基于動態(tài)聚類分析的水環(huán)境健康風險綜合評價＊

祝慧娜,袁興中?,曾光明,梁 婕,江洪煒,樊夢佳,向求來

(1.湖南大學環(huán)境科學與工程學院,湖南長沙 410082;2.環(huán)境生物與控制教育部重點實驗室(湖南大學),湖南長沙 410082)

健康風險評價是以風險度作為評價指標,把環(huán)境污染與人體健康聯(lián)系起來,定量描述污染物對人體產(chǎn)生危害的風險[1].健康風險評價作為環(huán)境風險評價的一個重要分支,一般包括危害識別、暴露評價、毒性評價和風險表征[2].不確定性貫穿于環(huán)境風險評價的整個過程,不確定性在健康風險評價過程中主要表現(xiàn)在3個方面:事件背景的不確定性、參數(shù)選擇的不確定性以及模型本身的不確定性[3].其中最重要的是參數(shù)的不確定性,近年來有關(guān)參數(shù)的不確定性已由許多專家進行了研究.張應華等[4]利用可傳遞參數(shù)差異的蒙特卡羅技術(shù)方法來解決評價過程中各輸入?yún)?shù)的不確定性;李如忠等[5]運用模糊集理論將風險評價模型的參數(shù)定義為三角模糊數(shù),構(gòu)建了水環(huán)境健康風險評價模糊模型,在一定程度上解決了參數(shù)的不確定性;吳義鋒等[6]運用未確知數(shù)學理論來處理評價參數(shù)的不確定性,建立了基于未確知性水質(zhì)風險評價模式.本文采用綜合評判對濃度參數(shù)進行處理從而減少評價過程中由于濃度參數(shù)而產(chǎn)生的不確定性.梁婕[7]等同時考慮參數(shù)的隨機性和模糊性,提出了基于隨機-模糊模型的地下水污染風險評價方法.蘇小康[8]等考慮不確定性,進行了湘江水質(zhì)隨機模擬與風險的分析.除了參數(shù)的不確定性對評價結(jié)果有影響之外,在水環(huán)境健康風險評價過程中評價標準也直接影響評價結(jié)果.目前采用較多的評價標準主要有美國環(huán)保局的健康風險可接受水平,國際防輻射委員會推薦的最大可接受限值,以及瑞典環(huán)保局、荷蘭建設(shè)和環(huán)境部推薦的危害風險度最大可接受限值.由于各種評價標準差別較大,使用不同的評價標準評價結(jié)果將會有較大的差別.而評價結(jié)果是水環(huán)境管理的重要依據(jù),如何解決這一問題,是環(huán)境管理的重要難題.Li Jian-bin[9]曾根據(jù)各種調(diào)查將風險評價分為不同的等級,筆者[10]也曾建立了模糊綜合評價標準.而本文將從另一個角度來對水環(huán)境管理進行研究,一方面運用濃度的綜合評判在一定程度上解決了濃度參數(shù)的不確定性,另一方面采用動態(tài)聚類分析將各斷面的評價結(jié)果進行分類,將水環(huán)境健康風險分為不同的級別,得出水環(huán)境污染的優(yōu)先控制級別,為風險管理確定優(yōu)先控制對象提供理論依據(jù).

1 模糊綜合評價模型建立

1.1 濃度參數(shù)的綜合評判模型

水環(huán)境健康風險評價一般采用美國環(huán)保局推薦的評價模型[1],模型中存在很多具有不確定性因素的參數(shù).在各種參數(shù)中,污染物濃度的不確定性是較為突出也較為明顯的.濃度的不確定性表現(xiàn)在多個方面,筆者曾運用區(qū)間數(shù)對濃度的不確定性進行處理[10],本文用綜合評判處理污染物濃度參數(shù)的不確定性.

常規(guī)評價中以年均或者平均濃度作為評價參數(shù),但由于平均數(shù)作為一個概括性的度量指標存在一定的缺陷,它掩蓋了被觀察個體的差異.因此本文采用河流枯水期、平水期以及豐水期的濃度進行綜合評判,最終得到等量的河流污染物濃度,在一定程度上解決了濃度參數(shù)的不確定性.

綜合評判[11]是綜合決策的數(shù)學工具,根據(jù)綜合評判定義,得到濃度參數(shù)的綜合評判模型.綜合濃度的計算公式為:

其中:A為各水期權(quán)重因素,A1,A2和A3分別為枯水期、平水期以及豐水期在年內(nèi)所占有的權(quán)重;B為各水期濃度因素,B1,B2和B3分別為河流枯水期、平水期以及豐水期污染物的濃度;?代表內(nèi)積.

1.2 基于濃度參數(shù)綜合評判的水環(huán)境健康風險評價模型

目前水環(huán)境健康風險評價過程中一般僅考慮化學致癌物和軀體毒物質(zhì)[1,12].

1.2.1 基于化學致癌物健康危害風險模型

1.2.2基于軀體毒物質(zhì)的健康危害風險模型

1.2.3 水環(huán)境健康風險評價總體模型

我們假定每種化合物的作用是獨立的,即各有毒物質(zhì)對人體健康危害產(chǎn)生的累積效應呈相加關(guān)系,而不是協(xié)同關(guān)系或是拮抗關(guān)系.則水環(huán)境總的健康危害的風險可表示為:

1.3 風險值的動態(tài)聚類分析

目前國際上采用的各種水環(huán)境健康風險評價標準之間差別較大,且其分類過于獨斷,僅僅以單個數(shù)值作為分界點,忽視了很多重要的信息.本文采用動態(tài)聚類分析[13-14]將所有斷面的風險值進行分類,為風險管理的優(yōu)先控制順序提供一定的理論依據(jù).從而避免了由于評價標準不同而產(chǎn)生的尷尬.

動態(tài)聚類分析[15]是聚類分析中的一種,它也稱為逐步聚類分析法,保證樣方組內(nèi)具有較高的同質(zhì)性,是依樣方組內(nèi)的離差平方和達最小為判據(jù),通過反復調(diào)整迭代來實現(xiàn)的[16].動態(tài)聚類分析的重要步驟為:

1)初始分類

根據(jù)各個風險值的具體分布情況,相近的聚集點為一類,得到初始幾類結(jié)果.G1,G2,G3,G4…GK.

2)計算中心

將每一類所有值的算術(shù)平均數(shù)作為每類的計算中心.

3)計算距離,調(diào)整分類

根據(jù)dik計算結(jié)果,按=dil式進行新的分類.于是得到第1次分類結(jié)果:

4)進行調(diào)整

判別第1次分類結(jié)果是否需進一步調(diào)整,其方法是比較Πo(U)和Π1(U)是否相等,若相等則分類結(jié)束,否則應繼續(xù)進行調(diào)整.

2 實例研究

利用水環(huán)境健康風險模糊綜合評判模型對2007年湖南省湘江干流地區(qū)綠埠頭等18個斷面進行水環(huán)境健康風險評價.

2.1 參數(shù)選擇

根據(jù)湘江水環(huán)境中污染物質(zhì)種類,以及國際癌癥研究機構(gòu)(IARC)通過對水體中化學有毒污染物的分類,選擇為氨氮、揮發(fā)酚、砷、鉛、汞、鎘、六價鉻、氰化物、錳9個評價參數(shù).其中砷、鎘、六價鉻為化學致癌物,其致癌強度系數(shù)見表1;氨氮、揮發(fā)酚、鉛、汞、氰化物、錳為軀體毒物質(zhì),其參考劑量見表2.

表1 化學致癌物的致癌強度系數(shù)(飲水途徑)Tab.1 Strenth coefficients for carcinogens by drinking approach

表2 非致癌物參考劑量(飲水途徑)Tab.2 Reference doses for non-carcinogens by drinking approach

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)

在本研究中,根據(jù)常年監(jiān)測資料,湘江枯水期、平水期和豐水期分別為3個月、6個月和3個月.因此各水期的權(quán)重為A={A1,A2,A3}={0.25,0.5,0.25};各斷面枯水期、平水期、豐水期各評價因子的監(jiān)測數(shù)據(jù)見表3(因篇幅限值,僅列出兩個監(jiān)測斷面的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)).綜合濃度為=A?B,計算可得各斷面的綜合濃度,見表4.

2.3 評價結(jié)果與討論

2.3.1 各地區(qū)的綜合風險評價

根據(jù)式(3)～式(8)求出各斷面污染物的風險值,結(jié)果見表5.

表3 湘江水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.3 Water quality data of Xiangjiang River(mg?L-1)

表4 各斷面污染物的綜合濃度Tab.4 The integrated concentrations of the contamination in 18 sections(mg?L-1)

表5 各種有毒污染物所致健康危害(個人年風險)Tab.5 The health risk from every carcinogen and non-carcinogena-1

從表5中可以看出9種污染物在各個斷面中砷、六價鉻以及鎘危害較大,尤其是砷的危害最大,在松柏斷面達到了2.95×10-4,已超過美國環(huán)保局健康風險的可接受水平10-4;其他污染物的危害較小,風險水平大多在10-10～10-12之間.根據(jù)式(9)可得出各斷面水環(huán)境健康危害的總風險值,見表6.

表6 有毒污染物所致健康危害的總風險Tab.6 Total health risk fromall carcinogens and non-carcinogensa-1a-1

從表6中可以看出18個斷面的健康危害總風險值差距較大,松柏下和黃茶嶺斷面的風險值最高,分別達到了3.79×10-4和2.45×10-4,超過了美國環(huán)保局健康風險的可接受水平.其他多數(shù)斷面健康風險值也較大,均在10-5級別以上,超過了國際防輻射委員會推薦的最大可接受限值10-5,在一定程度上威脅了居民的飲水健康,因此應加強水質(zhì)污染控制.

2.3.2 各地區(qū)風險等級的分類

采用1.3節(jié)中風險值的動態(tài)聚類分析方法,對各個地區(qū)的總風險值進行分類,具體步驟為:

1)初始分類

將各斷面的總風險值繪制初始分類圖(見圖1),并根據(jù)初始分類圖將各監(jiān)測點濃度分類,根據(jù)風險值的密集程度,分為如下4類(用序號代表地名):

圖1 初始分類圖Fig.1 The figure of initial classification

從圖中看出松柏下風險值最高,可單獨列為一類,為高風險級別;黃茶嶺風險值也較高,為次高風險級別;其余的斷面分為兩類風險級別,分別為中風險級別和低風險級別.

2)計算中心

根據(jù)各類別所有值算術(shù)平均值作為計算中心,可得各類的計算中心,見表7.

表7 各類別的計算中心Tab.7 The calculating center of every category

3)計算距離,調(diào)整分類

根據(jù)最短距離法計算各風險值至各中心值的距離,進行重新分類,得出2次分類結(jié)果,結(jié)果見表8.

表8 第2次分類結(jié)果Tab.8 The result of the second classification

4)再次進行距離計算,得到最優(yōu)分類,

根據(jù)動態(tài)聚類分析結(jié)果,得出2007年湘江18個斷面的風險等級的最終分類結(jié)果,見表9.

表9 動態(tài)聚類分析結(jié)果Tab.9 The result of dynamic cluster analysis

由動態(tài)聚類分析,可得出湘江18個斷面的優(yōu)先控制級別,共分為4個控制級別,其中松柏下斷面水環(huán)境健康風險較高,達到3.79×10-4,為一級優(yōu)先控制斷面,需加強水質(zhì)改善;黃茶嶺為2級優(yōu)先控制斷面,應加強水質(zhì)風險管理;歸陽鎮(zhèn)、熬洲、朱亭鎮(zhèn)、楓溪、白石、霞灣、馬家河、五星、易家灣、樟樹港斷面水環(huán)境風險中等,應注意對水質(zhì)的保護改善;綠埠頭、港子口、猴子石、喬口、昭山、三汊磯水環(huán)境健康風險較小,應注意水質(zhì)的保護工作.由動態(tài)聚類分析得出優(yōu)先控制次序,為污染控制工作的優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ).

3 結(jié) 論

1)采用濃度參數(shù)的綜合評判模型,在一定程度上減小了河流水環(huán)境健康風險評價過程中濃度參數(shù)的不確定性.

2)利用動態(tài)聚類分析法將健康危害分為4類控制級別,分別為高風險、高-中風險、中風險及低風險,為水環(huán)境污染優(yōu)先控制對象的選擇提供了理論依據(jù).

3)根據(jù)評價結(jié)果,松柏下斷面的健康危害最大,達到3.79×10-4,為1級優(yōu)先控制斷面,需加強水環(huán)境污染治理.

4)從河流水環(huán)境健康風險評價結(jié)果中,可以看出2007年湘江18個斷面中砷、六價鉻以及鎘危害較大,其中砷的健康危害最大.

5)在評價的18個斷面中,所有斷面水環(huán)境健康風險較高,均超過了10-5級別,在一定程度上威脅了居民的飲水健康,水環(huán)境質(zhì)量亟待改善,需加強水質(zhì)管理工作力度.

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