地下水环境质量评价方法研究

许传坤，翟亚男

(1.大连理工大学环境工程设计研究院有限公司，辽宁 大连 116023；2.中国冶金地质总局地球物理勘查院，河北 保定 071000)

在东北地区，很多地方将地下水作为饮用水源[1]。然而随着大量工业废水和城市垃圾的随意排放，通过降水和地表径流的过程，导致地下水污染日益严重。因此，需要科学、准确地对地下水环境质量做出评价，及时了解地下水环境状况，为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据。目前国内外地下水主要评价方法有单因子指数法、综合评价法、层次分析法以及灰色关联法等[2-4]，每种评价方法都有自己的优点和缺点，这就需要我们在应用这些方法过程中及时了解其存在的不足，并进行修正和改进。本文选取常用的几种地下水环境质量评价方法对大连市地下环境质量进行评价和分析，探讨这几种方法的适用性与优缺点，为能够及时掌握水体真实的环境质量状况提供科学的依据。

1 水质评价方法

1.1 水质单因子评价指数法

地下水环境质量评价时，对重要的水质指标可作单因子评价，其原理是将评价指标的监测结果与GB/T 14848—2017《地下水质量标准》中划分的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ类水标准值进行比较，再选取评价指标中最差的类别作为水体的水质类别，单因子评价指数计算公式如下：

Wi=Ci/C0i

式中，Wi—单因子评价指数；Ci—地下水监测项目中某一项的实测浓度值；C0i—地下水环境质量标准中规定的各类水限值的上限。Wi≤1时，说明水质较好，监测指标未超标；Wi>1时说明其已经超标[5]。

1.2 地下水综合评价法

地下水综合评价法首先根据不同评价参数的监测结果确定它们的单组分水质类别，应注意不同类别标准值相同时，按从优不从劣原则评价[6]。其次，通过选择的各个评价参数的水质类别与表1中单项组分评分标准Fi相对应，确定单项的评分值。

表1 地下水综合水质分级标准和单组分评分标准[7-8]

最后根据单项评分值，按照式(1)和(2)计算综合评分值F。

(1)

(2)

1.3 层次分析法

1.3.1建立层次结构模型

1.3.2建立不同层次结构模型的判断矩阵

目标层(A)与准则层(Bi) 的判断矩阵(A-Bi)是通过将单因子指标两两比值确定的，准则层(Bi)和方案层(C)的判断矩阵(Bi-C)是用所选监测项目的浓度与其对应的各个水质类别的标准限值的绝对值差的倒数构建的。然后计算求出判断矩阵(A-Bi) 和(Bi-C)矩阵的最大特征值λmax和特征向量[9，10]

1.3.3判断矩阵一致性及其检验用CR来表示矩阵的随机一致性，只有当CR<0.1时，构造的矩阵符合标准，否则重新构建矩阵。按照式(3)—(4)计算CR。矩阵的RI见表2。

表2 平均随即一致性指标(RI)

CR=CI/RI

(3)

(4)

1.3.4层次总排序

评价地下水环境质量时，即为求各水质类别在各对应的评价因子要求下相对于目标层水环境质量的排序[11]。设准则层(B)的各项监测指标层次权重分别为b1，b2，…bm，由表3计算层次的总权重值及总排序。

表3 层次总排序表

1.4 灰色关联分析法

1.4.1样本矩阵和参考矩阵的选择

假设监测断面的数量有m，则可以建立样本矩阵

Pm×n={Xi(a)}

(5)

式中，a—监测指标，i—表监测断面。

参考矩阵

S={Sj(a)}

(6)

使用水环境质量分级标准中各评价因子的标准值。

式中，j—水环境质量级别。

按GB/T 14848—93中地下水环境质量分类分级标准，分为5类[12-13]。

1.4.2评价指标无量纲处理

本文选择的灰色关联分析法采用分段线性变换的方法进行评价指标无量纲化处理，将各级指标实测数据和各级标准归一化到[0，1]范围内[14-15]。针对监测指标值越大，污染越严重的相关监测指标可采用下列变化方法：

样本矩阵各元素归一化公式：

(7)

参考矩阵各元素归一化公式：

(8)

1.4.3关联系数的确定

关联系数ξi(a)，即无量纲处理后的样本矩阵与参考矩阵的的关联系数，可以通过如下公式计算：

(9)

式中，Δi(a)—绝对差；ρ—分辨系数，一般取0.5。

1.4.4关联度的确定

本文采用的灰色关联度分析法在计算关联度时，对其赋予了权重值，能体现特定因子对环境的影响程度。按照式(10)—(11)计算权重值ωi(k)。

(10)

(11)

式中，C(k)—各监测项目浓度值；Li(k)—各监测项目对应的各级水质类别限值的上限(对Ⅴ类水标准，则为下限)，Mi(k)为无量纲数。

确定权重值后，关联度Ri计算公式为：

(12)

最后按照关联度最大原则，最大Ri对应的水质类别即为监测断面的最终水环境质量级别。

2 结果与讨论

运用单因子指数法、综合评价法、层次分析法以及灰色关联分析法对大连市国家地下水监测井水环境质量状况进行评价。10个国家地下水监测井基本信息见表4，各个监测断面的详细监测数据见表5。

表4 国家地下水监测井基本情况

表5 大连市国家地下水监测井2018年监测结果 单位：mg/L

2.1 单因子指数法评价大连市地下水环境质量

大连市10个国家地下水监测井的单因子评价结果见表6。由表6可知，永宁和长兴岛监测断面水质类别为Ⅲ类；炮崖断面水质类别为Ⅳ类，而其断面的水质类别均为Ⅴ类。并且通过单因子评价结果发现，大连市地下水主要超标项目为铁、硝酸盐氮和氨氮。

表6 单因子评价指数法评价结果

2.2 综合评价法评价大连市地下水环境质量

根据10个国家地下水监测井监测结果以及地下水质量标准中水质分级分类限值，利用单组分评分标准(表1)、式(1)—(2)计算综合评分值F，再通过表1判定地下水环境质量级别，结果见表7。从表7中可知，永宁和长兴岛监测断面水质级别为较好；炮崖断面级别为较差，其余8个断面均为极差级别。

表7 综合评价法评价结果

2.3 层次分析法评价大连市地下水环境质量

层次分析法评价大连市10处国家地下水监测井结果见表8。从表8中可以看出，水质类别为Ⅱ类的监测断面为永宁、长兴岛以及东岗；杨家和炮崖断面为Ⅲ类水；李官断面为Ⅳ类水；其他断面水质类别为Ⅴ类。

表8 层次分析法评价结果

2.4 灰色关联分析法评价大连市地下水环境质量

本文在运用灰色关联分析法对大连市地下水环境质量状况进行评价时，对样本矩阵和参考矩阵的归一化以及关联度的计算方法进行改进，灰色关联分析法评价结果见表9。

根据表9可得，水质类别为Ⅱ类水的监测断面有永宁、炮崖和长兴岛；杨家和东岗为Ⅲ类水；得利寺、复州城为Ⅳ类水；李官、太阳、谢屯为Ⅴ类水。

表9 改进灰色关联分析法评价结果

2.5 不同水质评价方法结果比较

基于不同评价方法得到的大连市国家地下水监测井评价结果见表10。通过比较单因子指数法、综合评价法、层次分析法和灰色关联分析法四种分析方法可知：单因子指数法和综合评价法评价结果中，参与评价的10个监测断面中没有Ⅰ类和Ⅱ类水，Ⅲ类水占20.0%，Ⅳ类水占10%，Ⅴ类水占70.0%；层次分析法评价结果中，没有Ⅰ类水，Ⅱ类水占30%，Ⅲ类水占20.0%，Ⅳ类水占10%，Ⅴ类水占40.0%；灰色关联分析法评价结果中，没有Ⅰ类水，Ⅱ类水占30%，Ⅲ类水占20.0%，Ⅳ类水占20%，Ⅴ类水占30.0%。

表10 不同评价方法评价大连市地下水环境质量结果

按照水质类别劣于Ⅲ类水比较四种分析方法可知：层次分析法和灰色关联分析法的评价结果中，劣于Ⅲ类水的比例为50%，单因子法和综合评价法劣于Ⅲ类水的占比为80%，层次分析法和灰色关联分析法获得的水质类别优于另两种方法。此外，相对于另两种方法，层次分析法评价结果水质类别改变1个级别的断面占参评总断面的40%，改变2个级别占10%，改变了3个级别占10%；灰色关联分析法评价结果，水质类别改变1个级别的断面占参评总断面的40%，改变2个级别占30%。

通过比较四种评价方法可知，水质单因子评价指数能直观地说明水质是否污染或超标，计算简便，但评价结果过于保守，并且不能反映地下水环境质量的整体状况；综合评价法虽然可以反映出整体水质状况，但前提条件是需要各个评价指标之间分类分级比较分明；改进的灰色关联分析法在主要是在无量纲化过程以及计算关联度方面做了一些改进，克服了传统法的一些不足，使得评价结果能够较为客观准确，不足之处是计算过程较复杂，需要一定的灰色理论知识；层次分析法是通过建立层次结构模型之后，构造两两比较判断矩阵，将复杂问题简化为求最底层相对于最高层的权重值，该方法评价结果与灰色评价结果趋势一致，评价结果较为客观真实，具有一定参考价值。

3 结论

本文通过比较不同评价方法在大连市国家地下水监测井评价中的应用可知，层次分析法和灰色关联分析法评价结果中，水质类别劣于Ⅲ类水的比例为50%，单因子法和综合评价法水质劣于Ⅲ类水的占比为80%，层次分析法和灰色关联分析法要优于单因子法和综合评价法。不同分析方法有各自的优缺点，在对地下水环境质量进行评价时，应根据实际监测结果与评价需要，选择最优的评价方法，使评价结果更加准确可靠，从而更科学客观地反映出水体的实际情况，及时让相关部门了解地下水环境状况，为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据。