北方某城市河流型饮用水水源地选址方案评价研究

杜大仲,孟宪林,马 放 (哈尔滨工业大学市政环境工程学院,城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150090)

北方某城市河流型饮用水水源地选址方案评价研究

杜大仲,孟宪林,马 放*(哈尔滨工业大学市政环境工程学院,城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150090)

为建立和量化适于河流型饮用水水源地选址的评价体系,以北方某城市A的水源地选址方案为研究对象,通过层次分析法(AHP)从法律制约、环境质量、水资源保障和环境风险角度构建评价体系.评价体系共设立8个否定因子和20个评价因子,采用文献分析和专家问卷调查相结合的方法确定评价因子权重,并依据环境标准和技术导则确定评分标准,可对多个选址方案进行评价与优选.研究表明,城市 A的选址方案Ⅰ与方案Ⅱ均可做为水源地选址方案进行工程论证;城市A所处流域综合水质状况不佳,在后续的给水厂建设中应考虑采用深度处理工艺;城市A的选址方案Ⅰ与方案Ⅱ的环境风险系数均较高,管理部门应依据选址方案的风险特征加强上游风险源管理.

河流型饮用水水源地；选址；评价体系；层次分析法

中国环境监测总站统计数据显示,2009年重点城市年取水总量为 217.6亿 t,达标水量占73.0%;不达标水量占 27.0%.此外,许多具有致癌、致畸、致突变性的有机污染物在我国的大中型饮用水源中均有检出.其中,河流型饮用水水源地因水质达标状况差、环境风险高、历史遗留问题多等因素,而备受各界关注[1-3].在对水源地环境调查和评价过程中,许多重大饮用水源环境事故曝露出水源地在规划选址过程对制约因素考虑不足的问题.水源地规划选址时对上游工业排污风险估计不足,保护区内已建排污项目物权不明,流域新建大型水利项目改变基础环境条件等问题,已成为水源地保护方案难以得到有效实施的重要原因[4].

目前,国内外研究人员对现有水源地的安全评价、风险管理、污染防治做了大量研究工作[5-8],但对水源地规划选址的研究尚停留在水资源供应保障和环境风险等单一性评价阶段[9-10],对于综合性评价大多以定性评价为主[11],尚未形成较为完整的量化评价体系.本研究针对某城市A的河流型饮用水水源地选址方案,从法律制约、环境质量、水资源保障和环境风险角度构建河流型饮用水水源地选址评价体系,对选址方案进行量化评价,旨在为管理决策提供依据.

1 研究区域概述

北方某城市A的主要饮用水源属河流型水源地,现有水源地的设计供水量为25万m3/d,服务人口为61.9万人,占市区总人口的77.3%.近年来,因受水源地供水量不足、上游流域环境风险加大和水质恶化等问题的困扰,市政管理部门决定重新对城市供水水源地进行选址规划,拟将水源地从原来的RB河取水改为从RA河或RC河取水,水源地所在流域的基本情况和方案的拟建取水断面位置见图1.本研究以2种取水方案为研究对象,进行实例分析,运用河流型水源地选址评价体系对选址方案进行评价与优选.

图1 选址方案区位示意Fig.1 Location of site selection plan

2 构建评价体系

根据水源地选址所涉及的评价因素具有定量和定性相结合的特点,本文选择广泛应用于多目标决策的层次分析法(AHP)作为构建评估体系的技术方法[12].在评价体系构建过程中,针对水源地保护区内的违法项目因物权不明难以进行环境执法,风险隐患强度大这一现实现象,评估体系设立了否定因子,以法律要求作为选址方案评价的基础,在选址之初明确各方的法律责任和义务.参照层次分析法的构建原理,评价体系依次建立目标层(A)、否定因子(F)、准则层(B)、指标层(C)和评价层(D).

2.1 否定因子(F)

水源地的管理与保护过程中,法律是实施环境保护行为准则和依据,是进行评价的基础.根据《水污染防治法》中需设立水源地一、二级保护区,对保护区内的建设项目和社会活动进行限制的相关规定,评价体系将优先考虑水源地建立后划分的保护区对区域建设和发展的制约影响.

水源地一、二级保护区范围可依据《饮用水水源地保护区划分技术规范》中推荐的经验值进行初步划定[13].依据法律条款,一级保护区的否定因子确定为排污口(f1)、与供水设施和保护水源无关的建设项目(f2)、网箱养殖区(f3)和旅游区(f4);二级保护区的否定因子确定为排污口(f5)、排放污染物的建设项目(f6),网箱养殖区(f7),旅游区(f8)

当拟建水源地的一、二级保护区存在上述否定因子且不可消除时,否定因子将对水源地选址方案直接进行否定.

2.2 评价因子

2.2.1 环境质量(B1) 饮用水水源地的最终目标是向社会提供有“质量”保障的饮用水,其中环境类指标反映饮用水的“质”.在环境类指标体系中,一般污染性指标(C1)反映水体总体的生态环境状况,毒理性指标(C2)则反映水质对人体健康的影响.

一般污染性指标中,日常监测的代表性评估因子为高锰酸盐指数(D1)、氨氮(D2)、总磷(D3)和粪大肠菌群(D4).毒理性指标从《地表水环境质量标准》[14]和《生活饮用水卫生标准》[15]中污染物指标进行筛选,确定砷(D5)、镉(D6)、铬(六价)(D7)、铅(D8)、汞(D9)作为评价因子.

2.2.2 水资源保障(B2) 水资源类指标反映的是饮用水源的“量”,在水资源指标体系中,水量保障(C3)反映目前水资源可利用的水量,取水工程对环境影响(C4)反映水资源利用的可持续性.

图2 河流型饮用水水源地选址评价体系Fig.2 Evaluation system for site selection of river drinking resources water

根据《水资源论证导则》[16]水量保障指标体系中地表取水指标进行筛选,以水资源状况(D10)、水域开发利用程度(D11)、生活取水量(D12)作为水量保障指标评价因子.在环境影响中以对第三者取水影响(D13)、对生态水量产生影响(D14)、对水文变化有潜在影响(D15)作为环境影响评价因子.

2.2.3 环境风险(B3) 根据水源地环境风险事故的产生的类别,环境风险源分为固定源(C5)和移动源(C6).依据近年来水源地污染事件的统计[17-18],环境风险固定源选择拟建水源地上游的发酵企业(D16)、化工企业(D17)、造纸企业(D18)作为评价因子,移动源选择拟建水源地保护区陆域范围内高速公路(D19)和水域范围内航运通道(D20)作为评价因子.依据层次分析法的原理,结合法律制约、环境质量、水资源保障和环境风险影响因素构建的河流型水源地选址评价体系,见图2.

表1 目标层至评价层评价指标的权重Table 1 Weight of assessment index from target layer to evaluation layer

2.3 评价权重

在参考相关文献[19-24]和咨询有关专家(给水专业5人,环境专业7人)的基础上,结合各层的影响因子对应上一层准则层指标的影响程度大小建立判断矩阵,按照AHP建模的步骤,确定每层各影响因素的权重 W,并检验是否具有可接受的一致性,自上而下地将单准则下的权重进行合成(A-D),并逐层进行总的判断一致性检验,对系统目标的合成权重见表1,由表1中数据计算所得 CR=0.004＜0.1,表明合成权重具有良好的一致性.

2.4 评价标准

在评价过程中,将评价因子等级划分为极不适宜、不适宜、尚可、比较适宜和极适宜5个等级,分别赋予0、40、60、80、100相应分值.各评价因子依据现行环境标准和技术导则的相关等级要求.对应的分值如表2所示,区间范围的具体分值可通过内插法进行计算,见式1.

式中:Y为评价因子对应的分值;X为评价因子;Y1为评价因子对应的分值范围的下限值;Y2为评价因子对应的分值范围的上限值;X1为评价因子值域下限;X2为评价因子值域上限.

通过评分标准与权重的计算,水源地选址方案得到最终分值.60分以下的选址方案应予放弃,60分以上的选址方案可作为考虑方案,分值越高方案的合理性越强,评分标准见表2.

表2 评价因子的评分标准Table 2 Grading for assessment factors

3 方案评价

3.1 法律制约性评价

对方案Ⅰ和方案Ⅱ进行现场环境调查,调查范围为拟选方案一、二级保护区的陆域和水域范围.现场调查表明,方案Ⅰ和方案Ⅱ在初步划定的一、二级保护区范围内均不存在法律制约性否定因子,从法律角度两个方案均可行.

3.2 环境质量评价

根据选址方案的取水口位置,环境保护部门进行了以1年为周期的4个季度污染物监测,方案Ⅰ和方案Ⅱ取水口污染物浓度及评分见表3.

3.3 水资源保障评价

3.3.1 水资源状况评价 资料显示,取水量占过境水资源30%以下为水资源充沛,30%～60%基本满足供水需求,60%以上水资源紧缺[25-27].从表 4可见,RC河与 RA河均属季节性河流,丰水期径流量占全年径流量 60%以上,因此本研究选用水资源最为短缺的枯水期来考察水资源的保障情况,计算方法见(式2),计算结果见表5.

式中:Pw为取水百分率,%;Ws为水厂设计取水量,104m3/月;Qk为枯水期过境地表径流量, 104m3/月.

从表5可见,方案Ⅰ和方案Ⅱ的取水量均远低于枯水期地表径流量的 30%,表明过境水量较为充沛,可满足供水需求,方案评分均为100.

3.3.2 水域开发利用程度 水域开发利用程度表征的是人类社会对水域自然环境的开发利用程度,以及水域开发利用的潜力,本研究对流域的水资源调配规划进行统筹考虑,水资源开发利用率的计算方法见式3.

表3 环境质量指标评价Table 3 Assessment for Environmental quality factors

表4 2007～2009年河流径流量统计Table 4 River flow statistics from 2007 to 2009

表5 水源地选址方案取水百分率Table 5 Percent of pumping for site selection plan of source water

式中:Pu为水资源开发利用率,%;Ws为当地实际供水量,亿m3/年;Wi为规划调入水量,亿m3/年;Wo为规划调出水量,亿m3/年;Wos为规划其他途径供水,亿m3/年; Qa为年平均水资源量,亿m3/年.

根据式 3,方案Ⅰ和方案Ⅱ的水域开发利用率计算结果见表6.

从表6可见,方案Ⅰ和方案Ⅱ的水域开发利用率均小于 5%,说明水域开发程度较小,具有较高的水域开发潜力,可满足相关取水工程的要求,方案评分均为100.

表6 水源地选址方案水资源开发利用率Table 6 Percent of water resource development and utilization forsite selection plan of source water

3.3.3 生活取水量 方案Ⅰ和方案Ⅱ的设计取水量均为25万m3/d,根据表2评分标准,方案Ⅰ和方案Ⅱ评分为80分.

3.3.4 对第三者取水影响分析 在A市下游陆域500km范围内,无河流型水源地和规划的大型取水工程,因此认为方案Ⅰ和方案Ⅱ对第三者取水无影响,方案评分均为100.

3.3.5 对生态水量的影响分析 生态水量是指流域保护物种的多样性和生态整合性所需要具有一定质量的水资源量.从表5可见,方案Ⅰ和方案Ⅱ的取水方案在生态环境最为脆弱的枯水期所占水资源比例均在 10%左右,对生态水量基本无影响,方案评分均为80.

3.3.6 对水文变化的影响分析 从方案Ⅰ和方案Ⅱ 的取水率可见,取水量均占枯水期最低流量的10%以下,对河流的水文变化均无潜在影响,方案评分均为80.

3.4 环境风险评价

对河流型水源地而言,固定风险源主要来自流域上游的工业企业.方案Ⅰ的风险主要来 RC河上游的C市;方案Ⅱ的取水来源于RA河,是由RB河和RC河两条河流汇流而成,所以它的风险来自B市和 C市的共同影响.

3.4.1 方案Ⅰ环境风险分析 方案Ⅰ取水风险来自于上游C市排水,C市距方案Ⅰ取水断面的距离约为32.8km.C市现有规模工业企业11家,其中造纸企业4家;化工企业1家.从图1可见,方案Ⅰ中有高速公路穿越水源地陆域和水域保护区,水体距高速公路垂直距离小于 10m.在 RC河取水口上游范围内无航运通道.

3.4.2 方案Ⅱ环境风险分析 方案Ⅱ取水风险来自于上游C市和B市的排水,B市距方案Ⅱ取水断面的距离约为15.6km.B市现有规模工业企业 17家,其中化工企业1家;发酵企业1家.在选址方案Ⅱ中,在陆域保护区范围内无交通运输干线,在水域保护区范围内有航运通道,垂直距离约15m.

方案Ⅰ和方案Ⅱ的风险评价结果见表7.

表7 环境风险指标评价Table 7 Assessment for environmental risk factors

3.5 方案评分

将评价因子的得分代入表 1中进行加权计算,方案Ⅰ和方案Ⅱ的综合评分见表8.

表8 选址方案综合评价Table 8 General assessment for site selection plan

4 结论

4.1 方案Ⅰ和方案Ⅱ的污染性指标中的高锰酸盐指数评分为 68和 58.5,得分较低,评价结果表明流域综合水质状况不佳,管理部门应加强水源地上游流域的污染物减排工作,避免流域水质继续恶化,在后续的给水厂建设中应考虑采用深度处理工艺,强化污染物的去除.评价方案中毒理性指标中各项评分均为满分,表明流域水质安全状况良好,饮用水健康风险较低.

4.2 水资源保障和环境影响中各项指标的评分均在80及80以上,表明城市A所在流域的水资源充沛,在水量上能够保障取水方案的用水需求,且取水方案对当地水资源分配和生态环境影响较小,可保证水资源的持续供应.

4.3 方案Ⅰ和方案Ⅱ的流域环境风险系数均较高.方案Ⅰ的环境风险来自水源地保护区内高速公路交通事故及上游化工和造纸企业的非正产排污,方案Ⅱ的环境风险主要来自航运通道和上游发酵、化工和造纸企业的非正常排污.管理部门应有针对性的加强风险源管理,制定环境风险应急预案,降低风险危害程度.

4.4 方案Ⅰ和方案Ⅱ的总体得分均在 80分以上,均可作为城市A的水源地选址方案进行工程论证,因方案Ⅰ的综合得分优于方案Ⅱ,本研究优先推荐方案Ⅰ作为选址方案.

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Site selection assessment for river drinking source water of a city in northern.

DU Da-zhong, MENG Xian-lin, MA Fang*(State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environmental, School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China). China Environmental Science, 2012,32(2)：359～365

In order to establish and quantize the assessment system for the site selection of river drinking source water, City A in northern was took as the case. The assessment system which involve law, environmental quality, water resources protection and environmental risk was established by analytic hierarchy process (AHP). There were eight negative factors and twenty evaluation factors in the system, and the weight of evaluation factors were defined by literature review and expert survey. These evaluation factors were quantized according to environmental standards and technical guidelines. Both programⅠandⅡof City A can be carried engineering appraisal out; the water quality of river basin was no good, so the advanced treatment process should be considered in the construction of water plant; the environmental risk index of programⅠ andⅡwere high, administration should strengthen the management of risk source on the risk characteristics.

river drinking source water；site selection；assessment system；analytic hierarchy process

2011-04-26

国家科技重大专项(2009Z07631-002,2009ZX07526-006);国家环保“十二五”规划前期研究课题;城市水资源与水环境国家重点实验室(哈尔滨工业大学)资助课题 (2010DX08,2010 DX09)

* 责任作者, 教授, mafang@hit.edu.cn

X321

A

1000-6923(2012)02-0359-07

杜大仲(1976-),男,黑龙江哈尔滨市人,工程师,博士,主要从事环境评价与规划.发表论文20余篇.