李 勍，劉喜坤，劉 勇，張雙圣

(1.江蘇省徐州市大龍湖管理處，江蘇 徐州 221018;2.江蘇省徐州市城區(qū)水資源管理處，江蘇 徐州，221018;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源學(xué)院，江蘇 徐州，221116)

張集水源地水質(zhì)評(píng)價(jià)研究

李 勍1，劉喜坤2，劉 勇3，張雙圣2

(1.江蘇省徐州市大龍湖管理處，江蘇 徐州 221018;2.江蘇省徐州市城區(qū)水資源管理處，江蘇 徐州，221018;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源學(xué)院，江蘇 徐州，221116)

分別采用基于熵權(quán)法的模糊綜合評(píng)判法和EPA健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法對(duì)徐州市張集水源地進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明:采用基于熵權(quán)法的模糊綜合評(píng)判法對(duì)水源地水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，符合Ⅰ類水質(zhì)的有9個(gè)，符合Ⅱ類水質(zhì)的有1個(gè)，水源地水質(zhì)較好;影響水源地水質(zhì)的主要污染因子是亞硝酸鹽、CODMn、氟化物、砷、硝酸鹽、六價(jià)鉻和鉛;污染物的合計(jì)危害指數(shù)呈逐年增大的趨勢(shì)，但均未超過1;針對(duì)水質(zhì)問題，應(yīng)加強(qiáng)點(diǎn)污染源的監(jiān)察力度，保證廢水達(dá)標(biāo)排放，對(duì)農(nóng)業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，減少農(nóng)藥化肥的使用。

模糊綜合評(píng)價(jià);熵權(quán)法;EPA健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià);張集水源地

張集水源地位于徐州市東南約25 km，面積約為356.41 km2，是徐州市區(qū)周圍重要的水源地之一，其水質(zhì)的優(yōu)劣對(duì)于張集水源地的開發(fā)利用及其保護(hù)規(guī)劃將產(chǎn)生重要影響。

目前水體水質(zhì)評(píng)價(jià)的方法主要有:內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)法、模糊評(píng)價(jià)法、灰色評(píng)價(jià)法、物元分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法及地理信息系統(tǒng)應(yīng)用法等［1］。其中模糊綜合評(píng)價(jià)法應(yīng)用較廣，已經(jīng)成為一種定量研究水體水質(zhì)的有效手段。模糊綜合評(píng)價(jià)法的工作重點(diǎn)是隸屬度的計(jì)算和權(quán)重的確定，其中權(quán)重是通過計(jì)算超標(biāo)比來確定［2］，此法不僅工作量大，而且缺少對(duì)多個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象之間的相互聯(lián)系的描述［3］，因此本文選取基于熵權(quán)法的模糊綜合評(píng)價(jià)。同時(shí)為直接反映水體水質(zhì)對(duì)人體健康的影響，本文又采用EPA健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法［4］對(duì)水體進(jìn)行評(píng)價(jià)。

本文分別采用基于熵權(quán)法的模糊綜合評(píng)判法和EPA健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法對(duì)徐州市張集水源地進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，分析其主要污染因子和污染來源，提出有針對(duì)性的防治措施，以期為張集水源地的開發(fā)利用和水環(huán)境保護(hù)及治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

實(shí)驗(yàn)選取張集水源地內(nèi)的10口井的水樣進(jìn)行分析，10口井分別為:鄧樓 1號(hào)井、梁塘 6號(hào)井、梁塘 15號(hào)井、果園(棠張水廠)、張集職中、觀音礦泉水廠、鹿臺(tái)村西南角水井、下張、趙圩、閆窩。

1.2 試驗(yàn)方法

基于熵權(quán)法的模糊綜合評(píng)判法選取總硬度、CODMn、硫酸鹽、氯化物、溶解性總固體、氟化物、硝酸鹽、亞硝酸鹽共8項(xiàng)作為水質(zhì)評(píng)價(jià)因子;EPA健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法選取六價(jià)鉻、砷、鉛、1，2－二氯乙烷、二氯甲烷、1，1－二氯乙烯、苯 7項(xiàng)指標(biāo)作為致癌因子，鎘、揮發(fā)酚類、氰化物、汞、氟化物、硝酸鹽氮、鐵、錳、銅、鋅、硒和1，1，1－三氯乙烷作為非致癌因子。以上各因子的測(cè)定均按照國(guó)標(biāo)進(jìn)行［5］。

1.3 評(píng)價(jià)方法

1.3.1 基于熵權(quán)法的模糊綜合評(píng)判法［6，7］

基于熵權(quán)法的模糊綜合評(píng)判法與傳統(tǒng)的模糊綜合評(píng)判的原理一樣，都是應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的原理，將一些邊界不清，不易定量的因素定量化，評(píng)價(jià)出水體的質(zhì)量等級(jí)，其基本模型為:

式中，D為模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量;W為評(píng)價(jià)因子的權(quán)重向量;R為評(píng)價(jià)因子隸屬于不同水質(zhì)級(jí)別的隸屬度矩陣;·為一種模糊符合運(yùn)算法則。

其評(píng)價(jià)步驟為:①建立評(píng)價(jià)因子;②建立評(píng)價(jià)集;③計(jì)算隸屬函數(shù)，建立單因子模糊關(guān)系矩陣;④權(quán)重因子的計(jì)算;⑤建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型，進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)。

1)隸屬函數(shù)的建立

根據(jù)水的用途和特征，將水質(zhì)劃分為 m個(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，利用這些標(biāo)準(zhǔn)可以逐個(gè)刻劃各因素對(duì)各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度。運(yùn)用“將半梯形分布法”確定隸屬函數(shù):

第1級(jí)水質(zhì)，即j=1時(shí)，隸屬函數(shù)為:

第2級(jí)水質(zhì)至第(m－1)級(jí)水質(zhì)，即j=2，3，…，m－1時(shí)，其隸屬函數(shù)為:

末級(jí)水質(zhì)，即j=m時(shí)，其隸屬函數(shù)為:

以上各式中，xi為第 i 個(gè)因素 ui的實(shí)測(cè)值，si，j－1、sij、si，j+1分別為因素 ui的第 j－1、j、j+1級(jí)水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)值。

2)運(yùn)用熵值賦權(quán)方法計(jì)算權(quán)重因子

設(shè)有m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，則形成原始數(shù)據(jù)矩陣R'=(r'ij)m×n

(1)對(duì)原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到:Rij=(rij)m×n

其中，rij為第j個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象在評(píng)價(jià)指標(biāo)上的標(biāo)準(zhǔn)值，rij∈［0，1］。對(duì)大者為優(yōu)的指標(biāo)而言，有:

而對(duì)小者為優(yōu)的指標(biāo)而言，有:

2)信息熵。在m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)價(jià)問題中，第i個(gè)指標(biāo)的熵定義為:

3)熵權(quán)。定義了第個(gè)指標(biāo)的熵之后，可得到第個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)定義:

⑵EPA健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

通常認(rèn)為人體在低劑量化學(xué)致癌物暴露條件下，暴露劑量率和人體致癌風(fēng)險(xiǎn)之間呈線性關(guān)系，當(dāng)高劑量導(dǎo)致高致癌風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，暴露劑量率和人體致癌風(fēng)險(xiǎn)之間呈指數(shù)關(guān)系。具體的計(jì)算公式如下:

式中:R為致癌風(fēng)險(xiǎn)，表示人體終生超額患癌的概率;SF為化學(xué)致癌物的致癌斜率系數(shù)((mg/kg·d)－1)，表示人體終生暴露于劑量為每日每公斤體重1 mg化學(xué)致癌物時(shí)的終生超額患癌風(fēng)險(xiǎn)度;E為暴露劑量率(mg/kg·d)，表示單位體重人體日均攝入的評(píng)價(jià)污染物質(zhì)量。

E的計(jì)算如下:

式中，C為水源中污染物的濃度(mg/L);IR為飲水率(L/d，U·S·EPA建議值:2 L/d)，表示人體日均飲水量;EF為暴露頻率(d/a，飲水為每日必需，所以為“評(píng)價(jià)時(shí)段天數(shù)/a”)，表示評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)年均人體攝入評(píng)價(jià)污染物的天數(shù);ED為暴露歷時(shí)(a，U.S.EPA建議值:30a)，表示人體終生攝入評(píng)價(jià)污染物的年數(shù);BW為平均人體體重(kg，我國(guó)宜采用60 kg);AT為平均時(shí)間(d，致癌為70 a×365 d/a、非致癌為 ED×365 d/a)。

(2)非致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

化學(xué)污染物對(duì)人體的非致癌慢性毒害一般以參考劑量為衡量標(biāo)準(zhǔn):暴露水平高于參考劑量者為可能有危險(xiǎn)者，暴露水平等于或低于參考劑量者為不大可能有危險(xiǎn)者。通常用危害指數(shù)HI來表示:

式中，RfD為參考劑量(mg/kg·d)。

2 結(jié)果與討論

2.1 基于熵權(quán)法的模糊綜合評(píng)判

2.1.1 建立評(píng)價(jià)因子集

從水源地10口井的監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)中選取具有代表性的總硬度、CODMn、硫酸鹽、氯化物、溶解性總固體、氟化物、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽8個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子，組成評(píng)價(jià)因子集U:

U={總硬度、CODMn、硫酸鹽、氯化物、溶解性總固體、氟化物、硝酸鹽、亞硝酸鹽}

上述8項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)在10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

表1 8項(xiàng)評(píng)價(jià)因子在10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)值 mg/L

⑵建立評(píng)價(jià)集

依據(jù)國(guó)家《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848－1993)的規(guī)定，將水質(zhì)級(jí)別定為5級(jí)，故評(píng)價(jià)集V為:

由于水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的劃分一般都是指一個(gè)濃度區(qū)間，為了符合評(píng)價(jià)要求，按照擇優(yōu)不從劣原則，用如下方法確定分級(jí)代表值:Ⅰ級(jí)水的標(biāo)準(zhǔn)界值作為Ⅰ級(jí)水的分級(jí)代表值，Ⅱ級(jí)水的分級(jí)代表值取為Ⅰ級(jí)水和Ⅱ級(jí)水標(biāo)準(zhǔn)界值的中值，其余類推，將Ⅴ級(jí)水的界值作為Ⅴ級(jí)水的分級(jí)代表值［8］。由此得到本文研究的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 本文水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) mg/L

⑶建立單因子隸屬矩陣

根據(jù)表2所確定的水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用“將半梯形分布法”確定各指標(biāo)屬于各水質(zhì)級(jí)別的隸屬函數(shù)，從而確定單因子隸屬度，得到單因子評(píng)價(jià)矩陣A。以鄧樓1號(hào)井為例，其隸屬矩陣為:

⑷權(quán)重計(jì)算

運(yùn)用熵值賦權(quán)方法首先將表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，結(jié)果見表3。數(shù)據(jù)經(jīng)過整理后根據(jù)熵權(quán)法公式計(jì)算出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵和熵權(quán)，結(jié)果見表4。(5)評(píng)價(jià)結(jié)果

表4 各評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息熵和熵權(quán)

綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見表5。利用熵權(quán)法賦權(quán)的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明，張集水源地各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)較好，除梁塘六號(hào)井為Ⅱ級(jí)水外，其余各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均為Ⅰ級(jí)水。在各評(píng)價(jià)指標(biāo)中亞硝酸鹽、CODMn及氟化物的權(quán)重較大，這是由于水源地內(nèi)的水質(zhì)污染主要受農(nóng)業(yè)有機(jī)污染的影響，尤其是農(nóng)藥化肥的大量使用。另外，農(nóng)村生活廢水的任一排放及畜禽的非規(guī)范化養(yǎng)殖也是其中重要原因。

表3 原始數(shù)據(jù)初始化

表5 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2 EPA健康評(píng)價(jià)

按照⑼、⑽、⑾式進(jìn)行 EPA健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，其結(jié)果見表6。

化學(xué)污染物的致癌風(fēng)險(xiǎn)根據(jù)其致癌證據(jù)的充分程度在百萬分之一至萬分之一均是可以接受的。以最嚴(yán)格的風(fēng)險(xiǎn)可接受度百萬分之一為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，由表6可知，水源地中超過該標(biāo)準(zhǔn)的致癌污染物有砷和鉛。根據(jù)EPA綜合風(fēng)險(xiǎn)信息系統(tǒng)IRIS的分類信息，砷屬于A類致癌污染物(EPA建議以1.00×10－6進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制)，鉛屬于 B2類致癌污染物(風(fēng)險(xiǎn)控制標(biāo)準(zhǔn)可以適度放寬至1.00×10－5)。水源地僅有砷的健康風(fēng)險(xiǎn)超標(biāo)，超標(biāo)高達(dá)32倍;但是與國(guó)家頒布的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中砷的限值0.01 mg/L相比，該水源地中砷的濃度遠(yuǎn)低于此限值。

根據(jù)危害指數(shù)的定義，可以確定“1”為非致癌慢性毒害效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制標(biāo)準(zhǔn)。由表6可知，水源地中19種污染物的合計(jì)危害指數(shù)均未超過1，因此可以基本認(rèn)定該水源地的供水不會(huì)對(duì)飲用人群產(chǎn)生非致癌慢性毒害效應(yīng)。水源地中危害指數(shù)前5位的污染物為氟化物、砷、硝酸鹽、六價(jià)鉻、鉛，且氟化物和砷的危害指數(shù)均超過0.1，硝酸鹽的危害指數(shù)接近0.1。

另外，水源地內(nèi)各污染物危害指數(shù)的變化如表7所示。

表7 2006－2009年健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比分析

由表7中可以看出，2006～2009年中污染物的合計(jì)危害指數(shù)均未超過1，說明不會(huì)對(duì)飲用人群產(chǎn)生非致癌慢性毒害效應(yīng)，但是有逐年增高的趨勢(shì).水源地中危害指數(shù)前5位的污染物均是氟化物、砷、硝酸鹽氮、六價(jià)鉻和鉛，且氟化物和砷的危害指數(shù)均超過0.1，其中砷超標(biāo)高達(dá)21～32倍，硝酸鹽氮的危害指數(shù)接近0.1，同時(shí)都有明顯的增高趨勢(shì)，六價(jià)鉻和鉛的危害指數(shù)都沒有超標(biāo)并保持不變，但出現(xiàn)了一定的升高趨勢(shì)，由此看見，人類活動(dòng)對(duì)水源地水質(zhì)產(chǎn)生了一定的影響。水源地內(nèi)主要包括果園和農(nóng)田，由于農(nóng)藥和化肥的大量使用，致使地表孔隙水被污染，進(jìn)而通過越流補(bǔ)給的形式對(duì)地下巖溶水水質(zhì)產(chǎn)生影響;同時(shí)部分工業(yè)企業(yè)的排放廢水沒有達(dá)標(biāo)，也會(huì)造成地下巖溶水的污染。

表6 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

3 結(jié)論與建議

1)采用基于熵權(quán)法的模糊綜合評(píng)判法對(duì)水源地水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，符合Ⅰ類水質(zhì)的有9個(gè)，符合Ⅱ類水質(zhì)的有1個(gè)，水源地水質(zhì)較好;

2)基于熵權(quán)法的模糊綜合評(píng)判法與EPA健康評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，影響水源地水質(zhì)的主要污染因子是亞硝酸鹽、CODMn、氟化物、砷、硝酸鹽、六價(jià)鉻和鉛;

3)到目前為止，污染物的合計(jì)危害指數(shù)呈逐年增大的趨勢(shì)，但均未超過1，不會(huì)對(duì)飲用人群產(chǎn)生非致癌慢性毒害效應(yīng)。

4)應(yīng)加強(qiáng)點(diǎn)污染源的監(jiān)察力度，嚴(yán)格控制其排污，保證廢水達(dá)標(biāo)排放;同時(shí)對(duì)農(nóng)業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，因地制宜，減少農(nóng)藥化肥的使用，降低有機(jī)污染。

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Study on Water Quality Assessment in Zhangji Water Source Region

LI Qing1，LIU Xi－ kun2，LIU Yong3，ZHANG Shuang － sheng2
(1.Xuzhou Big Dragon Lake Management office，Xuzhou 221018，Jiangsu;2.Xuzhou Water Resource Office，Xuzhou，221018 ，Jiangsu;3.School of Resource and Earth Science，China university of Mining and Technology，Xuzhou 221116，Jiangsu)

The water quality of Zhangji water source region in Xuzhou was evaluated by fuzzy comprehensive assessment method and EPA health risk assessment method respectively. The results showed that the water quality was well. Nine monitored points belonged toⅠ type water quality，and one monitored point belonged toⅡ type water quality，when the water quality was assessed by fuzzy comprehensive assessment method;Nitrite，CODMn，fluorid，arsenic，nitrate，Cr6+and lead were the key pollutant factors in the water source region;The hazard index of pollutants increased year by year，but it wasn’t greater than 1. In view of the water－ quality problem，supervision for the pollution sources should be strengthened. The wastewater must be treated and reached corresponding standard. Meanwhile，the industrial structures of agriculture should be adjusted to reduce the dosages of pesticides and chemical fertilizer.

Fuzzy comprehensive assessment，Entropy method，EPA health risk assessment and Zhangji water source region

X824

A

1004－1184(2012)05－0054－05

2012－05－23

江蘇省水利科技重點(diǎn)項(xiàng)目(成果編號(hào)20102205)

李勍(1969－)，男，江蘇徐州人，工程師，主要從事水利工程管理及技術(shù)研究。