廣花盆地淺層地下水環(huán)境質(zhì)量評價

龐 園，李志威，曾 慧，張明珠

(廣州市水務(wù)科學(xué)研究所，廣州 510220)

廣花盆地是廣州市唯一的地下水應(yīng)急水源區(qū)[1]，地下水資源豐富[2]，其地下水質(zhì)量的好壞是制定廣花盆地地下水開發(fā)利用和保護(hù)政策的重要依據(jù)。因此，正確評價廣花盆地的地下水水質(zhì)具有重要意義。地下水質(zhì)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(guān)聯(lián)法、模糊評價法[9,12]、集對分析法[10]、BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[4]、物元分析法、單因子評價法等。不同水質(zhì)評價方法所得的評價結(jié)果有一定的差別，在實際應(yīng)用中應(yīng)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(jié)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(zhì)進(jìn)行了評價，結(jié)果表明部分指標(biāo)已超過了國家《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-93)的三類標(biāo)準(zhǔn)限值，地下水綜合水質(zhì)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(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的指標(biāo)限值或本底值與監(jiān)測值比較，評價其超標(biāo)程度，相對較容易，但無法評判水體的整體質(zhì)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(biāo)的綜合作用，確定水質(zhì)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(jié)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(xiàn)率達(dá)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(zhì)量，本文采用灰色關(guān)聯(lián)法分別對廣花盆地2016年雨季和旱季的地下水水質(zhì)進(jìn)行了評價，并基于地下水實際狀況與綜合要素法評價結(jié)果進(jìn)行了比較，旨在為廣州市地下水質(zhì)量評價提供一種客觀、準(zhǔn)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(nèi)，地理坐標(biāo)為北緯23°00′～23°30′，東經(jīng)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(nèi)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(cè)向補給等。區(qū)內(nèi)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(guān)聯(lián)法把水質(zhì)狀態(tài)看作灰色變量，把水質(zhì)級別作為一個灰類，考慮了水質(zhì)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(dǎo)致的評價結(jié)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(shè)Xj為參考數(shù)列(水質(zhì)數(shù)據(jù))；Xi為比較序列(水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)),本文采用《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-93)的水質(zhì)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)。

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(biāo)；j為參與評價的斷面；i為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)級別。

步驟2：無量綱化處理。

由于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中各個指標(biāo)的量級不同，必須在關(guān)聯(lián)分析之前進(jìn)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(guān)聯(lián)系數(shù)。

參考數(shù)列(水質(zhì)數(shù)據(jù))Xj與比較序列(水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn))Xi在第k點(指標(biāo)k)的關(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)k第i個級別的上限和下限]，則：

(6)

步驟4：求關(guān)聯(lián)度。

綜合k=1,2,…,n的所有關(guān)聯(lián)系數(shù)，可分別得到不同水質(zhì)級別的關(guān)聯(lián)度，則關(guān)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(quán)重，本文認(rèn)為各評價因子所占權(quán)重相同。

步驟5：比較灰關(guān)聯(lián)度大小，確定斷面水質(zhì)級別。

比較各關(guān)聯(lián)度的大小，關(guān)聯(lián)度越大說明兩者越接近。最大的關(guān)聯(lián)度對應(yīng)的比較數(shù)列(水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn))即為所評價的水質(zhì)所屬等級。

3 結(jié)果與分析

3.1 灰色關(guān)聯(lián)法評價結(jié)果

基于上述灰色關(guān)聯(lián)法計算方法，對廣花盆地80個采樣點18項指標(biāo)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了評價，結(jié)果表明2016年雨季80個采樣點中有47個采樣點的水質(zhì)屬于Ⅰ類，33個采樣點的水質(zhì)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(zhì)屬于Ⅰ類，22個采樣點的水質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)極為接近。對于雨季和旱季的地下水綜合水質(zhì)，可知松散巖類孔隙水和巖溶水在旱季的綜合水質(zhì)更優(yōu)，基巖裂隙水在雨季和旱季的綜合水質(zhì)基本一致。

圖2 灰色關(guān)聯(lián)法評價結(jié)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(cè)有33個采樣點的綜合水質(zhì)屬于Ⅰ類，17個采樣點的綜合水質(zhì)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(cè)有14個采樣點的綜合水質(zhì)屬于Ⅰ類，16個采樣點的綜合水質(zhì)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(cè)的地下水質(zhì)量更優(yōu)。旱季廣花盆地靠花都區(qū)一側(cè)有41個采樣點的綜合水質(zhì)屬于Ⅰ類，9個采樣點的綜合水質(zhì)屬于Ⅱ類，分別占花都區(qū)的82%和18%；靠白云區(qū)一側(cè)有17個采樣點的綜合水質(zhì)屬于Ⅰ類，13個采樣點的綜合水質(zhì)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(cè)的地下水質(zhì)量更優(yōu)。對比雨季和旱季的地下水水質(zhì)，可知花都區(qū)旱季的綜合水質(zhì)更優(yōu)，白云區(qū)雨季的綜合水質(zhì)更優(yōu)。

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

3.2 灰色關(guān)聯(lián)法與綜合要素法的評價結(jié)果對比

3.2.1 實際水質(zhì)狀況

根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-93)的地下水質(zhì)量分級劃分標(biāo)準(zhǔn)，采用單項組分法對廣花盆地雨季和旱季的地下水水質(zhì)進(jìn)行評價，結(jié)果見圖4。由評價結(jié)果可知，雨季18項指標(biāo)中，氰化物、汞、六價鉻和氯化物4項指標(biāo)的水質(zhì)類別均在Ⅱ類及以上，其余指標(biāo)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(biāo)的水質(zhì)類別均在Ⅲ類及以上，其余指標(biāo)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(biāo)中，氰化物、汞、六價鉻和硫酸鹽4項指標(biāo)的水質(zhì)類別均在Ⅱ類及以上，其余指標(biāo)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(biāo)的水質(zhì)類別均在Ⅲ類及以上，其余指標(biāo)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(biāo)均屬于Ⅰ類或Ⅱ類。

對各指標(biāo)的濃度特征值進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)限值0.001 mg/L，其水質(zhì)類別均屬Ⅲ類。高錳酸鹽指數(shù)的平均濃度在旱季時可達(dá)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(jié)果Fig.4 Evaluation result of single component method

表1 水質(zhì)濃度特征值Tab.1 Characteristic value of water concentration

3.2.2 綜合要素法評價結(jié)果

采用綜合要素法對廣花盆地80個采樣點的水質(zhì)進(jìn)行評價，根據(jù)評價結(jié)果可知，廣花盆地雨季無水質(zhì)優(yōu)良或較好的采樣點，水質(zhì)良好的采樣點37個，水質(zhì)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(zhì)優(yōu)良或較好的采樣點，水質(zhì)良好的采樣點37個，水質(zhì)較差或極差的采樣點共43個，占總采樣數(shù)的54%。分析結(jié)果表明，廣花盆地地下水在雨季和旱季的綜合水質(zhì)極為接近，地下水質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)均屬較差或極差。這表明雨季三類地下水的綜合水質(zhì)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(zhì)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(zhì)在旱季更優(yōu)，巖溶水和基巖裂隙水的綜合水質(zhì)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(jié)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(cè)50個采樣點在雨季和旱季均有27個采樣點的水質(zhì)屬良好，占比為54%；靠白云區(qū)一側(cè)30個采樣點在雨季和旱季均有10個采樣點的水質(zhì)屬良好，占比為33%。評價結(jié)果表明，花都區(qū)地下水的水質(zhì)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(zhì)均與在旱季的水質(zhì)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(zhì)而言，灰色關(guān)聯(lián)法評價結(jié)果顯示廣花盆地地下水質(zhì)量較好，旱季的水質(zhì)優(yōu)于雨季；綜合要素法評價結(jié)果則顯示廣花盆地地下水質(zhì)量總體較差，雨季與旱季的水質(zhì)極為接近。

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

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

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

對比兩種方法的評價結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)二者得出的結(jié)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(dāng)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?；疑P(guān)聯(lián)法注意到水質(zhì)分級界限的模糊性，采用可變的權(quán)重，結(jié)果可信度高，但有可能掩蓋部分超標(biāo)因子對評價結(jié)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(biāo)均屬于Ⅰ類或Ⅱ類，水質(zhì)總體是偏好的，顯然灰色關(guān)聯(lián)法在研究區(qū)的評價結(jié)果更為合理。

4 結(jié) 語

基于灰色關(guān)聯(lián)法評價了廣花盆地淺層地下水2016年的質(zhì)量，結(jié)果顯示廣花盆地淺層地下水的質(zhì)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(guān)聯(lián)法評價結(jié)果更符合實際。結(jié)果可為廣州市開展地下水保護(hù)與開發(fā)利用提供參考。