地下水污染防控目標量化方法研究

井柳新 劉偉江 王 東 吳悅穎 文 一 丁貞玉

(環境保護部環境規劃院，北京100012)

我國地下水污染問題日益突出，部分地區出現了地下水重金屬和有機物污染現象，對人類健康和生態安全造成威脅［1－3］。因此，開展地下水污染防控刻不容緩。而在開展此項工作之前，需要制定一個明確的目標。這樣決策者才能通過目標管理，以檢驗工作的具體實施效果。

但目前在地下水污染防控目標制定方面，定性研究較多，定量研究較少［4－7］。本文以石家莊市及其近郊區為案例區，初步探索地下水污染防控目標的定量化方法，并結合實際調查結果，提出案例區的地下水污染防控量化目標。

1 地下水污染防控目標量化方法

1.1 目標分解及其數學表達

開展地下水污染防控的主要目的就是要保障人體健康和保護地下水生態環境。因此，將地下水污染防控目標分解為保障地下水源安全(D)和改善地下水環境質量(I)兩個子目標。

保障地下水源安全(D)主要考慮以下4 個因素:地下水源地水質達標情況(D1)、一級保護區內污染源監管情況(D2)、二級保護區內污染源監管情況(D3)和準保護區內污染源監管情況(D4)。其函數關系式如下:

根據不同的實際情況，該函數可能是線性的，也可能是非線性的。

改善地下水環境質量(I)主要考慮以下幾個因素:地下水系統本質脆弱性(I1)和各類地下水污染源防控措施建設情況(I2～In+1)。其函數關系式如下:

根據不同的實際情況，該函數可能是線性的，也可能是非線性的。

1.2 目標量化方法

采用模糊綜合評判法和層次分析法確定量化目標［8－11］。

(1)保障地下水源安全目標量化

第一步，確定模糊評判等級集。將地下水源安全分為安全、有風險和不安全三個等級，分別賦予分值為1、0.5 和0。則得到模糊評判等級矩陣FD=(1，0.5，0)T。

第二步，采用專家打分法進行單因素分析，確定模糊評判關系矩陣。假設評價小組有10 個人，對于地下水源地水質達標方面，有7 人認為安全，2 人認為有風險，1 人認為不安全。則對于地下水源地水質達標情況的評價可以得到一個評價集:PD1={7/10，2/10，1/10}，同理可以得到其他單因素評價集PD2、PD3、PD4。

由此，可得到整個因素集對評價集的模糊評判矩陣，用表示:

第三步，采用層次分析法確定權重集。對于目標而言，各個因素的重要程度是不同的。為了反映各因素的重要程度，需要對每個因素賦予一定權重值Wi，且滿足Wi＞0，∑Wi=1。采用層次分析法構造判別矩陣，即通過各因素兩兩比較，回答哪一個因素更加重要的問題，最終賦予各因素權重值。這個重要程度的判斷通過已經界定的比例標度表達，見表1 標度等級劃分表。得到各因素權重矩陣WD=(WD1，WD2，WD3，WD4)。

表1 標度等級劃分表

第四步，通過矩陣運算得出目標函數值D。

式中KD是一個(1 ×3)階矩陣。

(2)改善地下水環境質量目標量化

第一步，確定模糊評判等級集。將地下水環境質量狀況分為變好、不變和變差三個等級，分別賦予分值為1、0.5 和0。則得到模糊評判等級矩陣FI=(1，0.5，0)T。

第二步，采用專家打分法進行單因素分析，確定模糊評判關系矩陣。得到因素集對評價集的模糊評判矩陣，用PI表示:

第三步，采用層次分析法確定權重集。得到各因素權重矩陣:

第四步，通過矩陣運算得出目標函數值I。

式中KI是一個(1 ×3)階矩陣。

2 案例地區地下水污染防控目標制定

2.1 案例區概況

案例區包括石家莊市市區及其下屬的正定縣、欒城縣和藁城市。該區域以第四系孔隙地下水為主要供水水源，但由于含水層巖性以砂性土為主，透水性較強，地下水易受污染。經國土部門開展的“滹沱河沖積平原地下水污染調查評價”項目顯示，案例區地下水存在重金屬超標現象，主要污染指標為汞、鉻、鎘、鉛等;地下水有機物污染較嚴重，主要污染指標為苯、四氯化碳、三氯乙烯等。主要污染成因為工業源污染、垃圾填埋場滲濾液下滲和畜禽養殖場污染排放等［1］。通過“全國地下水基礎環境狀況調查評估”項目調查發現，案例區的加油站已成為地下水有機污染的主要潛在污染源。2013年，“華北平原典型地區地下水污染防控技術體系研究”項目又對該案例區進行了補充調查，發現部分工業企業將生產廢水廢物簡易存放，極大威脅著地下水環境安全。

經歷史調查及補充調查發現，該案例區共有地下水水源地1 個，且水源水質良好;加油站245 家，其中58家的儲油罐為單層罐且沒有設置防滲池;垃圾填埋場5個，其中4 個為簡易填埋場;工業污染企業38 家，其中發現簡易存放工業廢水廢物的坑池27 個;工業污染場地2 個，其中1 個為有機污染場地，1 個為重金屬污染場地;畜禽養殖場8 個;危險廢物堆放場3 個;農業污染源主要分布在欒城、正定一帶。

2.2 目標分解及量化

案例區地下水污染防控目標可以分解為保障地下水源安全目標和改善地下水環境質量目標。

(1)保障地下水源安全目標量化

將地下水源安全分為安全、有風險和不安全三個等級，分別賦予分值為1、0.5 和0。則得到模糊評判等級矩陣FD=(1，0.5，0)T。

案例區保障地下水源安全目標的實現主要考慮地下水源地水質達標情況(D1)、一級保護區內污染源監管情況(D2)、二級保護區內污染源監管情況(D3)和準保護區內污染源監管情況(D4)等4 個因素。

由10 人組成的專家組，在單獨考慮每個因素影響的前提下，采用模糊綜合評判法對2020年案例區地下水源安全進行分析和評分。得到因素集對評價集的模糊評判矩陣PD:

采用層次分析法，對各因素相對于目標的重要性進行兩兩比較，通過比例標度，構造出比較判斷矩陣，見表2。

表2 D－D1～D4 判斷矩陣

根據表2 計算得出，該判斷矩陣λmax的為4.1185，其對應的特征向量為(0.5579，0.2633，0.1219，0.0569)T，CR 值為0.0444 ＜0.1000，則判斷矩陣具有滿意一致性。得到各因素權重矩陣:WD=(0.5579，0.2633，0.1219，0.0569)。

通過公式(3)計算矩陣KD=(0.8273，0.1613，0.0114)。通過公式(4)計算得出案例區保障地下水源安全目標值D=0.9080，值接近1?？梢姡灰龊玫叵滤吹氐娜粘１O測與管理工作，到2020年可以保障案例區地下水源安全。

(2)改善地下水環境質量目標量化

將地下水環境質量狀況分為變好、不變和變差三個等級，分別賦予分值為1、0.5 和0。則得到模糊評判等級矩陣FI=(1，0.5，0)T。

改善案例區地下水環境質量狀況目標的實現主要考慮以下9 個因素:地下水系統本質脆弱性(I1)、加油站儲油罐防滲措施設置與地下水質監測情況(I2)、垃圾填埋場防滲措施設置與地下水質監測情況(I3)、危險廢物堆放場防滲措施設置與地下水質監測情況(I4)、農業污染源的影響(I5)、畜禽養殖場廢水廢物排放與地下水質監測情況(I6)、工業污染源的影響與地下水質監測情況(I7)、簡易存放工業廢水廢物坑池的影響(I8)和工業污染場地的影響(I9)。

由10 人組成的專家組，在單獨考慮每個因素影響的前提下，采用模糊綜合評判法對2020年案例區地下水環境質量狀況改善趨勢進行分析和評分。得到因素集對評價集的模糊評判矩陣PI:

采用層次分析法，對各因素相對于目標的重要性進行兩兩比較，通過比例標度，構造出比較判斷矩陣，見表3。

表3 I－I1～I9 判斷矩陣

根據表3 計算得出，該判斷矩陣的λmax為10.1244，其對應的特征向量為(0.0197，0.1045，0.1024，0.0534，0.0353，0.0353，0.1462，0.3203，0.1828)T，CR 值為0.0963 ＜0.1000，則判斷矩陣具有滿意一致性。得到各因素權重矩陣:WI=(0.0197，0.1045，0.1024，0.0534，0.0353，0.0353，0.1462，0.3203，0.1828)

通過公式(5)計算矩陣KI=(0.0059，0.1056，0.8883)。通過公式(6)計算得出案例區地下水環境質量狀況改善目標值I=0.0587，I 值接近0?？梢?，如果不采取必要措施防控地下水污染，到2020年案例區地下水環境質量狀況將呈持續惡化趨勢，地下水環境質量會變得更差，人類健康與生態安全將受到嚴重威脅。

從因素權重矩陣可以看出，導致案例區地下水環境質量惡化的主要影響因素為I2、I3、I7、I8和I9。因此，優先從以上5 個方面提出案例區2020年的控制目標:所有加油站儲油罐均設置防滲池或更換為雙層罐;所有垃圾填埋場設防滲層及垃圾滲濾液收集處理系統;對簡易存放工業廢水廢物的坑池全部清理或增設防滲層;修復已發現的地下水污染場地;建立地下水污染源監測網并開展日常監測。

假設以上控制目標得以實現，即改變了影響因素I2、I3、I7、I8、I9的變化趨勢，再次采用模糊綜合評判法，由10 人組成的專家組分別對每個因素影響下的2020年案例區地下水環境質量狀況改善趨勢進行分析和評分。得到因素集對評價集的模糊評判矩陣PI:

通過公式(5)計算矩陣KI=(0.7915，0.1554，0.0530)。通過公式(6)計算得出案例區地下水環境質量狀況改善目標值I=0.8692，I 值接近1。可見，到2020年，在實現控制目標的前提下，案例區地下水環境質量狀況將得到改善。

2.3 目標的確立及可達性分析

(1)2020年案例區地下水污染防控量化目標

到2020年，案例區地下水源水質保持良好，地下水源安全得到保障;58 家加油站的儲油罐設置防滲池或更換為雙層罐;4 個簡易垃圾填埋場增設防滲層及垃圾滲濾液收集處理系統;27 個簡易存放工業廢水廢物的坑池全部清理或增設防滲層;修復已發現的2 個地下水污染場地;建立地下水污染源監測網并開展日常監測，245 家加油站每家建設1 口地下水水質監測井，4個簡易垃圾填埋場每個建設3 口地下水水質監測井，38家工業企業每家建設3 口地下水水質監測井，8 個畜禽養殖場每個建設3 口地下水水質監測井，3 個危險廢物堆放場每個建設3 口地下水水質監測井，共計建設404口地下水水質監測井。

(2)目標可達性分析

采用經濟可行性分析法，判斷案例區2020年地下水污染防控量化目標的可達性。

①地下水源保護費用測算。水質全指標分析(即《生活飲用水衛生標準GB5749－2006》中的所有水質指標)費用按照3 萬元每組計，2014～2020年的6年期間每年測1 組，案例區共有1 個地下水水源地，到2020年，水質全指標分析費用為18 萬元。

每個地下水水源地的日常監管以2 名工作人員負責計，每人每年工資按5 萬元計，到2020年，地下水水源地日常監管費用為60 萬元。

②污染源防控與治理費用測算。加油站儲油罐更換雙層罐按10 萬元每罐計［12］，平均每家加油站有4 個儲油罐，則58 家加油站增設防滲措施的費用為2320 萬元。

案例區垃圾填埋場規模均較小，以年填埋量為60萬噸的垃圾填埋場為參考，其鋪設防滲層的費用為10萬元/個;以日流量為50m3的垃圾滲濾液收集處理系統為參考，其基建費用為每個系統60 萬元［13－17］。案例區共有4 個簡易垃圾填埋場，其增設防滲層及垃圾滲濾液收集處理系統的費用為280 萬元。

簡易存放工業廢水廢物的坑池增設防滲層，以10萬元每個計，27 個坑池共需270 萬元。

以此次的重金屬污染場地修復項目投資1300 萬元為參考，2 個工業污染場地修復共需2600 萬元。

③監測井建設與常規監測費用測算。在華北平原地區，建設1 口淺層地下水水質監測井按3 萬元計，建設404 口地下水水質監測井共需1212 萬元。

水質檢測費用按4000 元每組計，常規每年每口監測井取3 組水樣，則2014～2020年的6年期間，共需常規監測費用約2909 萬元。

可見，擬實現案例區2020年地下水污染防控量化目標，共需資金投入9669 萬元。2013年石家莊市環保資金投入共約115 億元，且未來5年仍有上升趨勢。案例區的地下水污染防控所需資金僅占2013年石家莊市環保資金投入的0.84%。因此，案例區2020年地下水污染防控量化目標的制定較為合理，目標可達。

3 結 論

(1)以石家莊市及其近郊區為案例區，結合歷史調查及補充調查成果，初步探索地下水污染防控量化目標制定方法，將案例區地下水污染防控目標分解為保障地下水源水質目標和改善地下水環境質量狀況目標。

(2)采用模糊綜合評判法和層次分析法建立目標量化函數，制定了案例區2020年地下水污染防控目標:地下水源水質保持良好，58 家加油站、4 個簡易垃圾填埋場、27 個簡易存放工業廢水廢物的坑池增設防滲措施，2 個地下水污染場地得到修復，建設404 口污染源地下水水質監測井并開展常規監測。

(3)通過經濟可行性分析，對案例區2020年地下水污染防控量化目標進行檢驗，結果表明該目標制定的較為合理，目標可達。

［1］孟素花．華北平原地下水脆弱性及污染防治區劃研究［D］．河北:中國地質科學院，2011．

［2］方玉瑩．我國地下水污染現狀與地下水污染防治法的完善［D］．青島:中國海洋大學，2011．

［3］趙華林．科學謀劃全面部署開創地下水污染防治新局面［J］．環境保護，2012，(4):15－22．

［4］陳穎．地下水污染防治區劃體系構建研究［J］．資源節約與環保，2013，(1):37－38．

［5］陳有鑑，殷培紅．推進地下水污染防控，改善水環境質量——《國家環境保護“十二五”規劃》解讀［J］．環境保護，2012，(8):62－63．

［6］Phyllis B Judd，C．Paul Nathanail．Protecting Europe ‘s Groundwater:Legislative Approaches and Policy Initiatives．Envi－ ronmental Management and Health ．1999．

［7］劉偉江，丁貞玉，文一，等．地下水污染防治之美國經驗［J］．環境保護，2013，(12):34－35．

［8］李建平．企業銷售目標制定方法的改進——層次分析法和模糊綜合評價法的結合［J］．經濟管理，2005，(22):42－46．

［9］Saaty T L．The Analytic Hierarchy Process［M］．Newyork:McGraw－ Hill，1980．

［10］WANG Z S，JIN Y X，ZHU Z H．Sea－ route Navigation Environment Risk Evaluation Based on Uncertainty AHP［J］．Navigation of China，2007，(72):57－60．

［11］胡偉，龍慶華，錢茂，等．基于層次分析法的企業污水治理評價指標體系權重確定［J］．環境污染與防治，2014，36(2):88－92．

［12］方建華，卜艷軍．淺談加油站埋地油罐防滲設計［J］．中國石油和化工標準與質量，2013，(11):251－252．

［13］王翊虹．北天堂垃圾填埋場污染模擬及治理工程研究［D］．吉林:吉林大學，2002．

［14］陳振雄，李景達，鄧小利，等．城市生活垃圾填埋場防滲研究進展［J］．廣東化工，2007，34(171):74－77．

［15］洪梅，張博，李卉，等．生活垃圾填埋場對地下水污染的風險評價——以北京北天堂垃圾填埋場為例［J］．環境污染與防治，2011，33(3):88－92．

［16］習新梅．某垃圾滲濾液處理站能耗及成本分析［J］．輕工科技，2012，(2):76－77．

［17］陳忠榮，王栩虹，袁慶亮，等．北京地區垃圾填埋對地下水的污染及垃圾填埋場選址分區［J］．城市地質，2006，1(1):29－33．