北方某城市河流型飲用水水源地選址方案評價研究

杜大仲,孟憲林,馬 放 (哈爾濱工業大學市政環境工程學院,城市水資源與水環境國家重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150090)

北方某城市河流型飲用水水源地選址方案評價研究

杜大仲,孟憲林,馬 放*(哈爾濱工業大學市政環境工程學院,城市水資源與水環境國家重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150090)

為建立和量化適于河流型飲用水水源地選址的評價體系,以北方某城市A的水源地選址方案為研究對象,通過層次分析法(AHP)從法律制約、環境質量、水資源保障和環境風險角度構建評價體系.評價體系共設立8個否定因子和20個評價因子,采用文獻分析和專家問卷調查相結合的方法確定評價因子權重,并依據環境標準和技術導則確定評分標準,可對多個選址方案進行評價與優選.研究表明,城市 A的選址方案Ⅰ與方案Ⅱ均可做為水源地選址方案進行工程論證;城市A所處流域綜合水質狀況不佳,在后續的給水廠建設中應考慮采用深度處理工藝;城市A的選址方案Ⅰ與方案Ⅱ的環境風險系數均較高,管理部門應依據選址方案的風險特征加強上游風險源管理.

河流型飲用水水源地；選址；評價體系；層次分析法

中國環境監測總站統計數據顯示,2009年重點城市年取水總量為 217.6億 t,達標水量占73.0%;不達標水量占 27.0%.此外,許多具有致癌、致畸、致突變性的有機污染物在我國的大中型飲用水源中均有檢出.其中,河流型飲用水水源地因水質達標狀況差、環境風險高、歷史遺留問題多等因素,而備受各界關注[1-3].在對水源地環境調查和評價過程中,許多重大飲用水源環境事故曝露出水源地在規劃選址過程對制約因素考慮不足的問題.水源地規劃選址時對上游工業排污風險估計不足,保護區內已建排污項目物權不明,流域新建大型水利項目改變基礎環境條件等問題,已成為水源地保護方案難以得到有效實施的重要原因[4].

目前,國內外研究人員對現有水源地的安全評價、風險管理、污染防治做了大量研究工作[5-8],但對水源地規劃選址的研究尚停留在水資源供應保障和環境風險等單一性評價階段[9-10],對于綜合性評價大多以定性評價為主[11],尚未形成較為完整的量化評價體系.本研究針對某城市A的河流型飲用水水源地選址方案,從法律制約、環境質量、水資源保障和環境風險角度構建河流型飲用水水源地選址評價體系,對選址方案進行量化評價,旨在為管理決策提供依據.

1 研究區域概述

北方某城市A的主要飲用水源屬河流型水源地,現有水源地的設計供水量為25萬m3/d,服務人口為61.9萬人,占市區總人口的77.3%.近年來,因受水源地供水量不足、上游流域環境風險加大和水質惡化等問題的困擾,市政管理部門決定重新對城市供水水源地進行選址規劃,擬將水源地從原來的RB河取水改為從RA河或RC河取水,水源地所在流域的基本情況和方案的擬建取水斷面位置見圖1.本研究以2種取水方案為研究對象,進行實例分析,運用河流型水源地選址評價體系對選址方案進行評價與優選.

圖1 選址方案區位示意Fig.1 Location of site selection plan

2 構建評價體系

根據水源地選址所涉及的評價因素具有定量和定性相結合的特點,本文選擇廣泛應用于多目標決策的層次分析法(AHP)作為構建評估體系的技術方法[12].在評價體系構建過程中,針對水源地保護區內的違法項目因物權不明難以進行環境執法,風險隱患強度大這一現實現象,評估體系設立了否定因子,以法律要求作為選址方案評價的基礎,在選址之初明確各方的法律責任和義務.參照層次分析法的構建原理,評價體系依次建立目標層(A)、否定因子(F)、準則層(B)、指標層(C)和評價層(D).

2.1 否定因子(F)

水源地的管理與保護過程中,法律是實施環境保護行為準則和依據,是進行評價的基礎.根據《水污染防治法》中需設立水源地一、二級保護區,對保護區內的建設項目和社會活動進行限制的相關規定,評價體系將優先考慮水源地建立后劃分的保護區對區域建設和發展的制約影響.

水源地一、二級保護區范圍可依據《飲用水水源地保護區劃分技術規范》中推薦的經驗值進行初步劃定[13].依據法律條款,一級保護區的否定因子確定為排污口(f1)、與供水設施和保護水源無關的建設項目(f2)、網箱養殖區(f3)和旅游區(f4);二級保護區的否定因子確定為排污口(f5)、排放污染物的建設項目(f6),網箱養殖區(f7),旅游區(f8)

當擬建水源地的一、二級保護區存在上述否定因子且不可消除時,否定因子將對水源地選址方案直接進行否定.

2.2 評價因子

2.2.1 環境質量(B1) 飲用水水源地的最終目標是向社會提供有“質量”保障的飲用水,其中環境類指標反映飲用水的“質”.在環境類指標體系中,一般污染性指標(C1)反映水體總體的生態環境狀況,毒理性指標(C2)則反映水質對人體健康的影響.

一般污染性指標中,日常監測的代表性評估因子為高錳酸鹽指數(D1)、氨氮(D2)、總磷(D3)和糞大腸菌群(D4).毒理性指標從《地表水環境質量標準》[14]和《生活飲用水衛生標準》[15]中污染物指標進行篩選,確定砷(D5)、鎘(D6)、鉻(六價)(D7)、鉛(D8)、汞(D9)作為評價因子.

2.2.2 水資源保障(B2) 水資源類指標反映的是飲用水源的“量”,在水資源指標體系中,水量保障(C3)反映目前水資源可利用的水量,取水工程對環境影響(C4)反映水資源利用的可持續性.

圖2 河流型飲用水水源地選址評價體系Fig.2 Evaluation system for site selection of river drinking resources water

根據《水資源論證導則》[16]水量保障指標體系中地表取水指標進行篩選,以水資源狀況(D10)、水域開發利用程度(D11)、生活取水量(D12)作為水量保障指標評價因子.在環境影響中以對第三者取水影響(D13)、對生態水量產生影響(D14)、對水文變化有潛在影響(D15)作為環境影響評價因子.

2.2.3 環境風險(B3) 根據水源地環境風險事故的產生的類別,環境風險源分為固定源(C5)和移動源(C6).依據近年來水源地污染事件的統計[17-18],環境風險固定源選擇擬建水源地上游的發酵企業(D16)、化工企業(D17)、造紙企業(D18)作為評價因子,移動源選擇擬建水源地保護區陸域范圍內高速公路(D19)和水域范圍內航運通道(D20)作為評價因子.依據層次分析法的原理,結合法律制約、環境質量、水資源保障和環境風險影響因素構建的河流型水源地選址評價體系,見圖2.

表1 目標層至評價層評價指標的權重Table 1 Weight of assessment index from target layer to evaluation layer

2.3 評價權重

在參考相關文獻[19-24]和咨詢有關專家(給水專業5人,環境專業7人)的基礎上,結合各層的影響因子對應上一層準則層指標的影響程度大小建立判斷矩陣,按照AHP建模的步驟,確定每層各影響因素的權重 W,并檢驗是否具有可接受的一致性,自上而下地將單準則下的權重進行合成(A-D),并逐層進行總的判斷一致性檢驗,對系統目標的合成權重見表1,由表1中數據計算所得 CR=0.004＜0.1,表明合成權重具有良好的一致性.

2.4 評價標準

在評價過程中,將評價因子等級劃分為極不適宜、不適宜、尚可、比較適宜和極適宜5個等級,分別賦予0、40、60、80、100相應分值.各評價因子依據現行環境標準和技術導則的相關等級要求.對應的分值如表2所示,區間范圍的具體分值可通過內插法進行計算,見式1.

式中:Y為評價因子對應的分值;X為評價因子;Y1為評價因子對應的分值范圍的下限值;Y2為評價因子對應的分值范圍的上限值;X1為評價因子值域下限;X2為評價因子值域上限.

通過評分標準與權重的計算,水源地選址方案得到最終分值.60分以下的選址方案應予放棄,60分以上的選址方案可作為考慮方案,分值越高方案的合理性越強,評分標準見表2.

表2 評價因子的評分標準Table 2 Grading for assessment factors

3 方案評價

3.1 法律制約性評價

對方案Ⅰ和方案Ⅱ進行現場環境調查,調查范圍為擬選方案一、二級保護區的陸域和水域范圍.現場調查表明,方案Ⅰ和方案Ⅱ在初步劃定的一、二級保護區范圍內均不存在法律制約性否定因子,從法律角度兩個方案均可行.

3.2 環境質量評價

根據選址方案的取水口位置,環境保護部門進行了以1年為周期的4個季度污染物監測,方案Ⅰ和方案Ⅱ取水口污染物濃度及評分見表3.

3.3 水資源保障評價

3.3.1 水資源狀況評價 資料顯示,取水量占過境水資源30%以下為水資源充沛,30%～60%基本滿足供水需求,60%以上水資源緊缺[25-27].從表 4可見,RC河與 RA河均屬季節性河流,豐水期徑流量占全年徑流量 60%以上,因此本研究選用水資源最為短缺的枯水期來考察水資源的保障情況,計算方法見(式2),計算結果見表5.

式中:Pw為取水百分率,%;Ws為水廠設計取水量,104m3/月;Qk為枯水期過境地表徑流量, 104m3/月.

從表5可見,方案Ⅰ和方案Ⅱ的取水量均遠低于枯水期地表徑流量的 30%,表明過境水量較為充沛,可滿足供水需求,方案評分均為100.

3.3.2 水域開發利用程度 水域開發利用程度表征的是人類社會對水域自然環境的開發利用程度,以及水域開發利用的潛力,本研究對流域的水資源調配規劃進行統籌考慮,水資源開發利用率的計算方法見式3.

表3 環境質量指標評價Table 3 Assessment for Environmental quality factors

表4 2007～2009年河流徑流量統計Table 4 River flow statistics from 2007 to 2009

表5 水源地選址方案取水百分率Table 5 Percent of pumping for site selection plan of source water

式中:Pu為水資源開發利用率,%;Ws為當地實際供水量,億m3/年;Wi為規劃調入水量,億m3/年;Wo為規劃調出水量,億m3/年;Wos為規劃其他途徑供水,億m3/年; Qa為年平均水資源量,億m3/年.

根據式 3,方案Ⅰ和方案Ⅱ的水域開發利用率計算結果見表6.

從表6可見,方案Ⅰ和方案Ⅱ的水域開發利用率均小于 5%,說明水域開發程度較小,具有較高的水域開發潛力,可滿足相關取水工程的要求,方案評分均為100.

表6 水源地選址方案水資源開發利用率Table 6 Percent of water resource development and utilization forsite selection plan of source water

3.3.3 生活取水量 方案Ⅰ和方案Ⅱ的設計取水量均為25萬m3/d,根據表2評分標準,方案Ⅰ和方案Ⅱ評分為80分.

3.3.4 對第三者取水影響分析 在A市下游陸域500km范圍內,無河流型水源地和規劃的大型取水工程,因此認為方案Ⅰ和方案Ⅱ對第三者取水無影響,方案評分均為100.

3.3.5 對生態水量的影響分析 生態水量是指流域保護物種的多樣性和生態整合性所需要具有一定質量的水資源量.從表5可見,方案Ⅰ和方案Ⅱ的取水方案在生態環境最為脆弱的枯水期所占水資源比例均在 10%左右,對生態水量基本無影響,方案評分均為80.

3.3.6 對水文變化的影響分析 從方案Ⅰ和方案Ⅱ 的取水率可見,取水量均占枯水期最低流量的10%以下,對河流的水文變化均無潛在影響,方案評分均為80.

3.4 環境風險評價

對河流型水源地而言,固定風險源主要來自流域上游的工業企業.方案Ⅰ的風險主要來 RC河上游的C市;方案Ⅱ的取水來源于RA河,是由RB河和RC河兩條河流匯流而成,所以它的風險來自B市和 C市的共同影響.

3.4.1 方案Ⅰ環境風險分析 方案Ⅰ取水風險來自于上游C市排水,C市距方案Ⅰ取水斷面的距離約為32.8km.C市現有規模工業企業11家,其中造紙企業4家;化工企業1家.從圖1可見,方案Ⅰ中有高速公路穿越水源地陸域和水域保護區,水體距高速公路垂直距離小于 10m.在 RC河取水口上游范圍內無航運通道.

3.4.2 方案Ⅱ環境風險分析 方案Ⅱ取水風險來自于上游C市和B市的排水,B市距方案Ⅱ取水斷面的距離約為15.6km.B市現有規模工業企業 17家,其中化工企業1家;發酵企業1家.在選址方案Ⅱ中,在陸域保護區范圍內無交通運輸干線,在水域保護區范圍內有航運通道,垂直距離約15m.

方案Ⅰ和方案Ⅱ的風險評價結果見表7.

表7 環境風險指標評價Table 7 Assessment for environmental risk factors

3.5 方案評分

將評價因子的得分代入表 1中進行加權計算,方案Ⅰ和方案Ⅱ的綜合評分見表8.

表8 選址方案綜合評價Table 8 General assessment for site selection plan

4 結論

4.1 方案Ⅰ和方案Ⅱ的污染性指標中的高錳酸鹽指數評分為 68和 58.5,得分較低,評價結果表明流域綜合水質狀況不佳,管理部門應加強水源地上游流域的污染物減排工作,避免流域水質繼續惡化,在后續的給水廠建設中應考慮采用深度處理工藝,強化污染物的去除.評價方案中毒理性指標中各項評分均為滿分,表明流域水質安全狀況良好,飲用水健康風險較低.

4.2 水資源保障和環境影響中各項指標的評分均在80及80以上,表明城市A所在流域的水資源充沛,在水量上能夠保障取水方案的用水需求,且取水方案對當地水資源分配和生態環境影響較小,可保證水資源的持續供應.

4.3 方案Ⅰ和方案Ⅱ的流域環境風險系數均較高.方案Ⅰ的環境風險來自水源地保護區內高速公路交通事故及上游化工和造紙企業的非正產排污,方案Ⅱ的環境風險主要來自航運通道和上游發酵、化工和造紙企業的非正常排污.管理部門應有針對性的加強風險源管理,制定環境風險應急預案,降低風險危害程度.

4.4 方案Ⅰ和方案Ⅱ的總體得分均在 80分以上,均可作為城市A的水源地選址方案進行工程論證,因方案Ⅰ的綜合得分優于方案Ⅱ,本研究優先推薦方案Ⅰ作為選址方案.

[1] 鄭丙輝,付 青,劉 琰.中國城市飲用水源地環境問題與對策[J].環境保護, 2007,381(10):59-61.

[2] 聶明華,楊 毅,劉 敏,等.太湖流域水源地懸浮顆粒物中的PAH、OCP和PCB [J]. 中國環境科學, 2011,31(8):1347-1354.

[3] 邢小茹,曹 勤,劉 京,等. 中國部分環境保護重點城市集中式飲用水源水質評價 [J]. 中國環境科學, 2008,28(11):961-967.

[4] 環境保護部.全國飲用水水源地基礎環境調查及評估報告 [R].北京:中國環境規劃院, 2008.

[5] Rosello M J P, Martinez J M V,Navarro B A. Vulnerability of human environment to risk: Case of groundwater contamination risk [J]. Environment International, 2009,35(2):325-335.

[6] Minciardi R, Sacile R, Eva T. Resource allocation in integrated preoperational and operational management of natural hazards [J]. Risk Analysis, 2009,29(1):62-75.

[7] 朱黨生,張建永,程紅光等.城市飲用水水源地安全評價(Ⅰ):評價指標和方法 [J]. 水利學報, 2010,41(7):778-785.

[8] 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.

[9] 湯衛文.關于集中式供水水源的選址 [J]. 人民珠江, 2002(4): 11-12

[10] 周強陸,雍 森. 城市水源選址的風險評價 [J]. 廣州環境科學, 1997,12(4):20-24

[11] 黎 坤,陳曉宏,江 濤,等.多目標系統模糊優選理論在城市飲用水源地選址中的應用[J]. 中山大學學報(自然科學版), 2005, 44(4):120-123.

[12] 許樹柏.層次分析法原理 [M]. 天津:天津大學出版社, 1988

[13] HL/T338-2007 飲用水水源地保護區劃分技術規范 [S].

[14] GB3838-2002 地表水環境質量標準 [S].

[15] GB5749-2006 生活飲用水衛生標準 [S].

[16] SL/Z322-2005 建設項目水資源論證導則 [S].

[17] 張 勇,王東宇,楊 凱.1985-2005年中國城市水源地突發污染事件不完全統計分析 [J]. 安全與環境學報, 2006,6(2):79-84.

[18] 王東宇,張 勇. 2006年中國城市飲用水源突發污染事件統計及分析. [J]. 安全與環境學報, 2007,7(6):150-155.

[19] EPA. State Source Water Assessment and Protection Programs: Final Guidance [R]. 1997.

[20] 李麗娟,梁麗喬,劉昌明,等.近20年我國飲用水污染事故分析及防治對策 [J]. 地理學報, 2007,62(9):917-924.

[21] 洪繼華,宋依蘭. 層次分析法在水環境規劃中的應用 [J]. 環境科學與技術, 2000,1:32-39.

[22] 劉恒,耿雷華,陳曉燕. 區域水資源可持續利用評價指標體系的建立 [J]. 水科學進展, 2003,14(3):265-270.

[23] 趙彥偉,楊志峰.城市河流生態系統健康評價初探 [J]. 水科學進展, 2005,16(3):349-355.

[24] 逄 勇,徐秋霞.水源地水污染風險等級判別方法及應用[J]. 環境監控與預警, 2009,1(2):1-4.

[25] 周金全.地表取水工程 [M]. 北京:化工出版社, 1986:3-8.

[26] 劉自放.水資源與取水工程 [M]. 北京:中國建筑出版社, 2000: 113-119.

[27] 宋祖詔.取水工程 [M]. 北京:中國水利水電出版社, 2002:17-28.

Site selection assessment for river drinking source water of a city in northern.

DU Da-zhong, MENG Xian-lin, MA Fang*(State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environmental, School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China). China Environmental Science, 2012,32(2)：359～365

In order to establish and quantize the assessment system for the site selection of river drinking source water, City A in northern was took as the case. The assessment system which involve law, environmental quality, water resources protection and environmental risk was established by analytic hierarchy process (AHP). There were eight negative factors and twenty evaluation factors in the system, and the weight of evaluation factors were defined by literature review and expert survey. These evaluation factors were quantized according to environmental standards and technical guidelines. Both programⅠandⅡof City A can be carried engineering appraisal out; the water quality of river basin was no good, so the advanced treatment process should be considered in the construction of water plant; the environmental risk index of programⅠ andⅡwere high, administration should strengthen the management of risk source on the risk characteristics.

river drinking source water；site selection；assessment system；analytic hierarchy process

2011-04-26

國家科技重大專項(2009Z07631-002,2009ZX07526-006);國家環保“十二五”規劃前期研究課題;城市水資源與水環境國家重點實驗室(哈爾濱工業大學)資助課題 (2010DX08,2010 DX09)

* 責任作者, 教授, mafang@hit.edu.cn

X321

A

1000-6923(2012)02-0359-07

杜大仲(1976-),男,黑龍江哈爾濱市人,工程師,博士,主要從事環境評價與規劃.發表論文20余篇.