集中式地下水水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法研究及應(yīng)用

劉 博

(1.沈陽(yáng)環(huán)境科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110167; 2.遼寧省城市生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110167)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市不斷擴(kuò)大，現(xiàn)有飲用水水源地保護(hù)區(qū)范圍已經(jīng)逐漸被高樓大廈、道路交通甚至是工業(yè)廠房所侵占，造成水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)日益增加，使周邊居民的飲用水安全受到嚴(yán)重威脅[1-2]?；诖?，2017年12月生態(tài)環(huán)保部在完成長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶飲用水水源地環(huán)保專項(xiàng)執(zhí)法行動(dòng)后，再次啟動(dòng)了全國(guó)飲用水水源地專項(xiàng)排查行動(dòng)，以期對(duì)全國(guó)飲用水水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)隱患進(jìn)行排查，保障水源地供水安全。

自20世紀(jì)70年代，國(guó)外諸多國(guó)家就制定了一系列關(guān)于水源地重大污染事件應(yīng)急管理的法律法規(guī)，相關(guān)研究主要針對(duì)突發(fā)環(huán)境事故的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[3-4]，提出了結(jié)合故障樹(shù)和事件樹(shù)的蝴蝶結(jié)圖[5]、馬爾科夫模型和馬爾科夫鏈蒙特卡洛仿真模型[6]等方法對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)事故進(jìn)行分析計(jì)算。相對(duì)來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究雖然起步較晚，但發(fā)展較快。程斌等[7]采用改進(jìn)決策樹(shù)模型對(duì)水源地進(jìn)行評(píng)價(jià)；張秀菊[8]以江蘇某水源地為例，從水位風(fēng)險(xiǎn)、缺水風(fēng)險(xiǎn)、工程運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)方面對(duì)水源地水量型風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究；張羽[9]針對(duì)黃浦江水源地，采用特征時(shí)間指數(shù)法對(duì)其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估；孫宏亮等采用層次分析法和矩陣法建立了飲用水水源環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)長(zhǎng)江干流各水源地進(jìn)行了評(píng)價(jià)[10]；周琦等[1]在考慮水源地風(fēng)險(xiǎn)類型、水源地風(fēng)險(xiǎn)控制能力的基礎(chǔ)上，構(gòu)建水源地綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,對(duì)鎮(zhèn)江長(zhǎng)江征潤(rùn)州水源地進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

現(xiàn)有水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究多針對(duì)集中式地表水或湖庫(kù)型飲用水水源地，對(duì)于集中式地下水水源地的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究相對(duì)較少，而在我國(guó)北方大部分地區(qū)或相對(duì)干旱地區(qū)，地下水水源地作為城市的主要飲用水水源被使用，因此，如何定量評(píng)估一個(gè)集中式地下水水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，識(shí)別環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)隱患，并提出相應(yīng)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防控措施和應(yīng)急管理要求，將對(duì)一個(gè)城市或地區(qū)的居民提升幸福感具有重要的意義。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

相比地表水水源地，地下水水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)涉及因素更為復(fù)雜，因其附存條件的特殊性，當(dāng)發(fā)生突發(fā)環(huán)境污染事件時(shí)，地下水水源地供水受到影響會(huì)有一定的滯后性，因此，在制定適用于地下水類型飲用水水源地保護(hù)區(qū)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系時(shí)，在考慮水源地周邊潛在風(fēng)險(xiǎn)源的同時(shí)，還需要將水源地自身的風(fēng)險(xiǎn)控制能力考慮在內(nèi)。基于此，本評(píng)價(jià)指標(biāo)體系在綜合考慮《集中式飲用水水源地保護(hù)指南(試行)》《集中式地表水飲用水水源地突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急預(yù)案編制指南(試行)》等要求中關(guān)于水源地評(píng)價(jià)描述的基礎(chǔ)上，還增加了地下水水源地脆弱性等相關(guān)指標(biāo)，然后依據(jù)科學(xué)性、易操作性和實(shí)用性等原則，最終形成了適用于城市集中式地下水飲用水水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見(jiàn)表1。采用專家評(píng)價(jià)結(jié)合層次分析法(AHP)確定一級(jí)指標(biāo)權(quán)重，各指標(biāo)權(quán)重如表1所示。二級(jí)指標(biāo)采用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中分級(jí)賦值的方法確定。

表1 地下水飲用水水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.2 評(píng)價(jià)方法

為了方便評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)方法采用簡(jiǎn)單易懂的加權(quán)求合法，并按照評(píng)分越高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)越高的原則制定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將水源地及各評(píng)價(jià)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)值劃分為高、中、低、極低4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，其分值分別為[3,4]，[2,3)，[1,2)，[0,1)。計(jì)算公式為

(1)

式中，F(xiàn)為地下水飲用水水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；fi,wi分別為第i指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分值和權(quán)重值。

2 指標(biāo)確定與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 潛在風(fēng)險(xiǎn)源

水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)源于周邊可能造成水污染事故的潛在風(fēng)險(xiǎn)源，具體分為固定源、流動(dòng)源和非點(diǎn)源三類，表2參照《集中式飲用水水源地環(huán)境保護(hù)指南(試行)》相關(guān)內(nèi)容，確定了固定源、流動(dòng)源、非點(diǎn)源評(píng)價(jià)指標(biāo)，相關(guān)評(píng)分值見(jiàn)表3～5，由于本次評(píng)估的水源地為地下水類型飲用水水源地，且考慮到其污染的緩慢性和滯后性，因此將水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的評(píng)估范圍確定為水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)，具體包含一級(jí)保護(hù)區(qū)和二級(jí)保護(hù)區(qū)。

表2 潛在風(fēng)險(xiǎn)源

按照固定源、流動(dòng)源和非點(diǎn)源分別對(duì)水源存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。各類型風(fēng)險(xiǎn)源計(jì)算公式如下：

固定源：Rp=(P1+P2)/10；流動(dòng)源：Rf=(F1+F2)/10；非點(diǎn)源：Ry=(Y1+Y2)/10；

風(fēng)險(xiǎn)源：R總=(Rp+Rf+Ry)/10

Rp,Rf,Ry分別為表3，表4和表5中所列的各種潛在風(fēng)險(xiǎn)源的評(píng)分值。

一般來(lái)說(shuō)，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)值的可接受程度分別以Rp(或Rf、Ry)≤1作為背景值;若風(fēng)險(xiǎn)值超過(guò)此限，當(dāng)13時(shí)，應(yīng)采取風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急措施，具體見(jiàn)表6。

2.2 地下水水源地脆弱性

采用美國(guó)環(huán)保署提出的DRASTIC方法對(duì)水源地所在含水層的脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)，它是用來(lái)表征地下水抵抗外接污染的能力，與外界因素?zé)o關(guān)[11-12]。

DRASTIC模型的計(jì)算公式如下：

DI=DwDr+RwRr+AwAr+

SwSr+TwTr+IwIr+CwCr

(2)

式中，DI為脆弱性綜合指數(shù)，DI值越高，表明地下水脆弱性越高，抗污染能力越差，相反，抗污染能力越強(qiáng)；D,R,A,S,T,I,C分別代表地下水埋深、凈補(bǔ)給量、含水層巖性、土壤類型、地面坡度、包氣帶的影響和水力傳導(dǎo)系數(shù)；它們各自對(duì)應(yīng)的下標(biāo)w代表權(quán)重，r代表各參評(píng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的評(píng)分值。

參考以往國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于DRASTIC指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗(yàn)性數(shù)據(jù)[13]，結(jié)合本次評(píng)價(jià)的要求，得出適用于集中式飲用水水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的脆弱性評(píng)價(jià)表(表7)以及地下水水源地脆弱性綜合指數(shù)評(píng)價(jià)等級(jí)表(表8)。

表3 固定源評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)分值

表4 流動(dòng)源評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)分值

注：L為公路、鐵路或航運(yùn)的路線長(zhǎng)度；rd為風(fēng)險(xiǎn)源所在保護(hù)區(qū)范圍的當(dāng)量半徑。

表5 非點(diǎn)源評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)分值

表6 潛在風(fēng)險(xiǎn)源等級(jí)劃分及得分

2.3 水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防控與應(yīng)急能力

依據(jù)《全國(guó)環(huán)保部門(mén)環(huán)境應(yīng)急能力建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)(環(huán)發(fā)[2010]46號(hào))》，同時(shí)借鑒周琦等[1]提出的水源地監(jiān)管能力與應(yīng)急能力指標(biāo)選取和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合地下水類型水源地的特點(diǎn)，確定地下水類型水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)與防控能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表9～10。其中，表中涉及指標(biāo)依照HJ/T164-2004《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》確定自動(dòng)監(jiān)測(cè)能力覆蓋率和檢測(cè)指標(biāo)完成率；全國(guó)環(huán)保部門(mén)環(huán)境應(yīng)急能力建設(shè)縣級(jí)標(biāo)準(zhǔn)依照《全國(guó)環(huán)保部門(mén)環(huán)境應(yīng)急能力建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》(環(huán)發(fā)[2010]46號(hào))確定；依據(jù)《突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急預(yù)案管理辦法》確定應(yīng)急預(yù)案完成情況。

表7 地下水水源地脆弱性評(píng)價(jià)典型指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)

表8 地下水水源地脆弱性綜合指數(shù)評(píng)價(jià)等級(jí)

表9 地下水水源地風(fēng)險(xiǎn)控制能力風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

表10 地下水水源地應(yīng)急能力評(píng)價(jià)等級(jí)

3 應(yīng)用評(píng)價(jià)

3.1 研究區(qū)概況

選擇沈陽(yáng)市沈北新區(qū)現(xiàn)有的7處地下水水源地作為評(píng)價(jià)對(duì)象，詳見(jiàn)圖1。沈北新區(qū)是沈陽(yáng)市九大市轄區(qū)之一，地處沈陽(yáng)三環(huán)北郊，沈北新區(qū)總面積819 km2，總?cè)丝?19 380人，氣候類型屬北溫帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫7.3℃，全年降水量600～800 mm，降水多集中在6～9月，多年平均蒸發(fā)量在1 300～1 800 mm之間。沈北新區(qū)集中式飲用水水源地共有7個(gè)，包含13處井(GGSYGLL水源地有2處，NCGSB水源地有4處，CLJPSC水源地有3處)，涉及水源井136眼，具體見(jiàn)表11。這部分水源地主要分布于遼河沖積平原，含水層厚度一般在5～70 m，下層為砂礫、卵石，上層為細(xì)砂和中砂，滲透系數(shù)一般在30～72 m/d。

表11 沈北新區(qū)集中式飲用水水源地基本情況

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2.1潛在風(fēng)險(xiǎn)源情況

依據(jù)表2～5，對(duì)沈北新區(qū)7處水源地潛在風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行識(shí)別，得到各水源地潛在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)排名如表12所示。由表12可知，從一級(jí)保護(hù)區(qū)潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分值分析，YJ水源地風(fēng)險(xiǎn)值最大(20)，分析其原因是因?yàn)閅J水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)有農(nóng)田和道路經(jīng)過(guò)，而HJJSC水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)無(wú)固定、移動(dòng)及非點(diǎn)源三種類型的風(fēng)險(xiǎn)源，因此其風(fēng)險(xiǎn)值最小(0分)，剩余其它水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)均因一級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)有農(nóng)田，其一級(jí)保護(hù)區(qū)風(fēng)險(xiǎn)值均為10分。有二級(jí)保護(hù)區(qū)的水源地共有5處，最大的為CLJPSC水源地，分析其原因是因?yàn)槎?jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)固定源有沈陽(yáng)特工絕緣電器公司、汽車(chē)修配廠、奇彩涂料廠、沈陽(yáng)新鵬制漆有限公司、石佛寺醫(yī)院等，移動(dòng)源為石佛寺路和錫伯大街兩條公路，這兩條公路是上述企業(yè)運(yùn)輸?；吩匣蛭ｋU(xiǎn)廢物等的必經(jīng)之路，由此確定，CLJPSC水源地移動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)值較高(8分)，另外CLJPSC水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)耕地面積較大，得到其非點(diǎn)源風(fēng)險(xiǎn)值較高(8分)。分析可知CLJPSC水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分值最高，為24分。綜上，水源地一、二級(jí)保護(hù)區(qū)潛在風(fēng)險(xiǎn)源評(píng)分值最高的為CLJPSC水源地，總分為34分，其主要原因是二級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)有一定數(shù)量的工業(yè)企業(yè)。風(fēng)險(xiǎn)值最小的為SMJT水源地和GGSYGLC水源地，風(fēng)險(xiǎn)值均為10，原因是這兩處水源地地下水類型為承壓水，僅有一級(jí)保護(hù)區(qū)，且保護(hù)區(qū)內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)源類型只有耕地非點(diǎn)源一類。綜上所述，水源地保護(hù)區(qū)風(fēng)險(xiǎn)值排名靠前主要是因?yàn)楸Ｗo(hù)區(qū)內(nèi)涉及工業(yè)企業(yè)等固定源以及流動(dòng)源，而耕地是目前水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)普遍存在的現(xiàn)象，急需采取相應(yīng)整治措施進(jìn)行改善，以保障水源地供水安全。

圖1 沈北新區(qū)集中式飲用水水源地分布

表12 各水源地保護(hù)區(qū)潛在風(fēng)險(xiǎn)源評(píng)分值匯總

3.2.2水源地脆弱性計(jì)算

采用改進(jìn)的DRASTIC方法對(duì)研究區(qū)7處水源地脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表13。由表13可見(jiàn)：CLJPSC水源地因地下水埋深較淺(<4 m)，凈補(bǔ)給量相對(duì)較大(120～150 mm)，導(dǎo)水能力較強(qiáng)(90～100 m/d)，導(dǎo)致脆弱性評(píng)分值最高(3.383)，即極易受到污染。而GGSYGLC水源地由于地下水埋深較大，導(dǎo)水能力較差，所以其脆弱性評(píng)分值最低(1.907)，稍難受到污染。其余5個(gè)水源地均為Ⅲ，較易受到污染，即在水源地周邊發(fā)生突發(fā)水環(huán)境污染事故，水污染物較易滲入地下水含水層中，影響地下水水質(zhì)，威脅居民飲用水安全。

表13 各水源地保護(hù)區(qū)脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果匯總

3.2.3水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防控與應(yīng)急能力分析

依據(jù)2.3節(jié)提出的水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防控與應(yīng)急能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)沈北新區(qū)7處水源地進(jìn)行評(píng)價(jià)，由于這7處水源地均隸屬于沈北新區(qū)，因此，在環(huán)境應(yīng)急管理和日常執(zhí)法等方面所做工作基本一致，經(jīng)分析計(jì)算得到，7處水源地監(jiān)管能力得分均為1.400，應(yīng)急能力得分均為1.957。

3.2.4綜合風(fēng)險(xiǎn)值

匯總3.2.1～3.2.3節(jié)的計(jì)算結(jié)果，得到7處水源地綜合風(fēng)險(xiǎn)值如表14所示。由表1可見(jiàn)，CLJPSC水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)值最高(3.033)，其次為YJ水源地和HJ水源地，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)值均大于2，三者均為中環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。分析其原因主要是因?yàn)檫@三處水源地周邊潛在風(fēng)險(xiǎn)源較多，而又因CLJPSC水源地自身脆弱性較高(3.383)，因此，得到CLJPSC水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)最大。其余4處水源地均為低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)水源地，一方面是由于這4處水源地?zé)o工業(yè)企業(yè)或道路交通等高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的固定源和移動(dòng)源，另一方面是因?yàn)檫@4處水源地脆弱性較低，綜合以上因素，得到各水源地保護(hù)區(qū)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)排名。

表14 各水源地保護(hù)區(qū)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)值

4 結(jié) 論

本文分別從潛在風(fēng)險(xiǎn)源、地下水水源地脆弱性和水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防控與應(yīng)急能力等方面建立了針對(duì)地下水類型的集中式飲用水水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并采用專家分析結(jié)合AHP的方法確定了指標(biāo)的權(quán)重，并將其應(yīng)用于地下水水源地評(píng)價(jià)，得到結(jié)論如下。

(1)潛在風(fēng)險(xiǎn)源和脆弱性分別作為外在因素和內(nèi)在因素，共同組成了影響地下水水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的主要因素，而環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防控與應(yīng)急能力是衡量管理部門(mén)應(yīng)對(duì)飲用水水源地突發(fā)環(huán)境事故能力的主要指標(biāo)，二者相輔相成，共同保障飲用水源地的供水安全。

(2)沈陽(yáng)市沈北新區(qū)7處水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)值由高到低分別為CLJPSC水源地(2.793)、YJ水源地(2.322)、HJ水源地(2.082)、NCGSB水源地(1.969)、HJJSC水源地(1.790)、SMJT水源地(1.551)以及GGSYGLC水源地(1.464)，其中前3處水源地為中等風(fēng)險(xiǎn)水源地，需要對(duì)可能影響水源地的主要環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源加強(qiáng)監(jiān)控，全過(guò)程監(jiān)控水源地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)產(chǎn)生至排放的各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。