地下水污染防控目标量化方法研究

井柳新 刘伟江 王 东 吴悦颖 文 一 丁贞玉

(环境保护部环境规划院，北京100012)

我国地下水污染问题日益突出，部分地区出现了地下水重金属和有机物污染现象，对人类健康和生态安全造成威胁［1－3］。因此，开展地下水污染防控刻不容缓。而在开展此项工作之前，需要制定一个明确的目标。这样决策者才能通过目标管理，以检验工作的具体实施效果。

但目前在地下水污染防控目标制定方面，定性研究较多，定量研究较少［4－7］。本文以石家庄市及其近郊区为案例区，初步探索地下水污染防控目标的定量化方法，并结合实际调查结果，提出案例区的地下水污染防控量化目标。

1 地下水污染防控目标量化方法

1.1 目标分解及其数学表达

开展地下水污染防控的主要目的就是要保障人体健康和保护地下水生态环境。因此，将地下水污染防控目标分解为保障地下水源安全(D)和改善地下水环境质量(I)两个子目标。

保障地下水源安全(D)主要考虑以下4 个因素:地下水源地水质达标情况(D1)、一级保护区内污染源监管情况(D2)、二级保护区内污染源监管情况(D3)和准保护区内污染源监管情况(D4)。其函数关系式如下:

根据不同的实际情况，该函数可能是线性的，也可能是非线性的。

改善地下水环境质量(I)主要考虑以下几个因素:地下水系统本质脆弱性(I1)和各类地下水污染源防控措施建设情况(I2～In+1)。其函数关系式如下:

根据不同的实际情况，该函数可能是线性的，也可能是非线性的。

1.2 目标量化方法

采用模糊综合评判法和层次分析法确定量化目标［8－11］。

(1)保障地下水源安全目标量化

第一步，确定模糊评判等级集。将地下水源安全分为安全、有风险和不安全三个等级，分别赋予分值为1、0.5 和0。则得到模糊评判等级矩阵FD=(1，0.5，0)T。

第二步，采用专家打分法进行单因素分析，确定模糊评判关系矩阵。假设评价小组有10 个人，对于地下水源地水质达标方面，有7 人认为安全，2 人认为有风险，1 人认为不安全。则对于地下水源地水质达标情况的评价可以得到一个评价集:PD1={7/10，2/10，1/10}，同理可以得到其他单因素评价集PD2、PD3、PD4。

由此，可得到整个因素集对评价集的模糊评判矩阵，用表示:

第三步，采用层次分析法确定权重集。对于目标而言，各个因素的重要程度是不同的。为了反映各因素的重要程度，需要对每个因素赋予一定权重值Wi，且满足Wi＞0，∑Wi=1。采用层次分析法构造判别矩阵，即通过各因素两两比较，回答哪一个因素更加重要的问题，最终赋予各因素权重值。这个重要程度的判断通过已经界定的比例标度表达，见表1 标度等级划分表。得到各因素权重矩阵WD=(WD1，WD2，WD3，WD4)。

表1 标度等级划分表

第四步，通过矩阵运算得出目标函数值D。

式中KD是一个(1 ×3)阶矩阵。

(2)改善地下水环境质量目标量化

第一步，确定模糊评判等级集。将地下水环境质量状况分为变好、不变和变差三个等级，分别赋予分值为1、0.5 和0。则得到模糊评判等级矩阵FI=(1，0.5，0)T。

第二步，采用专家打分法进行单因素分析，确定模糊评判关系矩阵。得到因素集对评价集的模糊评判矩阵，用PI表示:

第三步，采用层次分析法确定权重集。得到各因素权重矩阵:

第四步，通过矩阵运算得出目标函数值I。

式中KI是一个(1 ×3)阶矩阵。

2 案例地区地下水污染防控目标制定

2.1 案例区概况

案例区包括石家庄市市区及其下属的正定县、栾城县和藁城市。该区域以第四系孔隙地下水为主要供水水源，但由于含水层岩性以砂性土为主，透水性较强，地下水易受污染。经国土部门开展的“滹沱河冲积平原地下水污染调查评价”项目显示，案例区地下水存在重金属超标现象，主要污染指标为汞、铬、镉、铅等;地下水有机物污染较严重，主要污染指标为苯、四氯化碳、三氯乙烯等。主要污染成因为工业源污染、垃圾填埋场渗滤液下渗和畜禽养殖场污染排放等［1］。通过“全国地下水基础环境状况调查评估”项目调查发现，案例区的加油站已成为地下水有机污染的主要潜在污染源。2013年，“华北平原典型地区地下水污染防控技术体系研究”项目又对该案例区进行了补充调查，发现部分工业企业将生产废水废物简易存放，极大威胁着地下水环境安全。

经历史调查及补充调查发现，该案例区共有地下水水源地1 个，且水源水质良好;加油站245 家，其中58家的储油罐为单层罐且没有设置防渗池;垃圾填埋场5个，其中4 个为简易填埋场;工业污染企业38 家，其中发现简易存放工业废水废物的坑池27 个;工业污染场地2 个，其中1 个为有机污染场地，1 个为重金属污染场地;畜禽养殖场8 个;危险废物堆放场3 个;农业污染源主要分布在栾城、正定一带。

2.2 目标分解及量化

案例区地下水污染防控目标可以分解为保障地下水源安全目标和改善地下水环境质量目标。

(1)保障地下水源安全目标量化

将地下水源安全分为安全、有风险和不安全三个等级，分别赋予分值为1、0.5 和0。则得到模糊评判等级矩阵FD=(1，0.5，0)T。

案例区保障地下水源安全目标的实现主要考虑地下水源地水质达标情况(D1)、一级保护区内污染源监管情况(D2)、二级保护区内污染源监管情况(D3)和准保护区内污染源监管情况(D4)等4 个因素。

由10 人组成的专家组，在单独考虑每个因素影响的前提下，采用模糊综合评判法对2020年案例区地下水源安全进行分析和评分。得到因素集对评价集的模糊评判矩阵PD:

采用层次分析法，对各因素相对于目标的重要性进行两两比较，通过比例标度，构造出比较判断矩阵，见表2。

表2 D－D1～D4 判断矩阵

根据表2 计算得出，该判断矩阵λmax的为4.1185，其对应的特征向量为(0.5579，0.2633，0.1219，0.0569)T，CR 值为0.0444 ＜0.1000，则判断矩阵具有满意一致性。得到各因素权重矩阵:WD=(0.5579，0.2633，0.1219，0.0569)。

通过公式(3)计算矩阵KD=(0.8273，0.1613，0.0114)。通过公式(4)计算得出案例区保障地下水源安全目标值D=0.9080，值接近1。可见，只要做好地下水源地的日常监测与管理工作，到2020年可以保障案例区地下水源安全。

(2)改善地下水环境质量目标量化

将地下水环境质量状况分为变好、不变和变差三个等级，分别赋予分值为1、0.5 和0。则得到模糊评判等级矩阵FI=(1，0.5，0)T。

改善案例区地下水环境质量状况目标的实现主要考虑以下9 个因素:地下水系统本质脆弱性(I1)、加油站储油罐防渗措施设置与地下水质监测情况(I2)、垃圾填埋场防渗措施设置与地下水质监测情况(I3)、危险废物堆放场防渗措施设置与地下水质监测情况(I4)、农业污染源的影响(I5)、畜禽养殖场废水废物排放与地下水质监测情况(I6)、工业污染源的影响与地下水质监测情况(I7)、简易存放工业废水废物坑池的影响(I8)和工业污染场地的影响(I9)。

由10 人组成的专家组，在单独考虑每个因素影响的前提下，采用模糊综合评判法对2020年案例区地下水环境质量状况改善趋势进行分析和评分。得到因素集对评价集的模糊评判矩阵PI:

采用层次分析法，对各因素相对于目标的重要性进行两两比较，通过比例标度，构造出比较判断矩阵，见表3。

表3 I－I1～I9 判断矩阵

根据表3 计算得出，该判断矩阵的λmax为10.1244，其对应的特征向量为(0.0197，0.1045，0.1024，0.0534，0.0353，0.0353，0.1462，0.3203，0.1828)T，CR 值为0.0963 ＜0.1000，则判断矩阵具有满意一致性。得到各因素权重矩阵:WI=(0.0197，0.1045，0.1024，0.0534，0.0353，0.0353，0.1462，0.3203，0.1828)

通过公式(5)计算矩阵KI=(0.0059，0.1056，0.8883)。通过公式(6)计算得出案例区地下水环境质量状况改善目标值I=0.0587，I 值接近0。可见，如果不采取必要措施防控地下水污染，到2020年案例区地下水环境质量状况将呈持续恶化趋势，地下水环境质量会变得更差，人类健康与生态安全将受到严重威胁。

从因素权重矩阵可以看出，导致案例区地下水环境质量恶化的主要影响因素为I2、I3、I7、I8和I9。因此，优先从以上5 个方面提出案例区2020年的控制目标:所有加油站储油罐均设置防渗池或更换为双层罐;所有垃圾填埋场设防渗层及垃圾渗滤液收集处理系统;对简易存放工业废水废物的坑池全部清理或增设防渗层;修复已发现的地下水污染场地;建立地下水污染源监测网并开展日常监测。

假设以上控制目标得以实现，即改变了影响因素I2、I3、I7、I8、I9的变化趋势，再次采用模糊综合评判法，由10 人组成的专家组分别对每个因素影响下的2020年案例区地下水环境质量状况改善趋势进行分析和评分。得到因素集对评价集的模糊评判矩阵PI:

通过公式(5)计算矩阵KI=(0.7915，0.1554，0.0530)。通过公式(6)计算得出案例区地下水环境质量状况改善目标值I=0.8692，I 值接近1。可见，到2020年，在实现控制目标的前提下，案例区地下水环境质量状况将得到改善。

2.3 目标的确立及可达性分析

(1)2020年案例区地下水污染防控量化目标

到2020年，案例区地下水源水质保持良好，地下水源安全得到保障;58 家加油站的储油罐设置防渗池或更换为双层罐;4 个简易垃圾填埋场增设防渗层及垃圾渗滤液收集处理系统;27 个简易存放工业废水废物的坑池全部清理或增设防渗层;修复已发现的2 个地下水污染场地;建立地下水污染源监测网并开展日常监测，245 家加油站每家建设1 口地下水水质监测井，4个简易垃圾填埋场每个建设3 口地下水水质监测井，38家工业企业每家建设3 口地下水水质监测井，8 个畜禽养殖场每个建设3 口地下水水质监测井，3 个危险废物堆放场每个建设3 口地下水水质监测井，共计建设404口地下水水质监测井。

(2)目标可达性分析

采用经济可行性分析法，判断案例区2020年地下水污染防控量化目标的可达性。

①地下水源保护费用测算。水质全指标分析(即《生活饮用水卫生标准GB5749－2006》中的所有水质指标)费用按照3 万元每组计，2014～2020年的6年期间每年测1 组，案例区共有1 个地下水水源地，到2020年，水质全指标分析费用为18 万元。

每个地下水水源地的日常监管以2 名工作人员负责计，每人每年工资按5 万元计，到2020年，地下水水源地日常监管费用为60 万元。

②污染源防控与治理费用测算。加油站储油罐更换双层罐按10 万元每罐计［12］，平均每家加油站有4 个储油罐，则58 家加油站增设防渗措施的费用为2320 万元。

案例区垃圾填埋场规模均较小，以年填埋量为60万吨的垃圾填埋场为参考，其铺设防渗层的费用为10万元/个;以日流量为50m3的垃圾渗滤液收集处理系统为参考，其基建费用为每个系统60 万元［13－17］。案例区共有4 个简易垃圾填埋场，其增设防渗层及垃圾渗滤液收集处理系统的费用为280 万元。

简易存放工业废水废物的坑池增设防渗层，以10万元每个计，27 个坑池共需270 万元。

以此次的重金属污染场地修复项目投资1300 万元为参考，2 个工业污染场地修复共需2600 万元。

③监测井建设与常规监测费用测算。在华北平原地区，建设1 口浅层地下水水质监测井按3 万元计，建设404 口地下水水质监测井共需1212 万元。

水质检测费用按4000 元每组计，常规每年每口监测井取3 组水样，则2014～2020年的6年期间，共需常规监测费用约2909 万元。

可见，拟实现案例区2020年地下水污染防控量化目标，共需资金投入9669 万元。2013年石家庄市环保资金投入共约115 亿元，且未来5年仍有上升趋势。案例区的地下水污染防控所需资金仅占2013年石家庄市环保资金投入的0.84%。因此，案例区2020年地下水污染防控量化目标的制定较为合理，目标可达。

3 结 论

(1)以石家庄市及其近郊区为案例区，结合历史调查及补充调查成果，初步探索地下水污染防控量化目标制定方法，将案例区地下水污染防控目标分解为保障地下水源水质目标和改善地下水环境质量状况目标。

(2)采用模糊综合评判法和层次分析法建立目标量化函数，制定了案例区2020年地下水污染防控目标:地下水源水质保持良好，58 家加油站、4 个简易垃圾填埋场、27 个简易存放工业废水废物的坑池增设防渗措施，2 个地下水污染场地得到修复，建设404 口污染源地下水水质监测井并开展常规监测。

(3)通过经济可行性分析，对案例区2020年地下水污染防控量化目标进行检验，结果表明该目标制定的较为合理，目标可达。

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