不同評價方法在地下水源水質評價中的應用
——以天津市為例

趙興華，李澤利，賈冰瑩，王亞舒，肖傳寧，高鍇，梅鵬蔚，張震*

（1.天津市生態環境監測中心，天津 300191；2.天津天濱瑞成環境技術工程有限公司，天津 300191；3.南開大學環境科學與工程學院，天津 300071；4.天津市勘察設計院集團有限公司，天津 300191）

地下水是水資源的重要組成部分，地下水環境質量的優劣直接關系到城市的環境保護、經濟建設和居民生活等一系列問題[1]。地下水質量是水巖作用和人類活動雙重動力的結果[2]，所以地下水質量是自然因素和人為因素的集合表現。開展地下水環境質量評價意義在于掌握地下水污染現狀、成因、范圍和程度，系統地對水文地質問題作出定量評價和描述。

地下水環境是一個復雜系統，存在許多不確定性因素，在水質評價中，評價指標和評價方法的合理選擇對地下水質評價結果具有至關重要的作用[3-4]。目前地下水水質評價方法較多，各種評價方法各有特點。按照水質級別的確定原則，可分為確定性方法和不確定性方法：確定性方法有單因子評價法、綜合指數法、分級評分法等，其特點是原理清晰，計算簡便，但評價結果偏于概況，如單因子評價方法操作較為簡單，是各種綜合評價方法的根本，使用最為廣泛，但僅反映最差因子狀況；不確定性方法有主成分分析法、模糊評價法、灰色理論法等，其分析過程結合數學理論和計算機技術，可進行大量運算并處理較復雜問題，評價結果更加真實客觀，但因理論復雜，適用性較差，如主成分分析法計算過程繁瑣，需進行數據統計分析，但其能根據評價因子貢獻率進行賦值，避免了主觀性[5]，然而不太適用于時間尺度比較。

天津市在開展地下水源保護工作中，提出了水質指標賦值法的評價方法，該方法不僅可以評估單指標對評價結果的影響，同時考慮區域地質條件對地下水的潛在影響，以保證評價結果更符合地下水水質實際情況。為了更為客觀、科學地反映水體水質狀況，通常將幾種方法相結合來對水體水質進行評價。本研究通過在天津市地下水水源地設置監測點，全面監測水源地水質因子，分別采用單因子評價法、主成分分析法和水質指標賦值法[6-7]對地下水源水質進行評價和比較，旨在為天津市農村地下水源水質管理工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

天津地處華北平原北部，東臨渤海、北依燕山，位于海河下游，原為海洋，4 000多年前在黃河泥沙作用下形成沖積平原，之后因運河而興。根據天津市水務局統計結果，天津市共有205 個地下水型水源，主要分布于北辰區、武清區、靜海區、寧河區和薊州區，根據地下水源埋藏條件，除薊州區水源為孔隙水外，其余各區水源均為深層承壓水。地下水源每年總取水量為3 035.8 萬t，總服務人口為104.9 萬，占天津市總人口的7%（表1）。

表1 天津市地下水源基本信息Table 1 Basic information of groundwater drinking water sources in Tianjin

1.2 采樣點設置

根據水源地在用情況，共設置202 個采樣點。原則上每個水源地設置1 個監測點，對于存在多口井的水源，優先選擇取水量較大的水井作為監測點，各采樣點具體位置分布情況見圖1。

圖1 采樣點位示意圖Figure 1 Sketchmap of the sampling sites

1.3 監測指標

本研究于2018年每半年（豐水期、枯水期）對各水源地依據《地下水環境監測技術規范》（HJ/T 164—2004）[8]采集水樣，分析指標為色、pH、溶解性總固體、總硬度、硫酸鹽、氯化物、耗氧量、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮、氟化物、氰化物、揮發酚、銅、鋅、六價鉻、汞、砷、硒、鎘、鉛、鈉和菌落總數等23項。各指標分析方法詳見《生活飲用水標準檢驗方法》（GB/T 5750.4～12—2006）。

1.4 評價方法

1.4.1 單因子評價法

單因子評價法是指所評價污染物實測值與水環境質量標準值的比值，采用單因子評價法可直觀地篩選出水環境中超標污染物，并顯示超標污染物的超標倍數[9]。其表達式為：

式中：Ii為污染因子i的評分值；Ci為污染因子i的實測值，mg·L-1；C0為《地下水質量標準》（GB/T 14848—2017）中Ⅲ類水質標準限值，mg·L-1。

1.4.2 主成分分析法

主成分分析法是利用降維法，在眾多指標中篩選出最能代表完整信息的指標，且所含的信息互不重復的一種方法。這種方法既可以保留原始數據的主要信息，又使得各指標之間彼此不相關。而與原始變量相比，綜合指標可以在研究復雜的環境問題時更容易抓住主要矛盾，目前，主成分分析法已經廣泛應用于評價指標的選擇及環境質量評價研究中[10]。

1.4.3 水質指標賦值法

水質指標賦值法即通過對不同水質指標賦予一定分值進行評價。該方法綜合考慮區域地下水水質狀況[11]、天津市區域地質特點[12]以及專家評分結果，對地下水水質指標進行分類，并賦予一定分值。最終將地下水水質指標分為三類：第一類為原生指標，即受地質因素影響指標；第二類為一般指標，即通過預處理工藝可消除的指標；第三類為污染指標，即重金屬指標、毒理學指標、有機污染指標或其他可能受人為因素影響的指標等。在計算過程中，首先根據《地下水質量標準》（GB/T 14848—2017）中Ⅲ類水質標準限值，采用單因子評價法確定超標指標，若所有指標均達標，賦值100，其次根據超標指標所屬分類分別對水源水質狀況進行賦分，若存在2類或以上指標超標，原則上取最低賦分值。指標分類及賦分情況見表2。

表2 水質指標分類與賦分Table 2 Water quality index classification and scores

1.4.4 數據分析處理

單因子評價、水質指標賦值等采用Excel 軟件計算，主成分分析在SPSS軟件中進行。

2 結果與分析

2.1 單因子評價分析

依據單因子水質評價結果，天津市地下水源主要超標指標有9 項，分別為氟化物、pH、鈉、菌落總數、色、氯化物、耗氧量、硝酸鹽氮和硫酸鹽。不同區域之間超標情況有所差異，寧河區、武清區、北辰區、靜海區和薊州區超標指標數量分別為3、5、5、6 項和3 項（表3）。根據達標率排名，先后順序依次為薊州區、寧河區、武清區、靜海區和北辰區。

表3 單因子評價結果及達標率排名Table 3 The result of single factor assessment and district ranking

2.2 主成分分析

天津市202 個地下水源的監測結果如表4 所示，其中未列舉出的氰化物和揮發酚等2 項指標均未檢出。由表4 可知，根據主成分分析的前提條件，選擇pH、總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、耗氧量、鈉、氟化物、色、菌落總數和硝酸鹽氮等11 項指標，采用其年均值進行主成分分析。

表4 地下水源水質指標統計Table 4 Statistics of groundwater sources quality indexes

首先，對202個地下水源的11項指標進行分析評價，在SPSS中將原始數據進行標準化，得到標準化的檢測數據表，據此求得相關的數據矩陣（表5）。

表5 標準化數據的相關系數（r）矩陣Table 5 The correlation coefficient（r）matrix of the standardized data

其次，利用選出的11 項指標在SPSS 中求解主成分分析的荷載值、特征值及貢獻率等。KMO 檢驗值為0.679>0.6，說明適合進行主成分分析[13]，其分析結果如表6 所示。所選的11 項指標累計貢獻率達80.059%，說明4 個主成分基本包含了原始數據提供的信息總量。根據表6 主成分載荷值結果：pH、總硬度、鈉、氟化物和硝酸鹽氮等5 項指標與主成分一（PC1）有較高相關性，溶解性總固體、硫酸鹽和氯化物等3 項指標與主成分二（PC2）有較高相關性，與主成分一、主成分二有較高相關性的指標主要為部分無機物指標或溶解性離子，其累計貢獻率為51.793%；色和耗氧量2 項指標與主成分三（PC3）有較高相關性，為物理指標和有機物指標，其貢獻率為18.236%；菌落總數與主成分四（PC4）有較高相關性，為生物性指標，其貢獻率為10.031%。

表6 主成分荷載值、特征值、貢獻率及累計貢獻率Table 6 Load values，characteristic values，contribution rate and cumulative contribution rate of principal component

最后，根據求解出的主成分荷載值、特征值及標準化后的監測數據，得出主成分表達式（2）～（5）及綜合評價函數表達式（6），最終求得各地下水源的主成分得分（Fi）和綜合得分（F），見表7。

式中：x1～x11依次為表5中所列舉指標。

由表7 看出，靜海區綜合得分最高，水質最差，其次為武清區。由各主成分得分結果可以看出，靜海區F1和F2得分較高，說明該區域水質受一些無機物指標或溶解性離子指標影響較大。武清區F3得分較高，說明該區域水質受物理指標和有機物指標影響較大，上述結果與該區域實際情況（表3中超標率）較為相符。

表7 地下水源水質主成分分析法綜合評價結果Table 7 The comprehensive evaluation results of groundwater sources by principal component analysis

2.3 水質指標賦值法

根據表2 中水質指標分類及賦分結果，對各地下水源進行評分，評分越高，水質越好。由表8 可以看出，評分結果由高到低依次為寧河區>薊州區>靜海區>北辰區>武清區，其中寧河區和薊州區評分分值較高，說明該區域總體水質較好，靜海區評分分值居中，武清區和北辰區評分結果較低，說明該區域總體水質較差。

表8 地下水源水質指標賦值法評價結果Table 8 The evaluation results of groundwater sources by index valuation

3 討論

通過以上3種評價方法對天津市地下水源水質進行分析，比較和總結了其各自的優缺點和適用條件。

單因子評價法較為簡單，操作性強，能夠快速確定地下水源超標指標，對于單個指標有較好的評價意義，但若對全部指標進行單因子評價，則評價結果過于保守[14]，因此在實際工作中，如何合理選擇評價指標對水質進行科學評價，仍是亟待解決的難題。天津市地質特點為中部區域地帶地下承壓水氟含量本底值高[12]，使得北辰區因受氟化物指標影響，水源達標率最低。若直接用于水質評價管理，則顯得過于保守。因此單因子評價法更適用于評價易受外界環境影響且波動幅度較大的指標。

主成分分析法可以在保留絕大部分信息的情況下用少數幾個綜合指標代替原指標進行分析。本研究案例中，主成分分析法將11個水質指標簡化為4個主成分，解釋了80.059%的結果，可以較為客觀反映地下水源水質的基本情況。同時各主成分的權數為其貢獻率，這樣確定權數較為客觀、合理，克服了某些評價方法中人為確定權數的缺陷。但其僅適用于評價大范圍數據，難以對少量或單組數據進行評價，且無法確定水質類別，不能單獨應用在水質評價管理中。

水質指標賦值法在應用于地下水評價時，能夠綜合考慮地質因素影響及每個指標對結果的影響，可以實現定性判斷，同時強調了污染指標對結果的影響，弱化了本底指標的影響程度，使得評價結果更符合實際情況，更適合運用于水源地保護及管理中。例如在對北辰區和靜海區水質評價中，降低了氟化物、pH、鈉等本底指標對結果的影響。但其缺點為指標分類及賦值的確定受主觀影響較大，在進行較大區域水質評價時客觀公正性較差。

3 種水質評價方法的結果顯示，水質指標賦值法具有單因子評價法的優點，能夠定性分析水質現狀，同時考慮地質因素對地下水存在的客觀影響，以賦值形式實現定量分析，評價結果更能反映水體的非客觀因素影響程度，使得評價結果具備問題導向性。同時水質指標賦值法中指標分類方法及分類結果與李文攀等[14]和王昭等[11]的研究或統計結果相似。但是水質指標賦值法受限于指標賦值，易受主觀因素的影響，因此在其應用時，建議采用主成分分析法對其結果進行驗證，保證評價結果的科學性。

4 結論

（1）單因子評價結果表明，各區地下水源水質達標率排名先后順序依次為薊州區、寧河區、武清區、靜海區和北辰區；主成分分析綜合評價結果顯示，各區地下水源水質由好到差依次為薊州區、寧河區、北辰區、武清區和靜海區；水質指標賦值法評價結果顯示，各區地下水源水質狀況由優到劣依次為寧河區、薊州區、靜海區、北辰區和武清區。

（2）3 種評價方法共同顯示，天津市區域之間水質超標指標有所差異，但總體而言寧河區和薊州區地下水源水質相對較好，武清區、北辰區和靜海區水質較差。

（3）單因子評價法較為簡單，操作性強，能夠快速確定地下水源超標指標，對于單個指標有較好的評價意義，但評價結果過于保守；主成分分析法可以較為客觀地反映地下水源水質的基本情況，但難以對少量或單組數據進行評價，且不能確定水質類別；水質指標賦值法具有單因子評價法的優點，同時可降低地質因素對評價結果的影響，評價結果更加具備問題導向性，但易受主觀因素的影響，需輔以其他方法對其評價結果進行驗證。

（4）地質及人為因素對地下水源水質的影響不可避免，為保障飲水安全，建議根據水質評價結果，針對水源水質特點，安裝凈水工藝設施，提升飲用水安全保障水平。