河流水環境污染風險模糊綜合評價模型

祝慧娜,袁興中,梁 婕,曾光明,江洪煒 (湖南大學環境科學與工程學院,環境生物與控制教育部重點實驗室,湖南 長沙 410082)

河流水環境污染風險模糊綜合評價模型

祝慧娜,袁興中*,梁 婕,曾光明,江洪煒 (湖南大學環境科學與工程學院,環境生物與控制教育部重點實驗室,湖南 長沙 410082)

綜合考慮水環境污染的脆弱性和受污染水體對人體健康的危害性, 建立了河流水環污染風險模糊綜合評價模型.運用模糊語言,將脆弱性和危害性均分為6個等級,并根據F統計法和專家咨詢法確定脆弱性和危害性的模糊隸屬函數.由模糊綜合評價得出河流水環境污染的風險水平.將該評價模型應用到湘江 14個斷面的水環境風險評價中,直觀地表達各個斷面污染風險水平,為湘江水資源管理和優先控制斷面的選取提供新思路和新方法.

水環境風險；綜合評判；模糊隸屬度；脆弱性；危害性

環境風險評價是防止污染事故、控制環境污染的有效手段之一[1].目前已有許多專家對環境風險進行了大量的研究[2-6].環境風險評價具有復雜性、綜合性、模糊性的特點,因此環境風險評價的過程及其結果具有一定的模糊性.為解決環境風險評價的復雜性、綜合性、模糊性,研究者們將不確定性理論引入到了水環境風險的評價過程中.HAMED[7]、金菊良等[8]運用了隨機模型處理地下水風險評價中的不確定性;模糊理論和模糊模型也常被用于環境污染風險的綜合評價[9-13].然而很多研究局限于單一的環境風險研究,它們或將單一的污染物超標程度作為環境風險的表征,或將污染物對人類健康的危害程度作為環境風險的表征[14-16].目前在評價過程中同時考慮河流污染脆弱性與污染物對人體健康危害性的還較少.Uricchio等[17]曾在評價地下水污染風險的過程中提出需同時考慮含水層的脆弱性和對人體健康的危害性;梁婕等[18]、Li等[1]在這些方面也進行了探討性的研究,但均是針對于地下水的風險進行研究.河流水環境風險不單表現在污染物對人體所產生的健康危害性方面,而且與河流水環境污染的脆弱性也具有一定的關系,同時在風險評價過程中存在較大的不確定性.因此,本文同時考慮河流水環境的脆弱性和受污染水體對人體健康的危害性,在模糊綜合評判理論的基礎上,建立模糊綜合評價模型.并對湘江水環境污染風險進行評價,直觀地表達湘江水環境污染風險水平.

1 研究方法

本文在水環境風險評價過程中同時考慮了河流水環境的脆弱性及受污染水體對人體健康的危害性兩個因素,建立風險計算的綜合評判模型.本文將風險定義如下:

風險(Risk)=f(脆弱性(RiskV),危害性(RiskH)) (1)式中:脆弱性水環境受污染的難易程度;“危害性”指污染物暴露對人類造成的危害;f指風險計算的函數.

1.1 河流水環境的脆弱性

脆弱性是指水環境受污染的難易程度,它與河流本身污染物情況、污染源排放以及河流的環境容量等有關.考慮到資料及數據的獲取,將河流污染狀況、污染源排放情況及環境容量3個指標綜合作為脆弱性的評價指標.以污染物超標概率代表河流污染狀況指標,以污染源排放污染物總量與環境容量的比值作為對污河流污染狀況指標的調整系數;從而構成脆弱性評價指標.

1.2 河流水環境的危害性

危害性采用美國環保局推薦的健康風險評價模型,本評價主要包括化學致癌物和軀體毒物質兩種污染物質[19].

式中:Rc為化學致癌物 i(共 k種化學致癌物)經

ig食入途徑的個人平均致癌年風險值,a-1;Qig為化學致癌物 i經食入途徑的致癌強度系數,mg/(kg?d);Ci為水環境中化學致癌物 i的濃度,mg/L; A為人均體重,kg;70為人類平均壽命,a;W為日平均飲水量,L;Dig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;Rnjg為軀體毒物質j(共m種軀體毒物質)經食入途徑所致健康危害的個人平均年風險,a-1;R fDjg為軀體毒物質j經食入途徑的參考劑量,mg/(kg?d);Djg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).

水環境中化學有毒污染物總健康危害風險為化學致癌物和軀體毒物質健康風險之和.

1.3 河流水環境污染風險

采用模糊語言識別理論進行風險水平判別.首先采用模糊語言將脆弱性和危害性分為 6個等級;并根據F統計法和專家咨詢法確定脆弱性和危害性的等級隸屬度;最后根據模糊綜合評判模型式(7),計算污染風險.

式中:(A?R)即為式(1)中的 f函數;A為 riskV和riskH的權重,根據專家咨詢法確定了 riskV和riskH的權重,分別為A1=0.4和A2=0.6;R為riskV和 riskH對每個等級隸屬度矩陣,其中 V1,V2,V3,V4,V5,V6分別代表脆弱性對6個等級的隸屬度,H1,H2,H3,H4,H5,H6分別代表危害性對6個等級的隸屬度.

2 研究實例

湘江近年來由于流域內工業和經濟的發展,水質受到了不同程度的污染.為了解湘江水環境污染風險,選取14個斷面對湘江水環境污染風險進行模糊綜合評價.

2.1 參數的確定

評價因子共設 8種污染物質,包括化學致癌物Cd、As和Cr6+,非化學致癌物Hg、Pb、氰化物、NH3和揮發酚,這 8種污染物是湘江的特征污染物.各評價因子的監測值見表1.

根據國際癌癥研究機構(IARC)和世界衛生組織(WHO)編制的權衡化學物質致癌性可靠程度體系,Cd、As和Cr6+分別屬于1組和2A組的化學物質,為化學致癌物,根據US EPA[20],其致癌強度系數igQ (飲水途徑)分別為 6.1,15,41mg/(kg?d);Hg、Pb、CN、NH3和揮發酚為非化學致癌物質,其參考劑量igRfD (飲水途徑)分別是3.0×10-4,14×10-3,3.7×10-2,9.7×10-1,1.0×10-1mg/(kg?d).

表1 2007年湘江水質監測(mg/L)Table 1 Water quality date of Xiangjiang River in 2007 (mg/L)

2.2 脆弱性計算結果

圖1 脆弱性的模糊隸屬函數Fig.1 Fuzzy membership function of vulnerability

采用 F統計法及專家咨詢法,將“脆弱性”共分為 6個等級:L、L-M、M、M-H、H、VH,分別代表低、低-中、中、中-高、高及極高等級.其隸屬度函數見圖 1.根據式(9)可得到“脆弱性”的隸屬函數.其中:＆為調整系統;Q排為污染物總排放量;Q為環境容量;RiskV是該斷面的脆弱性隸屬度;fV為脆弱性計算函數.即圖 1;Max(E1,E2,E3…E8)為該斷面的超標率;E1,E2,E3…E8分別為該斷面8種污染物的超標率.各斷面的超標率及脆弱性的隸屬度見表2.

2.3 “危害性”計算結果

同樣采用 F統計法及專家咨詢法,將危害性共分為6個等級:L、L-M、M、M-H、H、VH,分別代表低、低-中、中、中-高、高及極高等級.其隸屬度函數見圖2.

表2 脆弱性模糊隸屬度計算Table 2 Fuzzy membership of vulnerability

圖2 危害性的模糊隸屬函數Fig.2 Fuzzy membership function of hazard

根據式(2)～式(6)對各斷面健康風險值進行計算,得到各斷面的健康風險值,見表 3.根據式(10)可計算得出各斷面危害性的隸屬度,見表3.

其中:RiskH是該斷面的脆弱性隸屬度;fH脆弱性計算函數,即圖2;lgH為各斷面健康風險值的對數.

表3 危害性模糊隸屬度計算Table 3 Fuzzy membership of hazard

2.4 水環境污染風險計算

根據式(7),脆弱性和危害性的權重分別為0.4和0.6,并根據2.2節和2.3節得出脆弱性和危害性的隸屬度,可按式(7)計算出各個斷面的水環境污染風險,如港子口斷面的計算如下:

表4 湘江各斷面水環境污染風險Table 4 Pollution risk for 14 sections of Xiangjiang river

3 結論

3.1 該評價模型在不確定性的基礎上,同時考慮河流水環境污染的脆弱性與污染物對人體健康危害性,直觀地表達了水環境污染風險的水平.

3.2 采用該模型評價湘江 14個斷面的水質污染風險,為湘江水資源管理和優先控制斷面的選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,陳寶梁,沈紅心,等.杭州市地面水中多環芳烴污染現狀及風險 [J]. 中國環境科學, 2003,23(5):485-489.

[3] 翟麗梅,廖曉勇,閻秀蘭,等.廣西西江流域農業土壤鎘的空間分布與環境風險 [J]. 中國環境科學, 2009,2009,29(6):661-667.

[4] 劉 超,胡建信,劉建國,等.鍍鉻企業周邊全氟辛烷磺酰基化合物環境風險評價 [J]. 中國環境科學, 2008,28(10):950-954.

[5] 蔣文燕,湯慶合,李懷正,等.化工企業環境風險綜合評價模式及其應用 [J]. 中國環境科學, 2010,30(1):133-138.

[6] 李鳳英,畢 軍,曲常勝,等.環境風險全過程評估與管理模式研究及應用 [J]. 中國環境科學, 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,吳開亞,李如忠.水環境風險評價的隨機模擬與三角模糊數耦合模型 [J]. 水利學報, 2008,29(11):1257-1262.

[9] 潘孝輝,吳 敏,王 悅.黃浦江水環境污染風險的模糊數學綜合評價 [J]. 四川環境, 2008,27(6):60-62.

[10] 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.

[11] 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.

[12] 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.

[13] 丁昊天,袁興中,曾光明.基于模糊化的長株潭地區地下水重金屬健康風險評價 [J]. 環境科學研究, 2009,22(11):1323-1328.

[14] 胡二邦.環境風險評價實用技術和方法 [M]. 北京:中國環境科學出版社, 1999:1-179.

[15] 郜紅建,張顯晨,張正竹,等.安徽省飲用水中氟化物含量及健康風險分析 [J]. 中國環境科學, 2010,30(4):464-467.

[16] 陳小紅,涂新軍.一個水質風險率計算的隨機模型 [J]. 環境科學學報, 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,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.

[19] 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.

[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

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2009ZX07212-001-06);國家自然科學基金資助項目(51009063)

* 責任作者, 教授, yxz@hnu.cn

祝慧娜(1986-),女,河南新鄉人,湖南大學環境科學與工程學院博士研究生,主要從事環境系統工程及環境風險評價方面的研究.發表論文3篇.