地下水水源地污染防治优先性研究

王红旗,秦 成,陈美阳 (北京师范大学水科学研究院,北京 100875)

地下水水源地污染防治优先性研究

王红旗*,秦 成,陈美阳 (北京师范大学水科学研究院,北京 100875)

在总结地下水水源地污染防治相关研究的基础上,提出了地下水水源地污染防治优先性问题,并建立了优先性评价的指标体系,采用基于灰色关联度和理想解法的综合决策方法实现水源地优先性排序.利用优先控制指标以及指标与工程的对应关系,确定了各水源地工程建设的优先次序.应用案例显示,华北平原9大水源地污染防治可按I期和II期分期进行.城镇生活垃圾无害化处理率、工业固废集中处置利用率、林木覆盖率、地下水固有脆弱性 4个指标,在各水源地工程建设的优先次序确定过程中出现最为频繁,体现了华北平原地下水水源地普遍存在的问题.

地下水水源地；污染防治；优先性；华北平原

目前,全球有8.84亿人没有安全的饮用水源,每年有5万多亿m3水体被污染[1].在我国,正常年份全国每年缺水量近 400亿 m3,北方地区尤甚,全国农村有2亿多人饮水安全没有保障,1/3的乡镇缺乏符合标准的供水设施[2].同时,作为主要水源之一的地下水正在遭受越来越严重的污染,在全国水资源调查评价的197万km2平原区浅层地下水中,I类和II类水质面积仅为4.98%,III类水质面积为 35.53%,Ⅳ类和Ⅴ类水质面积高达59.49%[3].因此,为了遏制我国地下水污染趋势,防治地下水水源地污染,相关的学者对地下水水源地污染防治作了相关研究,如李力争[4]、毛媛媛等[5]对地下水水源地保护区的划分进行了深入研究;王红旗等[6]、王丽红等[7]进行了地下水水源地脆弱性评价研究.国家对此也极度重视,制定了《全国地下水污染防治规划》,对我国地下水污染防治起到了指导作用.但是目前的研究还存在以下2个问题:第一,现有的地下水水源地污染防治研究大多是针对某一局部范围内的地下水水源地开展的,没有涉及关于地下水水源地污染防治优先性等级划分的研究.而关于诸如全国性的地下水水源地污染防治,如何实现对各水源地按时间分阶段保护、制定优先等级,是亟需解决的问题.第二,对于水源地污染防治规划中污染防治工程的优先性次序缺乏相应的研究.如果遇到污染防治规划是分阶段进行的,就不可能对任一个水源地同时采取所有的污染防治工程,而需要对防治工程进行优先次序的判断.涉及优先性的研究主要包括防灾优先性[8-9]、交通项目建设优先性[10-11]等,而目前相关方面的研究基本空白.鉴于此,作者着重研究在地下水水源地污染防治规划过程中水源地优先性和各水源地污染防治工程优先性两方面的问题.

1 地下水水源地污染防治优先性评价方法

1.1 优先性评价指标体系建立

在大范围的地下水水源地污染防治规划过程中,由于各水源地在环境脆弱性、供水规模、生态环境、干扰程度等方面存在差异,同时社会经济发展状况也存在差别,因此,在进行污染防治规划过程中应该根据各水源地需求的紧迫程度划分优先次序.划分的前提是建立一套指标体系.本研究通过对“水源地－社会经济”复合生态系统的结构和功能进行系统分析,基于“压力－状态－响应”(PSR)模型,建立指标框架模型.在此基础之上,将地下水水源地污染防治优先性评价指标体系划分为目标层、准则层、指标层,如表1所示.

表1 地下水源地污染防治优先性评价指标体系Table 1 Evaluation index system of the priority of prevention and control of groundwater source pollution

地下水系统(B1)反映的是水源地地下水本身固有自然属性,涉及地下水水质、水量(供水角度)和脆弱性等问题.环境污染控制(B2)反映了人类活动作用对水源地所在区域污染源的控制程度,涉及各类污染物负荷及其处理率.水源生态状况(B3)主要针对林木覆盖率对水源补给的影响,以及农药、化肥的施用对地下水的影响,反映了水源生态系统的健康适宜程度.社会与经济发展状况(B4)反映地下水补给区及水源地供水范围内的社会经济现状,表征由于水源地水质、水量威胁,对当地社会经济造成的影响程度,也从另一个角度展现了社会经济状况对于地下水水源地污染防治优先性的影响.

1.2 水源地优先性评价

水源地优先性评价是一个多指标决策过程,因评价指标所需的一些统计数据有限,且许多数据波动较大,没有一定的分布规律可循;再加上有定性因素与定量因素的混杂,各因素之间没有确定的数量关系相对应.灰色系统理论具有所需原始数据少、原理简单、运算方便、易于挖掘数据规律等优点,在处理此类问题时就显得游刃有余,尤其是灰色关联分析理论更能取得令人满意的结果.灰色关联分析的基本思想是对数据序列几何关系和曲线几何形状的相似程度进行比较分析,以曲线间相似程度大小作为关联程度的衡量尺度[12-13].理想解法也是一种有效的多指标决策方法,在解决多指标决策问题时分析的依据是数据序列之间的距离关系,以距离作为尺度能反映数据曲线之间的位置关系[14-17].鉴于灰色关联分析和理想解法分别从形状相似性和位置关系上反映方案与理想方案的接近程度,并同时体现双基准的特性,因此可将二者结合起来构造一种反映方案逼近理想解的新尺度,作为判断方案优劣的标准.本研究将基于灰色关联度和理想解法的综合决策方法引入到地下水水源地污染防治优先性规划中.

1.2.1 构建决策矩阵并标准化 将m个待评价的地下水水源地作为矩阵的行向量,将n个指标作为矩阵的列向量,指标值为xij(1≤i≤m,1≤j≤n),组成一个决策矩阵X=(xij)m×n.用向量归一化方法对决策矩阵X=(xij)m×n作标准化处理,得到标准化矩阵Y=(yij)m×n.

1.2.2 计算加权标准化判断矩阵 U 将指标权重 ωj(j=1,2,…,n)与标准化判断矩阵相乘,得到加权标准化判断矩阵U:

其中,权重ωj的确定采用层次分析法和熵权法相结合的主客观综合赋权方法.

1.2.3 理想解U0+和负理想解U0-的判定

其中J+为越大越优型指标; J-为越小越优型指标.

1.2.4 计算方案 i到理想解和负理想解之间的距离Di+、Di-及灰色关联度Ri+、Ri-

式中: 1≤i≤m,1≤j≤n,第i个方案与理想解关于第j个指标的灰色关联系数为:

式中: ρ为分辨系数,一般取值0.5.

同理可得第 i个方案与负理想方案关于第 j个指标的灰色关联系数.

1.2.5 计算方案的相对贴近度 方案的相对贴近度计算公式为:

式中: Si+,Si-为将无量纲化后的距离和关联度合并后的值,δ1、δ2反映了决策者对位置和形状的偏好程度.

按照贴近度的大小对方案进行排序.

1.3 污染防治工程优先性确定

对于已经确定优先性的地下水源地,各项保护工程、污染控制工程以及治理工程的建设也应有针对性地进行优先性规划.工程优先性判断在水源地优先性评价的基础上进行,它是落实地下水水源地污染防治规划最重要的一步.工程建设优先性确定方法如下:计算确定 1.2中的各水源地指标与理想解的灰关联系数矩阵;根据每个水源地的各指标灰关联系数的大小进行排序;按照灰关联排序的顺序确定各地下水源地的指标优先次序;按照确定的指标排序对比表2确定各水源地的污染防治工程类别;最终确定各个地下水源地的工程类型与工程优先顺序.

表2 评价指标与工程对应表Table 2 Relationship between evaluation index and project

表2中某些指标对应的社会效应,无需进行相应工程建设,其体现的只是地下水源地污染防治优先性规划中社会经济对于水源地的影响.

2 案例研究

华北平原是我国最大的冲积平原之一,由于城市与工农业生产的快速发展,华北平原的地下水被大量超采,使该地区地下水位每年平均下降0.5～1.0m,并导致一系列的生态、环境问题,诸如干旱缺水、地面下沉、海水入侵等[18].为了挽救地下水资源和修复当地生态,急需对华北平原地下水水源地进行科学合理规划.本研究根据水源地日供水量＞5万m3/d,并结合指标数据获取的难易程度,选取北京顺义第三水厂水源地G1、天津武清北水源地G2、天津蓟县城关水源地G3、保定市一亩泉水源地G4、邯郸羊角铺水源地G5、新乡第四水厂水源地G6、濮阳中原油田基地水源地G7、聊城市东阿水源地G8及石家庄滹沱河水系地下水源地G9为研究对象.

根据 1.2节所述的方法,对各水源地污染防治进行优先性评价,结果见表3.根据表3并按照相对贴近度Ti的大小对方案进行排序.相对贴近度越大,方案越优先;反之,相对贴近度越小,方案排序越靠后.根据紧迫性级别进行规划,分别确定出I期及II期规划保护的地下水水源地,结果见表4、图1.将分析出的各水源地优先性控制指标个数进行统计,进行各指标的广泛性比较,如图2.根据图2,在9个水源地的评价过程中,对各水源地优先性规划做出贡献频次最多的几项评价指标分别为:X6城镇生活垃圾无害化处理率、X7工业固体废物集中利用率、X9水源保护区林木覆盖率、X4地下水固有脆弱性;由此可知,在华北平原本研究的9个水源地中,大部分水源地所在地区存在工业固废与城镇垃圾处理率偏低的情况,诸多水源地地区的林木覆盖率也较低,在某些地区,较高的地下水固有脆弱性依然是水源地进行优先性保护的重要依据.

表3 华北平原各地下水水源地相对贴近度计算结果表Table 3 Results of relative closeness of groundwater sources in North China Plain

图1 地下水水源地污染防治分期规划Fig.1 Stage planning on prevention and control of groundwater source pollution

表4 地下水水源地污染防治优先性规划结果表Table 4 Results of priorities of prevention and control of groundwater sources pollution

根据各水源地指标值与理想优先性指标值的灰关联系数,选择关联系数排名前4的指标进行统计,得到各个水源地污染优先性控制指标,如表 5.根据表 2指标与工程的对应关系可得到各水源地优先性控制指标所对应工程,如表5.同时,

图2 各评价指标频次Fig.2 Frequency of each evaluation index

表5 地下水水源地污染防治工程规划结果表Table 5 Results of planning on projectof prevention and control of groundwater sources pollution

3 结论

3.1 提出了地下水水源地污染防治过程中需要考虑优先性的理念,从地下水系统、环境污染控制、水源生态、社会经济等角度建立了地下水水源地污染防治优先性评价指标体系.形成了一套基于灰色关联度和理想解法的优先性判别方法,以此来判定地下水水源地污染防治的优先次序,以及确定地下水水源地的工程类型与工程优先顺序.

3.2 华北平原9大典型地下水源地,优先性划分结果为:I期水源地有G1,G3,G7,G8,G9;II期水源地有 G2,G4,G5,G6.在各水源地工程建设优先次序确定过程中,城镇生活垃圾无害化处理率、工业固体废物集中处置利用率、林木覆盖率、地下水固有脆弱性这 4个指标出现频次较高,其对 9大水源地的贡献较为频繁,体现出华北地区地下水源地普遍存在的问题.

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Study on priorities of prevention and control of groundwater source pollution.

WANG Hong-qi*, QIN Cheng, CHEN Mei-yang (College of Water Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China). China Environmental Science, 2011,31(5)：876～880

Based on previous studies on prevention and control of groundwater source pollution, a concept of prevention priority for groundwater source pollution was developed. A new evaluation index system of the priority of groundwater source pollution prevention and control was proposed, and a synthetic decision method based on grey correlation analysis and TOPSIS (technique for order preference by similarity to ideal solution) was used to evaluate the priority sequence. On this basis, priority of project construction on each groundwater source by priority control index and the relation between index and project were determined.The example showed that prevention and control of groundwater source pollution in North China Plain should be realized by stages.In the process of determine the priority of project construction on each groundwater source, urban life garbage treatment rate, industrial solid waste treatment rate, forest coverage, inherent vulnerability of groundwater those four index occurs most frequently, reflecting the common problem of groundwater source in North China Plain.

groundwater source；pollution prevention and control；priority；North China Plain

X523

A

1000-6923(2011)05-0876-05

2010-09-13

环境保护部重点项目《全国地下水污染防治规划》

* 责任作者, 教授, whongqi@126.com

王红旗(1960-),男,浙江义乌人,教授,博士,主要从事水环境与水资源教学与研究工作.发表论文100余篇.