集中式地下水水源地環境風險評價方法研究及應用

劉 博

(1.沈陽環境科學研究院，遼寧 沈陽 110167; 2.遼寧省城市生態重點實驗室，遼寧 沈陽 110167)

隨著我國經濟快速發展，城市不斷擴大，現有飲用水水源地保護區范圍已經逐漸被高樓大廈、道路交通甚至是工業廠房所侵占，造成水源地環境風險日益增加，使周邊居民的飲用水安全受到嚴重威脅[1-2]。基于此，2017年12月生態環保部在完成長江經濟帶飲用水水源地環保專項執法行動后，再次啟動了全國飲用水水源地專項排查行動，以期對全國飲用水水源地環境風險隱患進行排查，保障水源地供水安全。

自20世紀70年代，國外諸多國家就制定了一系列關于水源地重大污染事件應急管理的法律法規，相關研究主要針對突發環境事故的風險評價[3-4]，提出了結合故障樹和事件樹的蝴蝶結圖[5]、馬爾科夫模型和馬爾科夫鏈蒙特卡洛仿真模型[6]等方法對環境風險事故進行分析計算。相對來說，國內相關研究雖然起步較晚，但發展較快。程斌等[7]采用改進決策樹模型對水源地進行評價；張秀菊[8]以江蘇某水源地為例，從水位風險、缺水風險、工程運行風險方面對水源地水量型風險進行研究；張羽[9]針對黃浦江水源地，采用特征時間指數法對其環境風險進行評估；孫宏亮等采用層次分析法和矩陣法建立了飲用水水源環境風險評價指標體系，對長江干流各水源地進行了評價[10]；周琦等[1]在考慮水源地風險類型、水源地風險控制能力的基礎上，構建水源地綜合風險評價指標體系,對鎮江長江征潤州水源地進行了評價。

現有水源地環境風險評估的研究多針對集中式地表水或湖庫型飲用水水源地，對于集中式地下水水源地的環境風險評估研究相對較少，而在我國北方大部分地區或相對干旱地區，地下水水源地作為城市的主要飲用水水源被使用，因此，如何定量評估一個集中式地下水水源地環境風險，識別環境風險隱患，并提出相應的環境風險防控措施和應急管理要求，將對一個城市或地區的居民提升幸福感具有重要的意義。

1 評價指標體系構建

1.1 評價指標選取

相比地表水水源地，地下水水源地環境風險涉及因素更為復雜，因其附存條件的特殊性，當發生突發環境污染事件時，地下水水源地供水受到影響會有一定的滯后性，因此，在制定適用于地下水類型飲用水水源地保護區環境風險評估指標體系時，在考慮水源地周邊潛在風險源的同時，還需要將水源地自身的風險控制能力考慮在內。基于此，本評價指標體系在綜合考慮《集中式飲用水水源地保護指南(試行)》《集中式地表水飲用水水源地突發環境事件應急預案編制指南(試行)》等要求中關于水源地評價描述的基礎上，還增加了地下水水源地脆弱性等相關指標，然后依據科學性、易操作性和實用性等原則，最終形成了適用于城市集中式地下水飲用水水源地環境風險評價指標體系，見表1。采用專家評價結合層次分析法(AHP)確定一級指標權重，各指標權重如表1所示。二級指標采用相關標準中分級賦值的方法確定。

表1 地下水飲用水水源地環境風險評價指標體系

1.2 評價方法

為了方便評價，評價方法采用簡單易懂的加權求合法，并按照評分越高風險等級越高的原則制定評價標準，將水源地及各評價指標風險值劃分為高、中、低、極低4個風險等級，其分值分別為[3,4]，[2,3)，[1,2)，[0,1)。計算公式為

(1)

式中，F為地下水飲用水水源地環境風險指數；fi,wi分別為第i指標的風險評分值和權重值。

2 指標確定與分級標準

2.1 潛在風險源

水源地環境風險主要來源于周邊可能造成水污染事故的潛在風險源，具體分為固定源、流動源和非點源三類，表2參照《集中式飲用水水源地環境保護指南(試行)》相關內容，確定了固定源、流動源、非點源評價指標，相關評分值見表3～5，由于本次評估的水源地為地下水類型飲用水水源地，且考慮到其污染的緩慢性和滯后性，因此將水源地環境風險評估的評估范圍確定為水源地保護區內，具體包含一級保護區和二級保護區。

表2 潛在風險源

按照固定源、流動源和非點源分別對水源存在的風險進行評價。各類型風險源計算公式如下：

固定源：Rp=(P1+P2)/10；流動源：Rf=(F1+F2)/10；非點源：Ry=(Y1+Y2)/10；

風險源：R總=(Rp+Rf+Ry)/10

Rp,Rf,Ry分別為表3，表4和表5中所列的各種潛在風險源的評分值。

一般來說，環境風險值的可接受程度分別以Rp(或Rf、Ry)≤1作為背景值;若風險值超過此限，當13時，應采取風險應急措施，具體見表6。

2.2 地下水水源地脆弱性

采用美國環保署提出的DRASTIC方法對水源地所在含水層的脆弱性進行評價，它是用來表征地下水抵抗外接污染的能力，與外界因素無關[11-12]。

DRASTIC模型的計算公式如下：

DI=DwDr+RwRr+AwAr+

SwSr+TwTr+IwIr+CwCr

(2)

式中，DI為脆弱性綜合指數，DI值越高，表明地下水脆弱性越高，抗污染能力越差，相反，抗污染能力越強；D,R,A,S,T,I,C分別代表地下水埋深、凈補給量、含水層巖性、土壤類型、地面坡度、包氣帶的影響和水力傳導系數；它們各自對應的下標w代表權重，r代表各參評指標對應的評分值。

參考以往國內外學者關于DRASTIC指標標準的經驗性數據[13]，結合本次評價的要求，得出適用于集中式飲用水水源地環境風險評估的脆弱性評價表(表7)以及地下水水源地脆弱性綜合指數評價等級表(表8)。

表3 固定源評價指標及評分值

表4 流動源評價指標及評分值

注：L為公路、鐵路或航運的路線長度；rd為風險源所在保護區范圍的當量半徑。

表5 非點源評價指標及評分值

表6 潛在風險源等級劃分及得分

2.3 水源地環境風險防控與應急能力

依據《全國環保部門環境應急能力建設標準(環發[2010]46號)》，同時借鑒周琦等[1]提出的水源地監管能力與應急能力指標選取和風險等級劃分標準，并結合地下水類型水源地的特點，確定地下水類型水源地環境風險與防控能力評價指標體系及等級劃分標準見表9～10。其中，表中涉及指標依照HJ/T164-2004《地下水環境監測技術規范》確定自動監測能力覆蓋率和檢測指標完成率；全國環保部門環境應急能力建設縣級標準依照《全國環保部門環境應急能力建設標準》(環發[2010]46號)確定；依據《突發環境事件應急預案管理辦法》確定應急預案完成情況。

表7 地下水水源地脆弱性評價典型指標評價等級

表8 地下水水源地脆弱性綜合指數評價等級

表9 地下水水源地風險控制能力風險等級劃分標準

表10 地下水水源地應急能力評價等級

3 應用評價

3.1 研究區概況

選擇沈陽市沈北新區現有的7處地下水水源地作為評價對象，詳見圖1。沈北新區是沈陽市九大市轄區之一，地處沈陽三環北郊，沈北新區總面積819 km2，總人口319 380人，氣候類型屬北溫帶季風氣候，多年平均氣溫7.3℃，全年降水量600～800 mm，降水多集中在6～9月，多年平均蒸發量在1 300～1 800 mm之間。沈北新區集中式飲用水水源地共有7個，包含13處井(GGSYGLL水源地有2處，NCGSB水源地有4處，CLJPSC水源地有3處)，涉及水源井136眼，具體見表11。這部分水源地主要分布于遼河沖積平原，含水層厚度一般在5～70 m，下層為砂礫、卵石，上層為細砂和中砂，滲透系數一般在30～72 m/d。

表11 沈北新區集中式飲用水水源地基本情況

3.2 評價結果

3.2.1潛在風險源情況

依據表2～5，對沈北新區7處水源地潛在風險源進行識別，得到各水源地潛在風險等級排名如表12所示。由表12可知，從一級保護區潛在風險評分值分析，YJ水源地風險值最大(20)，分析其原因是因為YJ水源地一級保護區內有農田和道路經過，而HJJSC水源地一級保護區內無固定、移動及非點源三種類型的風險源，因此其風險值最小(0分)，剩余其它水源地一級保護區均因一級保護區內有農田，其一級保護區風險值均為10分。有二級保護區的水源地共有5處，最大的為CLJPSC水源地，分析其原因是因為二級保護區內固定源有沈陽特工絕緣電器公司、汽車修配廠、奇彩涂料廠、沈陽新鵬制漆有限公司、石佛寺醫院等，移動源為石佛寺路和錫伯大街兩條公路，這兩條公路是上述企業運輸危化品原料或危險廢物等的必經之路，由此確定，CLJPSC水源地移動風險源風險值較高(8分)，另外CLJPSC水源地二級保護區耕地面積較大，得到其非點源風險值較高(8分)。分析可知CLJPSC水源地二級保護區潛在風險評分值最高，為24分。綜上，水源地一、二級保護區潛在風險源評分值最高的為CLJPSC水源地，總分為34分，其主要原因是二級保護區內有一定數量的工業企業。風險值最小的為SMJT水源地和GGSYGLC水源地，風險值均為10，原因是這兩處水源地地下水類型為承壓水，僅有一級保護區，且保護區內風險源類型只有耕地非點源一類。綜上所述，水源地保護區風險值排名靠前主要是因為保護區內涉及工業企業等固定源以及流動源，而耕地是目前水源地保護區內普遍存在的現象，急需采取相應整治措施進行改善，以保障水源地供水安全。

圖1 沈北新區集中式飲用水水源地分布

表12 各水源地保護區潛在風險源評分值匯總

3.2.2水源地脆弱性計算

采用改進的DRASTIC方法對研究區7處水源地脆弱性進行評價，評價結果見表13。由表13可見：CLJPSC水源地因地下水埋深較淺(<4 m)，凈補給量相對較大(120～150 mm)，導水能力較強(90～100 m/d)，導致脆弱性評分值最高(3.383)，即極易受到污染。而GGSYGLC水源地由于地下水埋深較大，導水能力較差，所以其脆弱性評分值最低(1.907)，稍難受到污染。其余5個水源地均為Ⅲ，較易受到污染，即在水源地周邊發生突發水環境污染事故，水污染物較易滲入地下水含水層中，影響地下水水質，威脅居民飲用水安全。

表13 各水源地保護區脆弱性評價結果匯總

3.2.3水源地環境風險防控與應急能力分析

依據2.3節提出的水源地環境風險防控與應急能力評價指標體系，對沈北新區7處水源地進行評價，由于這7處水源地均隸屬于沈北新區，因此，在環境應急管理和日常執法等方面所做工作基本一致，經分析計算得到，7處水源地監管能力得分均為1.400，應急能力得分均為1.957。

3.2.4綜合風險值

匯總3.2.1～3.2.3節的計算結果，得到7處水源地綜合風險值如表14所示。由表1可見，CLJPSC水源地環境風險值最高(3.033)，其次為YJ水源地和HJ水源地，環境風險值均大于2，三者均為中環境風險等級。分析其原因主要是因為這三處水源地周邊潛在風險源較多，而又因CLJPSC水源地自身脆弱性較高(3.383)，因此，得到CLJPSC水源地環境風險最大。其余4處水源地均為低環境風險水源地，一方面是由于這4處水源地無工業企業或道路交通等高環境風險的固定源和移動源，另一方面是因為這4處水源地脆弱性較低，綜合以上因素，得到各水源地保護區環境風險排名。

表14 各水源地保護區環境風險值

4 結 論

本文分別從潛在風險源、地下水水源地脆弱性和水源地環境風險防控與應急能力等方面建立了針對地下水類型的集中式飲用水水源地環境風險評價指標體系，并采用專家分析結合AHP的方法確定了指標的權重，并將其應用于地下水水源地評價，得到結論如下。

(1)潛在風險源和脆弱性分別作為外在因素和內在因素，共同組成了影響地下水水源地環境風險的主要因素，而環境風險防控與應急能力是衡量管理部門應對飲用水水源地突發環境事故能力的主要指標，二者相輔相成，共同保障飲用水源地的供水安全。

(2)沈陽市沈北新區7處水源地環境風險值由高到低分別為CLJPSC水源地(2.793)、YJ水源地(2.322)、HJ水源地(2.082)、NCGSB水源地(1.969)、HJJSC水源地(1.790)、SMJT水源地(1.551)以及GGSYGLC水源地(1.464)，其中前3處水源地為中等風險水源地，需要對可能影響水源地的主要環境風險源加強監控，全過程監控水源地環境風險物質產生至排放的各個關鍵環節。