湖庫型飲用水水源地安全評價新方法探索

李雙雙，杜 強，杜 霞，2，李國強，諸葛亦斯，聶 睿

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038）

研究背景

近20年來國家高度重視飲用水水源地環境保護工作，頒布了一系列法律法規，投入了大量人力物力，經過多年的努力，我國城鎮基本實現了公共供水全覆蓋，市政供水普及率達到98.8%［1］，農村地區飲用水也實現了全面覆蓋，3 億農村居民喝上了放心水［2］；且我國絕大部分地區供水結構為多水源聯合供水，重要城市還建立了備用水源地，水量可滿足人們生活和社會發展的用水需求。

在水量基本能夠滿足供水需求的前提下，水源地安全概念和方法體系中考慮了水量安全，但以水質安全為重點。那么，在水量基本能夠滿足供水需求的新形勢下，探討水源地安全的新內涵，構建水源地安全評價的技術方法體系，儼然成為飲用水水源地保護領域亟待解決的問題。

然而，飲用水水源地安全迄今沒有公認的統一的定義。國內針對飲用水水源地安全的定義，不同學者提出了不同的觀點。衣強［3］認為，飲用水水源地安全是綜合的安全，是水源地自身屬性，具體是指水源地的基本情況能夠持續地滿足人民群眾的生活以及經濟社會穩定發展需要，進而界定水源地安全應包括水質安全、水量安全、生態安全和工程安全4 個方面。朱黨生［4］將城市飲用水水源地安全定義為：水量保證率和水質合格率滿足規定的指標，且具有應急和備用供水能力，進而界定城市水源地安全應包括水質安全、水量安全、風險及應急能力3個方面。水利部水資源司頒布了全國重要飲用水水源地安全保障評估指南（試行），提出了飲用水水源地安全保障的內涵：為使水源地能持續滿足一定供水保障率的水量和滿足一定水質要求而采取的工程建設、環境保護、水量水質監控及相關管理的保障措施的統稱。

國外沒有明確針對飲用水水源地安全的研究，而主要集中在水質評價方面，不同國家選取的評價指標和評價方法具有不同的特點，美國等發達國家人均水資源占有量較高，在飲用水水源地評價過程中不考慮水量安全狀況，水質安全才是水源地評價和保護工作的核心。以美國為例，美國在水質評價方法中通過專家評議法，確定了11 項污染因子，依據美國國家衛生基金會水質指數法（NSFWQI）得到水源地的水質狀況。

因此，本文以湖庫型飲用水水源地為研究對象，綜合考慮了水源地水量、水質、水質風險和管理4 方面，提出了飲用水水源地安全的定義，并參照發達國家飲用水水源地保護工作，構建了湖庫型飲用水水源地安全評價方法體系。

1 概念和內涵

飲用水水源地是指為城鎮居民生活及公共服務用水提供水源，且具有一定供水規模的水域及相關陸域，包括河流、湖泊、水庫等地表水和地下水。我國飲用水水源地類型包括地下水型、河流型、湖泊型和水庫型4 種，所占比例分別為16%、39%、1%和44%。湖庫型飲用水水源地是我國城鎮主要水源，是飲用水水源地保護工作的重點，其具有范圍廣，水體開放，水質容易受到污染等特點。

隨著我國經濟社會快速發展，人民生活水平不斷提高，人們越來越關注自身健康，其中對飲用水水源地水質的要求愈加重視，由此，水質達標成為飲用水水源地安全的核心內容。而且，我國水量在多水源的聯合調度下已基本能夠滿足供水需求，但為了保障水源地供水功能的持續性，水源地自身應該具有一定的供水能力（即水量安全），由此，水量安全一直是飲用水水源地的重要前提。其次，近年來伴隨著人類生產活動加劇，突發性水污染事件頻發，可能直接造成水源地的污染，可能嚴重威脅飲用水水源地供水功能，因此，水質風險可控成為飲用水水源地安全的重要內容。與此同時，2017年國家政府修訂了《中華人民共和國水污染防治法》自2018年1月1日起施行，其加強了對我國水資源的保護和管理，定期對全國湖庫型集中式飲用水水源地進行專項檢查，因此，水源地規范管理是水源地安全的重要保障。

綜上所述，將湖庫型飲用水水源地安全定義為，在水量安全的前提下，水質達標、水源地管理規范和水質風險可控，具體是指水源地的基本情況能夠持續地穩定地滿足人民群眾的生活需要，且具備應急供水能力，進而界定水源地安全包括水量安全、水質達標、水質風險可控和水源地管理規范4方面。

2 安全評價指標體系

根據湖庫型飲用水水源地安全的內涵，以湖庫型飲用水水源地為研究對象，從水量、水質、水質風險、水源地管理4方面綜合評價其安全性。

經綜合分析后確定各個準則層相應的評價指標，其中水質評價指標包括微生物指標、感官狀況及一般化學指標、有機物綜合指標和毒理學指標4 個指標；水源地管理狀況包括保護區建設和保護區整治2 個指標；風險防控包括污染團到達取水口的時間和取水口處最大超標倍數2 個指標；水量安全狀況包括枯水年來水保證率和工程供水能力2個指標。依據層次分析法的標度法［5］，確定飲用水水源地安全評價方法中各準則層各指標層的權重。湖庫型飲用水水源地安全評價指標體系及權重值見表1。

表1 湖庫型飲用水水源地安全評價指標體系及權重值Tab.1 Safety evaluation index system and weight value of lake-reservoir-type drinking water source

3 安全評價方法

3.1 水量安全評價方法

衣強［3］提出，水量安全是指飲用水水源地具有一定的蓄水量，滿足可持續供水的要求，要實現供水安全，就必須提供充足的供水量，考慮了水源地的蓄水量和實際來水量與供水量比2個指標；朱黨生［4］認為水源地的水量狀況和供給能力可否滿足設計的供水要求，進而判斷水量是否安全，考慮了工程供水能力、枯水年來水量保證率和地下水開采率3個指標；全國重要飲用水水源地安全保障評估指南（試行）提出了水量安全包含了年度供水保證率、應急備用水源地、水量調度管理和供水設施運行4個指標。在大尺度跨流域調水、多水源聯合供給、建立備用水源地等多種有效措施的幫助下，各地居民均可獲得一定量的生活用水。水量安全指的是水源地具有一定的供水能力。為了保障水資源和水源地的可持續發展，應持續關注水源地水量狀況。因此，水量安全主要關注枯水年來水量保證率和工程供水能力2個指標。湖庫型水源地水量安全評分值及評估方法見表2。

表2 湖庫型水源地水量安全評分值及評估方法Tab.2 Water safety scoring value and evaluation method of lake-reservoir-type drinking water source

采用插值法得出水量安全的具體評分值，具體以公式（1）計算。

式中：WS（Water Safety）為水量安全狀況評分值；WSk為水量安全狀況下限評分值；P為工程實際供水能力；Pk為k等級下限工程供水能力；Pk+1為k等級上限工程供水能力。計算時，先判斷枯水年來水量保證率和工程供水能力分別屬于哪種指標等級，選取最大等級值，表示工程供水能力越差，再依據實際工程供水能力按照公式（1）計算水量安全狀況評分值WS。

3.2 水質達標評價方法

3.2.1 水質評價指標

排除了不會對健康造成不利影響的22項水質指標，最終考慮了87 項水質指標，參照現行的飲用水標準以及水質評價標準［6-8］，將其分為微生物指標、感官狀況及一般化學指標、有機物綜合指標和毒理學指標4類，具體分類見表3。

表3 87項與人類健康息息相關的地表水飲用水水質指標Tab.3 87 surface water and drinking water quality indicators closely related to human health

3.2.2 改進的水質指數法

水質達標是指飲用水水源地水質滿足國家頒布的相應質量標準的一種狀態，飲用水水質是否達標需要開展水質評價，而不同的評價方法可能給出不同的結果。根據我國現行的地表水環境質量標準GB3838-2002，飲用水水源地水質評價應采用單因子評價方法。單因子評價法簡單明了，可直接了解水質狀況與評價標準之間的關系，缺點是各評價參數之間互不聯系，不能全面反映湖庫水體水質的綜合情況。且對于諸如總氮等具有我國普遍特點和背景性的指標，顯得過于嚴格，使得大量水源地評價結果不達標。而美國等發達國家在水質評價方面更關注水源地水質的綜合狀況，較多地采用水質指數法［9-14］，水質指數法是一種綜合評價水源地水質的方法，主要思想是通過專家評議篩選出重要的水質指標，依據世界衛生組織推薦的飲用水標準，由加權算數平均或乘法加權計算出水質指數，用以表征水質狀況值。本文在美國國家衛生基金會水質指數法（NSFWQI）基礎上，提出了基于我國地表水環境質量標準的改良的水質指數法。

美國國家衛生基金會水質指數法僅考慮了主要的污染指標，如化學需氧量、氨氮、總磷和總氮等，再綜合分析水質情況。本文在美國國家衛生基金會水質指數法基礎上，提出了改進的水質指數法（Water Quality Safety Index，以下簡稱WQSI）。本文指數法中考慮我國常見的87 項指標，將其分為微生物指標、感官狀況及一般化學指標、有機物綜合指標和毒理學指標4類，依次通過公式（4），計算WQI（Water Quality Safety Index）值，并依據公式（2）將水質指數數值轉換成百分制。再通過公式（3）計算水源地的平均水質安全指數值。計算公式如下：

式中：WQSI為水質達標狀況評價指數值，其值可用來評價飲用水源地水質安全；WQSIave為平均的飲用水水源地水質安全指數值，可表示該區域水質安全的一個平均化水平；m為水源保護區內水質安全評價斷面的個數。

式中：WQI為水質指數值；WQIk為不同水質指標層的水質指數值，k=1，2，3，4表示不同類別的水質指數值，即微生物指標、感官狀況及一般化學指標、有機物綜合指標和毒理學指標；Wk為不同水質指標層的權重值；nk為不同水質指標層的評價指標個數；Ci為水質指標實測濃度，Si為地表水環境質量標準GB3838-2002中水質指標的Ⅴ類作為限值。

改進的水質指數法對毒理學和有機綜合指標較敏感，一旦毒理學指標超標，可直接將該飲用水水源地評價為重度污染，無需進行水質指數計算；一旦有機綜合指標超標，可直接將飲用水水源地定義為輕度污染；在毒理學指標和有機綜合指標均不超標的前提下，再通過公式（2）至（4）計算水質安全指數值。最終得到了飲用水水源地水質評價級別的劃分結果見表4。

表4 飲用水水源地水質評價級別的劃分Tab.4 Classification of water quality evaluation levels of drinking water sources

3.3 水質風險防控能力評價

水源地水質風險可控是指水源地任意水質風險源在一定的應急響應措施下均不影響取水口水質達標狀況，水質風險是否可控需要開展水源地水質風險評價，該評價方法側重事發前的“事故風險”評價，目的在于從源頭上控制事故發生和減緩事故影響。國內外對突發水污染事故的風險評價已經日趨成熟，但是針對于受體為湖庫型水源地的評價并不多見［15］。張羽提出了一種針對水源地突發性污染事件的應急評價方法，即“特征時間指數法”，該方法篩選了4項評價指標（危害性指標，緊急性指標，嚴重性指標以及遷移運動指標），能夠在污染事件發生后迅速評價事件對取水口的綜合影響度。逄勇［16］建立了水源地風險等級判別模型，主要考慮企業風險等級，以及污染影響下水源地水質超標倍數、水質超標持續時間、污染團到達取水口的時間等因子。彭競［17］選擇了常規污染物、由事故排出的特定污染物、污染團到達取水口時間和顯著的感官反應，共4項指標表征水源地風險等級，用以評價水環境污染事件的可控性。由此可見，針對湖庫型飲用水水源地水質風險評價，污染團到達取水口時間是一個非常重要的應急響應指標，污染團到達取水口處最大超標倍數也是判斷水質風險的重要指標。本文以這兩項指標為水質風險評價的指標。

通過污染團到達取水口時間和取水口處最大超標倍數，將分線等級分為高風險、中風險、低風險和較低風險4 類，明確閾值風險劃分范圍，見表5。

表5 判斷指標閾值風險等級劃分Tab.5 Threshold risk classification of judgment indicators

采用插值法得出突發污染事故發生的具體評分值，具體計算公式如下：

式中：ST為水質風險防控能力評分值；STk為水質風險防控能力下限評分值；T為實際污染團到達時間；Tk為k級風險下限標準時間；Tk+1為k級風險上限標準時間。

計算時，先判斷取水口處超標倍數和污染團到達時間分別屬于哪種風險等級，選取最大風險等級，再依據污染團到達時間按照式（5）計算水質風險防控能力評分值ST。當T＞6 h，遠大于6 h，且取水口處污染物不超標時，ST=100，當T＞6 h 并非遠大于6，取水口處污染物不超標時，ST=75。

3.4 管理規范程度評價

2015年4月水利部發布了《全國重要飲用水水源地安全保障評估指南（試行）》，指南中與管理相關的指標有9 項。同年12月環境保護部發布了《集中式飲用水水源地環境保護狀況評估技術規范》，水源地管理狀況包含了保護區建設、保護區整治、監控能力、風險防控與應急能力、管理措施等5項，定性地評估這些指標。在實際應用中發現，環保部提出的指標體系更貼合實際，定義的水源地規范管理范疇有：保護區建設、保護區整治。

依據環境保護部2015年12月發布的《集中式飲用水水源地環境保護狀況評估技術規范》中各個參數間的相對重要性，確定各個參數的具體分值（見表6），通過公式（6）定性地評價水源地管理的規范程度。

表6 湖庫型水源地管理指標評分值及評估方法Tab.6 Scoring value and evaluation method of management index of lake-reservoir-type water source

式中：MS（Management Standard）為管理規范程度，其數值在0～100 分之間；PC（Protection Area Construction）為保護區建設水平，其數值在0～75分之間；PI（Protection Area Improvement）為保護區整治水平，其數值在0～25分之間。

水源地管理等級劃分以60 分作為規范與否的分界點，MS≥60，表明水源地管理規范；MS＜60，表明管理不規范。

3.5 飲用水水源地安全評價及評價標準

湖庫型飲用水水源地安全評價得分用EWS表示。EWS由水質達標狀況、水質風險防控情況、水源地管理規范程度的單項得分加權計算后得到。計算式（7），湖庫型飲用水水源地評價標準見表7，將水源地分為優秀、良好、合格、基本合格和不合格5類。

表7 湖庫型飲用水水源地安全評價標準Tab.7 Safety evaluation standards for lake-reservoir drinking water source

式中：EWS（Evaluation of Drinking Water Source）為飲用水水源地安全評價數值，其數值在0～100分之間。

4 案例分析

4.1 研究區概況

重點研究區域為崗南黃壁莊飲用水水源地保護區。研究區域內主要支流為營里河、文都河、郭蘇河、險隘河、南甸河、冶河等；匯水區大部分屬石家莊市管轄區域，涉及平山縣、井陘縣、井陘礦區、靈壽縣、鹿泉縣。

4.2 研究區監測指標及頻次

水質監測委托相關單位監測了《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）中的基本項目和補充項目。采樣方法依據中華人民共和國行業標準《水質采樣技術規程》（SL187-96）在符合地表水采樣斷面的布設條件，采樣時間為2019年7月11-13日和10月11-13日，對26 個監測點位（如圖1所示）進行檢測，每個點均監測3 次，用3 個樣本的平均值表征該點各個水質指標的水質狀態。

圖1 研究區域及點位分布圖Fig.1 Distribution of research area and points

4.3 結果和分析

圖2 豐水期、平水期每個斷面點位WQSI數值Fig.2 WQSI value of each section point in normal or wet water season

WQSI平＜WQSI豐，說明豐水期的水質要整體好于平水期的水質現狀。該評價結果預示著相關單位應該著重關注該水源地的有機綜合指標的管控問題，應該從根本上解決有機綜合指標超標的問題。與此同時，該評價結果也給水源地治理提供了一個新的方向和思路。

（2）水量安全評價結果。經查閱水文資料，2019年黃壁莊水庫枯水年來水保證率為90%。自2019年起，由于石家莊市供水結構發生變化，黃壁莊水庫幾乎不再向石家莊市供水，向南水北調石津渠配水0.8 億m3。而黃壁莊水庫設計供水量為1 億m3，則P=80%，黃壁莊水庫具有一定的供水能力，WS=40，表明黃壁莊水庫水量較為安全。

（3）水質風險評價結果。對于黃壁莊水庫而言，污染物主要來自冶河與南甸河，當水庫水位為實測最低水位，來流污染物濃度最高，西風方向，且風速為實測最高值的極端不利情況下，在南甸河和礦區石油泄漏，發生突發污染事故。采用河流湖庫二維水質水動力模型模擬的方式，得出結果為：①當南甸河發生污染突發事件時，在水庫低水位西風不利情況下，污染團在河道內運移時間為13 h，進入庫區后運移至取水口的時間約為96 h，共約4.5 d。②當礦區發生污染突發事件時，在水庫低水位西風不利情況下，污染團在河道內運移時間為56 h，進入庫區后運移至取水口的時間約為90 h，共約6 d。突發污染事故對水源地影響結果見表8。

表8 突發污染事故對水源地的影響結果Tab.8 Impact results of sudden pollution accidents on water sources

通過模型模擬結果得，石油類濃度為0.02 mg/L，不超標，污染團到達取水口的時間遠大于6 h，則ST=100，說明南甸河和冶河對黃壁莊水庫有著極低風險。

（4）水源地管理規范評價結果。崗南黃壁莊飲用水水源地已劃分保護區范圍，保護區內設置了標志牌，一級保護區有明確的隔離區域。一級、二級保護區內無工業企業，整治較好，準保護區內有工業企業，準保護暫未整治完成。評分具體結果見表9。

表9 湖庫型水源地管理指標評分值Tab.9 Scoring value of management index of lake-reservoir-type water source

最終得到MS=76，表明崗南黃壁莊飲用水水源地在管理措施和水源地準保護區整治內有不合理處，但整個水源地管理水平較為規范。

（5）水源地安全評價結果。

式（8）至（10）表明水源地豐水期和平水期安全評價結果值。崗南黃壁莊飲用水水源地水質風險極低，風險基本可控，水源地管理規范，且豐水期和平水期內水質較好，且飲用水水源地安全評價得分在60 和70 間，所以整個水源地安全基本合格。

5 結 論

（1）近20年來，國家投入大量人力物力財力保護和治理飲用水水源地，使得我國大部分地區水量已基本滿足供水需求，在新形勢下，湖庫型飲用水水源地安全的概念可考慮了水量安全，應更加關注水質安全。以湖庫型飲用水水源地為研究對象，從飲用水水源地的水量、水質、水質風險和管理4方面，提出了湖庫型飲用水水源地安全新的概念。湖庫型飲用水水源地安全指的是水量安全、水質達標、水質風險可控和水源地管理規范。

（2）基于新的湖庫型飲用水水源地安全概念，構建了湖庫型飲用水水源地安全評價指標體系，該體系包含枯水年來水量保證率、工程供水能力、微生物指標、感官狀況及一般化學指標、有機物綜合指標、毒理學指標、污染團到達取水口時間、取水口處最大超標倍數、保護區建設和保護區整治10 個評價指標，并給出了湖庫型飲用水水源地評價方法。

（3）評價方法為湖庫型飲用水水源地安全評價提供新方法，是識別水源地安全問題的一種工具，有助于更好地保護湖庫型飲用水水源地，保障城鎮居民飲水安全。

（4）以崗南黃壁莊飲用水水源地為例，結果表明：崗南黃壁莊飲用水水源地水質總體較好，但有機綜合指標超標，水質風險可控且水源地管理較為規范，綜合評價崗南黃壁莊飲用水水源地安全狀態基本合格。

（5）通過案例分析，表明湖庫型飲用水水源地安全評價指標體系具有一定的實踐性，并能有針對性地發現飲用水水源地的問題，能為水源地保護提供一種新的思路。