基于動態聚類分析的水環境健康風險綜合評價

摘要:考慮各水期的濃度差異，提出濃度參數綜合評判的概念，建立了基于濃度參數綜合評判的水環境健康風險評價模型.運用動態聚類分析法將評價結果進行歸類，得出風險管理的優先控制等級.將該方法應用于2007年湘江18個斷面的健康風險評價研究中.結果表明:各監測斷面中砷、六價鉻和鎘三種物質的健康危害較大，其中砷的健康危害最大;采用動態聚類分析將風險評價結果歸為四類:高風險、高-中風險、中風險和低風險.其中松柏下斷面健康風險最高，達到3.79E-04，屬于高風險級別，應進行優先控制;黃茶嶺屬于高-中風險;歸陽鎮、熬洲、朱亭鎮、楓溪、白石、霞灣、馬家河、五星、易家灣、樟樹港斷面為中風險;另外6個斷面為低風險.根據綜合評判，大部分斷面水質已受到不同程度的污染，必須加強湘江水環境污染的控制.

關鍵詞:不確定性;健康風險評價;動態聚類分析;綜合評判

中圖分類號:X820.4 文獻標識碼:A

Integrated Assessment of Environmental Health Risks of Water Sources Based on Dynamic Cluster Analysis

ZHU Hui-na 1，2， YUAN Xing-zhong1，2+，ZENG Guang-ming 1，2， LIANG Jie 1，2， JIANG Hong-wei 1，2， FAN Meng-jia 1，2，XIANG Qiu-lai 1，2

(1.College of Environmental Science and Engineering， Hunan University， Changsha 410082， P.R. China; 2.Key Laboratory of Environmental Biology and Pollution Control (Hunan University)， Ministry of Education， Changsha 410082， P.R. China)

Abstract: An integrated assessment model for the concentration parameter was proposed，Because of the concentration parameter is different in defferent period of the river.The environmental health risk assessment model was developed based on the integrated assessment model.Dynamic cluster analysis was used to obtain the priority of the risk management.The model wased used to assessment the health risk for 18 sections of Xiangjiang River in 2007.The result showed that the health risk from As，Cd and Cr6+ were very high，and As most of all.Using the dynamic cluster analysis， the health risk was devided into four categories of “high”，”medium-high”，”medium”and”low”.The health risk of the Songboxia section is the most high，which was belongde to the “high”level，and need to be prority processing.The heslth risk of the Huangtuling section was belonged to the “high-medium” level.The Guiyangzhen，Aozhou，Zhutingzhen，Fengxi，Baishi，Xiawan，Majiahe，Wuxing，Yijiawan and Zhangshugang sections were belonged to the “medium” level.And the other six sections were belonged to “low” level.With the reference to the integrated assessment ，most of the sections had been polluted more or less，And the control over the pollution of Xiangjiang River must be strengthen.

Key words: Uncertainty;Health risk assessment;Dynamic Cluster Analysis;Integrated evaluation

健康風險評價是以風險度作為評價指標，把環境污染與人體健康聯系起來，定量描述污染物對人體產生危害的風險[1].健康風險評價作為環境風險評價的一個重要分支，一般包括危害識別、暴露評價、毒性評價和風險表征[2].不確定性貫穿于環境風險評價的整個過程，不確定性在健康風險評價過程中主要表現在三個方面:事件背景的不確定性、參數選擇的不確定性以及模型本身的不確定性[3].

其中最重要的是參數的不確定性，近年來有關參數的不確定性已由許多專家進行了研究.張應華等[4]利用可傳遞參數差異的蒙特卡羅技術方法來解決評價過程中各輸入參數的不確定性;李如忠等[5]運用模糊集理論將風險評價模型的參數定義為三角模糊數，構建了水環境健康風險評價模糊模型，在一定程度上解決了參數的不確定性;吳義鋒等[6]運用未確知數學理論來處理評價參數的不確定性，建立了基于未確知性水質風險評價模式.本文采用綜合評判對濃度參數進行處理從而減少評價過程中由于濃度參數而產生的不確定性.梁婕[7]等同時考慮參數的隨機性和模糊性，提出了基于隨即-模糊模型的地下水污染風險評價方法.蘇小康[8]等考慮不確定性，進行了湘江水質隨機模擬與風險的分析.除了參數的不確定性對評價結果有影響之外，在水環境健康風險評價過程中評價標準也直接影響評價結果.目前采用較多的評價標準主要有美國環保局的健康風險可接受水平，國際防輻射委員會推薦的最大可接受限值，以及瑞典環保局、荷蘭建設和環境部推薦的危害風險度最大可接受限值.由于各種評價標準差別較大，使用不同的評價標準評價結果將會有很大的差別.而評價結果是水環境管理的重要依據，如何解決這一問題，是環境管理的重要難題.李建兵[9]曾根據各種調查將風險評價分為不同的等級，筆者[10]也曾建立了模糊綜合評價標準.而本文將從另一個角度來對水環境管理進行研究，一方面運用濃度的綜合評判在一定程度上解決了濃度參數的不確定性，另一方面采用動態聚類分析將各斷面的評價結果進行分類，最終將水環境健康風險分為不同的級別，得出水環境污染的優先控制級別，為風險管理確定優先控制對象提供理論依據.

1模糊綜合評價模型建立

1.1濃度參數的綜合評判模型

水環境健康風險評價一般采用美國環保局的評價模型，模型中存在很多具有不確定性因素的參數.在各種參數中，污染物濃度的不確定性是較為突出也較為明顯的.濃度的不確定性表現在多個方面，筆者曾運用區間數對濃度的不確定性進行處理[10]，本文試圖用綜合評判處理污染物濃度參數的不確定性.

常規評價中以年均或者平均濃度作為評價參數，但由于平均數作為一個概括性的度量指標存在一定得缺陷，它掩蓋了被觀察個體的差異.因此本文預采用河流枯水期、平水期以及豐水期的濃度進行綜合評判，最終得到等量的河流污染物的濃度，在一定程度程度上解決了濃度參數的不確定性.

綜合評判[11]是綜合決策的數學工具，根據綜合評判定義，得到濃度參數的綜合評判模型. 綜合濃度 的計算公式:

=A#8226;B (1)

A={A1，A2，A3}(2)

B={B1，B2，B3}(3)

其中: A為各水期權重因素，A1、A2、A3分別代表枯水期、平水期以及豐水期在年內所占有的權重;B為各水期濃度因素，B1、B2、B3分別代表河流枯水期、平水期以及豐水期污染物的濃度; #8226;代表內積.

1.2基于濃度參數綜合評判的水環境健康風險評價模型

水環境健康風險一般采用美國環保局推薦的健康風險評價模型[12]，目前水環境健康風險評價過程中一般僅考慮化學致癌物和軀體毒物質[1，14].

1.2.1基于的化學致癌物健康危害風險模型

(4)

(5)

(6)

式中: 為化學致癌物i經食入途徑的個人平均致癌年風險值(a-1); 為化學致癌物i經食入途徑的致癌強度系數(mg/kg/d); 為水環境中化學致癌物i的濃度(mg/L)，其值為經過濃度參數的綜合評判模型計算的結果;A為人均體重，成人為70 kg;70為人類平均壽命(a);W為日平均飲水量，成人為2.2 L; 為化學致癌物或軀體毒物質i經食入途徑的單位體重日均暴露劑量(mg/kg).

1.2.2基于軀體毒物質的健康危害風險模型

(7)

(8)

式中:為軀體毒物質j經食入途徑所致健康危害的個人平均年風險(a-1); 為軀體毒物質j經食入途徑的參考劑量(mg/kg/d);為軀體毒物質經食入途徑的單位體重日均暴露劑量(mg/kg/d).

1.2.3水環境健康風險評價總體模型

我們假定每種化合物的作用是獨立的，即各有毒物質對人體健康危害產生的累積效應呈相加關系，而不是協同關系或是拮抗關系.則水環境總的健康危害的風險可表示為:

(9)

式中: 為化學致癌物健康危害和軀體毒物質健康危害的總和.

1.3風險值的動態聚類分析

目前國際上采用的各種水環境健康風險評價標準之間差別較大，且其分類過于獨斷，僅僅以單個數值作為分界點，忽視了很多重要的信息.本文欲采用動態聚類分析[14，15]將所有斷面的風險值進行分類，為風險管理的優先控制順序提供一定的理論依據.從而避免了由于評價標準不同而產生的尷尬.

動態聚類分析[16]是聚類分析中的一種，它也稱為逐步聚類分析法，保證樣方組內具有較高的同質性，是依樣方組內的離差平方和達最小為判據，通過反復調整迭代來實現的[17].動態聚類分析的重要步驟為:

(1)初始分類

根據各個風險值的具體分布情況，相近的聚集點為一類，分為初始的幾類.G1、G2、G3、G4…GK.

(2)計算中心

將每一類所有值的算術平均數作為每類的計算中心

(3)計算距離，調整分類

(10)

根據 計算結果，按 式進行新的分類.于是得到第一次分類結果:

(11)

(4)進行調正

判別第一次分類結果是否需進一步調整，其方法是比較 和 是否相等，若相等則分類結束，否則應繼續進行調整.

2實例研究

2.1研究地區

湘江是湖南省的母親河，但是近年來湘江水質受到污染，居民的飲水安全在一定程度上受到了威脅.利用水環境健康風險模糊綜合評判模型對湖南省2007年湘江干流地區綠埠頭等18個斷面進行了水環境健康風險評價，為水質風險管理優先控制級別提供一定的依據.

2.2參數選擇

根據湘江水環境中污染物質種類，以及國際癌癥研究機構(IARC)通過對水體中化學有毒污染物的分類，選擇評價參數為氨氮、揮發酚、砷、鉛、汞、鎘、六價鉻、氰化物、錳9個評價參數.其中砷、鎘、六價鉻為致癌度物質，其致癌強度系數見表1;氨氮、揮發酚、鉛、汞、氰化物、錳為軀體毒物質，其參考劑量見表2.

2.3監測數據

在本研究中，根據常年監測資料，湘江枯水期、豐水期以及平水期分別為3個月、3個月以及6個月.因此各水期的權重為A={A1，A2，A3}={0.25，0.5，0.25};各斷面平水期、枯水期、豐水期各評價因子的監測數據見表3(因篇幅限值，僅列出兩個監測斷面的水質監測數據).綜合濃度為 =A#8226;B，計算可得各斷面的綜合濃度，見表4.

2.4評價結果與討論

1.1.1各地區的綜合風險評價

根據式(3)~式(8)求出各斷面污染物的風險值，結果見表5.

從表6中可以看出18個斷面的健康危害總風險值差距較大，松柏下和黃茶嶺斷面的風險值最高，分別達到了3.79E-04和2.45E-04，超過了美國環保局健康風險的可接受水平.另外可以看出多數斷面健康風險值都較大，都在10-5級別以上，超過了國際防輻射委員會推薦的最大可接受限值10-5，在一定程度上威脅了居民的飲水健康，因此應加強水質污染的控制.

2.4.2各地區風險等級的分類

采用1.3節中風險值的動態聚類分析方法，對各個地區的總風險值進行分類，具體步驟為:

(1) 初始分類

將各斷面的總風險值繪制初始分類圖，并根據初始分類圖將各監測點濃度分類，根據風險值的密集程度，可將分為4類(用序號代表地名)，如下:={1，2，15，17}; ={3，6，7，8，9，10，11，12，13，14，16，18}; ={4}; ={5}.

圖1 初始分類圖

Fig.1 The figure of initial classification

從圖中看出松柏下風險值最高，可單獨列為一類，為高風險級別;黃茶嶺風險值也較高，為次高風險;其余的斷面分為兩類風險級別，分別為中風險級別和低風險級別.

(2) 計算中心

根據各類別所有值算術平均值作為計算中心，可得各類的計算中心，見表7.

(4) 再次進行距離計算，得到最優分類，

={1，2，14，15，16，17}; ={3，6，7，8，9，10，11，12，13，18}; ={4}; ={5}

根據動態聚類分析結果，得出2007年湘江18個斷面的風險等級的最終分類結果，見表9.

表9 動態聚類分析結果

由動態聚類分析，可得出湘江18個斷面的優先控制級別，共分為四個控制級別，其中松柏下斷面水環境健康風險較高，達到3.79E-04，為一級優先控制斷面，需加強水質改善;黃茶嶺為二級優先控制斷面，應加強水質風險管理;歸陽鎮、熬洲、朱亭鎮、楓溪、白石、霞灣、馬家河、五星、易家灣、樟樹港斷面水環境風險一般，應注意對水質的飽和和改善;綠埠頭、港子口、猴子石、喬口、昭山、三汊磯水環境健康風險較小，應注意水質的保護工作.由動態聚類分析得出優先控制次序，為污染控制工作的優化提供了理論基礎.

3結 論

(1)采用濃度參數的綜合評判模型，在一定程度上減小了河流水環境健康風險評價過程中濃度參數的不確定性.

(2)利用動態聚類分析法將健康危害分為四類控制級別，分別為高風險、高-中風險、中風險及低風險，為水環境污染優先控制對象的選擇提供了理論依據.

(3)根據評價結果，松柏下斷面的健康危害最大，達到3.79E-04，為一級優先控制斷面，需加強水環境污染治理.

(4)從河流水環境健康風險評價結果中，可以看出2007年湘江18個斷面中砷、六價鉻以及鎘危害較大，其中砷的健康危害最大.

(5)在評價的18個斷面中，所有斷面水環境健康風險較高，均超過了10-5級別，在一定程度上威脅了居民的飲水健康，水環境質量亟待改善，需加強水質管理工作力度.

參考文獻

[1]曾光明，卓利，鐘政林，等.水環境健康風險評價模式[J].水科學進展，1998，9(3):212-217.

ZENG Guang-ming，ZHUO Li，ZHONG Zheng-lin，et al.Assessment Models for Water Environmental Health Risk Analysis[J].Advances in Water Science，1998，9(3):212-217.(in Chinese)

[2]何星海，馬世豪，李安定，等.再生水利用健康風險暴露評價[J]，環境科學，2006，27(9): 1912-1915.

HE Xing-hai，MA Shi-hao，LI An-ding，et al. Exposure assessment of various reclaimed water uses[J].Environmental science，2006，27(9):912-1915.(in Chinese)

[3]胡雨前.杭州市飲用水中三鹵甲烷的健康風險評價研究[D].杭州:浙江大學，2005:1-60.

HU Yu-qian.Health Risk Assessment of the Water Resources in Hangzhou[D].Hangzhou:Zhejiang University，2005: 1-60. (in Chinese)

[4]張應華，劉志全，李廣賀，等. 基于不確定分析的健康環境風險評價[J]. 環境科學，2007，28(7): 1409-1415.

ZHANG Ying-hua，LIU Zhi-quan，LI Guang-he，et al. Uncertainty analysis of health risk assessment caused by benzene contamination in a contaminated site[J].Environmental science，2007，28(7):1409-1415.(in Chinese)

[5]李如忠. 基于不確定信息的城市水源水環境健康風險評價[J]. 水利學報，2007，38(8): 895-900.

LI Ru-zhong. Assessment for environmental health of urban water supply source based on uncertain information[J].Journal of Hydraulic Engineering，2007，38(8):895-900.(in Chinese)

[6]吳義鋒，薛聯青，呂錫武.基于未確知數學理論的水質風險評價模式[J].環境科學學報，2006，26(6): 1047-1052.

WU Yi-feng，XUE Lian-qing，LV Xi-wu. Assessment model of water quality risk based on unascertained mathematics theory[J].Acta Science Circumstantiae，2006，26(6): 1047-1052(in Chinese).

[7]梁婕，謝更新，曾光明，等.基于隨機-模糊模型的地下水污染風險評價[J].湖南大學學報:自然科學版，2009，36(6):54-58.

LIANG Jie， XIE Geng-xin，ZENG Guang-ming，et al.An Integrated Stochastic-fuzzy Modeling Approach for the Risk Assessment of Groundwater Pollution [J].Journal of Hunan University :Natural Sciences ，2009，36(6):54-58 .( In Chinese)

[8]蘇小康，曾光明，秦肖生，等.湘江水質隨機模擬與風險分析[J].湖南大學學報:自然科學版，2006，33(2):106-109.

SU Xiao-kang ，ZENG Guang-ming ， QIN Xiao-sheng，et al.Stochastic simulation and risk analysis of the Xiangjiang River water quality [J].Journal of Hunan University : Natural Sciences ，2006 ，33 (2) :106 – 109. ( In Chinese)

[9]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.

[10]祝慧娜，袁興中，曾光明，等.基于區間數的河流水環境健康風險模糊綜合評價模型[J].環境科學學報，2009，29(7): 1527-1533.

ZHU Hui-na，YUAN Xing-zhong，ZENG Guang-ming，et al.An integrated fuzzy model based on interval numbers for assessment of environmental health risks of water sources[J].Acta Science Circumstantiae:2009，29(7):1527-1533. ( In Chinese)

[11]劉普寅，吳孟達，模糊理論及其應用[M].長沙:國防科技大學出版社，1998:194-200.

LIU Pu-yin，WU Meng-da.Fuzzy Theory and its application[M].Changsha:National university of defense technology press，1998:194-200.

[12錢家忠，李如忠，汪家權，等.城市供水水源地水質健康風險評價[J].水利學報，2004，8: 90-93.

Qian Jia-zhong，Li Ru-zhong，Wang Jia-quan，et al. Environmental health risk assessment for urban water supply source[J].Journal of Hydraulic Engineering，2004，8:90-93.(in chinese)

[13 SUN W，HUANG G H，ZENG G M，et al.A stepwise-cluster microbial biomass inference model in food waste composting[J].Waste Management，2009，29(12):2956-2968.

[14 LIU W T，HUANG Y F，GONG T L，Stepwise cluster analysis methodology study for urban nonpoint source pollution in Los Angeles[J]. Environmental Informatics Archives，2007，5: 422-430.

[15張國志，鮑曼.動態聚類在大氣顆粒污染評估中的應用[J].哈爾濱電工學院學報，1996，19(3): 353-357.

ZHANG Guo-zhi，BAO Man.Application of Classification for Estimationof Airborne Particles Pollution[J].HIET Journal，1996，19(3): 353-357. (in chinese)

[16]張峰，上官鐵梁.逐步聚類法及其應用[J].植物生態學報，1996，20(6):561-567.

ZHANG Feng，SHANGGUAN Tie-liangj.Stepwise cluster and its application to wegetation classification[J].Chinese journal of plant ecology，1996，20(6): 561-567. (in chinese)