北方某城市河流型飲用水水源地選址方案評價研究

杜大仲,孟憲林,馬 放 (哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院,城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150090)

北方某城市河流型飲用水水源地選址方案評價研究

杜大仲,孟憲林,馬 放*(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院,城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150090)

為建立和量化適于河流型飲用水水源地選址的評價體系,以北方某城市A的水源地選址方案為研究對象,通過層次分析法(AHP)從法律制約、環(huán)境質(zhì)量、水資源保障和環(huán)境風(fēng)險角度構(gòu)建評價體系.評價體系共設(shè)立8個否定因子和20個評價因子,采用文獻(xiàn)分析和專家問卷調(diào)查相結(jié)合的方法確定評價因子權(quán)重,并依據(jù)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)導(dǎo)則確定評分標(biāo)準(zhǔn),可對多個選址方案進(jìn)行評價與優(yōu)選.研究表明,城市 A的選址方案Ⅰ與方案Ⅱ均可做為水源地選址方案進(jìn)行工程論證;城市A所處流域綜合水質(zhì)狀況不佳,在后續(xù)的給水廠建設(shè)中應(yīng)考慮采用深度處理工藝;城市A的選址方案Ⅰ與方案Ⅱ的環(huán)境風(fēng)險系數(shù)均較高,管理部門應(yīng)依據(jù)選址方案的風(fēng)險特征加強上游風(fēng)險源管理.

河流型飲用水水源地；選址；評價體系；層次分析法

中國環(huán)境監(jiān)測總站統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,2009年重點城市年取水總量為 217.6億 t,達(dá)標(biāo)水量占73.0%;不達(dá)標(biāo)水量占 27.0%.此外,許多具有致癌、致畸、致突變性的有機污染物在我國的大中型飲用水源中均有檢出.其中,河流型飲用水水源地因水質(zhì)達(dá)標(biāo)狀況差、環(huán)境風(fēng)險高、歷史遺留問題多等因素,而備受各界關(guān)注[1-3].在對水源地環(huán)境調(diào)查和評價過程中,許多重大飲用水源環(huán)境事故曝露出水源地在規(guī)劃選址過程對制約因素考慮不足的問題.水源地規(guī)劃選址時對上游工業(yè)排污風(fēng)險估計不足,保護(hù)區(qū)內(nèi)已建排污項目物權(quán)不明,流域新建大型水利項目改變基礎(chǔ)環(huán)境條件等問題,已成為水源地保護(hù)方案難以得到有效實施的重要原因[4].

目前,國內(nèi)外研究人員對現(xiàn)有水源地的安全評價、風(fēng)險管理、污染防治做了大量研究工作[5-8],但對水源地規(guī)劃選址的研究尚停留在水資源供應(yīng)保障和環(huán)境風(fēng)險等單一性評價階段[9-10],對于綜合性評價大多以定性評價為主[11],尚未形成較為完整的量化評價體系.本研究針對某城市A的河流型飲用水水源地選址方案,從法律制約、環(huán)境質(zhì)量、水資源保障和環(huán)境風(fēng)險角度構(gòu)建河流型飲用水水源地選址評價體系,對選址方案進(jìn)行量化評價,旨在為管理決策提供依據(jù).

1 研究區(qū)域概述

北方某城市A的主要飲用水源屬河流型水源地,現(xiàn)有水源地的設(shè)計供水量為25萬m3/d,服務(wù)人口為61.9萬人,占市區(qū)總?cè)丝诘?7.3%.近年來,因受水源地供水量不足、上游流域環(huán)境風(fēng)險加大和水質(zhì)惡化等問題的困擾,市政管理部門決定重新對城市供水水源地進(jìn)行選址規(guī)劃,擬將水源地從原來的RB河取水改為從RA河或RC河取水,水源地所在流域的基本情況和方案的擬建取水?dāng)嗝嫖恢靡妶D1.本研究以2種取水方案為研究對象,進(jìn)行實例分析,運用河流型水源地選址評價體系對選址方案進(jìn)行評價與優(yōu)選.

圖1 選址方案區(qū)位示意Fig.1 Location of site selection plan

2 構(gòu)建評價體系

根據(jù)水源地選址所涉及的評價因素具有定量和定性相結(jié)合的特點,本文選擇廣泛應(yīng)用于多目標(biāo)決策的層次分析法(AHP)作為構(gòu)建評估體系的技術(shù)方法[12].在評價體系構(gòu)建過程中,針對水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)的違法項目因物權(quán)不明難以進(jìn)行環(huán)境執(zhí)法,風(fēng)險隱患強度大這一現(xiàn)實現(xiàn)象,評估體系設(shè)立了否定因子,以法律要求作為選址方案評價的基礎(chǔ),在選址之初明確各方的法律責(zé)任和義務(wù).參照層次分析法的構(gòu)建原理,評價體系依次建立目標(biāo)層(A)、否定因子(F)、準(zhǔn)則層(B)、指標(biāo)層(C)和評價層(D).

2.1 否定因子(F)

水源地的管理與保護(hù)過程中,法律是實施環(huán)境保護(hù)行為準(zhǔn)則和依據(jù),是進(jìn)行評價的基礎(chǔ).根據(jù)《水污染防治法》中需設(shè)立水源地一、二級保護(hù)區(qū),對保護(hù)區(qū)內(nèi)的建設(shè)項目和社會活動進(jìn)行限制的相關(guān)規(guī)定,評價體系將優(yōu)先考慮水源地建立后劃分的保護(hù)區(qū)對區(qū)域建設(shè)和發(fā)展的制約影響.

水源地一、二級保護(hù)區(qū)范圍可依據(jù)《飲用水水源地保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》中推薦的經(jīng)驗值進(jìn)行初步劃定[13].依據(jù)法律條款,一級保護(hù)區(qū)的否定因子確定為排污口(f1)、與供水設(shè)施和保護(hù)水源無關(guān)的建設(shè)項目(f2)、網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)(f3)和旅游區(qū)(f4);二級保護(hù)區(qū)的否定因子確定為排污口(f5)、排放污染物的建設(shè)項目(f6),網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)(f7),旅游區(qū)(f8)

當(dāng)擬建水源地的一、二級保護(hù)區(qū)存在上述否定因子且不可消除時,否定因子將對水源地選址方案直接進(jìn)行否定.

2.2 評價因子

2.2.1 環(huán)境質(zhì)量(B1) 飲用水水源地的最終目標(biāo)是向社會提供有“質(zhì)量”保障的飲用水,其中環(huán)境類指標(biāo)反映飲用水的“質(zhì)”.在環(huán)境類指標(biāo)體系中,一般污染性指標(biāo)(C1)反映水體總體的生態(tài)環(huán)境狀況,毒理性指標(biāo)(C2)則反映水質(zhì)對人體健康的影響.

一般污染性指標(biāo)中,日常監(jiān)測的代表性評估因子為高錳酸鹽指數(shù)(D1)、氨氮(D2)、總磷(D3)和糞大腸菌群(D4).毒理性指標(biāo)從《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[14]和《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[15]中污染物指標(biāo)進(jìn)行篩選,確定砷(D5)、鎘(D6)、鉻(六價)(D7)、鉛(D8)、汞(D9)作為評價因子.

2.2.2 水資源保障(B2) 水資源類指標(biāo)反映的是飲用水源的“量”,在水資源指標(biāo)體系中,水量保障(C3)反映目前水資源可利用的水量,取水工程對環(huán)境影響(C4)反映水資源利用的可持續(xù)性.

圖2 河流型飲用水水源地選址評價體系Fig.2 Evaluation system for site selection of river drinking resources water

根據(jù)《水資源論證導(dǎo)則》[16]水量保障指標(biāo)體系中地表取水指標(biāo)進(jìn)行篩選,以水資源狀況(D10)、水域開發(fā)利用程度(D11)、生活取水量(D12)作為水量保障指標(biāo)評價因子.在環(huán)境影響中以對第三者取水影響(D13)、對生態(tài)水量產(chǎn)生影響(D14)、對水文變化有潛在影響(D15)作為環(huán)境影響評價因子.

2.2.3 環(huán)境風(fēng)險(B3) 根據(jù)水源地環(huán)境風(fēng)險事故的產(chǎn)生的類別,環(huán)境風(fēng)險源分為固定源(C5)和移動源(C6).依據(jù)近年來水源地污染事件的統(tǒng)計[17-18],環(huán)境風(fēng)險固定源選擇擬建水源地上游的發(fā)酵企業(yè)(D16)、化工企業(yè)(D17)、造紙企業(yè)(D18)作為評價因子,移動源選擇擬建水源地保護(hù)區(qū)陸域范圍內(nèi)高速公路(D19)和水域范圍內(nèi)航運通道(D20)作為評價因子.依據(jù)層次分析法的原理,結(jié)合法律制約、環(huán)境質(zhì)量、水資源保障和環(huán)境風(fēng)險影響因素構(gòu)建的河流型水源地選址評價體系,見圖2.

表1 目標(biāo)層至評價層評價指標(biāo)的權(quán)重Table 1 Weight of assessment index from target layer to evaluation layer

2.3 評價權(quán)重

在參考相關(guān)文獻(xiàn)[19-24]和咨詢有關(guān)專家(給水專業(yè)5人,環(huán)境專業(yè)7人)的基礎(chǔ)上,結(jié)合各層的影響因子對應(yīng)上一層準(zhǔn)則層指標(biāo)的影響程度大小建立判斷矩陣,按照AHP建模的步驟,確定每層各影響因素的權(quán)重 W,并檢驗是否具有可接受的一致性,自上而下地將單準(zhǔn)則下的權(quán)重進(jìn)行合成(A-D),并逐層進(jìn)行總的判斷一致性檢驗,對系統(tǒng)目標(biāo)的合成權(quán)重見表1,由表1中數(shù)據(jù)計算所得 CR=0.004＜0.1,表明合成權(quán)重具有良好的一致性.

2.4 評價標(biāo)準(zhǔn)

在評價過程中,將評價因子等級劃分為極不適宜、不適宜、尚可、比較適宜和極適宜5個等級,分別賦予0、40、60、80、100相應(yīng)分值.各評價因子依據(jù)現(xiàn)行環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)導(dǎo)則的相關(guān)等級要求.對應(yīng)的分值如表2所示,區(qū)間范圍的具體分值可通過內(nèi)插法進(jìn)行計算,見式1.

式中:Y為評價因子對應(yīng)的分值;X為評價因子;Y1為評價因子對應(yīng)的分值范圍的下限值;Y2為評價因子對應(yīng)的分值范圍的上限值;X1為評價因子值域下限;X2為評價因子值域上限.

通過評分標(biāo)準(zhǔn)與權(quán)重的計算,水源地選址方案得到最終分值.60分以下的選址方案應(yīng)予放棄,60分以上的選址方案可作為考慮方案,分值越高方案的合理性越強,評分標(biāo)準(zhǔn)見表2.

表2 評價因子的評分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Grading for assessment factors

3 方案評價

3.1 法律制約性評價

對方案Ⅰ和方案Ⅱ進(jìn)行現(xiàn)場環(huán)境調(diào)查,調(diào)查范圍為擬選方案一、二級保護(hù)區(qū)的陸域和水域范圍.現(xiàn)場調(diào)查表明,方案Ⅰ和方案Ⅱ在初步劃定的一、二級保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)均不存在法律制約性否定因子,從法律角度兩個方案均可行.

3.2 環(huán)境質(zhì)量評價

根據(jù)選址方案的取水口位置,環(huán)境保護(hù)部門進(jìn)行了以1年為周期的4個季度污染物監(jiān)測,方案Ⅰ和方案Ⅱ取水口污染物濃度及評分見表3.

3.3 水資源保障評價

3.3.1 水資源狀況評價 資料顯示,取水量占過境水資源30%以下為水資源充沛,30%～60%基本滿足供水需求,60%以上水資源緊缺[25-27].從表 4可見,RC河與 RA河均屬季節(jié)性河流,豐水期徑流量占全年徑流量 60%以上,因此本研究選用水資源最為短缺的枯水期來考察水資源的保障情況,計算方法見(式2),計算結(jié)果見表5.

式中:Pw為取水百分率,%;Ws為水廠設(shè)計取水量,104m3/月;Qk為枯水期過境地表徑流量, 104m3/月.

從表5可見,方案Ⅰ和方案Ⅱ的取水量均遠(yuǎn)低于枯水期地表徑流量的 30%,表明過境水量較為充沛,可滿足供水需求,方案評分均為100.

3.3.2 水域開發(fā)利用程度 水域開發(fā)利用程度表征的是人類社會對水域自然環(huán)境的開發(fā)利用程度,以及水域開發(fā)利用的潛力,本研究對流域的水資源調(diào)配規(guī)劃進(jìn)行統(tǒng)籌考慮,水資源開發(fā)利用率的計算方法見式3.

表3 環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)評價Table 3 Assessment for Environmental quality factors

表4 2007～2009年河流徑流量統(tǒng)計Table 4 River flow statistics from 2007 to 2009

表5 水源地選址方案取水百分率Table 5 Percent of pumping for site selection plan of source water

式中:Pu為水資源開發(fā)利用率,%;Ws為當(dāng)?shù)貙嶋H供水量,億m3/年;Wi為規(guī)劃調(diào)入水量,億m3/年;Wo為規(guī)劃調(diào)出水量,億m3/年;Wos為規(guī)劃其他途徑供水,億m3/年; Qa為年平均水資源量,億m3/年.

根據(jù)式 3,方案Ⅰ和方案Ⅱ的水域開發(fā)利用率計算結(jié)果見表6.

從表6可見,方案Ⅰ和方案Ⅱ的水域開發(fā)利用率均小于 5%,說明水域開發(fā)程度較小,具有較高的水域開發(fā)潛力,可滿足相關(guān)取水工程的要求,方案評分均為100.

表6 水源地選址方案水資源開發(fā)利用率Table 6 Percent of water resource development and utilization forsite selection plan of source water

3.3.3 生活取水量 方案Ⅰ和方案Ⅱ的設(shè)計取水量均為25萬m3/d,根據(jù)表2評分標(biāo)準(zhǔn),方案Ⅰ和方案Ⅱ評分為80分.

3.3.4 對第三者取水影響分析 在A市下游陸域500km范圍內(nèi),無河流型水源地和規(guī)劃的大型取水工程,因此認(rèn)為方案Ⅰ和方案Ⅱ?qū)Φ谌呷∷疅o影響,方案評分均為100.

3.3.5 對生態(tài)水量的影響分析 生態(tài)水量是指流域保護(hù)物種的多樣性和生態(tài)整合性所需要具有一定質(zhì)量的水資源量.從表5可見,方案Ⅰ和方案Ⅱ的取水方案在生態(tài)環(huán)境最為脆弱的枯水期所占水資源比例均在 10%左右,對生態(tài)水量基本無影響,方案評分均為80.

3.3.6 對水文變化的影響分析 從方案Ⅰ和方案Ⅱ 的取水率可見,取水量均占枯水期最低流量的10%以下,對河流的水文變化均無潛在影響,方案評分均為80.

3.4 環(huán)境風(fēng)險評價

對河流型水源地而言,固定風(fēng)險源主要來自流域上游的工業(yè)企業(yè).方案Ⅰ的風(fēng)險主要來 RC河上游的C市;方案Ⅱ的取水來源于RA河,是由RB河和RC河兩條河流匯流而成,所以它的風(fēng)險來自B市和 C市的共同影響.

3.4.1 方案Ⅰ環(huán)境風(fēng)險分析 方案Ⅰ取水風(fēng)險來自于上游C市排水,C市距方案Ⅰ取水?dāng)嗝娴木嚯x約為32.8km.C市現(xiàn)有規(guī)模工業(yè)企業(yè)11家,其中造紙企業(yè)4家;化工企業(yè)1家.從圖1可見,方案Ⅰ中有高速公路穿越水源地陸域和水域保護(hù)區(qū),水體距高速公路垂直距離小于 10m.在 RC河取水口上游范圍內(nèi)無航運通道.

3.4.2 方案Ⅱ環(huán)境風(fēng)險分析 方案Ⅱ取水風(fēng)險來自于上游C市和B市的排水,B市距方案Ⅱ取水?dāng)嗝娴木嚯x約為15.6km.B市現(xiàn)有規(guī)模工業(yè)企業(yè) 17家,其中化工企業(yè)1家;發(fā)酵企業(yè)1家.在選址方案Ⅱ中,在陸域保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)無交通運輸干線,在水域保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)有航運通道,垂直距離約15m.

方案Ⅰ和方案Ⅱ的風(fēng)險評價結(jié)果見表7.

表7 環(huán)境風(fēng)險指標(biāo)評價Table 7 Assessment for environmental risk factors

3.5 方案評分

將評價因子的得分代入表 1中進(jìn)行加權(quán)計算,方案Ⅰ和方案Ⅱ的綜合評分見表8.

表8 選址方案綜合評價Table 8 General assessment for site selection plan

4 結(jié)論

4.1 方案Ⅰ和方案Ⅱ的污染性指標(biāo)中的高錳酸鹽指數(shù)評分為 68和 58.5,得分較低,評價結(jié)果表明流域綜合水質(zhì)狀況不佳,管理部門應(yīng)加強水源地上游流域的污染物減排工作,避免流域水質(zhì)繼續(xù)惡化,在后續(xù)的給水廠建設(shè)中應(yīng)考慮采用深度處理工藝,強化污染物的去除.評價方案中毒理性指標(biāo)中各項評分均為滿分,表明流域水質(zhì)安全狀況良好,飲用水健康風(fēng)險較低.

4.2 水資源保障和環(huán)境影響中各項指標(biāo)的評分均在80及80以上,表明城市A所在流域的水資源充沛,在水量上能夠保障取水方案的用水需求,且取水方案對當(dāng)?shù)厮Y源分配和生態(tài)環(huán)境影響較小,可保證水資源的持續(xù)供應(yīng).

4.3 方案Ⅰ和方案Ⅱ的流域環(huán)境風(fēng)險系數(shù)均較高.方案Ⅰ的環(huán)境風(fēng)險來自水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)高速公路交通事故及上游化工和造紙企業(yè)的非正產(chǎn)排污,方案Ⅱ的環(huán)境風(fēng)險主要來自航運通道和上游發(fā)酵、化工和造紙企業(yè)的非正常排污.管理部門應(yīng)有針對性的加強風(fēng)險源管理,制定環(huán)境風(fēng)險應(yīng)急預(yù)案,降低風(fēng)險危害程度.

4.4 方案Ⅰ和方案Ⅱ的總體得分均在 80分以上,均可作為城市A的水源地選址方案進(jìn)行工程論證,因方案Ⅰ的綜合得分優(yōu)于方案Ⅱ,本研究優(yōu)先推薦方案Ⅰ作為選址方案.

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Site selection assessment for river drinking source water of a city in northern.

DU Da-zhong, MENG Xian-lin, MA Fang*(State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environmental, School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China). China Environmental Science, 2012,32(2)：359～365

In order to establish and quantize the assessment system for the site selection of river drinking source water, City A in northern was took as the case. The assessment system which involve law, environmental quality, water resources protection and environmental risk was established by analytic hierarchy process (AHP). There were eight negative factors and twenty evaluation factors in the system, and the weight of evaluation factors were defined by literature review and expert survey. These evaluation factors were quantized according to environmental standards and technical guidelines. Both programⅠandⅡof City A can be carried engineering appraisal out; the water quality of river basin was no good, so the advanced treatment process should be considered in the construction of water plant; the environmental risk index of programⅠ andⅡwere high, administration should strengthen the management of risk source on the risk characteristics.

river drinking source water；site selection；assessment system；analytic hierarchy process

2011-04-26

國家科技重大專項(2009Z07631-002,2009ZX07526-006);國家環(huán)?！笆濉币?guī)劃前期研究課題;城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))資助課題 (2010DX08,2010 DX09)

* 責(zé)任作者, 教授, mafang@hit.edu.cn

X321

A

1000-6923(2012)02-0359-07

杜大仲(1976-),男,黑龍江哈爾濱市人,工程師,博士,主要從事環(huán)境評價與規(guī)劃.發(fā)表論文20余篇.