河流水环境污染风险模糊综合评价模型

祝慧娜,袁兴中,梁 婕,曾光明,江洪炜 (湖南大学环境科学与工程学院,环境生物与控制教育部重点实验室,湖南 长沙 410082)

河流水环境污染风险模糊综合评价模型

祝慧娜,袁兴中*,梁 婕,曾光明,江洪炜 (湖南大学环境科学与工程学院,环境生物与控制教育部重点实验室,湖南 长沙 410082)

综合考虑水环境污染的脆弱性和受污染水体对人体健康的危害性, 建立了河流水环污染风险模糊综合评价模型.运用模糊语言,将脆弱性和危害性均分为6个等级,并根据F统计法和专家咨询法确定脆弱性和危害性的模糊隶属函数.由模糊综合评价得出河流水环境污染的风险水平.将该评价模型应用到湘江 14个断面的水环境风险评价中,直观地表达各个断面污染风险水平,为湘江水资源管理和优先控制断面的选取提供新思路和新方法.

水环境风险；综合评判；模糊隶属度；脆弱性；危害性

环境风险评价是防止污染事故、控制环境污染的有效手段之一[1].目前已有许多专家对环境风险进行了大量的研究[2-6].环境风险评价具有复杂性、综合性、模糊性的特点,因此环境风险评价的过程及其结果具有一定的模糊性.为解决环境风险评价的复杂性、综合性、模糊性,研究者们将不确定性理论引入到了水环境风险的评价过程中.HAMED[7]、金菊良等[8]运用了随机模型处理地下水风险评价中的不确定性;模糊理论和模糊模型也常被用于环境污染风险的综合评价[9-13].然而很多研究局限于单一的环境风险研究,它们或将单一的污染物超标程度作为环境风险的表征,或将污染物对人类健康的危害程度作为环境风险的表征[14-16].目前在评价过程中同时考虑河流污染脆弱性与污染物对人体健康危害性的还较少.Uricchio等[17]曾在评价地下水污染风险的过程中提出需同时考虑含水层的脆弱性和对人体健康的危害性;梁婕等[18]、Li等[1]在这些方面也进行了探讨性的研究,但均是针对于地下水的风险进行研究.河流水环境风险不单表现在污染物对人体所产生的健康危害性方面,而且与河流水环境污染的脆弱性也具有一定的关系,同时在风险评价过程中存在较大的不确定性.因此,本文同时考虑河流水环境的脆弱性和受污染水体对人体健康的危害性,在模糊综合评判理论的基础上,建立模糊综合评价模型.并对湘江水环境污染风险进行评价,直观地表达湘江水环境污染风险水平.

1 研究方法

本文在水环境风险评价过程中同时考虑了河流水环境的脆弱性及受污染水体对人体健康的危害性两个因素,建立风险计算的综合评判模型.本文将风险定义如下:

风险(Risk)=f(脆弱性(RiskV),危害性(RiskH)) (1)式中:脆弱性水环境受污染的难易程度;“危害性”指污染物暴露对人类造成的危害;f指风险计算的函数.

1.1 河流水环境的脆弱性

脆弱性是指水环境受污染的难易程度,它与河流本身污染物情况、污染源排放以及河流的环境容量等有关.考虑到资料及数据的获取,将河流污染状况、污染源排放情况及环境容量3个指标综合作为脆弱性的评价指标.以污染物超标概率代表河流污染状况指标,以污染源排放污染物总量与环境容量的比值作为对污河流污染状况指标的调整系数;从而构成脆弱性评价指标.

1.2 河流水环境的危害性

危害性采用美国环保局推荐的健康风险评价模型,本评价主要包括化学致癌物和躯体毒物质两种污染物质[19].

式中:Rc为化学致癌物 i(共 k种化学致癌物)经

ig食入途径的个人平均致癌年风险值,a-1;Qig为化学致癌物 i经食入途径的致癌强度系数,mg/(kg⋅d);Ci为水环境中化学致癌物 i的浓度,mg/L; A为人均体重,kg;70为人类平均寿命,a;W为日平均饮水量,L;Dig为化学致癌物或躯体毒物质 i经食入途径的单位体重日均暴露剂量,mg/kg;Rnjg为躯体毒物质j(共m种躯体毒物质)经食入途径所致健康危害的个人平均年风险,a-1;R fDjg为躯体毒物质j经食入途径的参考剂量,mg/(kg⋅d);Djg为躯体毒物质经食入途径的单位体重日均暴露剂量,mg/(kg⋅d).

水环境中化学有毒污染物总健康危害风险为化学致癌物和躯体毒物质健康风险之和.

1.3 河流水环境污染风险

采用模糊语言识别理论进行风险水平判别.首先采用模糊语言将脆弱性和危害性分为 6个等级;并根据F统计法和专家咨询法确定脆弱性和危害性的等级隶属度;最后根据模糊综合评判模型式(7),计算污染风险.

式中:(A⋅R)即为式(1)中的 f函数;A为 riskV和riskH的权重,根据专家咨询法确定了 riskV和riskH的权重,分别为A1=0.4和A2=0.6;R为riskV和 riskH对每个等级隶属度矩阵,其中 V1,V2,V3,V4,V5,V6分别代表脆弱性对6个等级的隶属度,H1,H2,H3,H4,H5,H6分别代表危害性对6个等级的隶属度.

2 研究实例

湘江近年来由于流域内工业和经济的发展,水质受到了不同程度的污染.为了解湘江水环境污染风险,选取14个断面对湘江水环境污染风险进行模糊综合评价.

2.1 参数的确定

评价因子共设 8种污染物质,包括化学致癌物Cd、As和Cr6+,非化学致癌物Hg、Pb、氰化物、NH3和挥发酚,这 8种污染物是湘江的特征污染物.各评价因子的监测值见表1.

根据国际癌症研究机构(IARC)和世界卫生组织(WHO)编制的权衡化学物质致癌性可靠程度体系,Cd、As和Cr6+分别属于1组和2A组的化学物质,为化学致癌物,根据US EPA[20],其致癌强度系数igQ (饮水途径)分别为 6.1,15,41mg/(kg⋅d);Hg、Pb、CN、NH3和挥发酚为非化学致癌物质,其参考剂量igRfD (饮水途径)分别是3.0×10-4,14×10-3,3.7×10-2,9.7×10-1,1.0×10-1mg/(kg⋅d).

表1 2007年湘江水质监测(mg/L)Table 1 Water quality date of Xiangjiang River in 2007 (mg/L)

2.2 脆弱性计算结果

图1 脆弱性的模糊隶属函数Fig.1 Fuzzy membership function of vulnerability

采用 F统计法及专家咨询法,将“脆弱性”共分为 6个等级:L、L-M、M、M-H、H、VH,分别代表低、低-中、中、中-高、高及极高等级.其隶属度函数见图 1.根据式(9)可得到“脆弱性”的隶属函数.其中:＆为调整系统;Q排为污染物总排放量;Q为环境容量;RiskV是该断面的脆弱性隶属度;fV为脆弱性计算函数.即图 1;Max(E1,E2,E3…E8)为该断面的超标率;E1,E2,E3…E8分别为该断面8种污染物的超标率.各断面的超标率及脆弱性的隶属度见表2.

2.3 “危害性”计算结果

同样采用 F统计法及专家咨询法,将危害性共分为6个等级:L、L-M、M、M-H、H、VH,分别代表低、低-中、中、中-高、高及极高等级.其隶属度函数见图2.

表2 脆弱性模糊隶属度计算Table 2 Fuzzy membership of vulnerability

图2 危害性的模糊隶属函数Fig.2 Fuzzy membership function of hazard

根据式(2)～式(6)对各断面健康风险值进行计算,得到各断面的健康风险值,见表 3.根据式(10)可计算得出各断面危害性的隶属度,见表3.

其中:RiskH是该断面的脆弱性隶属度;fH脆弱性计算函数,即图2;lgH为各断面健康风险值的对数.

表3 危害性模糊隶属度计算Table 3 Fuzzy membership of hazard

2.4 水环境污染风险计算

根据式(7),脆弱性和危害性的权重分别为0.4和0.6,并根据2.2节和2.3节得出脆弱性和危害性的隶属度,可按式(7)计算出各个断面的水环境污染风险,如港子口断面的计算如下:

表4 湘江各断面水环境污染风险Table 4 Pollution risk for 14 sections of Xiangjiang river

3 结论

3.1 该评价模型在不确定性的基础上,同时考虑河流水环境污染的脆弱性与污染物对人体健康危害性,直观地表达了水环境污染风险的水平.

3.2 采用该模型评价湘江 14个断面的水质污染风险,为湘江水资源管理和优先控制断面的选取提供新思路和新方法.

[1] Li J B, Huang G H, Zeng G M et al. An integrated fuzzy stochastic modeling approach for risk assessment of groundwater contamination [J].Journal of Environmental Management, 2007,82:173-188.

[2] 朱利中,陈宝梁,沈红心,等.杭州市地面水中多环芳烃污染现状及风险 [J]. 中国环境科学, 2003,23(5):485-489.

[3] 翟丽梅,廖晓勇,阎秀兰,等.广西西江流域农业土壤镉的空间分布与环境风险 [J]. 中国环境科学, 2009,2009,29(6):661-667.

[4] 刘 超,胡建信,刘建国,等.镀铬企业周边全氟辛烷磺酰基化合物环境风险评价 [J]. 中国环境科学, 2008,28(10):950-954.

[5] 蒋文燕,汤庆合,李怀正,等.化工企业环境风险综合评价模式及其应用 [J]. 中国环境科学, 2010,30(1):133-138.

[6] 李凤英,毕 军,曲常胜,等.环境风险全过程评估与管理模式研究及应用 [J]. 中国环境科学, 2010,30(6):858-864.

[7] HAMED M M. Stochastic modeling concepts in groundwater and risk assessment: Potential application to marine problems [J].Spill Science and Technology Bulletin, 2000,6(2):125-132.

[8] 金菊良,吴开亚,李如忠.水环境风险评价的随机模拟与三角模糊数耦合模型 [J]. 水利学报, 2008,29(11):1257-1262.

[9] 潘孝辉,吴 敏,王 悦.黄浦江水环境污染风险的模糊数学综合评价 [J]. 四川环境, 2008,27(6):60-62.

[10] 李如忠.基于不确定信息的城市水源水环境健康风险评价 [J].水利学报, 2007,38(8):895-900.

[11] 张应华,刘志全,李广贺,等.基于不确定分析的健康环境风险评价 [J]. 环境科学, 2007,28(7):1409-1415.

[12] 祝慧娜,袁兴中,曾光明,等.基于区间数的河流水环境健康风险模糊综合评价模型 [J]. 环境科学学报, 2009,29(7):1527-1533.

[13] 丁昊天,袁兴中,曾光明.基于模糊化的长株潭地区地下水重金属健康风险评价 [J]. 环境科学研究, 2009,22(11):1323-1328.

[14] 胡二邦.环境风险评价实用技术和方法 [M]. 北京:中国环境科学出版社, 1999:1-179.

[15] 郜红建,张显晨,张正竹,等.安徽省饮用水中氟化物含量及健康风险分析 [J]. 中国环境科学, 2010,30(4):464-467.

[16] 陈小红,涂新军.一个水质风险率计算的随机模型 [J]. 环境科学学报, 2000,20(3):290-293.

[17] Uricchio V F,Giordano R,Lopez N.A fuzzy knowledge-based decision support system for groundwater pollution risk evaluation[J]. Journal of Environmental Management, 2004,73(3):189-197.

[18] 梁 婕,谢更新,曾光明,等.基于随机-模糊模型的地下水污染风险评价 [J]. 湖南大学学报:自然科学版, 2009,36(6):54-58.

[19] 曾光明,卓 利,钟政林,等.水环境健康风险评价模式 [J]. 水科学进展, 1998,9(3):212-217.

[20] EPA U S．Risk Assessment Guidance for Superfund:Volume3—Process for Conducting Probabilistic Risk Assessment Chapter,Part A [R]. Washington, IX; Office of Emergency and Remedial Response U. S. EPA, 2001.

An integrated model for assessing the risk of water environmental pollution based on fuzziness.

ZHU Hui-na,？YUAN Xing-zhong*,LIANG Jie, ZENG Guang-ming, JIANG Hong-wei (Key Laboratory of Environmental Biology and Pollution Control, Ministry of Education, College of Environmental Science and Engineering,Hunan University,Changsha 410082, China). China Environmental Science,2011,31(3)：516～521

Considering both the vulnerability of water environmental and hazard to human beings, an integrated model for assessing the risk of water environmental pollution was developed based on fuzziness. In this model, vulnerability and hazard were both divided into six categories based on fuzzy theory. The fuzzy membership functions of vulnerability and hazard were built by the experts consultation and F statistical method. In order to obtain general risk of water environmental pollution, integrated evaluation was used to combine vulnerability and hazard together. The model was applied to 14 sections of Xiangjiang River, the pollution risk levels of which were intuitively expressed. In a sense, the developed model can provide new ideas and methods for the water resource management and the selecting of priority control section of Xiangjiang River.

water environmental risk；integrated evaluation；fuzzy membership；vulnerability；hazard

X820.4

A

1000-6923(2011)03-0516-06

2010-07-24

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2009ZX07212-001-06);国家自然科学基金资助项目(51009063)

* 责任作者, 教授, yxz@hnu.cn

祝慧娜(1986-),女,河南新乡人,湖南大学环境科学与工程学院博士研究生,主要从事环境系统工程及环境风险评价方面的研究.发表论文3篇.