江蘇省典型湖泊飲用水源地安全綜合評價

杜云彬,陳求穩,王智源,王冬梅,劉俊杰,陳 誠,楊延梅,樊兆航

(1.重慶交通大學河海學院，重慶 400074； 2.南京水利科學研究院生態環境研究所，江蘇 南京 210029； 3.江蘇省水利科學研究院，江蘇 南京 210017；4.江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029)

隨著經濟社會的快速發展和城市化的高速推進，飲用水源地環境風險日益加劇，部分集中式飲用水源地存在供水能力不穩定、水質不穩定、突發性水污染事件時有發生等問題。湖泊飲用水源地具有水體流動弱、水體置換較慢、自凈能力差的特點，其綜合治理是一項長期、復雜的系統工程。開展湖泊水源地安全評估指標體系研究，全面評估水源地生態系統健康和供水安全，是提升水源地安全保障度的迫切需求，對加強飲用水源地保護、維護人民生命健康、促進經濟社會可持續發展具有重要意義。

國外相關研究主要集中于飲用水安全與水源地健康風險，對水源地安全內涵沒有明確的定義。國內研究中，衣強[1]認為水源地安全是水源地自身的屬性，指水源地的基本情況(水質狀況、蓄水情況、工程安全、管理水平等)能夠滿足人民的健康生活以及社會的穩定和可持續發展。王麗紅等[2]提出水源地安全內涵包含兩個方面：一是水源地的自然屬性，即水源地抵抗外界干擾的能力，如水體自凈能力等；二是水源地的社會屬性，即水源地在面對人類活動帶來的水質污染、水體富營養化等不利影響時做出的反應。近年來，對飲用水源地安全的評價研究逐漸增加。美國國家環保局(USEPA)選取了飲用水源狀況及其生態脆弱性兩方面的15個指標，用定性的方法對水源地進行總體評價[3]；Mehrnoosh等[4]利用改進的飲用水水質指數(DWQI)評價了伊朗胡賽斯坦省農村地區的水源地水質狀況；申獻辰等[5]在國內外水質評價方法的基礎上，結合國家地表水環境質量標準，提出了一種適用于我國水源地水質評價的指數系統；方國華等[6]基于壓力-狀態-響應模型，選取植被覆蓋率、農藥化肥施用強度、水環境自凈能力、環保投資占GDP比例、土壤侵蝕強度和水土流失率6個指標評價了長江江蘇段飲用水源地安全風險；周曉鐵等[7]使用單因子標準指數法與卡爾森指數法對安徽省91個縣級以上飲用水源地和31個湖庫型水源地水質安全進行了評價。

目前已有的水源地評價大多以水量滿足、水質達標為主，并沒有充分考慮生態安全、空間穩定、人類活動干擾等要素的相關指標，無法全面準確體現水源地安全內涵，不能滿足河湖長制的管理需求。相較于河流型水源地，湖泊水源地具有水體交換周期長、人類活動強度高、水質達標率低等特點。因此，針對湖泊水源地自然屬性、生態屬性和服務屬性的特點，亟須結合水源地水量充足、水質安全、生態健康、功能完整等客觀需求，構建適用于湖泊水源地管理要求的安全評價體系。

江蘇省是我國淡水湖泊分布最集中的省區之一，境內水網密布，大小湖泊湖蕩200余個，湖泊率達到6%，居全國首位[8]。湖泊是江蘇省重要的飲用水源，全省地級以上湖庫型水源地共21個，占地級以上水源地的20.8%。隨著近年來社會經濟高速發展、城鎮化進度加快、人口密度激增，省內大多數湖泊出現了自由水面萎縮、入湖污染負荷上升、湖區水質下降、生態系統退化等問題[9]，湖泊飲用水源地安全風險呈總體上升的態勢。因此，開展江蘇省湖泊飲用水源地安全評價研究，既是長江大保護和江淮生態經濟帶建設的國家宏觀戰略需求，也是落實河湖長制和江蘇省生態河湖行動計劃的重要抓手。本文選取江蘇省13個典型湖泊飲用水源地，以2017年為研究年，從水質、水量、生態、環境風險和建設達標度等5個方面構建江蘇省湖泊飲用水源地安全評價體系，通過構建層次分析法和熵權法相結合的綜合權重模型確定各指標權重，在收集相關數據的基礎上計算安全綜合指數，對江蘇省典型湖泊飲用水源地安全做出全面準確的評估，以期為湖泊飲用水源地安全評價與管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

以太湖、洪澤湖等13個地級以上湖泊型集中式飲用水源地為研究對象(圖1)，其中，洪澤湖、微山湖、駱馬湖、寶應湖和大縱湖位于蘇北地區；高郵湖、邵伯湖位于蘇中地區；固城湖、石臼湖、太湖、滆湖、洮湖和陽澄湖位于蘇南地區。以上典型湖泊水源地具有較高的地理代表性，能夠較全面準確地反映江蘇省湖泊飲用水源地的整體安全狀況,各典型湖泊飲用水源地基本信息見表1。

圖1 江蘇省典型湖泊飲用水源地分布示意圖Fig.1 Distribution of drinking water sourcesof typical lakes in Jiangsu Province

1.2 數據來源

用于典型湖泊水源地安全評價的水文數據來自江蘇省與涉湖各地級市(南京、無錫、常州、蘇州、揚州、泰州、宿遷、淮安、鹽城、徐州)水資源公報，水質數據為各典型湖泊飲用水源地取水口水質監測數據。水生生物數據通過查閱國內外文獻獲取，詳見參考文獻[10-32]。社會特性指標取自江蘇省與涉湖各地級市的統計年鑒，其中水質數據、水文數據和社會特性數據年為2017年，水生生物數據年限范圍是2008—2018年。

1.3 數據處理方法

本文采用改進的極差標準化法[33]，避免標準化值出現0的情況，能夠有效增加標準化值的科學性。正向指標、負向指標的數據處理公式分別為

表1 江蘇省典型湖泊飲用水源地基本信息Table 1 Basic information of drinking water sources of typical lakes in Jiangsu Province

(1)

(2)

式中：Yi為標準化值;Xi為第i項指標原始值;Xmax、Xmin分別為該類指標中的最大值和最小值;a為標準系數，取0.9。

1.4 湖泊水源地安全評價指標體系構建

1.4.1水源地安全要素

本研究從水量、水質、生態、環境風險和建設達標度5個要素表征江蘇省湖泊飲用水源地安全內涵。①水量：水源地應具有一定的蓄水量，滿足現狀供水要求；來水和供水之間比例協調，能保證供水的可持續性；特枯水文年水源地水量能滿足供水需求。②水質：水源地水質能持續滿足供水水質要求；富營養化等級較低，沒有藍藻水華暴發風險；不發生突發風險事件或者發生后對水源地安全供水不構成威脅。③生態：水源地水生態系統有活力、穩定性強且具有自我恢復性，生物完整性和多樣性高，生境能滿足水生動植物生長需求。④環境風險：水源地人為干擾小、污染負荷低，環境風險源數量少、規模小、距離遠，不存在突發污染風險。⑤建設達標度：水源地建設達標率高，管理手段信息化程度高，水源地達標建設投入比例高。

1.4.2評價指標的選擇與篩選

根據水源地安全內涵，查閱并分析了1990—2018年國內外關于地表飲用水源地水質評價、水量評價、生態評價、脆弱性評價和水源地安全綜合評價相關的245篇文獻，得到5類共73個指標，其中18個水質指標、17個水量指標、15個生態指標、12個環境風險指標、11個建設達標度指標。

對73個指標進行篩選，篩選原則為：①能全面反映湖泊水源地安全的各種屬性；②與研究區域相適應；③量化方法簡便且可操作性強；④指標間獨立性較高。指標篩選步驟有頻次分析和獨立性分析。頻次分析是通過統計所有文獻中的指標出現頻次，設置合適的篩選頻次，將超過篩選頻次的作為備選指標，該步驟利用Excel 2016進行。相關分析設置相關系數r>0.75為限值[34]，以Pearson相關性分析方法篩選出相互獨立的指標，該步驟利用SPSS 24軟件進行。

1.4.3評價指標權重的計算

目前在水源地安全評價的研究中，大多單獨采用主觀賦權法或客觀賦權法確定權重。主觀賦權法權重的確定由決策者的主觀意向決定，結果易受決策者主觀經驗的偏差影響。客觀賦權法是基于已有數據通過科學的統計和數學的算法確定權重，結果不受主觀因素干擾，但客觀賦權法未考慮到評價指標間的差異性，結果與人們較認可的結果往往存在一定的差異[35]。因此本文基于主客觀結合的原則，使用層次分析法和熵權法相結合的綜合權重模型確定各指標權重。

計算層次分析法權重時，以江蘇省典型湖泊水源地安全為目標層A，以水質、水量、生態、環境風險和建設達標度為5個準則層(B1～B5)，以12個評價指標為指標層(C1～C12)，通過4位專家的判斷構建A-B、B1-C、B2-C、B3-C、B4-C和B5-C6個判斷矩陣進行權重計算。若某一準則層下僅有一個指標，以該準則層的權重作為對應指標的權重。

熵權法權重計算分為標準化矩陣構建、信息熵計算與權重確定3步，計算過程如下：

表2 江蘇省典型湖泊飲用水源地安全評價指標分類及引用頻率Table 2 Classification and citation frequency of safety assessment indexes for drinkingwater sources in typical lakes in Jiangshu

由式(1)～(2)計算的指標歸一化值構建標準化矩陣Z；根據式(3)和(4)計算可得第j項指標的信息熵值qj和信息效用價值hj：

(3)

其中

k=(lnb)-1

hj=1-qj

(4)

式中m為樣本值。第j個指標的熵權法權重Wsj為

(5)

為最大程度減小單獨使用層次分析法或熵權法帶來的主客觀偏差，引入組合賦權法構建綜合權重模型：

Wi=λαi+(1-λ)βi

(6)

式中：Wi為第i項樣本的組合賦權；αi為層次分析法權重；βi為熵權法權重；λ為偏好系數，取0.5。

1.4.4評價方法與標準

為了全面反映江蘇省典型湖泊水源地安全狀況，需要對評價指標進行綜合。本文采用綜合指數法對江蘇省典型湖泊水源地安全評價指標進行綜合，計算公式為

(7)

式中:IA為安全綜合指數；Yi為評價指標標準化后的數值，數值范圍在0～1之間。

目前在安全評價與生態健康評價研究領域中評價標準的確定采用較多的方法主要有專家法和分位數法[36-37]。本文采用分位數法確定評價標準，將安全指數最大值的75%分位數以上定義為“安全”，25%分位數以下定義為“不安全”，其余部分定義為“較安全”。

2 結果與分析

2.1 評價指標體系的建立

根據第1.4.2節評價指標的篩選方法進行頻次分析。由于各要素層指標數量有較大差距，對水質指標設置6%的篩選頻率，水量指標和生態指標設置8%的篩選頻率，生態安全指標中的多樣性指數均為Shannon-Wiener多樣性指數，下文簡稱為多樣性指數，環境風險指標與建設達標度指標選擇10%的篩選頻率，篩選結果見表2。對于水質指標，各典型湖泊水源地的溶解氧、重金屬、砷、硒指標含量遠低于國家飲用水安全標準限值，故予以剔除；在計算TLI綜合富營養指數時已經包含總氮指標，且地表水中氨氮與總氮具有較高的相關性，因此，為避免指標之間相關性較高將總氮指標剔除。對于水量指標，水量來供比和供水保證率均能表示水源地水量安全狀況，而水量來供比能更好地反映水源地自然屬性，故將供水保證率排除。對于生態指標，魚類、底棲動物和浮游植物的多樣性指數均能反映湖泊生態系統健康狀況，但湖泊中底棲動物相對魚類活動范圍較小、生命周期較長、遷移能力較弱，且浮游植物和底棲動物對環境污染的敏感性更強，故剔除魚類多樣性指數。在環境風險指標中，人類活動強度和污染排放強度能從不同角度反映水源地的污染負荷壓力，故保留。對于建設達標度指標，人均GDP、監控與管理能力是水源地建設和管理能力的重要體現，人均GDP能夠綜合反映對水源地建設和保護的經濟投入能力，而水源地監控管理能力定義不明、不易量化，故剔除。對初步篩選出的指標進行相關性分析，以相關系數|r|>0.75篩選出具有高度相關性的指標。最終確定氨氮、高錳酸鹽指數、TLI綜合富營養化指數、總磷、水量來供比、人均水資源量、浮游植物多樣性指數、底棲動物多樣性指數、水溫變異度、人類活動強度、污染排放強度、人均GDP 12個指標，構建江蘇省典型湖泊水源地安全評價指標體系。TLI綜合富營養化指數、浮游植物多樣性指數、底棲動物多樣性指數、水溫變異度T、污染排放強度P的計算公式見式(8)～(11)；人類活動強度以湖區各區縣平均人口密度計。

ITLI(∑)=∑ZiITLI

(8)

H=-∑SlnS

(9)

T=Ta-Tb

(10)

P=Wp/G

(11)

式中：Zi為第i個參數權重；ITLI為第i個參數的營養指數；S為某一物種個體數占總個體數的比例；Ta為當年水溫平均值；Tb為多年水溫平均值；Wp為湖區各區縣平均污水排放量；G為湖區各區縣平均國內生產總值。

采用Matlab 2014b計算各指標層次分析法權重和熵權法權重，利用式(6)計算各指標最終權重，最終確定江蘇省典型湖泊飲用水源地安全評價指標體系(圖2，括號中為權重)。

2.2 評價標準劃分

根據式(7)將數據標準化后的最大值與各要素組合權重相乘得到水源地各安全要素的最大值，再按照第1.4.4節中所述分位數法確定江蘇省典型湖泊水源地安全等級劃分標準，結果見表3。

圖2 江蘇省典型湖泊飲用水源地安全評價指標體系

Fig.2 Safety evaluation index system of drinking watersource of typical lakes in Jiangsu Province

表3 江蘇省典型湖泊飲用水源地安全評價等級劃分Table 3 Classification of safety assessment for drinkingwater sources of typical lakes in Jiangsu Province

2.3 湖泊水源地安全狀況評價結果

根據建立的評價指標體系，江蘇省典型湖泊水源地安全評價結果見圖3。總體上，江蘇省典型湖泊水源地均在“較安全”至“安全”級別范圍內，沒有出現“不安全”的情況。其中，僅有固城湖水源地安全狀況為“安全”，其余水源地安全狀況皆為“較安全”。由表4可知，各要素安全狀況與綜合安全狀況的評價結果具有較高的一致性。

圖3 江蘇省典型湖泊飲用水源地安全指數Fig.3 Safety index of drinking water sourceof typical lakes in Jiangsu Province

表4 江蘇省典型湖泊飲用水源地安全等級Table 4 Safety level of drinking water sourcesof typical lakes in Jiangsu Province

3 討論與建議

在選取的江蘇省13個典型湖泊水源地中，安全狀況為“安全”的水源地僅有固城湖水源地1個，其他水源地安全狀況均為“較安全”，江蘇省湖泊水源地安全狀況整體呈現較好的態勢。王霞等[38]調查發現江蘇省29個地級以上集中式飲用水源地(包括4個湖泊水源地)基本安全。方國華等[39]從水質、水量、水體富營養化等角度分析了固城湖水源地安全狀況及存在的問題，發現固城湖在水質、水量等方面均處于較安全等級。上述評價結果與本文呈較高的一致性。根據水源地安全評價結果，除滆湖水源地以外的典型湖泊水源地水質安全狀況較好，與近年來江蘇省水利部門集中開展水源地達標建設有關。滆湖水質安全問題由來已久，在1980年代水質基本為Ⅲ類水質，到1990年代水質下降到Ⅳ類，2000年水質變為劣Ⅴ類[40]，在何尚衛[41]的研究中也將滆湖劃為重污染性湖泊。分析發現，滆湖水體污染主要來源是扁擔河、夏溪河、武南運河等入湖河流以及圍網養殖、農業種植和工業廢水[42]。另外，江蘇省人均可用水資源量有限，突發水污染事件仍造成水質型缺水風險[43]。水源地生態安全方面，僅駱馬湖水源地與陽澄湖水源地生態安全級別為不安全，生態風險較高。駱馬湖水源地的生態問題主要是大規模采砂活動對水生生物生境的破壞及湖區富營養化程度較高[25]，而陽澄湖圍網養殖、餐飲與觀光旅游開發、船舶通行等人類活動是影響水源地生態健康的主要原因[26]。相對于其他湖泊水源地，太湖水源地環境風險相對較高。太湖位于長江三角洲核心地區，人口密集、工業發達，湖區西北部平原入湖河網的生活污水污染負荷較重，湖區北側的無錫市惠山區、江陰市東部、常州市與武進區相鄰部分區域、昆山市等地區分布大量污染密集型企業，湖區船舶通航量較高也加劇了突發水污染風險[44]。本研究以資金投入能力表示水源地建設和管理能力，進而評價水源地建設達標情況，結果表明，位于蘇中和蘇北地區的大縱湖水源地與洪澤湖水源地建設達標度相對較差，水源地基礎設施投資能力較弱[45]。由于數據的局限性，本文選取的建設達標度指標不能完全反映水源地監控、預警和應急供水能力，后續研究需要增加該方面的指標。

根據江蘇省典型湖泊水源地安全評價結果，本研究針對性地提出以下湖泊水源地安全保護建議：①針對滆湖等水質較差的水源地，應提高水源地所在區域污水處理率，加強入湖河流水環境治理，大力發展生態漁業、建設有機農業生態帶，以減少外源污染的輸入；②在水源地水量安全方面，通過調整水源地供水區域水資源消費結構、提高水資源利用效率、修建應急水源地等措施為水源地水量安全提供保障；③對于駱馬湖等生態狀況較差的水源地應從治理與管控兩個角度同時出發，一方面加大生態修復力度，另一方面加大對非法采砂、非法養殖等的管控力度；④對于太湖等環境風險較高的湖泊水源地，通過調整流域產業結構、優化岸線開發利用布局和擴大保護區范圍等手段降低水源地環境風險；⑤針對水源地建設達標情況，水源地所在區域政府應進一步完善水源地保護區建設方案，在加大水源地建設和管理經濟投入的同時，加大執法力度，著重提升水源地監控與預警能力。

4 結 語

本研究的局限性主要體現在2個方面：①在不同時空尺度下收集到的數據在采樣點位、監測手段、檢測方法和試驗誤差方面存在差異；②采用基于統計學的指標篩選方法可能會導致選取的評價指標不能準確反映湖泊飲用水源地的綜合安全狀況。在后續研究中，一方面需要提升數據獲取的準確性、時效性和全面性，另一方面需要進一步改進評價指標的篩選方法。