張集水源地水質評價研究

李 勍，劉喜坤，劉 勇，張雙圣

(1.江蘇省徐州市大龍湖管理處，江蘇 徐州 221018;2.江蘇省徐州市城區水資源管理處，江蘇 徐州，221018;3.中國礦業大學 資源學院，江蘇 徐州，221116)

張集水源地水質評價研究

李 勍1，劉喜坤2，劉 勇3，張雙圣2

(1.江蘇省徐州市大龍湖管理處，江蘇 徐州 221018;2.江蘇省徐州市城區水資源管理處，江蘇 徐州，221018;3.中國礦業大學 資源學院，江蘇 徐州，221116)

分別采用基于熵權法的模糊綜合評判法和EPA健康風險評價法對徐州市張集水源地進行水質評價。結果表明:采用基于熵權法的模糊綜合評判法對水源地水質進行評價，10個監測點中，符合Ⅰ類水質的有9個，符合Ⅱ類水質的有1個，水源地水質較好;影響水源地水質的主要污染因子是亞硝酸鹽、CODMn、氟化物、砷、硝酸鹽、六價鉻和鉛;污染物的合計危害指數呈逐年增大的趨勢，但均未超過1;針對水質問題，應加強點污染源的監察力度，保證廢水達標排放，對農業進行產業結構調整，減少農藥化肥的使用。

模糊綜合評價;熵權法;EPA健康風險評價;張集水源地

張集水源地位于徐州市東南約25 km，面積約為356.41 km2，是徐州市區周圍重要的水源地之一，其水質的優劣對于張集水源地的開發利用及其保護規劃將產生重要影響。

目前水體水質評價的方法主要有:內梅羅指數評價法、模糊評價法、灰色評價法、物元分析法、人工神經網絡評價法及地理信息系統應用法等［1］。其中模糊綜合評價法應用較廣，已經成為一種定量研究水體水質的有效手段。模糊綜合評價法的工作重點是隸屬度的計算和權重的確定，其中權重是通過計算超標比來確定［2］，此法不僅工作量大，而且缺少對多個評價對象之間的相互聯系的描述［3］，因此本文選取基于熵權法的模糊綜合評價。同時為直接反映水體水質對人體健康的影響，本文又采用EPA健康風險評價法［4］對水體進行評價。

本文分別采用基于熵權法的模糊綜合評判法和EPA健康風險評價法對徐州市張集水源地進行水質評價，分析其主要污染因子和污染來源，提出有針對性的防治措施，以期為張集水源地的開發利用和水環境保護及治理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域

實驗選取張集水源地內的10口井的水樣進行分析，10口井分別為:鄧樓 1號井、梁塘 6號井、梁塘 15號井、果園(棠張水廠)、張集職中、觀音礦泉水廠、鹿臺村西南角水井、下張、趙圩、閆窩。

1.2 試驗方法

基于熵權法的模糊綜合評判法選取總硬度、CODMn、硫酸鹽、氯化物、溶解性總固體、氟化物、硝酸鹽、亞硝酸鹽共8項作為水質評價因子;EPA健康風險評價法選取六價鉻、砷、鉛、1，2－二氯乙烷、二氯甲烷、1，1－二氯乙烯、苯 7項指標作為致癌因子，鎘、揮發酚類、氰化物、汞、氟化物、硝酸鹽氮、鐵、錳、銅、鋅、硒和1，1，1－三氯乙烷作為非致癌因子。以上各因子的測定均按照國標進行［5］。

1.3 評價方法

1.3.1 基于熵權法的模糊綜合評判法［6，7］

基于熵權法的模糊綜合評判法與傳統的模糊綜合評判的原理一樣，都是應用模糊數學的原理，將一些邊界不清，不易定量的因素定量化，評價出水體的質量等級，其基本模型為:

式中，D為模糊綜合評價結果向量;W為評價因子的權重向量;R為評價因子隸屬于不同水質級別的隸屬度矩陣;·為一種模糊符合運算法則。

其評價步驟為:①建立評價因子;②建立評價集;③計算隸屬函數，建立單因子模糊關系矩陣;④權重因子的計算;⑤建立模糊綜合評價模型，進行模糊綜合評價。

1)隸屬函數的建立

根據水的用途和特征，將水質劃分為 m個等級標準，利用這些標準可以逐個刻劃各因素對各級標準的隸屬度。運用“將半梯形分布法”確定隸屬函數:

第1級水質，即j=1時，隸屬函數為:

第2級水質至第(m－1)級水質，即j=2，3，…，m－1時，其隸屬函數為:

末級水質，即j=m時，其隸屬函數為:

以上各式中，xi為第 i 個因素 ui的實測值，si，j－1、sij、si，j+1分別為因素 ui的第 j－1、j、j+1級水質的標準值。

2)運用熵值賦權方法計算權重因子

設有m個評價指標，n個評價對象，則形成原始數據矩陣R'=(r'ij)m×n

(1)對原始數據矩陣進行標準化，得到:Rij=(rij)m×n

其中，rij為第j個評價對象在評價指標上的標準值，rij∈［0，1］。對大者為優的指標而言，有:

而對小者為優的指標而言，有:

2)信息熵。在m個評價指標，n個評價對象的評價問題中，第i個指標的熵定義為:

3)熵權。定義了第個指標的熵之后，可得到第個指標的熵權定義:

⑵EPA健康風險評價

通常認為人體在低劑量化學致癌物暴露條件下，暴露劑量率和人體致癌風險之間呈線性關系，當高劑量導致高致癌風險時，暴露劑量率和人體致癌風險之間呈指數關系。具體的計算公式如下:

式中:R為致癌風險，表示人體終生超額患癌的概率;SF為化學致癌物的致癌斜率系數((mg/kg·d)－1)，表示人體終生暴露于劑量為每日每公斤體重1 mg化學致癌物時的終生超額患癌風險度;E為暴露劑量率(mg/kg·d)，表示單位體重人體日均攝入的評價污染物質量。

E的計算如下:

式中，C為水源中污染物的濃度(mg/L);IR為飲水率(L/d，U·S·EPA建議值:2 L/d)，表示人體日均飲水量;EF為暴露頻率(d/a，飲水為每日必需，所以為“評價時段天數/a”)，表示評價時段內年均人體攝入評價污染物的天數;ED為暴露歷時(a，U.S.EPA建議值:30a)，表示人體終生攝入評價污染物的年數;BW為平均人體體重(kg，我國宜采用60 kg);AT為平均時間(d，致癌為70 a×365 d/a、非致癌為 ED×365 d/a)。

(2)非致癌風險評價

化學污染物對人體的非致癌慢性毒害一般以參考劑量為衡量標準:暴露水平高于參考劑量者為可能有危險者，暴露水平等于或低于參考劑量者為不大可能有危險者。通常用危害指數HI來表示:

式中，RfD為參考劑量(mg/kg·d)。

2 結果與討論

2.1 基于熵權法的模糊綜合評判

2.1.1 建立評價因子集

從水源地10口井的監測指標數據中選取具有代表性的總硬度、CODMn、硫酸鹽、氯化物、溶解性總固體、氟化物、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽8個指標作為評價因子，組成評價因子集U:

U={總硬度、CODMn、硫酸鹽、氯化物、溶解性總固體、氟化物、硝酸鹽、亞硝酸鹽}

上述8項監測指標在10個監測點的監測數據見表1。

表1 8項評價因子在10個監測點的監測值 mg/L

⑵建立評價集

依據國家《地下水質量標準》(GB/T 14848－1993)的規定，將水質級別定為5級，故評價集V為:

由于水環境質量標準的劃分一般都是指一個濃度區間，為了符合評價要求，按照擇優不從劣原則，用如下方法確定分級代表值:Ⅰ級水的標準界值作為Ⅰ級水的分級代表值，Ⅱ級水的分級代表值取為Ⅰ級水和Ⅱ級水標準界值的中值，其余類推，將Ⅴ級水的界值作為Ⅴ級水的分級代表值［8］。由此得到本文研究的評價標準見表2。

表2 本文水質評價標準 mg/L

⑶建立單因子隸屬矩陣

根據表2所確定的水質評價標準，運用“將半梯形分布法”確定各指標屬于各水質級別的隸屬函數，從而確定單因子隸屬度，得到單因子評價矩陣A。以鄧樓1號井為例，其隸屬矩陣為:

⑷權重計算

運用熵值賦權方法首先將表1的數據進行初始化，結果見表3。數據經過整理后根據熵權法公式計算出各評價指標的熵和熵權，結果見表4。(5)評價結果

表4 各評價指標的信息熵和熵權

綜合評價結果見表5。利用熵權法賦權的模糊綜合評價結果表明，張集水源地各監測點的水質較好，除梁塘六號井為Ⅱ級水外，其余各監測點均為Ⅰ級水。在各評價指標中亞硝酸鹽、CODMn及氟化物的權重較大，這是由于水源地內的水質污染主要受農業有機污染的影響，尤其是農藥化肥的大量使用。另外，農村生活廢水的任一排放及畜禽的非規范化養殖也是其中重要原因。

表3 原始數據初始化

表5 綜合評價結果

2.2 EPA健康評價

按照⑼、⑽、⑾式進行 EPA健康風險評價，其結果見表6。

化學污染物的致癌風險根據其致癌證據的充分程度在百萬分之一至萬分之一均是可以接受的。以最嚴格的風險可接受度百萬分之一為評價標準，由表6可知，水源地中超過該標準的致癌污染物有砷和鉛。根據EPA綜合風險信息系統IRIS的分類信息，砷屬于A類致癌污染物(EPA建議以1.00×10－6進行風險控制)，鉛屬于 B2類致癌污染物(風險控制標準可以適度放寬至1.00×10－5)。水源地僅有砷的健康風險超標，超標高達32倍;但是與國家頒布的《生活飲用水衛生標準》中砷的限值0.01 mg/L相比，該水源地中砷的濃度遠低于此限值。

根據危害指數的定義，可以確定“1”為非致癌慢性毒害效應的風險控制標準。由表6可知，水源地中19種污染物的合計危害指數均未超過1，因此可以基本認定該水源地的供水不會對飲用人群產生非致癌慢性毒害效應。水源地中危害指數前5位的污染物為氟化物、砷、硝酸鹽、六價鉻、鉛，且氟化物和砷的危害指數均超過0.1，硝酸鹽的危害指數接近0.1。

另外，水源地內各污染物危害指數的變化如表7所示。

表7 2006－2009年健康風險評價結果對比分析

由表7中可以看出，2006～2009年中污染物的合計危害指數均未超過1，說明不會對飲用人群產生非致癌慢性毒害效應，但是有逐年增高的趨勢.水源地中危害指數前5位的污染物均是氟化物、砷、硝酸鹽氮、六價鉻和鉛，且氟化物和砷的危害指數均超過0.1，其中砷超標高達21～32倍，硝酸鹽氮的危害指數接近0.1，同時都有明顯的增高趨勢，六價鉻和鉛的危害指數都沒有超標并保持不變，但出現了一定的升高趨勢，由此看見，人類活動對水源地水質產生了一定的影響。水源地內主要包括果園和農田，由于農藥和化肥的大量使用，致使地表孔隙水被污染，進而通過越流補給的形式對地下巖溶水水質產生影響;同時部分工業企業的排放廢水沒有達標，也會造成地下巖溶水的污染。

表6 健康風險評價結果

3 結論與建議

1)采用基于熵權法的模糊綜合評判法對水源地水質進行評價，10個監測點中，符合Ⅰ類水質的有9個，符合Ⅱ類水質的有1個，水源地水質較好;

2)基于熵權法的模糊綜合評判法與EPA健康評價法的評價結果顯示，影響水源地水質的主要污染因子是亞硝酸鹽、CODMn、氟化物、砷、硝酸鹽、六價鉻和鉛;

3)到目前為止，污染物的合計危害指數呈逐年增大的趨勢，但均未超過1，不會對飲用人群產生非致癌慢性毒害效應。

4)應加強點污染源的監察力度，嚴格控制其排污，保證廢水達標排放;同時對農業進行產業結構調整，因地制宜，減少農藥化肥的使用，降低有機污染。

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Study on Water Quality Assessment in Zhangji Water Source Region

LI Qing1，LIU Xi－ kun2，LIU Yong3，ZHANG Shuang － sheng2
(1.Xuzhou Big Dragon Lake Management office，Xuzhou 221018，Jiangsu;2.Xuzhou Water Resource Office，Xuzhou，221018 ，Jiangsu;3.School of Resource and Earth Science，China university of Mining and Technology，Xuzhou 221116，Jiangsu)

The water quality of Zhangji water source region in Xuzhou was evaluated by fuzzy comprehensive assessment method and EPA health risk assessment method respectively. The results showed that the water quality was well. Nine monitored points belonged toⅠ type water quality，and one monitored point belonged toⅡ type water quality，when the water quality was assessed by fuzzy comprehensive assessment method;Nitrite，CODMn，fluorid，arsenic，nitrate，Cr6+and lead were the key pollutant factors in the water source region;The hazard index of pollutants increased year by year，but it wasn’t greater than 1. In view of the water－ quality problem，supervision for the pollution sources should be strengthened. The wastewater must be treated and reached corresponding standard. Meanwhile，the industrial structures of agriculture should be adjusted to reduce the dosages of pesticides and chemical fertilizer.

Fuzzy comprehensive assessment，Entropy method，EPA health risk assessment and Zhangji water source region

X824

A

1004－1184(2012)05－0054－05

2012－05－23

江蘇省水利科技重點項目(成果編號20102205)

李勍(1969－)，男，江蘇徐州人，工程師，主要從事水利工程管理及技術研究。