集中式地下水水源地环境风险评价方法研究及应用
2020-06-09刘博
刘 博
(1.沈阳环境科学研究院，辽宁 沈阳 110167; 2.辽宁省城市生态重点实验室，辽宁 沈阳 110167)
随着我国经济快速发展，城市不断扩大，现有饮用水水源地保护区范围已经逐渐被高楼大厦、道路交通甚至是工业厂房所侵占，造成水源地环境风险日益增加，使周边居民的饮用水安全受到严重威胁[1-2]。基于此，2017年12月生态环保部在完成长江经济带饮用水水源地环保专项执法行动后，再次启动了全国饮用水水源地专项排查行动，以期对全国饮用水水源地环境风险隐患进行排查，保障水源地供水安全。
自20世纪70年代，国外诸多国家就制定了一系列关于水源地重大污染事件应急管理的法律法规，相关研究主要针对突发环境事故的风险评价[3-4]，提出了结合故障树和事件树的蝴蝶结图[5]、马尔科夫模型和马尔科夫链蒙特卡洛仿真模型[6]等方法对环境风险事故进行分析计算。相对来说，国内相关研究虽然起步较晚，但发展较快。程斌等[7]采用改进决策树模型对水源地进行评价；张秀菊[8]以江苏某水源地为例，从水位风险、缺水风险、工程运行风险方面对水源地水量型风险进行研究；张羽[9]针对黄浦江水源地，采用特征时间指数法对其环境风险进行评估；孙宏亮等采用层次分析法和矩阵法建立了饮用水水源环境风险评价指标体系，对长江干流各水源地进行了评价[10]；周琦等[1]在考虑水源地风险类型、水源地风险控制能力的基础上，构建水源地综合风险评价指标体系,对镇江长江征润州水源地进行了评价。
现有水源地环境风险评估的研究多针对集中式地表水或湖库型饮用水水源地，对于集中式地下水水源地的环境风险评估研究相对较少，而在我国北方大部分地区或相对干旱地区，地下水水源地作为城市的主要饮用水水源被使用，因此，如何定量评估一个集中式地下水水源地环境风险，识别环境风险隐患，并提出相应的环境风险防控措施和应急管理要求，将对一个城市或地区的居民提升幸福感具有重要的意义。
1 评价指标体系构建
1.1 评价指标选取
相比地表水水源地，地下水水源地环境风险涉及因素更为复杂，因其附存条件的特殊性，当发生突发环境污染事件时，地下水水源地供水受到影响会有一定的滞后性，因此，在制定适用于地下水类型饮用水水源地保护区环境风险评估指标体系时，在考虑水源地周边潜在风险源的同时，还需要将水源地自身的风险控制能力考虑在内。基于此，本评价指标体系在综合考虑《集中式饮用水水源地保护指南(试行)》《集中式地表水饮用水水源地突发环境事件应急预案编制指南(试行)》等要求中关于水源地评价描述的基础上，还增加了地下水水源地脆弱性等相关指标，然后依据科学性、易操作性和实用性等原则，最终形成了适用于城市集中式地下水饮用水水源地环境风险评价指标体系，见表1。采用专家评价结合层次分析法(AHP)确定一级指标权重，各指标权重如表1所示。二级指标采用相关标准中分级赋值的方法确定。
表1 地下水饮用水水源地环境风险评价指标体系
1.2 评价方法
为了方便评价，评价方法采用简单易懂的加权求合法，并按照评分越高风险等级越高的原则制定评价标准，将水源地及各评价指标风险值划分为高、中、低、极低4个风险等级，其分值分别为[3,4]，[2,3)，[1,2)，[0,1)。计算公式为
(1)
式中，F为地下水饮用水水源地环境风险指数；fi,wi分别为第i指标的风险评分值和权重值。
2 指标确定与分级标准
2.1 潜在风险源
水源地环境风险主要来源于周边可能造成水污染事故的潜在风险源，具体分为固定源、流动源和非点源三类，表2参照《集中式饮用水水源地环境保护指南(试行)》相关内容，确定了固定源、流动源、非点源评价指标，相关评分值见表3～5，由于本次评估的水源地为地下水类型饮用水水源地，且考虑到其污染的缓慢性和滞后性，因此将水源地环境风险评估的评估范围确定为水源地保护区内，具体包含一级保护区和二级保护区。
表2 潜在风险源
按照固定源、流动源和非点源分别对水源存在的风险进行评价。各类型风险源计算公式如下：
固定源：Rp=(P1+P2)/10；流动源：Rf=(F1+F2)/10；非点源：Ry=(Y1+Y2)/10；
风险源：R总=(Rp+Rf+Ry)/10
Rp,Rf,Ry分别为表3，表4和表5中所列的各种潜在风险源的评分值。
一般来说，环境风险值的可接受程度分别以Rp(或Rf、Ry)≤1作为背景值;若风险值超过此限，当1
2.2 地下水水源地脆弱性
采用美国环保署提出的DRASTIC方法对水源地所在含水层的脆弱性进行评价，它是用来表征地下水抵抗外接污染的能力，与外界因素无关[11-12]。
DRASTIC模型的计算公式如下：
DI=DwDr+RwRr+AwAr+
SwSr+TwTr+IwIr+CwCr
(2)
式中，DI为脆弱性综合指数，DI值越高，表明地下水脆弱性越高，抗污染能力越差，相反，抗污染能力越强；D,R,A,S,T,I,C分别代表地下水埋深、净补给量、含水层岩性、土壤类型、地面坡度、包气带的影响和水力传导系数；它们各自对应的下标w代表权重，r代表各参评指标对应的评分值。
参考以往国内外学者关于DRASTIC指标标准的经验性数据[13]，结合本次评价的要求，得出适用于集中式饮用水水源地环境风险评估的脆弱性评价表(表7)以及地下水水源地脆弱性综合指数评价等级表(表8)。
表3 固定源评价指标及评分值
表4 流动源评价指标及评分值
注：L为公路、铁路或航运的路线长度；rd为风险源所在保护区范围的当量半径。
表5 非点源评价指标及评分值
表6 潜在风险源等级划分及得分
2.3 水源地环境风险防控与应急能力
依据《全国环保部门环境应急能力建设标准(环发[2010]46号)》，同时借鉴周琦等[1]提出的水源地监管能力与应急能力指标选取和风险等级划分标准，并结合地下水类型水源地的特点，确定地下水类型水源地环境风险与防控能力评价指标体系及等级划分标准见表9～10。其中，表中涉及指标依照HJ/T164-2004《地下水环境监测技术规范》确定自动监测能力覆盖率和检测指标完成率；全国环保部门环境应急能力建设县级标准依照《全国环保部门环境应急能力建设标准》(环发[2010]46号)确定；依据《突发环境事件应急预案管理办法》确定应急预案完成情况。
表7 地下水水源地脆弱性评价典型指标评价等级
表8 地下水水源地脆弱性综合指数评价等级
表9 地下水水源地风险控制能力风险等级划分标准
表10 地下水水源地应急能力评价等级
3 应用评价
3.1 研究区概况
选择沈阳市沈北新区现有的7处地下水水源地作为评价对象，详见图1。沈北新区是沈阳市九大市辖区之一，地处沈阳三环北郊，沈北新区总面积819 km2，总人口319 380人，气候类型属北温带季风气候，多年平均气温7.3℃，全年降水量600～800 mm，降水多集中在6～9月，多年平均蒸发量在1 300～1 800 mm之间。沈北新区集中式饮用水水源地共有7个，包含13处井(GGSYGLL水源地有2处，NCGSB水源地有4处，CLJPSC水源地有3处)，涉及水源井136眼，具体见表11。这部分水源地主要分布于辽河冲积平原，含水层厚度一般在5～70 m，下层为砂砾、卵石，上层为细砂和中砂，渗透系数一般在30～72 m/d。
表11 沈北新区集中式饮用水水源地基本情况
3.2 评价结果
3.2.1潜在风险源情况
依据表2～5，对沈北新区7处水源地潜在风险源进行识别，得到各水源地潜在风险等级排名如表12所示。由表12可知，从一级保护区潜在风险评分值分析，YJ水源地风险值最大(20)，分析其原因是因为YJ水源地一级保护区内有农田和道路经过，而HJJSC水源地一级保护区内无固定、移动及非点源三种类型的风险源，因此其风险值最小(0分)，剩余其它水源地一级保护区均因一级保护区内有农田，其一级保护区风险值均为10分。有二级保护区的水源地共有5处，最大的为CLJPSC水源地，分析其原因是因为二级保护区内固定源有沈阳特工绝缘电器公司、汽车修配厂、奇彩涂料厂、沈阳新鹏制漆有限公司、石佛寺医院等，移动源为石佛寺路和锡伯大街两条公路，这两条公路是上述企业运输危化品原料或危险废物等的必经之路，由此确定，CLJPSC水源地移动风险源风险值较高(8分)，另外CLJPSC水源地二级保护区耕地面积较大，得到其非点源风险值较高(8分)。分析可知CLJPSC水源地二级保护区潜在风险评分值最高，为24分。综上，水源地一、二级保护区潜在风险源评分值最高的为CLJPSC水源地，总分为34分，其主要原因是二级保护区内有一定数量的工业企业。风险值最小的为SMJT水源地和GGSYGLC水源地，风险值均为10，原因是这两处水源地地下水类型为承压水，仅有一级保护区，且保护区内风险源类型只有耕地非点源一类。综上所述，水源地保护区风险值排名靠前主要是因为保护区内涉及工业企业等固定源以及流动源，而耕地是目前水源地保护区内普遍存在的现象，急需采取相应整治措施进行改善，以保障水源地供水安全。
图1 沈北新区集中式饮用水水源地分布
表12 各水源地保护区潜在风险源评分值汇总
3.2.2水源地脆弱性计算
采用改进的DRASTIC方法对研究区7处水源地脆弱性进行评价，评价结果见表13。由表13可见：CLJPSC水源地因地下水埋深较浅(<4 m)，净补给量相对较大(120～150 mm)，导水能力较强(90～100 m/d)，导致脆弱性评分值最高(3.383)，即极易受到污染。而GGSYGLC水源地由于地下水埋深较大，导水能力较差，所以其脆弱性评分值最低(1.907)，稍难受到污染。其余5个水源地均为Ⅲ，较易受到污染，即在水源地周边发生突发水环境污染事故，水污染物较易渗入地下水含水层中，影响地下水水质，威胁居民饮用水安全。
表13 各水源地保护区脆弱性评价结果汇总
3.2.3水源地环境风险防控与应急能力分析
依据2.3节提出的水源地环境风险防控与应急能力评价指标体系，对沈北新区7处水源地进行评价，由于这7处水源地均隶属于沈北新区，因此，在环境应急管理和日常执法等方面所做工作基本一致，经分析计算得到，7处水源地监管能力得分均为1.400，应急能力得分均为1.957。
3.2.4综合风险值
汇总3.2.1～3.2.3节的计算结果，得到7处水源地综合风险值如表14所示。由表1可见，CLJPSC水源地环境风险值最高(3.033)，其次为YJ水源地和HJ水源地，环境风险值均大于2，三者均为中环境风险等级。分析其原因主要是因为这三处水源地周边潜在风险源较多，而又因CLJPSC水源地自身脆弱性较高(3.383)，因此，得到CLJPSC水源地环境风险最大。其余4处水源地均为低环境风险水源地，一方面是由于这4处水源地无工业企业或道路交通等高环境风险的固定源和移动源，另一方面是因为这4处水源地脆弱性较低，综合以上因素，得到各水源地保护区环境风险排名。
表14 各水源地保护区环境风险值
4 结 论
本文分别从潜在风险源、地下水水源地脆弱性和水源地环境风险防控与应急能力等方面建立了针对地下水类型的集中式饮用水水源地环境风险评价指标体系，并采用专家分析结合AHP的方法确定了指标的权重，并将其应用于地下水水源地评价，得到结论如下。
(1)潜在风险源和脆弱性分别作为外在因素和内在因素，共同组成了影响地下水水源地环境风险的主要因素，而环境风险防控与应急能力是衡量管理部门应对饮用水水源地突发环境事故能力的主要指标，二者相辅相成，共同保障饮用水源地的供水安全。
(2)沈阳市沈北新区7处水源地环境风险值由高到低分别为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处水源地为中等风险水源地，需要对可能影响水源地的主要环境风险源加强监控，全过程监控水源地环境风险物质产生至排放的各个关键环节。
