地下水水源地污染防治優先性研究

王紅旗,秦 成,陳美陽 (北京師范大學水科學研究院,北京 100875)

地下水水源地污染防治優先性研究

王紅旗*,秦 成,陳美陽 (北京師范大學水科學研究院,北京 100875)

在總結地下水水源地污染防治相關研究的基礎上,提出了地下水水源地污染防治優先性問題,并建立了優先性評價的指標體系,采用基于灰色關聯度和理想解法的綜合決策方法實現水源地優先性排序.利用優先控制指標以及指標與工程的對應關系,確定了各水源地工程建設的優先次序.應用案例顯示,華北平原9大水源地污染防治可按I期和II期分期進行.城鎮生活垃圾無害化處理率、工業固廢集中處置利用率、林木覆蓋率、地下水固有脆弱性 4個指標,在各水源地工程建設的優先次序確定過程中出現最為頻繁,體現了華北平原地下水水源地普遍存在的問題.

地下水水源地；污染防治；優先性；華北平原

目前,全球有8.84億人沒有安全的飲用水源,每年有5萬多億m3水體被污染[1].在我國,正常年份全國每年缺水量近 400億 m3,北方地區尤甚,全國農村有2億多人飲水安全沒有保障,1/3的鄉鎮缺乏符合標準的供水設施[2].同時,作為主要水源之一的地下水正在遭受越來越嚴重的污染,在全國水資源調查評價的197萬km2平原區淺層地下水中,I類和II類水質面積僅為4.98%,III類水質面積為 35.53%,Ⅳ類和Ⅴ類水質面積高達59.49%[3].因此,為了遏制我國地下水污染趨勢,防治地下水水源地污染,相關的學者對地下水水源地污染防治作了相關研究,如李力爭[4]、毛媛媛等[5]對地下水水源地保護區的劃分進行了深入研究;王紅旗等[6]、王麗紅等[7]進行了地下水水源地脆弱性評價研究.國家對此也極度重視,制定了《全國地下水污染防治規劃》,對我國地下水污染防治起到了指導作用.但是目前的研究還存在以下2個問題:第一,現有的地下水水源地污染防治研究大多是針對某一局部范圍內的地下水水源地開展的,沒有涉及關于地下水水源地污染防治優先性等級劃分的研究.而關于諸如全國性的地下水水源地污染防治,如何實現對各水源地按時間分階段保護、制定優先等級,是亟需解決的問題.第二,對于水源地污染防治規劃中污染防治工程的優先性次序缺乏相應的研究.如果遇到污染防治規劃是分階段進行的,就不可能對任一個水源地同時采取所有的污染防治工程,而需要對防治工程進行優先次序的判斷.涉及優先性的研究主要包括防災優先性[8-9]、交通項目建設優先性[10-11]等,而目前相關方面的研究基本空白.鑒于此,作者著重研究在地下水水源地污染防治規劃過程中水源地優先性和各水源地污染防治工程優先性兩方面的問題.

1 地下水水源地污染防治優先性評價方法

1.1 優先性評價指標體系建立

在大范圍的地下水水源地污染防治規劃過程中,由于各水源地在環境脆弱性、供水規模、生態環境、干擾程度等方面存在差異,同時社會經濟發展狀況也存在差別,因此,在進行污染防治規劃過程中應該根據各水源地需求的緊迫程度劃分優先次序.劃分的前提是建立一套指標體系.本研究通過對“水源地－社會經濟”復合生態系統的結構和功能進行系統分析,基于“壓力－狀態－響應”(PSR)模型,建立指標框架模型.在此基礎之上,將地下水水源地污染防治優先性評價指標體系劃分為目標層、準則層、指標層,如表1所示.

表1 地下水源地污染防治優先性評價指標體系Table 1 Evaluation index system of the priority of prevention and control of groundwater source pollution

地下水系統(B1)反映的是水源地地下水本身固有自然屬性,涉及地下水水質、水量(供水角度)和脆弱性等問題.環境污染控制(B2)反映了人類活動作用對水源地所在區域污染源的控制程度,涉及各類污染物負荷及其處理率.水源生態狀況(B3)主要針對林木覆蓋率對水源補給的影響,以及農藥、化肥的施用對地下水的影響,反映了水源生態系統的健康適宜程度.社會與經濟發展狀況(B4)反映地下水補給區及水源地供水范圍內的社會經濟現狀,表征由于水源地水質、水量威脅,對當地社會經濟造成的影響程度,也從另一個角度展現了社會經濟狀況對于地下水水源地污染防治優先性的影響.

1.2 水源地優先性評價

水源地優先性評價是一個多指標決策過程,因評價指標所需的一些統計數據有限,且許多數據波動較大,沒有一定的分布規律可循;再加上有定性因素與定量因素的混雜,各因素之間沒有確定的數量關系相對應.灰色系統理論具有所需原始數據少、原理簡單、運算方便、易于挖掘數據規律等優點,在處理此類問題時就顯得游刃有余,尤其是灰色關聯分析理論更能取得令人滿意的結果.灰色關聯分析的基本思想是對數據序列幾何關系和曲線幾何形狀的相似程度進行比較分析,以曲線間相似程度大小作為關聯程度的衡量尺度[12-13].理想解法也是一種有效的多指標決策方法,在解決多指標決策問題時分析的依據是數據序列之間的距離關系,以距離作為尺度能反映數據曲線之間的位置關系[14-17].鑒于灰色關聯分析和理想解法分別從形狀相似性和位置關系上反映方案與理想方案的接近程度,并同時體現雙基準的特性,因此可將二者結合起來構造一種反映方案逼近理想解的新尺度,作為判斷方案優劣的標準.本研究將基于灰色關聯度和理想解法的綜合決策方法引入到地下水水源地污染防治優先性規劃中.

1.2.1 構建決策矩陣并標準化 將m個待評價的地下水水源地作為矩陣的行向量,將n個指標作為矩陣的列向量,指標值為xij(1≤i≤m,1≤j≤n),組成一個決策矩陣X=(xij)m×n.用向量歸一化方法對決策矩陣X=(xij)m×n作標準化處理,得到標準化矩陣Y=(yij)m×n.

1.2.2 計算加權標準化判斷矩陣 U 將指標權重 ωj(j=1,2,…,n)與標準化判斷矩陣相乘,得到加權標準化判斷矩陣U:

其中,權重ωj的確定采用層次分析法和熵權法相結合的主客觀綜合賦權方法.

1.2.3 理想解U0+和負理想解U0-的判定

其中J+為越大越優型指標; J-為越小越優型指標.

1.2.4 計算方案 i到理想解和負理想解之間的距離Di+、Di-及灰色關聯度Ri+、Ri-

式中: 1≤i≤m,1≤j≤n,第i個方案與理想解關于第j個指標的灰色關聯系數為:

式中: ρ為分辨系數,一般取值0.5.

同理可得第 i個方案與負理想方案關于第 j個指標的灰色關聯系數.

1.2.5 計算方案的相對貼近度 方案的相對貼近度計算公式為:

式中: Si+,Si-為將無量綱化后的距離和關聯度合并后的值,δ1、δ2反映了決策者對位置和形狀的偏好程度.

按照貼近度的大小對方案進行排序.

1.3 污染防治工程優先性確定

對于已經確定優先性的地下水源地,各項保護工程、污染控制工程以及治理工程的建設也應有針對性地進行優先性規劃.工程優先性判斷在水源地優先性評價的基礎上進行,它是落實地下水水源地污染防治規劃最重要的一步.工程建設優先性確定方法如下:計算確定 1.2中的各水源地指標與理想解的灰關聯系數矩陣;根據每個水源地的各指標灰關聯系數的大小進行排序;按照灰關聯排序的順序確定各地下水源地的指標優先次序;按照確定的指標排序對比表2確定各水源地的污染防治工程類別;最終確定各個地下水源地的工程類型與工程優先順序.

表2 評價指標與工程對應表Table 2 Relationship between evaluation index and project

表2中某些指標對應的社會效應,無需進行相應工程建設,其體現的只是地下水源地污染防治優先性規劃中社會經濟對于水源地的影響.

2 案例研究

華北平原是我國最大的沖積平原之一,由于城市與工農業生產的快速發展,華北平原的地下水被大量超采,使該地區地下水位每年平均下降0.5～1.0m,并導致一系列的生態、環境問題,諸如干旱缺水、地面下沉、海水入侵等[18].為了挽救地下水資源和修復當地生態,急需對華北平原地下水水源地進行科學合理規劃.本研究根據水源地日供水量＞5萬m3/d,并結合指標數據獲取的難易程度,選取北京順義第三水廠水源地G1、天津武清北水源地G2、天津薊縣城關水源地G3、保定市一畝泉水源地G4、邯鄲羊角鋪水源地G5、新鄉第四水廠水源地G6、濮陽中原油田基地水源地G7、聊城市東阿水源地G8及石家莊滹沱河水系地下水源地G9為研究對象.

根據 1.2節所述的方法,對各水源地污染防治進行優先性評價,結果見表3.根據表3并按照相對貼近度Ti的大小對方案進行排序.相對貼近度越大,方案越優先;反之,相對貼近度越小,方案排序越靠后.根據緊迫性級別進行規劃,分別確定出I期及II期規劃保護的地下水水源地,結果見表4、圖1.將分析出的各水源地優先性控制指標個數進行統計,進行各指標的廣泛性比較,如圖2.根據圖2,在9個水源地的評價過程中,對各水源地優先性規劃做出貢獻頻次最多的幾項評價指標分別為:X6城鎮生活垃圾無害化處理率、X7工業固體廢物集中利用率、X9水源保護區林木覆蓋率、X4地下水固有脆弱性;由此可知,在華北平原本研究的9個水源地中,大部分水源地所在地區存在工業固廢與城鎮垃圾處理率偏低的情況,諸多水源地地區的林木覆蓋率也較低,在某些地區,較高的地下水固有脆弱性依然是水源地進行優先性保護的重要依據.

表3 華北平原各地下水水源地相對貼近度計算結果表Table 3 Results of relative closeness of groundwater sources in North China Plain

圖1 地下水水源地污染防治分期規劃Fig.1 Stage planning on prevention and control of groundwater source pollution

表4 地下水水源地污染防治優先性規劃結果表Table 4 Results of priorities of prevention and control of groundwater sources pollution

根據各水源地指標值與理想優先性指標值的灰關聯系數,選擇關聯系數排名前4的指標進行統計,得到各個水源地污染優先性控制指標,如表 5.根據表 2指標與工程的對應關系可得到各水源地優先性控制指標所對應工程,如表5.同時,

圖2 各評價指標頻次Fig.2 Frequency of each evaluation index

表5 地下水水源地污染防治工程規劃結果表Table 5 Results of planning on projectof prevention and control of groundwater sources pollution

3 結論

3.1 提出了地下水水源地污染防治過程中需要考慮優先性的理念,從地下水系統、環境污染控制、水源生態、社會經濟等角度建立了地下水水源地污染防治優先性評價指標體系.形成了一套基于灰色關聯度和理想解法的優先性判別方法,以此來判定地下水水源地污染防治的優先次序,以及確定地下水水源地的工程類型與工程優先順序.

3.2 華北平原9大典型地下水源地,優先性劃分結果為:I期水源地有G1,G3,G7,G8,G9;II期水源地有 G2,G4,G5,G6.在各水源地工程建設優先次序確定過程中,城鎮生活垃圾無害化處理率、工業固體廢物集中處置利用率、林木覆蓋率、地下水固有脆弱性這 4個指標出現頻次較高,其對 9大水源地的貢獻較為頻繁,體現出華北地區地下水源地普遍存在的問題.

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Study on priorities of prevention and control of groundwater source pollution.

WANG Hong-qi*, QIN Cheng, CHEN Mei-yang (College of Water Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China). China Environmental Science, 2011,31(5)：876～880

Based on previous studies on prevention and control of groundwater source pollution, a concept of prevention priority for groundwater source pollution was developed. A new evaluation index system of the priority of groundwater source pollution prevention and control was proposed, and a synthetic decision method based on grey correlation analysis and TOPSIS (technique for order preference by similarity to ideal solution) was used to evaluate the priority sequence. On this basis, priority of project construction on each groundwater source by priority control index and the relation between index and project were determined.The example showed that prevention and control of groundwater source pollution in North China Plain should be realized by stages.In the process of determine the priority of project construction on each groundwater source, urban life garbage treatment rate, industrial solid waste treatment rate, forest coverage, inherent vulnerability of groundwater those four index occurs most frequently, reflecting the common problem of groundwater source in North China Plain.

groundwater source；pollution prevention and control；priority；North China Plain

X523

A

1000-6923(2011)05-0876-05

2010-09-13

環境保護部重點項目《全國地下水污染防治規劃》

* 責任作者, 教授, whongqi@126.com

王紅旗(1960-),男,浙江義烏人,教授,博士,主要從事水環境與水資源教學與研究工作.發表論文100余篇.