飲用水水源安全評價研究現(xiàn)狀及方法綜述

曲天歌

[摘要] 我國的經濟快速發(fā)展，水資源的短缺、污染和浪費問題也越來越嚴重，而飲用水是供給居民生活的用水，是人類最為重要的一種水資源。當飲用水安全出現(xiàn)問題，人類的生命活動將受到巨大的威脅。因此，我國必須加強對水資源的保護，并建立一個完備且健全的評價體系。目前我國針對飲用水水源地的評價現(xiàn)狀主要依據水質方面的情況，因此常常使用單因子評價法，但單因子評價法存在一定的弊端，使得評價結果過于局限、不夠客觀。在整理和總結現(xiàn)有研究成果的基礎上，對飲用水水源水質評價的現(xiàn)狀、方法進行了分析和討論。

[關鍵詞]水質評價;水源評價;評價方法;飲用水安全

[中圖分類號]X523[文獻標識碼]A

1? ? 水源地的定義及概況

水源地指供集中引用、工農業(yè)生產使用的水庫、河流攔蓄工程等，是社會、經濟、自然三者共同作用下的一個復雜的系統(tǒng)。集中的供水水源地主要分為兩類：地下水水源地、地表水水源地。其中地表水源包含河流、湖庫等。水源地的具體范圍是一塊為了保護水源地不受污染而專門劃定的防止污染、特別保護的區(qū)域，根據定義來分析可知，水源地是以保護環(huán)境為目的，在保護環(huán)境的基礎上供給水源。

飲用水水源的水質安全評價是水資源保護工作中的一項基本工作，也是水源水安全保障的最重要的部分。我國現(xiàn)階段地下水評價實施標準為《地下水質量標準GB/T14848-2017》，地表水評價實施標準為《地表水環(huán)境質量標準GB3838-2002》，將地下水和地表水的水質情況分為五大類別。1996年在全國范圍內曾調查了329個地表水的集中式飲用水水源地，其中有檢測結果不符合國家標準的有222個水源地，調查了240個地下水的飲用水水源，其中未達標的也有80多個，而這些不達標的水源中有些甚至遠遠超過標準中5類水的標準值。由此可見，飲用水水源水質不達標的問題非常嚴重，而當水體屬于四類的時候如果再不采取相關的改善和保護措施保護，不久后也會變成人類無法飲用的水。因此，飲用水水源的保護問題急需解決，只有這樣才能保證居民飲用上安全放心的水。

2? ? 研究現(xiàn)狀

2.1? ? 國外研究現(xiàn)狀

美國由于各州之間具體情況不盡相同，所制定的飲用水水源評價方案也全然不同。因此美國聯(lián)邦環(huán)境保護局通過向各州提供基礎資料和水源評價方法進行水源地安全評價工作，具體方法為針對飲用水源的潛在危害，選取了15個多方面的指標，并建立了由這15個指標組成的指標評價體系對飲用水水源進行評價，最終結論依據指標體系的評價結果體現(xiàn)，共有水質安全狀況較好、問題較少、問題較多三種類別，同時將水源分為脆弱性高與脆弱性低兩種類別。

其他國家對水質的評價方法和評價標準也各不相同。加拿大對水源水質狀況進行評價的方法主要是水質指數法，將水體水質的具體情況用分值來進行評估，從0到100。以此將水體劃分為較差、及格、中等、較好、極好這五個類別，從分數上體現(xiàn)，分別對應五個區(qū)間：0～44、45～59、60～79、80～95、95～100。

在新西蘭，為了針對水源地的實際治理要求，首先對潛在的污染源和污染物進行確定，進而評價飲用水水源地的水質等級與風險等級，并在這個基礎上得出該水源作為飲用水的適宜性，同時向公眾發(fā)布所評估的結果，根據水源地水質安全的評價結果提出相應的解決辦法。

2.2? ? 國內研究現(xiàn)狀

目前國內的水源安全相關評價指標多從水量、水質這兩個維度考慮并進行的，其中部分研究還對水源地脆弱性、生態(tài)、污染源及污染風險、水環(huán)境等指標進行研究。張韻等人在此基礎上從水質狀況、富營養(yǎng)化情況、健康風險、污染風險這四個角度對水安全進行評價，使評價系統(tǒng)更加周全客觀。王麗紅等人則構建了由水量、質量、脆弱性和生態(tài)環(huán)境四個維度構成的飲用水水源地安全評價指標體系，并給出了與此相關的評價標準以及計算方法。姚治華應用灰色關聯(lián)度評價法，將地下水的飲用水水源安全評價指標體系分為水質情況、水量情況、污染源風險、生態(tài)情況和治理情況五個層次，從而進行評價。衣強在應用層次分析法確定權重后，將飲用水水源的影響指標劃分為水量安全、水質安全、工程安全、生態(tài)安全和其他因素五個種別，用模糊綜合評價法計算水源地安全等級，從而對指標各個安全等級的隸屬度進行計算，確定各指標的安全狀況后，應用模糊綜合指數法得出安全評價成果。

3? ? 代表性水質評價方法簡介

3.1? ? 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法是一種對水環(huán)境進行評價時較為科學客觀地方法，首先要為各個指標與其相對應的各級評價標準之間的隸屬度函數，根據隸屬度函數得出指標的隸屬度，再為每項檢測指標確定一個相應的權重值，運用合適的算子進行矩陣的復合運算，求出綜合隸屬度，最后將求得的隸屬度與相應的水質標準進行匹配，得出水質評價的最終結果。具體如下：

3.1.1? ? 求出評價指標對各個水質類別的隸屬函數及隸屬度。隸屬度體現(xiàn)的是評價系統(tǒng)中的指標對某個評價等級隸屬的可能性，較為常用的確定隸屬度的方法為模糊統(tǒng)計法、升半梯形及降半梯形法。

3.1.2? ? 求出各指標權重。一個指標的權重能夠體現(xiàn)該指標在此評價系統(tǒng)中的重要程度，常用方法有專家打分法、熵權法等。而實測數據相同的指標，其允許濃度標準大的，對污染程度的影響較小，因此得出各指標權重后需要對權重進行歸一化計算。

3.1.3? ? 模糊矩陣的算子選擇及運算。根據上述步驟得出的指標權重和由各隸屬度組成的判斷矩陣，在選擇復合算子之后，即可計算出此評價體系對各個標準類別的綜合隸屬度。

3.1.4? ? 判斷水質級別。一般情況下使用最大隸屬度原則：對比評價對象對全部等級隸屬度的大小，評價對象對某一種等級的隸屬度最高，則判定其隸屬于這個等級。

3.2? ? BP神經網絡法

人工神經網絡是計算機網絡系統(tǒng)模擬生物神經網絡的智能計算系統(tǒng)，能模擬人腦或自然神經網絡的特征。BP算法的學習過程中會進行信號的正向傳播和誤差的反向傳播，在傳播過程中，正向傳播、反向傳播是連續(xù)不斷地進行，直到輸出層的誤差到達可以接受的范圍或到提前設定的學習次數才會停止。具體如下：

3.2.1? ? 選取學習樣本。學習樣本的主要用途就是訓練網絡。將一組實時檢測出來的數據與對應指標的水質標準值數據相對比，與檢測值最接近的標準值所對應的水質級別，以此為該組檢測數據的水質級別。

3.2.2? ? 樣本預處理。樣本預處理主要是指對其進行擴充與歸一化。樣本數量不夠時，時常會出現(xiàn)網絡存儲的是每個訓練樣本的本身特性，而非共性，因此需要對樣本進行擴充，增多樣本數量。而當檢測指標的量綱存在差異時，對比較為困難，所以在評價前有必要把各個指標按統(tǒng)一標準先歸一化成無量綱的指標。

3.2.3? ? 建立BP網絡。神經網絡結構能否順利建成的核心和基礎，就是確定網絡輸入層數及每層的神經元數量。計算過程中，首先依據經驗公式確定出隱含層節(jié)點數的大體范圍，后通過多次試錯最終得出最佳節(jié)點數。

3.2.4? ? 選擇算法及設定參數并進行網絡訓練。設定初始學習率、訓練精度、訓練次數等預設指數，網絡建立后對預設指數進行修正，直到網絡的輸出層誤差在可以接受的范圍或到提前設定的學習次數即可停止。

3.3? ? 主成分分析法

主成分分析是運用降維的思想，通過求解主成分的方法將之前數量較多的指標體系轉化成數量較少的幾個新指標，原有指標由這幾個數量較少的新指標綜合代替，而各個綜合指標之間相互獨立，并最大化的體現(xiàn)原有指標的全部信息，進而達到簡化計算過程的目的。具體如下：

（1）求得相關系數矩陣;（2）計算特征值和與其相對應的特征向量;（3）求得主成分貢獻率及累計貢獻率;（4）根據主成分載荷求出主成分得分。

3.4? ? 單因子評價法

單因子評價法是取評價指標的實際檢測值，并與該指標的規(guī)范值比較。在水環(huán)境質量評價中，只要存在一項指標的檢測值與相應的規(guī)范值不符合，就可以理解為該水源地已經無法完全滿足要求。單因子評價法是最簡明的判斷水域標準的方法，同時也是飲用水水源地評價尤其是水質評價中應用頻率最高的方法。

4? ? 結束語

本文介紹了四種針對水質安全進行評價最常用的方法，除此之外還有一些其他評價方法，如灰色預測法、秩和比法等。雖然水資源評價的方法眾多，但是每種方法都有各自的優(yōu)缺點和適用范圍，在選擇和應用的過程用應當根據具體研究對象的詳細情況以及所篩選的指標體系等內容進行確定。

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