张集水源地水质评价研究

李 勍，刘喜坤，刘 勇，张双圣

(1.江苏省徐州市大龙湖管理处，江苏 徐州 221018;2.江苏省徐州市城区水资源管理处，江苏 徐州，221018;3.中国矿业大学 资源学院，江苏 徐州，221116)

张集水源地水质评价研究

李 勍1，刘喜坤2，刘 勇3，张双圣2

(1.江苏省徐州市大龙湖管理处，江苏 徐州 221018;2.江苏省徐州市城区水资源管理处，江苏 徐州，221018;3.中国矿业大学 资源学院，江苏 徐州，221116)

分别采用基于熵权法的模糊综合评判法和EPA健康风险评价法对徐州市张集水源地进行水质评价。结果表明:采用基于熵权法的模糊综合评判法对水源地水质进行评价，10个监测点中，符合Ⅰ类水质的有9个，符合Ⅱ类水质的有1个，水源地水质较好;影响水源地水质的主要污染因子是亚硝酸盐、CODMn、氟化物、砷、硝酸盐、六价铬和铅;污染物的合计危害指数呈逐年增大的趋势，但均未超过1;针对水质问题，应加强点污染源的监察力度，保证废水达标排放，对农业进行产业结构调整，减少农药化肥的使用。

模糊综合评价;熵权法;EPA健康风险评价;张集水源地

张集水源地位于徐州市东南约25 km，面积约为356.41 km2，是徐州市区周围重要的水源地之一，其水质的优劣对于张集水源地的开发利用及其保护规划将产生重要影响。

目前水体水质评价的方法主要有:内梅罗指数评价法、模糊评价法、灰色评价法、物元分析法、人工神经网络评价法及地理信息系统应用法等［1］。其中模糊综合评价法应用较广，已经成为一种定量研究水体水质的有效手段。模糊综合评价法的工作重点是隶属度的计算和权重的确定，其中权重是通过计算超标比来确定［2］，此法不仅工作量大，而且缺少对多个评价对象之间的相互联系的描述［3］，因此本文选取基于熵权法的模糊综合评价。同时为直接反映水体水质对人体健康的影响，本文又采用EPA健康风险评价法［4］对水体进行评价。

本文分别采用基于熵权法的模糊综合评判法和EPA健康风险评价法对徐州市张集水源地进行水质评价，分析其主要污染因子和污染来源，提出有针对性的防治措施，以期为张集水源地的开发利用和水环境保护及治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

实验选取张集水源地内的10口井的水样进行分析，10口井分别为:邓楼 1号井、梁塘 6号井、梁塘 15号井、果园(棠张水厂)、张集职中、观音矿泉水厂、鹿台村西南角水井、下张、赵圩、闫窝。

1.2 试验方法

基于熵权法的模糊综合评判法选取总硬度、CODMn、硫酸盐、氯化物、溶解性总固体、氟化物、硝酸盐、亚硝酸盐共8项作为水质评价因子;EPA健康风险评价法选取六价铬、砷、铅、1，2－二氯乙烷、二氯甲烷、1，1－二氯乙烯、苯 7项指标作为致癌因子，镉、挥发酚类、氰化物、汞、氟化物、硝酸盐氮、铁、锰、铜、锌、硒和1，1，1－三氯乙烷作为非致癌因子。以上各因子的测定均按照国标进行［5］。

1.3 评价方法

1.3.1 基于熵权法的模糊综合评判法［6，7］

基于熵权法的模糊综合评判法与传统的模糊综合评判的原理一样，都是应用模糊数学的原理，将一些边界不清，不易定量的因素定量化，评价出水体的质量等级，其基本模型为:

式中，D为模糊综合评价结果向量;W为评价因子的权重向量;R为评价因子隶属于不同水质级别的隶属度矩阵;·为一种模糊符合运算法则。

其评价步骤为:①建立评价因子;②建立评价集;③计算隶属函数，建立单因子模糊关系矩阵;④权重因子的计算;⑤建立模糊综合评价模型，进行模糊综合评价。

1)隶属函数的建立

根据水的用途和特征，将水质划分为 m个等级标准，利用这些标准可以逐个刻划各因素对各级标准的隶属度。运用“将半梯形分布法”确定隶属函数:

第1级水质，即j=1时，隶属函数为:

第2级水质至第(m－1)级水质，即j=2，3，…，m－1时，其隶属函数为:

末级水质，即j=m时，其隶属函数为:

以上各式中，xi为第 i 个因素 ui的实测值，si，j－1、sij、si，j+1分别为因素 ui的第 j－1、j、j+1级水质的标准值。

2)运用熵值赋权方法计算权重因子

设有m个评价指标，n个评价对象，则形成原始数据矩阵R'=(r'ij)m×n

(1)对原始数据矩阵进行标准化，得到:Rij=(rij)m×n

其中，rij为第j个评价对象在评价指标上的标准值，rij∈［0，1］。对大者为优的指标而言，有:

而对小者为优的指标而言，有:

2)信息熵。在m个评价指标，n个评价对象的评价问题中，第i个指标的熵定义为:

3)熵权。定义了第个指标的熵之后，可得到第个指标的熵权定义:

⑵EPA健康风险评价

通常认为人体在低剂量化学致癌物暴露条件下，暴露剂量率和人体致癌风险之间呈线性关系，当高剂量导致高致癌风险时，暴露剂量率和人体致癌风险之间呈指数关系。具体的计算公式如下:

式中:R为致癌风险，表示人体终生超额患癌的概率;SF为化学致癌物的致癌斜率系数((mg/kg·d)－1)，表示人体终生暴露于剂量为每日每公斤体重1 mg化学致癌物时的终生超额患癌风险度;E为暴露剂量率(mg/kg·d)，表示单位体重人体日均摄入的评价污染物质量。

E的计算如下:

式中，C为水源中污染物的浓度(mg/L);IR为饮水率(L/d，U·S·EPA建议值:2 L/d)，表示人体日均饮水量;EF为暴露频率(d/a，饮水为每日必需，所以为“评价时段天数/a”)，表示评价时段内年均人体摄入评价污染物的天数;ED为暴露历时(a，U.S.EPA建议值:30a)，表示人体终生摄入评价污染物的年数;BW为平均人体体重(kg，我国宜采用60 kg);AT为平均时间(d，致癌为70 a×365 d/a、非致癌为 ED×365 d/a)。

(2)非致癌风险评价

化学污染物对人体的非致癌慢性毒害一般以参考剂量为衡量标准:暴露水平高于参考剂量者为可能有危险者，暴露水平等于或低于参考剂量者为不大可能有危险者。通常用危害指数HI来表示:

式中，RfD为参考剂量(mg/kg·d)。

2 结果与讨论

2.1 基于熵权法的模糊综合评判

2.1.1 建立评价因子集

从水源地10口井的监测指标数据中选取具有代表性的总硬度、CODMn、硫酸盐、氯化物、溶解性总固体、氟化物、硝酸盐氮、亚硝酸盐8个指标作为评价因子，组成评价因子集U:

U={总硬度、CODMn、硫酸盐、氯化物、溶解性总固体、氟化物、硝酸盐、亚硝酸盐}

上述8项监测指标在10个监测点的监测数据见表1。

表1 8项评价因子在10个监测点的监测值 mg/L

⑵建立评价集

依据国家《地下水质量标准》(GB/T 14848－1993)的规定，将水质级别定为5级，故评价集V为:

由于水环境质量标准的划分一般都是指一个浓度区间，为了符合评价要求，按照择优不从劣原则，用如下方法确定分级代表值:Ⅰ级水的标准界值作为Ⅰ级水的分级代表值，Ⅱ级水的分级代表值取为Ⅰ级水和Ⅱ级水标准界值的中值，其余类推，将Ⅴ级水的界值作为Ⅴ级水的分级代表值［8］。由此得到本文研究的评价标准见表2。

表2 本文水质评价标准 mg/L

⑶建立单因子隶属矩阵

根据表2所确定的水质评价标准，运用“将半梯形分布法”确定各指标属于各水质级别的隶属函数，从而确定单因子隶属度，得到单因子评价矩阵A。以邓楼1号井为例，其隶属矩阵为:

⑷权重计算

运用熵值赋权方法首先将表1的数据进行初始化，结果见表3。数据经过整理后根据熵权法公式计算出各评价指标的熵和熵权，结果见表4。(5)评价结果

表4 各评价指标的信息熵和熵权

综合评价结果见表5。利用熵权法赋权的模糊综合评价结果表明，张集水源地各监测点的水质较好，除梁塘六号井为Ⅱ级水外，其余各监测点均为Ⅰ级水。在各评价指标中亚硝酸盐、CODMn及氟化物的权重较大，这是由于水源地内的水质污染主要受农业有机污染的影响，尤其是农药化肥的大量使用。另外，农村生活废水的任一排放及畜禽的非规范化养殖也是其中重要原因。

表3 原始数据初始化

表5 综合评价结果

2.2 EPA健康评价

按照⑼、⑽、⑾式进行 EPA健康风险评价，其结果见表6。

化学污染物的致癌风险根据其致癌证据的充分程度在百万分之一至万分之一均是可以接受的。以最严格的风险可接受度百万分之一为评价标准，由表6可知，水源地中超过该标准的致癌污染物有砷和铅。根据EPA综合风险信息系统IRIS的分类信息，砷属于A类致癌污染物(EPA建议以1.00×10－6进行风险控制)，铅属于 B2类致癌污染物(风险控制标准可以适度放宽至1.00×10－5)。水源地仅有砷的健康风险超标，超标高达32倍;但是与国家颁布的《生活饮用水卫生标准》中砷的限值0.01 mg/L相比，该水源地中砷的浓度远低于此限值。

根据危害指数的定义，可以确定“1”为非致癌慢性毒害效应的风险控制标准。由表6可知，水源地中19种污染物的合计危害指数均未超过1，因此可以基本认定该水源地的供水不会对饮用人群产生非致癌慢性毒害效应。水源地中危害指数前5位的污染物为氟化物、砷、硝酸盐、六价铬、铅，且氟化物和砷的危害指数均超过0.1，硝酸盐的危害指数接近0.1。

另外，水源地内各污染物危害指数的变化如表7所示。

表7 2006－2009年健康风险评价结果对比分析

由表7中可以看出，2006～2009年中污染物的合计危害指数均未超过1，说明不会对饮用人群产生非致癌慢性毒害效应，但是有逐年增高的趋势.水源地中危害指数前5位的污染物均是氟化物、砷、硝酸盐氮、六价铬和铅，且氟化物和砷的危害指数均超过0.1，其中砷超标高达21～32倍，硝酸盐氮的危害指数接近0.1，同时都有明显的增高趋势，六价铬和铅的危害指数都没有超标并保持不变，但出现了一定的升高趋势，由此看见，人类活动对水源地水质产生了一定的影响。水源地内主要包括果园和农田，由于农药和化肥的大量使用，致使地表孔隙水被污染，进而通过越流补给的形式对地下岩溶水水质产生影响;同时部分工业企业的排放废水没有达标，也会造成地下岩溶水的污染。

表6 健康风险评价结果

3 结论与建议

1)采用基于熵权法的模糊综合评判法对水源地水质进行评价，10个监测点中，符合Ⅰ类水质的有9个，符合Ⅱ类水质的有1个，水源地水质较好;

2)基于熵权法的模糊综合评判法与EPA健康评价法的评价结果显示，影响水源地水质的主要污染因子是亚硝酸盐、CODMn、氟化物、砷、硝酸盐、六价铬和铅;

3)到目前为止，污染物的合计危害指数呈逐年增大的趋势，但均未超过1，不会对饮用人群产生非致癌慢性毒害效应。

4)应加强点污染源的监察力度，严格控制其排污，保证废水达标排放;同时对农业进行产业结构调整，因地制宜，减少农药化肥的使用，降低有机污染。

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Study on Water Quality Assessment in Zhangji Water Source Region

LI Qing1，LIU Xi－ kun2，LIU Yong3，ZHANG Shuang － sheng2
(1.Xuzhou Big Dragon Lake Management office，Xuzhou 221018，Jiangsu;2.Xuzhou Water Resource Office，Xuzhou，221018 ，Jiangsu;3.School of Resource and Earth Science，China university of Mining and Technology，Xuzhou 221116，Jiangsu)

The water quality of Zhangji water source region in Xuzhou was evaluated by fuzzy comprehensive assessment method and EPA health risk assessment method respectively. The results showed that the water quality was well. Nine monitored points belonged toⅠ type water quality，and one monitored point belonged toⅡ type water quality，when the water quality was assessed by fuzzy comprehensive assessment method;Nitrite，CODMn，fluorid，arsenic，nitrate，Cr6+and lead were the key pollutant factors in the water source region;The hazard index of pollutants increased year by year，but it wasn’t greater than 1. In view of the water－ quality problem，supervision for the pollution sources should be strengthened. The wastewater must be treated and reached corresponding standard. Meanwhile，the industrial structures of agriculture should be adjusted to reduce the dosages of pesticides and chemical fertilizer.

Fuzzy comprehensive assessment，Entropy method，EPA health risk assessment and Zhangji water source region

X824

A

1004－1184(2012)05－0054－05

2012－05－23

江苏省水利科技重点项目(成果编号20102205)

李勍(1969－)，男，江苏徐州人，工程师，主要从事水利工程管理及技术研究。