河流水環(huán)境污染風(fēng)險模糊綜合評價模型

祝慧娜,袁興中,梁 婕,曾光明,江洪煒 (湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,環(huán)境生物與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410082)

河流水環(huán)境污染風(fēng)險模糊綜合評價模型

?；勰?袁興中*,梁 婕,曾光明,江洪煒 (湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,環(huán)境生物與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410082)

綜合考慮水環(huán)境污染的脆弱性和受污染水體對人體健康的危害性, 建立了河流水環(huán)污染風(fēng)險模糊綜合評價模型.運(yùn)用模糊語言,將脆弱性和危害性均分為6個等級,并根據(jù)F統(tǒng)計法和專家咨詢法確定脆弱性和危害性的模糊隸屬函數(shù).由模糊綜合評價得出河流水環(huán)境污染的風(fēng)險水平.將該評價模型應(yīng)用到湘江 14個斷面的水環(huán)境風(fēng)險評價中,直觀地表達(dá)各個斷面污染風(fēng)險水平,為湘江水資源管理和優(yōu)先控制斷面的選取提供新思路和新方法.

水環(huán)境風(fēng)險；綜合評判；模糊隸屬度；脆弱性；危害性

環(huán)境風(fēng)險評價是防止污染事故、控制環(huán)境污染的有效手段之一[1].目前已有許多專家對環(huán)境風(fēng)險進(jìn)行了大量的研究[2-6].環(huán)境風(fēng)險評價具有復(fù)雜性、綜合性、模糊性的特點(diǎn),因此環(huán)境風(fēng)險評價的過程及其結(jié)果具有一定的模糊性.為解決環(huán)境風(fēng)險評價的復(fù)雜性、綜合性、模糊性,研究者們將不確定性理論引入到了水環(huán)境風(fēng)險的評價過程中.HAMED[7]、金菊良等[8]運(yùn)用了隨機(jī)模型處理地下水風(fēng)險評價中的不確定性;模糊理論和模糊模型也常被用于環(huán)境污染風(fēng)險的綜合評價[9-13].然而很多研究局限于單一的環(huán)境風(fēng)險研究,它們或?qū)我坏奈廴疚锍瑯?biāo)程度作為環(huán)境風(fēng)險的表征,或?qū)⑽廴疚飳θ祟惤】档奈：Τ潭茸鳛榄h(huán)境風(fēng)險的表征[14-16].目前在評價過程中同時考慮河流污染脆弱性與污染物對人體健康危害性的還較少.Uricchio等[17]曾在評價地下水污染風(fēng)險的過程中提出需同時考慮含水層的脆弱性和對人體健康的危害性;梁婕等[18]、Li等[1]在這些方面也進(jìn)行了探討性的研究,但均是針對于地下水的風(fēng)險進(jìn)行研究.河流水環(huán)境風(fēng)險不單表現(xiàn)在污染物對人體所產(chǎn)生的健康危害性方面,而且與河流水環(huán)境污染的脆弱性也具有一定的關(guān)系,同時在風(fēng)險評價過程中存在較大的不確定性.因此,本文同時考慮河流水環(huán)境的脆弱性和受污染水體對人體健康的危害性,在模糊綜合評判理論的基礎(chǔ)上,建立模糊綜合評價模型.并對湘江水環(huán)境污染風(fēng)險進(jìn)行評價,直觀地表達(dá)湘江水環(huán)境污染風(fēng)險水平.

1 研究方法

本文在水環(huán)境風(fēng)險評價過程中同時考慮了河流水環(huán)境的脆弱性及受污染水體對人體健康的危害性兩個因素,建立風(fēng)險計算的綜合評判模型.本文將風(fēng)險定義如下:

風(fēng)險(Risk)=f(脆弱性(RiskV),危害性(RiskH)) (1)式中:脆弱性水環(huán)境受污染的難易程度;“危害性”指污染物暴露對人類造成的危害;f指風(fēng)險計算的函數(shù).

1.1 河流水環(huán)境的脆弱性

脆弱性是指水環(huán)境受污染的難易程度,它與河流本身污染物情況、污染源排放以及河流的環(huán)境容量等有關(guān).考慮到資料及數(shù)據(jù)的獲取,將河流污染狀況、污染源排放情況及環(huán)境容量3個指標(biāo)綜合作為脆弱性的評價指標(biāo).以污染物超標(biāo)概率代表河流污染狀況指標(biāo),以污染源排放污染物總量與環(huán)境容量的比值作為對污河流污染狀況指標(biāo)的調(diào)整系數(shù);從而構(gòu)成脆弱性評價指標(biāo).

1.2 河流水環(huán)境的危害性

危害性采用美國環(huán)保局推薦的健康風(fēng)險評價模型,本評價主要包括化學(xué)致癌物和軀體毒物質(zhì)兩種污染物質(zhì)[19].

式中:Rc為化學(xué)致癌物 i(共 k種化學(xué)致癌物)經(jīng)

ig食入途徑的個人平均致癌年風(fēng)險值,a-1;Qig為化學(xué)致癌物 i經(jīng)食入途徑的致癌強(qiáng)度系數(shù),mg/(kg?d);Ci為水環(huán)境中化學(xué)致癌物 i的濃度,mg/L; A為人均體重,kg;70為人類平均壽命,a;W為日平均飲水量,L;Dig為化學(xué)致癌物或軀體毒物質(zhì) i經(jīng)食入途徑的單位體重日均暴露劑量,mg/kg;Rnjg為軀體毒物質(zhì)j(共m種軀體毒物質(zhì))經(jīng)食入途徑所致健康危害的個人平均年風(fēng)險,a-1;R fDjg為軀體毒物質(zhì)j經(jīng)食入途徑的參考劑量,mg/(kg?d);Djg為軀體毒物質(zhì)經(jīng)食入途徑的單位體重日均暴露劑量,mg/(kg?d).

水環(huán)境中化學(xué)有毒污染物總健康危害風(fēng)險為化學(xué)致癌物和軀體毒物質(zhì)健康風(fēng)險之和.

1.3 河流水環(huán)境污染風(fēng)險

采用模糊語言識別理論進(jìn)行風(fēng)險水平判別.首先采用模糊語言將脆弱性和危害性分為 6個等級;并根據(jù)F統(tǒng)計法和專家咨詢法確定脆弱性和危害性的等級隸屬度;最后根據(jù)模糊綜合評判模型式(7),計算污染風(fēng)險.

式中:(A?R)即為式(1)中的 f函數(shù);A為 riskV和riskH的權(quán)重,根據(jù)專家咨詢法確定了 riskV和riskH的權(quán)重,分別為A1=0.4和A2=0.6;R為riskV和 riskH對每個等級隸屬度矩陣,其中 V1,V2,V3,V4,V5,V6分別代表脆弱性對6個等級的隸屬度,H1,H2,H3,H4,H5,H6分別代表危害性對6個等級的隸屬度.

2 研究實(shí)例

湘江近年來由于流域內(nèi)工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,水質(zhì)受到了不同程度的污染.為了解湘江水環(huán)境污染風(fēng)險,選取14個斷面對湘江水環(huán)境污染風(fēng)險進(jìn)行模糊綜合評價.

2.1 參數(shù)的確定

評價因子共設(shè) 8種污染物質(zhì),包括化學(xué)致癌物Cd、As和Cr6+,非化學(xué)致癌物Hg、Pb、氰化物、NH3和揮發(fā)酚,這 8種污染物是湘江的特征污染物.各評價因子的監(jiān)測值見表1.

根據(jù)國際癌癥研究機(jī)構(gòu)(IARC)和世界衛(wèi)生組織(WHO)編制的權(quán)衡化學(xué)物質(zhì)致癌性可靠程度體系,Cd、As和Cr6+分別屬于1組和2A組的化學(xué)物質(zhì),為化學(xué)致癌物,根據(jù)US EPA[20],其致癌強(qiáng)度系數(shù)igQ (飲水途徑)分別為 6.1,15,41mg/(kg?d);Hg、Pb、CN、NH3和揮發(fā)酚為非化學(xué)致癌物質(zhì),其參考劑量igRfD (飲水途徑)分別是3.0×10-4,14×10-3,3.7×10-2,9.7×10-1,1.0×10-1mg/(kg?d).

表1 2007年湘江水質(zhì)監(jiān)測(mg/L)Table 1 Water quality date of Xiangjiang River in 2007 (mg/L)

2.2 脆弱性計算結(jié)果

圖1 脆弱性的模糊隸屬函數(shù)Fig.1 Fuzzy membership function of vulnerability

采用 F統(tǒng)計法及專家咨詢法,將“脆弱性”共分為 6個等級:L、L-M、M、M-H、H、VH,分別代表低、低-中、中、中-高、高及極高等級.其隸屬度函數(shù)見圖 1.根據(jù)式(9)可得到“脆弱性”的隸屬函數(shù).其中:＆為調(diào)整系統(tǒng);Q排為污染物總排放量;Q為環(huán)境容量;RiskV是該斷面的脆弱性隸屬度;fV為脆弱性計算函數(shù).即圖 1;Max(E1,E2,E3…E8)為該斷面的超標(biāo)率;E1,E2,E3…E8分別為該斷面8種污染物的超標(biāo)率.各斷面的超標(biāo)率及脆弱性的隸屬度見表2.

2.3 “危害性”計算結(jié)果

同樣采用 F統(tǒng)計法及專家咨詢法,將危害性共分為6個等級:L、L-M、M、M-H、H、VH,分別代表低、低-中、中、中-高、高及極高等級.其隸屬度函數(shù)見圖2.

表2 脆弱性模糊隸屬度計算Table 2 Fuzzy membership of vulnerability

圖2 危害性的模糊隸屬函數(shù)Fig.2 Fuzzy membership function of hazard

根據(jù)式(2)～式(6)對各斷面健康風(fēng)險值進(jìn)行計算,得到各斷面的健康風(fēng)險值,見表 3.根據(jù)式(10)可計算得出各斷面危害性的隸屬度,見表3.

其中:RiskH是該斷面的脆弱性隸屬度;fH脆弱性計算函數(shù),即圖2;lgH為各斷面健康風(fēng)險值的對數(shù).

表3 危害性模糊隸屬度計算Table 3 Fuzzy membership of hazard

2.4 水環(huán)境污染風(fēng)險計算

根據(jù)式(7),脆弱性和危害性的權(quán)重分別為0.4和0.6,并根據(jù)2.2節(jié)和2.3節(jié)得出脆弱性和危害性的隸屬度,可按式(7)計算出各個斷面的水環(huán)境污染風(fēng)險,如港子口斷面的計算如下:

表4 湘江各斷面水環(huán)境污染風(fēng)險Table 4 Pollution risk for 14 sections of Xiangjiang river

3 結(jié)論

3.1 該評價模型在不確定性的基礎(chǔ)上,同時考慮河流水環(huán)境污染的脆弱性與污染物對人體健康危害性,直觀地表達(dá)了水環(huán)境污染風(fēng)險的水平.

3.2 采用該模型評價湘江 14個斷面的水質(zhì)污染風(fēng)險,為湘江水資源管理和優(yōu)先控制斷面的選取提供新思路和新方法.

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An integrated model for assessing the risk of water environmental pollution based on fuzziness.

ZHU Hui-na,？YUAN Xing-zhong*,LIANG Jie, ZENG Guang-ming, JIANG Hong-wei (Key Laboratory of Environmental Biology and Pollution Control, Ministry of Education, College of Environmental Science and Engineering,Hunan University,Changsha 410082, China). China Environmental Science,2011,31(3)：516～521

Considering both the vulnerability of water environmental and hazard to human beings, an integrated model for assessing the risk of water environmental pollution was developed based on fuzziness. In this model, vulnerability and hazard were both divided into six categories based on fuzzy theory. The fuzzy membership functions of vulnerability and hazard were built by the experts consultation and F statistical method. In order to obtain general risk of water environmental pollution, integrated evaluation was used to combine vulnerability and hazard together. The model was applied to 14 sections of Xiangjiang River, the pollution risk levels of which were intuitively expressed. In a sense, the developed model can provide new ideas and methods for the water resource management and the selecting of priority control section of Xiangjiang River.

water environmental risk；integrated evaluation；fuzzy membership；vulnerability；hazard

X820.4

A

1000-6923(2011)03-0516-06

2010-07-24

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2009ZX07212-001-06);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51009063)

* 責(zé)任作者, 教授, yxz@hnu.cn

祝慧娜(1986-),女,河南新鄉(xiāng)人,湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生,主要從事環(huán)境系統(tǒng)工程及環(huán)境風(fēng)險評價方面的研究.發(fā)表論文3篇.