王紅旗,秦 成,陳美陽 (北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院,北京 100875)

地下水水源地污染防治優(yōu)先性研究

王紅旗*,秦 成,陳美陽 (北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院,北京 100875)

在總結(jié)地下水水源地污染防治相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,提出了地下水水源地污染防治優(yōu)先性問題,并建立了優(yōu)先性評價(jià)的指標(biāo)體系,采用基于灰色關(guān)聯(lián)度和理想解法的綜合決策方法實(shí)現(xiàn)水源地優(yōu)先性排序.利用優(yōu)先控制指標(biāo)以及指標(biāo)與工程的對應(yīng)關(guān)系,確定了各水源地工程建設(shè)的優(yōu)先次序.應(yīng)用案例顯示,華北平原9大水源地污染防治可按I期和II期分期進(jìn)行.城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理率、工業(yè)固廢集中處置利用率、林木覆蓋率、地下水固有脆弱性 4個(gè)指標(biāo),在各水源地工程建設(shè)的優(yōu)先次序確定過程中出現(xiàn)最為頻繁,體現(xiàn)了華北平原地下水水源地普遍存在的問題.

地下水水源地；污染防治；優(yōu)先性；華北平原

目前,全球有8.84億人沒有安全的飲用水源,每年有5萬多億m3水體被污染[1].在我國,正常年份全國每年缺水量近 400億 m3,北方地區(qū)尤甚,全國農(nóng)村有2億多人飲水安全沒有保障,1/3的鄉(xiāng)鎮(zhèn)缺乏符合標(biāo)準(zhǔn)的供水設(shè)施[2].同時(shí),作為主要水源之一的地下水正在遭受越來越嚴(yán)重的污染,在全國水資源調(diào)查評價(jià)的197萬km2平原區(qū)淺層地下水中,I類和II類水質(zhì)面積僅為4.98%,III類水質(zhì)面積為 35.53%,Ⅳ類和Ⅴ類水質(zhì)面積高達(dá)59.49%[3].因此,為了遏制我國地下水污染趨勢,防治地下水水源地污染,相關(guān)的學(xué)者對地下水水源地污染防治作了相關(guān)研究,如李力爭[4]、毛媛媛等[5]對地下水水源地保護(hù)區(qū)的劃分進(jìn)行了深入研究;王紅旗等[6]、王麗紅等[7]進(jìn)行了地下水水源地脆弱性評價(jià)研究.國家對此也極度重視,制定了《全國地下水污染防治規(guī)劃》,對我國地下水污染防治起到了指導(dǎo)作用.但是目前的研究還存在以下2個(gè)問題:第一,現(xiàn)有的地下水水源地污染防治研究大多是針對某一局部范圍內(nèi)的地下水水源地開展的,沒有涉及關(guān)于地下水水源地污染防治優(yōu)先性等級劃分的研究.而關(guān)于諸如全國性的地下水水源地污染防治,如何實(shí)現(xiàn)對各水源地按時(shí)間分階段保護(hù)、制定優(yōu)先等級,是亟需解決的問題.第二,對于水源地污染防治規(guī)劃中污染防治工程的優(yōu)先性次序缺乏相應(yīng)的研究.如果遇到污染防治規(guī)劃是分階段進(jìn)行的,就不可能對任一個(gè)水源地同時(shí)采取所有的污染防治工程,而需要對防治工程進(jìn)行優(yōu)先次序的判斷.涉及優(yōu)先性的研究主要包括防災(zāi)優(yōu)先性[8-9]、交通項(xiàng)目建設(shè)優(yōu)先性[10-11]等,而目前相關(guān)方面的研究基本空白.鑒于此,作者著重研究在地下水水源地污染防治規(guī)劃過程中水源地優(yōu)先性和各水源地污染防治工程優(yōu)先性兩方面的問題.

1 地下水水源地污染防治優(yōu)先性評價(jià)方法

1.1 優(yōu)先性評價(jià)指標(biāo)體系建立

在大范圍的地下水水源地污染防治規(guī)劃過程中,由于各水源地在環(huán)境脆弱性、供水規(guī)模、生態(tài)環(huán)境、干擾程度等方面存在差異,同時(shí)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r也存在差別,因此,在進(jìn)行污染防治規(guī)劃過程中應(yīng)該根據(jù)各水源地需求的緊迫程度劃分優(yōu)先次序.劃分的前提是建立一套指標(biāo)體系.本研究通過對“水源地－社會經(jīng)濟(jì)”復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行系統(tǒng)分析,基于“壓力－狀態(tài)－響應(yīng)”(PSR)模型,建立指標(biāo)框架模型.在此基礎(chǔ)之上,將地下水水源地污染防治優(yōu)先性評價(jià)指標(biāo)體系劃分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層,如表1所示.

表1 地下水源地污染防治優(yōu)先性評價(jià)指標(biāo)體系Table 1 Evaluation index system of the priority of prevention and control of groundwater source pollution

地下水系統(tǒng)(B1)反映的是水源地地下水本身固有自然屬性,涉及地下水水質(zhì)、水量(供水角度)和脆弱性等問題.環(huán)境污染控制(B2)反映了人類活動作用對水源地所在區(qū)域污染源的控制程度,涉及各類污染物負(fù)荷及其處理率.水源生態(tài)狀況(B3)主要針對林木覆蓋率對水源補(bǔ)給的影響,以及農(nóng)藥、化肥的施用對地下水的影響,反映了水源生態(tài)系統(tǒng)的健康適宜程度.社會與經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r(B4)反映地下水補(bǔ)給區(qū)及水源地供水范圍內(nèi)的社會經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀,表征由于水源地水質(zhì)、水量威脅,對當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)造成的影響程度,也從另一個(gè)角度展現(xiàn)了社會經(jīng)濟(jì)狀況對于地下水水源地污染防治優(yōu)先性的影響.

1.2 水源地優(yōu)先性評價(jià)

水源地優(yōu)先性評價(jià)是一個(gè)多指標(biāo)決策過程,因評價(jià)指標(biāo)所需的一些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)有限,且許多數(shù)據(jù)波動較大,沒有一定的分布規(guī)律可循;再加上有定性因素與定量因素的混雜,各因素之間沒有確定的數(shù)量關(guān)系相對應(yīng).灰色系統(tǒng)理論具有所需原始數(shù)據(jù)少、原理簡單、運(yùn)算方便、易于挖掘數(shù)據(jù)規(guī)律等優(yōu)點(diǎn),在處理此類問題時(shí)就顯得游刃有余,尤其是灰色關(guān)聯(lián)分析理論更能取得令人滿意的結(jié)果.灰色關(guān)聯(lián)分析的基本思想是對數(shù)據(jù)序列幾何關(guān)系和曲線幾何形狀的相似程度進(jìn)行比較分析,以曲線間相似程度大小作為關(guān)聯(lián)程度的衡量尺度[12-13].理想解法也是一種有效的多指標(biāo)決策方法,在解決多指標(biāo)決策問題時(shí)分析的依據(jù)是數(shù)據(jù)序列之間的距離關(guān)系,以距離作為尺度能反映數(shù)據(jù)曲線之間的位置關(guān)系[14-17].鑒于灰色關(guān)聯(lián)分析和理想解法分別從形狀相似性和位置關(guān)系上反映方案與理想方案的接近程度,并同時(shí)體現(xiàn)雙基準(zhǔn)的特性,因此可將二者結(jié)合起來構(gòu)造一種反映方案逼近理想解的新尺度,作為判斷方案優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn).本研究將基于灰色關(guān)聯(lián)度和理想解法的綜合決策方法引入到地下水水源地污染防治優(yōu)先性規(guī)劃中.

1.2.1 構(gòu)建決策矩陣并標(biāo)準(zhǔn)化 將m個(gè)待評價(jià)的地下水水源地作為矩陣的行向量,將n個(gè)指標(biāo)作為矩陣的列向量,指標(biāo)值為xij(1≤i≤m,1≤j≤n),組成一個(gè)決策矩陣X=(xij)m×n.用向量歸一化方法對決策矩陣X=(xij)m×n作標(biāo)準(zhǔn)化處理,得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Y=(yij)m×n.

1.2.2 計(jì)算加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化判斷矩陣 U 將指標(biāo)權(quán)重 ωj(j=1,2,…,n)與標(biāo)準(zhǔn)化判斷矩陣相乘,得到加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化判斷矩陣U:

其中,權(quán)重ωj的確定采用層次分析法和熵權(quán)法相結(jié)合的主客觀綜合賦權(quán)方法.

1.2.3 理想解U0+和負(fù)理想解U0-的判定

其中J+為越大越優(yōu)型指標(biāo); J-為越小越優(yōu)型指標(biāo).

1.2.4 計(jì)算方案 i到理想解和負(fù)理想解之間的距離Di+、Di-及灰色關(guān)聯(lián)度Ri+、Ri-

式中: 1≤i≤m,1≤j≤n,第i個(gè)方案與理想解關(guān)于第j個(gè)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)為:

式中: ρ為分辨系數(shù),一般取值0.5.

同理可得第 i個(gè)方案與負(fù)理想方案關(guān)于第 j個(gè)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù).

1.2.5 計(jì)算方案的相對貼近度 方案的相對貼近度計(jì)算公式為:

式中: Si+,Si-為將無量綱化后的距離和關(guān)聯(lián)度合并后的值,δ1、δ2反映了決策者對位置和形狀的偏好程度.

按照貼近度的大小對方案進(jìn)行排序.

1.3 污染防治工程優(yōu)先性確定

對于已經(jīng)確定優(yōu)先性的地下水源地,各項(xiàng)保護(hù)工程、污染控制工程以及治理工程的建設(shè)也應(yīng)有針對性地進(jìn)行優(yōu)先性規(guī)劃.工程優(yōu)先性判斷在水源地優(yōu)先性評價(jià)的基礎(chǔ)上進(jìn)行,它是落實(shí)地下水水源地污染防治規(guī)劃最重要的一步.工程建設(shè)優(yōu)先性確定方法如下:計(jì)算確定 1.2中的各水源地指標(biāo)與理想解的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣;根據(jù)每個(gè)水源地的各指標(biāo)灰關(guān)聯(lián)系數(shù)的大小進(jìn)行排序;按照灰關(guān)聯(lián)排序的順序確定各地下水源地的指標(biāo)優(yōu)先次序;按照確定的指標(biāo)排序?qū)Ρ缺?確定各水源地的污染防治工程類別;最終確定各個(gè)地下水源地的工程類型與工程優(yōu)先順序.

表2 評價(jià)指標(biāo)與工程對應(yīng)表Table 2 Relationship between evaluation index and project

表2中某些指標(biāo)對應(yīng)的社會效應(yīng),無需進(jìn)行相應(yīng)工程建設(shè),其體現(xiàn)的只是地下水源地污染防治優(yōu)先性規(guī)劃中社會經(jīng)濟(jì)對于水源地的影響.

2 案例研究

華北平原是我國最大的沖積平原之一,由于城市與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展,華北平原的地下水被大量超采,使該地區(qū)地下水位每年平均下降0.5～1.0m,并導(dǎo)致一系列的生態(tài)、環(huán)境問題,諸如干旱缺水、地面下沉、海水入侵等[18].為了挽救地下水資源和修復(fù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài),急需對華北平原地下水水源地進(jìn)行科學(xué)合理規(guī)劃.本研究根據(jù)水源地日供水量＞5萬m3/d,并結(jié)合指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取的難易程度,選取北京順義第三水廠水源地G1、天津武清北水源地G2、天津薊縣城關(guān)水源地G3、保定市一畝泉水源地G4、邯鄲羊角鋪水源地G5、新鄉(xiāng)第四水廠水源地G6、濮陽中原油田基地水源地G7、聊城市東阿水源地G8及石家莊滹沱河水系地下水源地G9為研究對象.

根據(jù) 1.2節(jié)所述的方法,對各水源地污染防治進(jìn)行優(yōu)先性評價(jià),結(jié)果見表3.根據(jù)表3并按照相對貼近度Ti的大小對方案進(jìn)行排序.相對貼近度越大,方案越優(yōu)先;反之,相對貼近度越小,方案排序越靠后.根據(jù)緊迫性級別進(jìn)行規(guī)劃,分別確定出I期及II期規(guī)劃保護(hù)的地下水水源地,結(jié)果見表4、圖1.將分析出的各水源地優(yōu)先性控制指標(biāo)個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),進(jìn)行各指標(biāo)的廣泛性比較,如圖2.根據(jù)圖2,在9個(gè)水源地的評價(jià)過程中,對各水源地優(yōu)先性規(guī)劃做出貢獻(xiàn)頻次最多的幾項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)分別為:X6城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理率、X7工業(yè)固體廢物集中利用率、X9水源保護(hù)區(qū)林木覆蓋率、X4地下水固有脆弱性;由此可知,在華北平原本研究的9個(gè)水源地中,大部分水源地所在地區(qū)存在工業(yè)固廢與城鎮(zhèn)垃圾處理率偏低的情況,諸多水源地地區(qū)的林木覆蓋率也較低,在某些地區(qū),較高的地下水固有脆弱性依然是水源地進(jìn)行優(yōu)先性保護(hù)的重要依據(jù).

表3 華北平原各地下水水源地相對貼近度計(jì)算結(jié)果表Table 3 Results of relative closeness of groundwater sources in North China Plain

圖1 地下水水源地污染防治分期規(guī)劃Fig.1 Stage planning on prevention and control of groundwater source pollution

表4 地下水水源地污染防治優(yōu)先性規(guī)劃結(jié)果表Table 4 Results of priorities of prevention and control of groundwater sources pollution

根據(jù)各水源地指標(biāo)值與理想優(yōu)先性指標(biāo)值的灰關(guān)聯(lián)系數(shù),選擇關(guān)聯(lián)系數(shù)排名前4的指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到各個(gè)水源地污染優(yōu)先性控制指標(biāo),如表 5.根據(jù)表 2指標(biāo)與工程的對應(yīng)關(guān)系可得到各水源地優(yōu)先性控制指標(biāo)所對應(yīng)工程,如表5.同時(shí),

圖2 各評價(jià)指標(biāo)頻次Fig.2 Frequency of each evaluation index

表5 地下水水源地污染防治工程規(guī)劃結(jié)果表Table 5 Results of planning on projectof prevention and control of groundwater sources pollution

3 結(jié)論

3.1 提出了地下水水源地污染防治過程中需要考慮優(yōu)先性的理念,從地下水系統(tǒng)、環(huán)境污染控制、水源生態(tài)、社會經(jīng)濟(jì)等角度建立了地下水水源地污染防治優(yōu)先性評價(jià)指標(biāo)體系.形成了一套基于灰色關(guān)聯(lián)度和理想解法的優(yōu)先性判別方法,以此來判定地下水水源地污染防治的優(yōu)先次序,以及確定地下水水源地的工程類型與工程優(yōu)先順序.

3.2 華北平原9大典型地下水源地,優(yōu)先性劃分結(jié)果為:I期水源地有G1,G3,G7,G8,G9;II期水源地有 G2,G4,G5,G6.在各水源地工程建設(shè)優(yōu)先次序確定過程中,城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理率、工業(yè)固體廢物集中處置利用率、林木覆蓋率、地下水固有脆弱性這 4個(gè)指標(biāo)出現(xiàn)頻次較高,其對 9大水源地的貢獻(xiàn)較為頻繁,體現(xiàn)出華北地區(qū)地下水源地普遍存在的問題.

[1] 陳 雷.嚴(yán)格水資源管理保障可持續(xù)發(fā)展—寫在2010年世界水日和“中國水周”之際 [J]. 中國水利, 2010,(6):I0001-I0002.

[2] 汪恕誠.人與自然和諧相處—中國水資源問題及對策 [J]. 北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009,45(5/6):441-445.

[3] 薛禹群,張幼寬.地下水污染防治在我國水體污染控制與治理中的雙重意義 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2009,29(3):474-481.

[4] 李力爭.劃分地下水水源地保護(hù)區(qū)的研究 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 1995,15(5):338-341.

[5] 毛媛媛,王連生,方 瑞,等.地下水水源保護(hù)區(qū)范圍計(jì)算的 KLF法及其在徐州張集地區(qū)的應(yīng)用 [J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2006,17(6): 808-811.

[6] 王紅旗,陳美陽,李仙波.順義區(qū)地下水水源地脆弱性評價(jià) [J].環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2009,3(4):755-758.

[7] 王麗紅,王開章,李 曉,等.地下水水源地脆弱性評價(jià)研究 [J].中國農(nóng)村水利水電, 2008,(11):22-25.

[8] Bolt B A, Horn W L, Macdonald G A, et al. Geological Hazards [M]. Berlin: Springer-Verlag, 1975, 1-328.

[9] 劉希林.泥石流防災(zāi)優(yōu)先性研究 [J]. 地理科學(xué), 2001,21(2): 113-117.

[10] 金 琰.基于交通影響分析的多建設(shè)項(xiàng)目優(yōu)先次序研究 [J].鐵道工程學(xué)報(bào), 2010,27(6):10-13.

[11] 何桂平,李宇峙.公路改建和養(yǎng)護(hù)的優(yōu)先性規(guī)劃 [J]. 國外公路, 1996,16(6):43-48.

[12] 黨耀國,劉思峰,劉 斌,等.基于動態(tài)多指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)決策模型的研究 [J]. 中國工程科學(xué), 2005,7(2):69-72.

[13] 吳浩云,刁訓(xùn)娣,曾賽星.引江濟(jì)太調(diào)水經(jīng)濟(jì)效益分析—以湖州市為例 [J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2008,19(6):888-892.

[14] 王紅旗,周慶濤,王 帥,等.基于熵權(quán)的 Topsis 方法在地下水水源地污染調(diào)查優(yōu)化布點(diǎn)中的應(yīng)用 [J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào), 2008, 8(6):39-42.

[15] 陳 雷,王延章.基于熵權(quán)系數(shù)與TOPSIS集成評價(jià)決策方法的研究 [J]. 控制與決策, 2003,18(4):456-459.

[16] Jahanshahloo G R, Hosseinzadeh Lotfi F, Izadikhah M. An algorithmic method to extend TOPSIS for decision-making problems with interval data [J]. Applied Mathematics and Computation, 2006,175:13751384.

[17] Abo-Sinna M A, Amer A H. Extensions of TOPSIS for multi-objective large-scale nonlinear programming problems [J]. Applied Mathematics and Computation, 2005,162:243-256.

[18] 劉昌明.發(fā)揮南水北調(diào)的生態(tài)效益 修復(fù)華北平原地下水 [J].南水北調(diào)與水利科技, 2003,1(1):17-19.

Study on priorities of prevention and control of groundwater source pollution.

WANG Hong-qi*, QIN Cheng, CHEN Mei-yang (College of Water Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China). China Environmental Science, 2011,31(5)：876～880

Based on previous studies on prevention and control of groundwater source pollution, a concept of prevention priority for groundwater source pollution was developed. A new evaluation index system of the priority of groundwater source pollution prevention and control was proposed, and a synthetic decision method based on grey correlation analysis and TOPSIS (technique for order preference by similarity to ideal solution) was used to evaluate the priority sequence. On this basis, priority of project construction on each groundwater source by priority control index and the relation between index and project were determined.The example showed that prevention and control of groundwater source pollution in North China Plain should be realized by stages.In the process of determine the priority of project construction on each groundwater source, urban life garbage treatment rate, industrial solid waste treatment rate, forest coverage, inherent vulnerability of groundwater those four index occurs most frequently, reflecting the common problem of groundwater source in North China Plain.

groundwater source；pollution prevention and control；priority；North China Plain

X523

A

1000-6923(2011)05-0876-05

2010-09-13

環(huán)境保護(hù)部重點(diǎn)項(xiàng)目《全國地下水污染防治規(guī)劃》

* 責(zé)任作者, 教授, whongqi@126.com

王紅旗(1960-),男,浙江義烏人,教授,博士,主要從事水環(huán)境與水資源教學(xué)與研究工作.發(fā)表論文100余篇.