⅱ類水的監測斷面有永寧、炮崖和長興島；楊家和東崗為Ⅲ類水；得利寺、復州城為Ⅳ類水；李官、太陽、謝屯為Ⅴ類水。

表9 改進灰色關聯分析法評價結果

2.5 不同水質評價方法結果比較

基于不同評價方法得到的大連市國家地下水監測井評價結果見表10。通過比較單因子指數法、綜合評價法、層次分析法和灰色關聯分析法四種分析方法可知：單因子指數法和綜合評價法評價結果中，參與評價的10個監測斷面中沒有Ⅰ類和Ⅱ類水，Ⅲ類水占20.0%，Ⅳ類水占10%，Ⅴ類水占70.0%；層次分析法評價結果中，沒有Ⅰ類水，Ⅱ類水占30%，Ⅲ類水占20.0%，Ⅳ類水占10%，Ⅴ類水占40.0%；灰色關聯分析法評價結果中，沒有Ⅰ類水，Ⅱ類水占30%，Ⅲ類水占20.0%，Ⅳ類水占20%，Ⅴ類水占30.0%。

表10 不同評價方法評價大連市地下水環境質量結果

按照水質類別劣于Ⅲ類水比較四種分析方法可知：層次分析法和灰色關聯分析法的評價結果中，劣于Ⅲ類水的比例為50%，單因子法和綜合評價法劣于Ⅲ類水的占比為80%，層次分析法和灰色關聯分析法獲得的水質類別優于另兩種方法。此外，相對于另兩種方法，層次分析法評價結果水質類別改變1個級別的斷面占參評總斷面的40%，改變2個級別占10%，改變了3個級別占10%；灰色關聯分析法評價結果，水質類別改變1個級別的斷面占參評總斷面的40%，改變2個級別占30%。

通過比較四種評價方法可知，水質單因子評價指數能直觀地說明水質是否污染或超標，計算簡便，但評價結果過于保守，并且不能反映地下水環境質量的整體狀況；綜合評價法雖然可以反映出整體水質狀況，但前提條件是需要各個評價指標之間分類分級比較分明；改進的灰色關聯分析法在主要是在無量綱化過程以及計算關聯度方面做了一些改進，克服了傳統法的一些不足，使得評價結果能夠較為客觀準確，不足之處是計算過程較復雜，需要一定的灰色理論知識；層次分析法是通過建立層次結構模型之后，構造兩兩比較判斷矩陣，將復雜問題簡化為求最底層相對于最高層的權重值，該方法評價結果與灰色評價結果趨勢一致，評價結果較為客觀真實，具有一定參考價值。

3 結論

本文通過比較不同評價方法在大連市國家地下水監測井評價中的應用可知，層次分析法和灰色關聯分析法評價結果中，水質類別劣于Ⅲ類水的比例為50%，單因子法和綜合評價法水質劣于Ⅲ類水的占比為80%，層次分析法和灰色關聯分析法要優于單因子法和綜合評價法。不同分析方法有各自的優缺點，在對地下水環境質量進行評價時，應根據實際監測結果與評價需要，選擇最優的評價方法，使評價結果更加準確可靠，從而更科學客觀地反映出水體的實際情況，及時讓相關部門了解地下水環境狀況，為地下水污染防治控制以及制定城市地下水管理措施提供必要的依據。