地下水污染防控目標(biāo)量化方法研究

井柳新 劉偉江 王 東 吳悅穎 文 一 丁貞玉

(環(huán)境保護(hù)部環(huán)境規(guī)劃院，北京100012)

我國(guó)地下水污染問(wèn)題日益突出，部分地區(qū)出現(xiàn)了地下水重金屬和有機(jī)物污染現(xiàn)象，對(duì)人類健康和生態(tài)安全造成威脅［1－3］。因此，開(kāi)展地下水污染防控刻不容緩。而在開(kāi)展此項(xiàng)工作之前，需要制定一個(gè)明確的目標(biāo)。這樣決策者才能通過(guò)目標(biāo)管理，以檢驗(yàn)工作的具體實(shí)施效果。

但目前在地下水污染防控目標(biāo)制定方面，定性研究較多，定量研究較少［4－7］。本文以石家莊市及其近郊區(qū)為案例區(qū)，初步探索地下水污染防控目標(biāo)的定量化方法，并結(jié)合實(shí)際調(diào)查結(jié)果，提出案例區(qū)的地下水污染防控量化目標(biāo)。

1 地下水污染防控目標(biāo)量化方法

1.1 目標(biāo)分解及其數(shù)學(xué)表達(dá)

開(kāi)展地下水污染防控的主要目的就是要保障人體健康和保護(hù)地下水生態(tài)環(huán)境。因此，將地下水污染防控目標(biāo)分解為保障地下水源安全(D)和改善地下水環(huán)境質(zhì)量(I)兩個(gè)子目標(biāo)。

保障地下水源安全(D)主要考慮以下4 個(gè)因素:地下水源地水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況(D1)、一級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)污染源監(jiān)管情況(D2)、二級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)污染源監(jiān)管情況(D3)和準(zhǔn)保護(hù)區(qū)內(nèi)污染源監(jiān)管情況(D4)。其函數(shù)關(guān)系式如下:

根據(jù)不同的實(shí)際情況，該函數(shù)可能是線性的，也可能是非線性的。

改善地下水環(huán)境質(zhì)量(I)主要考慮以下幾個(gè)因素:地下水系統(tǒng)本質(zhì)脆弱性(I1)和各類地下水污染源防控措施建設(shè)情況(I2～I(xiàn)n+1)。其函數(shù)關(guān)系式如下:

根據(jù)不同的實(shí)際情況，該函數(shù)可能是線性的，也可能是非線性的。

1.2 目標(biāo)量化方法

采用模糊綜合評(píng)判法和層次分析法確定量化目標(biāo)［8－11］。

(1)保障地下水源安全目標(biāo)量化

第一步，確定模糊評(píng)判等級(jí)集。將地下水源安全分為安全、有風(fēng)險(xiǎn)和不安全三個(gè)等級(jí)，分別賦予分值為1、0.5 和0。則得到模糊評(píng)判等級(jí)矩陣FD=(1，0.5，0)T。

第二步，采用專家打分法進(jìn)行單因素分析，確定模糊評(píng)判關(guān)系矩陣。假設(shè)評(píng)價(jià)小組有10 個(gè)人，對(duì)于地下水源地水質(zhì)達(dá)標(biāo)方面，有7 人認(rèn)為安全，2 人認(rèn)為有風(fēng)險(xiǎn)，1 人認(rèn)為不安全。則對(duì)于地下水源地水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況的評(píng)價(jià)可以得到一個(gè)評(píng)價(jià)集:PD1={7/10，2/10，1/10}，同理可以得到其他單因素評(píng)價(jià)集PD2、PD3、PD4。

由此，可得到整個(gè)因素集對(duì)評(píng)價(jià)集的模糊評(píng)判矩陣，用表示:

第三步，采用層次分析法確定權(quán)重集。對(duì)于目標(biāo)而言，各個(gè)因素的重要程度是不同的。為了反映各因素的重要程度，需要對(duì)每個(gè)因素賦予一定權(quán)重值Wi，且滿足Wi＞0，∑Wi=1。采用層次分析法構(gòu)造判別矩陣，即通過(guò)各因素兩兩比較，回答哪一個(gè)因素更加重要的問(wèn)題，最終賦予各因素權(quán)重值。這個(gè)重要程度的判斷通過(guò)已經(jīng)界定的比例標(biāo)度表達(dá)，見(jiàn)表1 標(biāo)度等級(jí)劃分表。得到各因素權(quán)重矩陣WD=(WD1，WD2，WD3，WD4)。

表1 標(biāo)度等級(jí)劃分表

第四步，通過(guò)矩陣運(yùn)算得出目標(biāo)函數(shù)值D。

式中KD是一個(gè)(1 ×3)階矩陣。

(2)改善地下水環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)量化

第一步，確定模糊評(píng)判等級(jí)集。將地下水環(huán)境質(zhì)量狀況分為變好、不變和變差三個(gè)等級(jí)，分別賦予分值為1、0.5 和0。則得到模糊評(píng)判等級(jí)矩陣FI=(1，0.5，0)T。

第二步，采用專家打分法進(jìn)行單因素分析，確定模糊評(píng)判關(guān)系矩陣。得到因素集對(duì)評(píng)價(jià)集的模糊評(píng)判矩陣，用PI表示:

第三步，采用層次分析法確定權(quán)重集。得到各因素權(quán)重矩陣:

第四步，通過(guò)矩陣運(yùn)算得出目標(biāo)函數(shù)值I。

式中KI是一個(gè)(1 ×3)階矩陣。

2 案例地區(qū)地下水污染防控目標(biāo)制定

2.1 案例區(qū)概況

案例區(qū)包括石家莊市市區(qū)及其下屬的正定縣、欒城縣和藁城市。該區(qū)域以第四系孔隙地下水為主要供水水源，但由于含水層巖性以砂性土為主，透水性較強(qiáng)，地下水易受污染。經(jīng)國(guó)土部門開(kāi)展的“滹沱河沖積平原地下水污染調(diào)查評(píng)價(jià)”項(xiàng)目顯示，案例區(qū)地下水存在重金屬超標(biāo)現(xiàn)象，主要污染指標(biāo)為汞、鉻、鎘、鉛等;地下水有機(jī)物污染較嚴(yán)重，主要污染指標(biāo)為苯、四氯化碳、三氯乙烯等。主要污染成因?yàn)楣I(yè)源污染、垃圾填埋場(chǎng)滲濾液下滲和畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)污染排放等［1］。通過(guò)“全國(guó)地下水基礎(chǔ)環(huán)境狀況調(diào)查評(píng)估”項(xiàng)目調(diào)查發(fā)現(xiàn)，案例區(qū)的加油站已成為地下水有機(jī)污染的主要潛在污染源。2013年，“華北平原典型地區(qū)地下水污染防控技術(shù)體系研究”項(xiàng)目又對(duì)該案例區(qū)進(jìn)行了補(bǔ)充調(diào)查，發(fā)現(xiàn)部分工業(yè)企業(yè)將生產(chǎn)廢水廢物簡(jiǎn)易存放，極大威脅著地下水環(huán)境安全。

經(jīng)歷史調(diào)查及補(bǔ)充調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該案例區(qū)共有地下水水源地1 個(gè)，且水源水質(zhì)良好;加油站245 家，其中58家的儲(chǔ)油罐為單層罐且沒(méi)有設(shè)置防滲池;垃圾填埋場(chǎng)5個(gè)，其中4 個(gè)為簡(jiǎn)易填埋場(chǎng);工業(yè)污染企業(yè)38 家，其中發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)易存放工業(yè)廢水廢物的坑池27 個(gè);工業(yè)污染場(chǎng)地2 個(gè)，其中1 個(gè)為有機(jī)污染場(chǎng)地，1 個(gè)為重金屬污染場(chǎng)地;畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)8 個(gè);危險(xiǎn)廢物堆放場(chǎng)3 個(gè);農(nóng)業(yè)污染源主要分布在欒城、正定一帶。

2.2 目標(biāo)分解及量化

案例區(qū)地下水污染防控目標(biāo)可以分解為保障地下水源安全目標(biāo)和改善地下水環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)。

(1)保障地下水源安全目標(biāo)量化

將地下水源安全分為安全、有風(fēng)險(xiǎn)和不安全三個(gè)等級(jí)，分別賦予分值為1、0.5 和0。則得到模糊評(píng)判等級(jí)矩陣FD=(1，0.5，0)T。

案例區(qū)保障地下水源安全目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)主要考慮地下水源地水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況(D1)、一級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)污染源監(jiān)管情況(D2)、二級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)污染源監(jiān)管情況(D3)和準(zhǔn)保護(hù)區(qū)內(nèi)污染源監(jiān)管情況(D4)等4 個(gè)因素。

由10 人組成的專家組，在單獨(dú)考慮每個(gè)因素影響的前提下，采用模糊綜合評(píng)判法對(duì)2020年案例區(qū)地下水源安全進(jìn)行分析和評(píng)分。得到因素集對(duì)評(píng)價(jià)集的模糊評(píng)判矩陣PD:

采用層次分析法，對(duì)各因素相對(duì)于目標(biāo)的重要性進(jìn)行兩兩比較，通過(guò)比例標(biāo)度，構(gòu)造出比較判斷矩陣，見(jiàn)表2。

表2 D－D1～D4 判斷矩陣

根據(jù)表2 計(jì)算得出，該判斷矩陣λmax的為4.1185，其對(duì)應(yīng)的特征向量為(0.5579，0.2633，0.1219，0.0569)T，CR 值為0.0444 ＜0.1000，則判斷矩陣具有滿意一致性。得到各因素權(quán)重矩陣:WD=(0.5579，0.2633，0.1219，0.0569)。

通過(guò)公式(3)計(jì)算矩陣KD=(0.8273，0.1613，0.0114)。通過(guò)公式(4)計(jì)算得出案例區(qū)保障地下水源安全目標(biāo)值D=0.9080，值接近1?？梢?jiàn)，只要做好地下水源地的日常監(jiān)測(cè)與管理工作，到2020年可以保障案例區(qū)地下水源安全。

(2)改善地下水環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)量化

將地下水環(huán)境質(zhì)量狀況分為變好、不變和變差三個(gè)等級(jí)，分別賦予分值為1、0.5 和0。則得到模糊評(píng)判等級(jí)矩陣FI=(1，0.5，0)T。

改善案例區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量狀況目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)主要考慮以下9 個(gè)因素:地下水系統(tǒng)本質(zhì)脆弱性(I1)、加油站儲(chǔ)油罐防滲措施設(shè)置與地下水質(zhì)監(jiān)測(cè)情況(I2)、垃圾填埋場(chǎng)防滲措施設(shè)置與地下水質(zhì)監(jiān)測(cè)情況(I3)、危險(xiǎn)廢物堆放場(chǎng)防滲措施設(shè)置與地下水質(zhì)監(jiān)測(cè)情況(I4)、農(nóng)業(yè)污染源的影響(I5)、畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)廢水廢物排放與地下水質(zhì)監(jiān)測(cè)情況(I6)、工業(yè)污染源的影響與地下水質(zhì)監(jiān)測(cè)情況(I7)、簡(jiǎn)易存放工業(yè)廢水廢物坑池的影響(I8)和工業(yè)污染場(chǎng)地的影響(I9)。

由10 人組成的專家組，在單獨(dú)考慮每個(gè)因素影響的前提下，采用模糊綜合評(píng)判法對(duì)2020年案例區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量狀況改善趨勢(shì)進(jìn)行分析和評(píng)分。得到因素集對(duì)評(píng)價(jià)集的模糊評(píng)判矩陣PI:

采用層次分析法，對(duì)各因素相對(duì)于目標(biāo)的重要性進(jìn)行兩兩比較，通過(guò)比例標(biāo)度，構(gòu)造出比較判斷矩陣，見(jiàn)表3。

表3 I－I1～I(xiàn)9 判斷矩陣

根據(jù)表3 計(jì)算得出，該判斷矩陣的λmax為10.1244，其對(duì)應(yīng)的特征向量為(0.0197，0.1045，0.1024，0.0534，0.0353，0.0353，0.1462，0.3203，0.1828)T，CR 值為0.0963 ＜0.1000，則判斷矩陣具有滿意一致性。得到各因素權(quán)重矩陣:WI=(0.0197，0.1045，0.1024，0.0534，0.0353，0.0353，0.1462，0.3203，0.1828)

通過(guò)公式(5)計(jì)算矩陣KI=(0.0059，0.1056，0.8883)。通過(guò)公式(6)計(jì)算得出案例區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量狀況改善目標(biāo)值I=0.0587，I 值接近0。可見(jiàn)，如果不采取必要措施防控地下水污染，到2020年案例區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量狀況將呈持續(xù)惡化趨勢(shì)，地下水環(huán)境質(zhì)量會(huì)變得更差，人類健康與生態(tài)安全將受到嚴(yán)重威脅。

從因素權(quán)重矩陣可以看出，導(dǎo)致案例區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量惡化的主要影響因素為I2、I3、I7、I8和I9。因此，優(yōu)先從以上5 個(gè)方面提出案例區(qū)2020年的控制目標(biāo):所有加油站儲(chǔ)油罐均設(shè)置防滲池或更換為雙層罐;所有垃圾填埋場(chǎng)設(shè)防滲層及垃圾滲濾液收集處理系統(tǒng);對(duì)簡(jiǎn)易存放工業(yè)廢水廢物的坑池全部清理或增設(shè)防滲層;修復(fù)已發(fā)現(xiàn)的地下水污染場(chǎng)地;建立地下水污染源監(jiān)測(cè)網(wǎng)并開(kāi)展日常監(jiān)測(cè)。

假設(shè)以上控制目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，即改變了影響因素I2、I3、I7、I8、I9的變化趨勢(shì)，再次采用模糊綜合評(píng)判法，由10 人組成的專家組分別對(duì)每個(gè)因素影響下的2020年案例區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量狀況改善趨勢(shì)進(jìn)行分析和評(píng)分。得到因素集對(duì)評(píng)價(jià)集的模糊評(píng)判矩陣PI:

通過(guò)公式(5)計(jì)算矩陣KI=(0.7915，0.1554，0.0530)。通過(guò)公式(6)計(jì)算得出案例區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量狀況改善目標(biāo)值I=0.8692，I 值接近1?？梢?jiàn)，到2020年，在實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的前提下，案例區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量狀況將得到改善。

2.3 目標(biāo)的確立及可達(dá)性分析

(1)2020年案例區(qū)地下水污染防控量化目標(biāo)

到2020年，案例區(qū)地下水源水質(zhì)保持良好，地下水源安全得到保障;58 家加油站的儲(chǔ)油罐設(shè)置防滲池或更換為雙層罐;4 個(gè)簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)增設(shè)防滲層及垃圾滲濾液收集處理系統(tǒng);27 個(gè)簡(jiǎn)易存放工業(yè)廢水廢物的坑池全部清理或增設(shè)防滲層;修復(fù)已發(fā)現(xiàn)的2 個(gè)地下水污染場(chǎng)地;建立地下水污染源監(jiān)測(cè)網(wǎng)并開(kāi)展日常監(jiān)測(cè)，245 家加油站每家建設(shè)1 口地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)井，4個(gè)簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)每個(gè)建設(shè)3 口地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)井，38家工業(yè)企業(yè)每家建設(shè)3 口地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)井，8 個(gè)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)每個(gè)建設(shè)3 口地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)井，3 個(gè)危險(xiǎn)廢物堆放場(chǎng)每個(gè)建設(shè)3 口地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)井，共計(jì)建設(shè)404口地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)井。

(2)目標(biāo)可達(dá)性分析

采用經(jīng)濟(jì)可行性分析法，判斷案例區(qū)2020年地下水污染防控量化目標(biāo)的可達(dá)性。

①地下水源保護(hù)費(fèi)用測(cè)算。水質(zhì)全指標(biāo)分析(即《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB5749－2006》中的所有水質(zhì)指標(biāo))費(fèi)用按照3 萬(wàn)元每組計(jì)，2014～2020年的6年期間每年測(cè)1 組，案例區(qū)共有1 個(gè)地下水水源地，到2020年，水質(zhì)全指標(biāo)分析費(fèi)用為18 萬(wàn)元。

每個(gè)地下水水源地的日常監(jiān)管以2 名工作人員負(fù)責(zé)計(jì)，每人每年工資按5 萬(wàn)元計(jì)，到2020年，地下水水源地日常監(jiān)管費(fèi)用為60 萬(wàn)元。

②污染源防控與治理費(fèi)用測(cè)算。加油站儲(chǔ)油罐更換雙層罐按10 萬(wàn)元每罐計(jì)［12］，平均每家加油站有4 個(gè)儲(chǔ)油罐，則58 家加油站增設(shè)防滲措施的費(fèi)用為2320 萬(wàn)元。

案例區(qū)垃圾填埋場(chǎng)規(guī)模均較小，以年填埋量為60萬(wàn)噸的垃圾填埋場(chǎng)為參考，其鋪設(shè)防滲層的費(fèi)用為10萬(wàn)元/個(gè);以日流量為50m3的垃圾滲濾液收集處理系統(tǒng)為參考，其基建費(fèi)用為每個(gè)系統(tǒng)60 萬(wàn)元［13－17］。案例區(qū)共有4 個(gè)簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)，其增設(shè)防滲層及垃圾滲濾液收集處理系統(tǒng)的費(fèi)用為280 萬(wàn)元。

簡(jiǎn)易存放工業(yè)廢水廢物的坑池增設(shè)防滲層，以10萬(wàn)元每個(gè)計(jì)，27 個(gè)坑池共需270 萬(wàn)元。

以此次的重金屬污染場(chǎng)地修復(fù)項(xiàng)目投資1300 萬(wàn)元為參考，2 個(gè)工業(yè)污染場(chǎng)地修復(fù)共需2600 萬(wàn)元。

③監(jiān)測(cè)井建設(shè)與常規(guī)監(jiān)測(cè)費(fèi)用測(cè)算。在華北平原地區(qū)，建設(shè)1 口淺層地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)井按3 萬(wàn)元計(jì)，建設(shè)404 口地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)井共需1212 萬(wàn)元。

水質(zhì)檢測(cè)費(fèi)用按4000 元每組計(jì)，常規(guī)每年每口監(jiān)測(cè)井取3 組水樣，則2014～2020年的6年期間，共需常規(guī)監(jiān)測(cè)費(fèi)用約2909 萬(wàn)元。

可見(jiàn)，擬實(shí)現(xiàn)案例區(qū)2020年地下水污染防控量化目標(biāo)，共需資金投入9669 萬(wàn)元。2013年石家莊市環(huán)保資金投入共約115 億元，且未來(lái)5年仍有上升趨勢(shì)。案例區(qū)的地下水污染防控所需資金僅占2013年石家莊市環(huán)保資金投入的0.84%。因此，案例區(qū)2020年地下水污染防控量化目標(biāo)的制定較為合理，目標(biāo)可達(dá)。

3 結(jié) 論

(1)以石家莊市及其近郊區(qū)為案例區(qū)，結(jié)合歷史調(diào)查及補(bǔ)充調(diào)查成果，初步探索地下水污染防控量化目標(biāo)制定方法，將案例區(qū)地下水污染防控目標(biāo)分解為保障地下水源水質(zhì)目標(biāo)和改善地下水環(huán)境質(zhì)量狀況目標(biāo)。

(2)采用模糊綜合評(píng)判法和層次分析法建立目標(biāo)量化函數(shù)，制定了案例區(qū)2020年地下水污染防控目標(biāo):地下水源水質(zhì)保持良好，58 家加油站、4 個(gè)簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)、27 個(gè)簡(jiǎn)易存放工業(yè)廢水廢物的坑池增設(shè)防滲措施，2 個(gè)地下水污染場(chǎng)地得到修復(fù)，建設(shè)404 口污染源地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)井并開(kāi)展常規(guī)監(jiān)測(cè)。

(3)通過(guò)經(jīng)濟(jì)可行性分析，對(duì)案例區(qū)2020年地下水污染防控量化目標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明該目標(biāo)制定的較為合理，目標(biāo)可達(dá)。

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