农村饮用水保护措施及风险评价模型构建

冯少辉,张 伟

(1.河南灵捷水利勘测设计研究有限公司,河南 南阳 473000;2.中国南水北调集团江汉水网建设开发有限公司,武汉 430040)

0 引 言

水资源是人类生存发展的核心资源,只有切实保障农村饮水安全,才能在保证生命健康的同时带动农村地区的经济发展。因此,应高度重视农村饮水安全问题,采取科学有效措施,提高农村饮水质量和农民的生活质量。虽然农村已建设集中式供水工程,但规模较小,多由农民直接管理,管理水平相对落后。为此,许多学者进行了相关研究。郭明[1]就农村饮用水的水质安全提出了多项措施,包括做好水资源保护工作、重视饮水安全工程建设、推进农户水表集中安装等。杜崇刚等[2]以凤翔区农村生活饮用水为调查对象,分析现有的水费收缴和政策执行情况,从政策执行的角度研究农村饮用水的保护。王晓飞等[3]分析了农村饮用水的不安全因素,并在经济领域提出了优化对策。

基于国内对农村饮用水安全保护措施的研究成果,本文以河南省平顶山市白龟山水库水源地保护区为例,构建水源地安全措施与水质检测评价耦合模型,以期通过模型构建为水源地保护区建设提供科学有效的评价方法,从而指导农村饮用水保护措施的改进。

1 农村饮用水安全工程评价及饮用水质量评价耦合模型

1.1 农村饮用水安全工程保护措施分析

农村饮用水的供水以及安全保护是我国重要的民生基础工程。由于农村饮用水关系到农村居民的生活质量和环境质量,同时也是我国农业经济发展和贫困地区农民脱贫增收的前置条件[4]。因此,我国历来重视农村的供水以及安全保护问题,同时也取得一定成就。截至2021年底,全国农村自来水普及率达到84%,农村供水保障水平显著提升,提前达到预期目标。但相较于城市供水系统来说,在饮用水的安全工程保护措施上,仍然存在较多的改进空间。随着经济社会的发展,农村生活污水、零散养殖污染、种植业面源污染和农村生活垃圾等农业农村非点源污染来源较广,具有时空分散性、复杂多样性的特性,再加上处理设施不完善,成为影响农村饮用水水质的重要因素[5]。只有妥善解决农村水源地安全保障问题,不断提升农村饮用水水质,才能持续促进农村人居环境改善、居民生命健康及农村经济社会发展。农村饮用水水质影响因素及保护措施见图1。

图1 农村饮用水水质影响因素及保护措施

从图1可以看出,对于农村饮用水的保护措施主要从水源地入手。为了更好地保护农村饮用水水源,可采取以下措施:①根据农村水环境保护的特性,建立完善并与之相适应的农村水环境管理体制和保障法规体系。②加强水源保护和水质监测,采取措施强化水源保护区的设定和各种水源地的保护管理,保障供水水源的水质安全[6]。③创新激励机制,发展生态农业,进一步加强对农村生活垃圾、污水、农业废弃物等治理和资源化利用,并充分利用现代媒体,加强资源化利用、节水和保护水源地安全等方面的宣传,鼓励公众参与[7]。

本次研究以白龟山水库集中式饮用水水源地保护专项为例进行分析。该地区季节性缺水现象突出,水量、水质无保障。在以白龟山水库为中心建设了供水系统之后,当地农村饮用水情况得到极大改善。供水工程不仅提高了农村集中供水率,同时也推动了农村供水城市化、城乡供水一体化发展。农村饮用水水源地主要分为河流型、湖泊型、水库型以及地下水型[8-9]。因此,本次研究将构建水库型水源地的综合评价,对水质评价模型进行耦合分析[10],目的在于验证当前水库水源地的保护状况以及水质保护措施的合理性。

1.2 水源地评价及水体饮用水质量评价耦合模型的构建

水库型水源地的安全工程具有稳定、封闭的特点。因此,对于水库水源地的评价不能仅从内部指标观察,外部指标如管理政策、工程实施等方面因素,同样对水库型水源地的安全质量具有重要影响。以水质优良的白龟山水库为中心,建设了当地的供水系统。在白龟山水库水源保护中,采取了包括保护区规划、排污口和违章建筑的拆除或关闭、农业面源污染及生活污水治理等措施。在水库水质评价中,本次研究以当前保护措施为基础,采用常规检测的多项指标进行分析。两者的评价模型见表1。

表1 水库水源地的安全保护措施评价及水质评价模型

从表1可以看出,在水库型农村饮用水水源地的安全保护措施评价中,采用安全区内生态环境指标和安全工程管理措施两个指标进行分析。其中,生态环境指标包含水源地植被覆盖率、水源地水生状态以及生态管理政策3个二级指标。在安全工程管理措施评价指标中,包含监控措施、巡查措施以及应急措施3个二级指标。在水源地的水质评价系统中,水质和水资源利用开发作为两个一级指标进行衡量。水质评价包含常规水质检测、水体浑浊度、水源地面源污染情况以及水质相关政策4个指标;水资源利用开发包含人均水资源、废水处理资金投入占比和水环境资源开发投资占比3个二级指标。

在模型中,综合评价值采用熵值法进行计算,公式如下:

(1)

式中:n为指标i的样本数量;wi为指标i的权重;pij为指标i下第j个样本在指标中的占比。

通过计算耦合度,量化分析两个系统之间的相互影响作用。耦合度计算公式如下:

(2)

式中:CD为水源地安全工程管理评价模型和水源地水质环境评价模型的耦合度;eem、ewq分别为安全工程管理评价评价值与水源地水质环境综合评价值。

两个模型的耦合协调度和综合发展评价值的计算公式如下:

(3)

式中:coop为两个评价模型之间的耦合协调度;dev为两个系统耦合协调发展的综合评价值。

2 水源地安全工程与水质评价耦合模型的应用分析

将构建的水源地安全工程与水质评价耦合模型应用于河南省平顶山市白龟山水库的安全工程措施和水质健康风险分析中,本次研究数据来源于河南省水利厅。将本次研究构建的耦合模型和采用资料调查得出的主观评价得分进行对比,具体结果见图2。

图2 耦合评价模型和资料主观评价的误差分析

本次研究在白龟山水库中随机地点选取30份水体信息样本数据进行分析,比较模型评价得出的水体常规检测评价和浊度评价。本次研究中,对于水体的常规检测包含《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中的10项指标,分别为色度、肉眼可见物、臭和味、pH、电导率、铜、铅、锌、镉、铁。因此,在总体评价得分中,采用10分作为评价尺度。从图2(a)可以看出,研究构建的模型预测偏差值在[-2,1]之间。30份水体样本中,偏差绝对值最大结果为1.6,偏差绝对值最小结果为0.1。从图2(b)可以看出,耦合模型对水体浊度的评价偏差值在[-1.6,0.7]区间内,平均绝对偏差值为0.044。

通过常规检测评价和水体浑浊度评价后,证明了该耦合模型具备评价的有效性。因此,将耦合模型应用在二级指标水源地面源污染情况中。本次研究选择白龟山水库1995-2020年的水体污染情况进行评价,见图3。

图3 白龟山水库水质污染情况分析

从图3可以看出,在世纪初时,当地的水体质量受到污染情况的评价逐年增加,而在2010年之后开始得到缓解。在3种污染源的评价中可以看出,农业生产导致的污染评价值最高,其次为生活废水排放导致的水体污染。

本次研究通过熵权法,计算得出全部指标在1995-2020年间的评价值情况,见表2。从表2可以看出,水库水源地安全保护措施评价中的生态环境评价(O)和安全工程管理措施评价(E)全部呈现上升趋势。评价值上升最快的指标为水库安全监控措施(E1),从1995年的0.100 5上升至2020年的0.481 0。其中,水源地植被覆盖率(O1)和水源地水生状态(O2)在2000-2010年经历了先降后升的趋势,表明在在水库保护区建立之后水生环境生态开始好转。在水源地水质评价指标中,除了水源地面源污染情况(Q3)指标的评价值明确下降以外,其他评价值均为上升趋势。

表2 耦合模型全部二级指标的评价值分析

从表3可以看出,从2005-2021年的趋势来看,水库水源地的安全保护措施评价稳步上升,水源地水质评价指标则呈现迂回式上升。水库水源地的安全保护措施评价从2005年的0.354 1增加至2021年的0.755 5;而水源地水质综合评价从2005年的0.445 9上升,至2021年回到0.541 1。

表3 白龟山水库2005-2021年水源地安全工程与水质评价耦合协调度分析

根据两个评价模型的综合发展评价值,结合耦合计算模型,可以得出耦合度和协调度。2005-2009年,两个模型的耦合度均低于0.5,而在2011年之后逐渐上升至0.6～0.8。结合白龟山水库2005-2021年的水源地安全工程与水质评价耦合协调度进行评价分析:当协调度小于0.5时,表明两个系统发展失调;协调度为0.5～0.7时,表明水源地安全工程与水质评价初步协调;协调度为0.7～0.9时,表明水源地安全工程与水质评价协调状态良好;协调度大于0.9时,表明两个系统发展完全协调。从2005-2021年的整体历时性比较可以看出,2005-2009年,白龟山水库水源地安全工程与水质评价处于失调状态;2010-2013年,处于初步协调状态;2013-2021年,处于良好协调状态。

3 结 论

本次研究通过水源地安全保护措施与水质评价耦合模型对河南省白龟山水库进行了探索分析。在评价偏差分析中,耦合模型对于水体浊度的平均绝对偏差值为0.044,而常规检测偏差绝对值最大结果为1.6,偏差绝对值最小结果为0.1。同时,从2005-2021年的整体历时性比较可以看出,2005 -2009年白龟山水库水源地安全工程与水质评价处于失调状态;2010-2013年处于初步协调状态;2013-2021年处于良好协调状态。结果表明,本次研究构建的水库安全区保护措施评价与水质评价耦合模型在水库水源地评价分析中具备有效的应用价值。