地下水質(zhì)量指標(biāo)分類綜合評價方法研究

許 真，何江濤，馬文潔，曾 穎

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境工程北京市重點實驗室，北京 100083;2.四川省地質(zhì)工程勘察院，四川成都 610071;3.東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西南昌 330013)

為保護和合理開發(fā)地下水資源，需要對地下水質(zhì)量做出科學(xué)可靠的評價。地下水作為一種寶貴的資源，是極其重要的生態(tài)環(huán)境因子［1］。近些年來，隨著人類活動的增加，對地下水資源的需求量越來越大，地下水污染問題越發(fā)嚴(yán)重。地下水污染中檢出的組分越來越多、越來越復(fù)雜，而且污染程度和深度也在不斷增加。檢出“三致”(致癌、致畸、致突變)微量有機物已經(jīng)是普遍現(xiàn)象，新修訂的地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中水質(zhì)指標(biāo)由GB/T 14848-1993的39項增加至93項，其中47項為有機毒理學(xué)指標(biāo)，原有的地下水質(zhì)量綜合評價方法受到巨大挑戰(zhàn)。

目前國內(nèi)關(guān)于地下水質(zhì)量綜合評價的方法較多，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)方法。常見的地下水質(zhì)量評價方法有綜合指數(shù)法［2］、模糊綜合評價法［3～4］、灰色聚類法［5］、熵權(quán)屬性識別評價［6］等。還有利用水質(zhì)指標(biāo)分類評價的方法［7］以及在不同評價模型間進行交叉和融合的方法［8］對地下水質(zhì)量進行評價。這些方法普遍存在問題主要表現(xiàn)為:(1)多數(shù)僅適用于常規(guī)指標(biāo)，評價結(jié)果往往僅體現(xiàn)地下水的一般質(zhì)量［9］，難以客觀全面的反映地下水的綜合質(zhì)量。(2)差異巨大的不同性質(zhì)指標(biāo)采用同一種評價方法，結(jié)果容易產(chǎn)生嚴(yán)重歧義和誤導(dǎo)，掩蓋有毒有機物、重金屬等對人體健康危害較大污染物的影響;(3)評價出來的水質(zhì)類別分布不符合地下水水質(zhì)分布連續(xù)性地學(xué)統(tǒng)計特征，存在水質(zhì)類別缺失和跳躍的問題。國外對地下水質(zhì)量評價是從水質(zhì)指標(biāo)出發(fā)，對比世界衛(wèi)生組織飲用水標(biāo)準(zhǔn)或者美國環(huán)保局飲用水標(biāo)準(zhǔn)，查看水質(zhì)指標(biāo)的對比情況［10］。還有運用多元統(tǒng)計方法以及水文地球化學(xué)圖解法進行評價［11］。以及基于化學(xué)濃度的測試，實驗室毒性測試和物理化學(xué)分析三者相結(jié)合的地下水質(zhì)量評價方法［12］。與中國水質(zhì)綜合評價要求不一致，難以借鑒。

地下水質(zhì)量評價結(jié)果的可靠程度與評價方法的科學(xué)性密不可分，為了合理地對地下水質(zhì)量進行評價，針對目前存在的問題，本文提出了指標(biāo)分類的地下水質(zhì)量綜合評價方法。利用單指標(biāo)質(zhì)量分類統(tǒng)計法評價感官性狀與一般化學(xué)指標(biāo)，利用單指標(biāo)最大分類確定法評價毒理學(xué)指標(biāo)，最終結(jié)果分別給出感官性狀與一般化學(xué)指標(biāo)級別和毒理學(xué)指標(biāo)級別?？紤]到毒理學(xué)指標(biāo)級別并不能完全體現(xiàn)其對人體的健康風(fēng)險，評價結(jié)果附上毒理學(xué)指標(biāo)的飲水途徑健康風(fēng)險以供參考。

1 地下水質(zhì)量指標(biāo)分類綜合評價方法

針對地下水指標(biāo)繁多，類型不一，尤其是在地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中納入了大量的有機毒理學(xué)指標(biāo)，并且考慮到感官性狀與一般化學(xué)指標(biāo)和毒理學(xué)指標(biāo)對人體健康的危害性存在比較大的差異，兩者一起評價的結(jié)果可能會存在嚴(yán)重歧義。提出了指標(biāo)分類評價，分別對感官性狀與一般化學(xué)指標(biāo)和毒理學(xué)指標(biāo)進行評價，最終結(jié)果用兩者共同表示。

提出感官性狀與一般化學(xué)指標(biāo)評價方法之前，曾經(jīng)嘗試從單指標(biāo)賦值和綜合指數(shù)分級區(qū)間調(diào)整對內(nèi)梅羅指數(shù)法進行改進，并且嘗試?yán)?0項感官性狀與一般化學(xué)指標(biāo)所有排列組合的地下水水樣進行評價試算，試算結(jié)果均不理想。對其它常用地下水質(zhì)量評價方法的改進也以失敗告終。幾經(jīng)反復(fù)最終提出了單指標(biāo)質(zhì)量分類統(tǒng)計法評價感官性狀與一般化學(xué)指標(biāo)。

由于毒理學(xué)指標(biāo)危害性大，評價過程中采用一般的方法容易掩蓋其危害性，評價結(jié)果可能產(chǎn)生嚴(yán)重歧義和誤導(dǎo)。比如評價中同時存在一個高風(fēng)險指標(biāo)和一個低風(fēng)險指標(biāo)，疊加評價使得評價結(jié)果體現(xiàn)不出高風(fēng)險指標(biāo)。本文提出利用單指標(biāo)最大分類確定法進行評價?？紤]到地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的制定不僅僅從水質(zhì)指標(biāo)出發(fā)，還要從社會經(jīng)濟管理的角度出發(fā)，因此某些毒理學(xué)指標(biāo)在飲用水標(biāo)準(zhǔn)下已經(jīng)存在一定的健康風(fēng)險，所以非常有必要在水質(zhì)評價結(jié)果的基礎(chǔ)上，補充毒理學(xué)指標(biāo)飲水途徑的健康風(fēng)險。本文利用美國環(huán)境保護署的健康風(fēng)險評價模型計算出毒理學(xué)指標(biāo)的人體健康風(fēng)險水平［13］。

1．1 感官性狀與一般化學(xué)指標(biāo)評價方法

(1)參加評價的指標(biāo)依據(jù)GB/T 14848-XXX《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》修訂版規(guī)定的20項感官性狀與一般化學(xué)指標(biāo)確定，參評指標(biāo)應(yīng)不少于10項。

(2)依據(jù)GB/T 14848-XXX《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》修訂版地下水質(zhì)量指標(biāo)及限值，對參評的各項單組分指標(biāo)進行評價，劃分單指標(biāo)組分所屬質(zhì)量類別。

(3)統(tǒng)計所有參評指標(biāo)Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ不同質(zhì)量類別的個數(shù)。

(4)根據(jù)Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ不同質(zhì)量類別的個數(shù)劃分地下水綜合質(zhì)量類別，劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 感官性狀與一般化學(xué)指標(biāo)級別分類表Table 1 Level classification of organoleptic and general chemical indicators

1．2 毒理學(xué)指標(biāo)評價

依據(jù)GB/T 14848-XXX《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》修訂版地下水質(zhì)量指標(biāo)及限值，對各項單組份毒理學(xué)指標(biāo)進行質(zhì)量類別判斷，將毒理學(xué)指標(biāo)中質(zhì)量類別最高的作為評價的最終結(jié)果。

1．3 毒理學(xué)指標(biāo)人體健康風(fēng)險

毒理學(xué)指標(biāo)區(qū)分致癌指標(biāo)與非致癌指標(biāo)，查詢毒理學(xué)指標(biāo)參數(shù)信息［14］，獲取相關(guān)參數(shù)分別計算致癌指標(biāo)與非致癌指標(biāo)的人體健康風(fēng)險［15］。

(1)非致癌指標(biāo)人體健康風(fēng)險

污染物暴露的日均劑量計算公式:

式中:CDI——污染物暴露的日均劑量(mg/kg/d);

CW——污染物濃度(mg/L);

IR——每日飲水量，建議值為成人2.0L/d;

EF——暴露頻率，采用值為365d/a;

ED——暴露持續(xù)時間，采用值為70a;

BW——體重，采用值為60kg;

AT——暴露發(fā)生的平均時間(d)，致癌效應(yīng)取值70a×365d/a，非致癌效應(yīng)取值30a×365d/a。

非致癌指標(biāo)人體健康風(fēng)險計算公式:

式中:Ri＇——非致癌指標(biāo)i的人體健康風(fēng)險;

RfD——參考劑量(mg/kg/d);

10-6——與RfD相對應(yīng)的假設(shè)可接受的健康風(fēng)險水平。

(2)致癌指標(biāo)人體健康風(fēng)險

致癌指標(biāo)人體健康風(fēng)險計算公式:

式中:Ri——致癌指標(biāo)i的人體健康風(fēng)險;

SF——致癌斜率因子，(mg/kg/d)-1。

(3)毒理學(xué)指標(biāo)總健康風(fēng)險

總健康風(fēng)險計算公式:

式中:RT——毒理學(xué)指標(biāo)總健康風(fēng)險;

ΣRi'——非致癌指標(biāo)總健康風(fēng)險，由于非致癌毒理學(xué)指標(biāo)的閾值效應(yīng)，當(dāng)其健康風(fēng)險小于10-6時，不參加疊加計算。

ΣRi——致癌指標(biāo)總健康風(fēng)險;

1．4 地下水質(zhì)量綜合評價結(jié)果表示

地下水質(zhì)量綜合評價結(jié)果采用聯(lián)合表示方法，以羅馬數(shù)字表示感官性狀與一般化學(xué)指標(biāo)評價結(jié)果，以阿拉伯?dāng)?shù)字表示毒理學(xué)指標(biāo)評價結(jié)果，并將實際計算得出的毒理學(xué)指標(biāo)總健康風(fēng)險以括弧表示。示例如下:

2 實例驗證及對比分析

采用淮河流域某地區(qū)2009年地下水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，運用提出的地下水質(zhì)量指標(biāo)分類綜合評價方法進行評價。

2．1 感官性狀與一般化學(xué)指標(biāo)評價

感官性狀與一般化學(xué)指標(biāo)評價因子為總硬度、氨氮、硫酸鹽、氯化物、鐵、溶解性總固體、錳、鋁、鋅、耗氧量和鈉11項指標(biāo)，地下水水樣共計81組。評價標(biāo)準(zhǔn)采用GB/T 14848-XXX《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(修訂版)。評價方法采用提出的地下水質(zhì)量指標(biāo)分類綜合評價方法中感官性狀與一般化學(xué)指標(biāo)評價方法，評價結(jié)果見圖1。

從地下水感官性狀與一般化學(xué)指標(biāo)評價結(jié)果可以看出，從感官性狀與一般化學(xué)指標(biāo)考慮，淮河流域某地區(qū)的地下水主要以Ⅲ類水為主，約占全區(qū)的一半。其次為Ⅳ類水，所占比例為40%。Ⅱ類水與Ⅴ類水均出現(xiàn)的比較少，所占比例均不到10%。研究區(qū)未出現(xiàn)優(yōu)良水。

2．2 毒理學(xué)指標(biāo)評價

依據(jù)GB/T 14848-XXX《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(修訂版)地下水質(zhì)量指標(biāo)及限值，對檢測的30項毒理學(xué)指標(biāo)進行質(zhì)量類別判斷，將毒理學(xué)指標(biāo)中質(zhì)量類別最高的作為評價的最終結(jié)果，其中30項指標(biāo)分別為硝酸鹽、亞硝酸鹽、氟化物、汞、砷、硒、鎘、鉻、鉛、三氯甲烷、四氯化碳、四氯乙烯、1，2- 二氯乙烷、1，1，2- 三氯乙烷、三溴甲烷、1，1-二氯乙烯、氯苯、苯、甲苯、乙苯、苯乙烯、萘、蒽、熒蒽、苯并(b)熒蒽、苯并(a)芘、總六六六、γ-六六六、DDT、六氯苯。毒理學(xué)指標(biāo)評價結(jié)果見圖1，毒理學(xué)指標(biāo)以 3級為主，所占比例達到了48.15%。其次為4級，所占比例為33.33%。5級所占比例為18.52%。分析原始水樣數(shù)據(jù)得知，毒理學(xué)指標(biāo)評價結(jié)果以4、5級為主的原因是硝酸鹽、亞硝酸鹽、氟化物、苯并(a)芘這4項指標(biāo)濃度值過高所致，反映出該地區(qū)已經(jīng)受到了毒理學(xué)指標(biāo)的污染。

圖1 感官性狀與一般化學(xué)指標(biāo)和毒理學(xué)指標(biāo)評價結(jié)果Fig．1 Evaluation results of organoleptic indicators and general chemical and toxicological indicators

2．3 毒理學(xué)指標(biāo)人體健康風(fēng)險計算

對參評的30項毒理學(xué)指標(biāo)進行致癌非致癌分類，同時查詢相關(guān)計算參數(shù)，見表2。根據(jù)提出的人體健康風(fēng)險計算公式，分別計算出致癌指標(biāo)和非致癌指標(biāo)的健康風(fēng)險以及總健康風(fēng)險，總健康風(fēng)險結(jié)果統(tǒng)計見圖3。從圖2可以看出，總健康風(fēng)險以10-4為主，所占比例約為92.6%?？偨】碉L(fēng)險為10-3與10-5所占比例均不到5%。根據(jù)美國環(huán)境保護署提出的人體可接受健康風(fēng)險值的范圍在10-6～10-4之間，研究區(qū)大部分水樣點在可接受范圍之內(nèi)，僅5%左右的地下水水樣點超過10-4。

圖2 毒理學(xué)指標(biāo)總健康風(fēng)險分布圖Fig．2 Distribution of total health risk of toxicological indicators

地下水質(zhì)量綜合評價結(jié)果成圖過程中，感官性狀與一般化學(xué)指標(biāo)評價結(jié)果以質(zhì)量分區(qū)圖表示，毒理學(xué)指標(biāo)評價結(jié)果以單點質(zhì)量類別表示。采用提出的地下水質(zhì)量指標(biāo)分類綜合評價方法，淮河流域某地區(qū)的地下水質(zhì)量綜合評價結(jié)果見圖3。

從評價結(jié)果(圖3)可以看出，研究區(qū)地下水感官性狀與一般化學(xué)指標(biāo)評價結(jié)果為Ⅲ類水主要分布在南部地區(qū)和東北部地區(qū)，Ⅳ類水主要分布在中東部地區(qū)與西北部地區(qū)。Ⅴ類水分布在中部地區(qū)，其它地區(qū)有零星分布。毒理學(xué)指標(biāo)評價結(jié)果以3級為主，在全區(qū)分布。4、5級主要分布在研究區(qū)的中部區(qū)域以及中西部區(qū)域。

2．4 內(nèi)梅羅指數(shù)法對比分析

按照GB14848-93中規(guī)定的內(nèi)梅羅指數(shù)法對11項感官性狀與一般化學(xué)指標(biāo)進行評價，評價結(jié)果見圖4。

圖3 淮河流域某地區(qū)的地下水質(zhì)量綜合評價結(jié)果Fig．3 Results of comprehensive groundwater evaluation in a region of HuaiHe River Basin

表2 毒理學(xué)指標(biāo)參數(shù)Table 2 The relevant parameters of toxicological indicators

從圖4可以看出，內(nèi)梅羅指數(shù)法評價11項感官性狀與一般化學(xué)指標(biāo)水質(zhì)類別以Ⅳ類水為主，占研究區(qū)比例的70%左右，從評價結(jié)果分布(圖5)可以看出Ⅳ類水分布遍及整個研究區(qū)。其次為Ⅴ類水，所占比例約為28%，評價結(jié)果分布圖顯示其主要分布在研究區(qū)的中部區(qū)域以及東南角。Ⅱ類水零星分布在研究區(qū)的西部區(qū)域以及東北角。沒有出現(xiàn)Ⅰ、Ⅲ類水的質(zhì)量類別。評價結(jié)果與提出的地下水質(zhì)量指標(biāo)分類綜合評價方法結(jié)果相比，缺失了Ⅲ類水，不符合地下水水質(zhì)連續(xù)分布的地學(xué)統(tǒng)計特征。同時內(nèi)梅羅指數(shù)法過于突出最大污染因子，使得評價結(jié)果偏差。

利用內(nèi)梅羅指數(shù)法對11項感官性狀與一般化學(xué)指標(biāo)加30項毒理學(xué)指標(biāo)項進行評價。41項指標(biāo)評價結(jié)果見圖4，結(jié)果分布見圖6。

圖4 內(nèi)梅羅指數(shù)法評價Fig．4 Eleven indicators and forty one indicators evaluation results of Nemerow method

圖5 內(nèi)梅羅指數(shù)法評價感官性狀與一般化學(xué)指標(biāo)結(jié)果分布圖Fig．5 Distribution of organoleptic and general chemical indicators evaluation results of the Nemerow method

圖6 內(nèi)梅羅指數(shù)法評價所有指標(biāo)結(jié)果分布圖Fig．6 Distribution of all indicators evaluation results of the Nemerow method

從圖4可以看出，利用內(nèi)梅羅指數(shù)法評價11項感官性狀與一般化學(xué)指標(biāo)加30項毒理學(xué)指標(biāo)，評價結(jié)果以Ⅳ類水為主，所占比例為93.83%。Ⅱ、Ⅴ類水所占比例均不到4%。從評價結(jié)果分布圖可以看出，Ⅳ類水分布在研究區(qū)的大部分區(qū)域范圍，Ⅱ、Ⅴ類水零星的分布在研究的中部區(qū)域與中西部區(qū)域。評價結(jié)果偏差的主要原因可能是內(nèi)梅羅指數(shù)法過于突出最大污染因子。

通過對比分析可以看出，提出的地下水質(zhì)量指標(biāo)分類綜合評價方法能夠解決評價結(jié)果水質(zhì)類別分布不符合地下水水質(zhì)分布連續(xù)性地學(xué)統(tǒng)計特征，存在水質(zhì)類別缺失和跳躍的問題，以及內(nèi)梅羅指數(shù)法過于突出最大污染因子的問題，同時還考慮了不同性質(zhì)指標(biāo)之間的差異性。

3 結(jié)論

針對目前地下水質(zhì)量綜合評價存在的問題，采用指標(biāo)分類地下水質(zhì)量綜合評價方法，分別利用單指標(biāo)質(zhì)量分類統(tǒng)計法評價感官性狀與一般化學(xué)指標(biāo)，利用單指標(biāo)最大分類確定法評價毒理學(xué)指標(biāo)，最終結(jié)果聯(lián)合表示，同時給出毒理學(xué)指標(biāo)的飲水途徑人體健康風(fēng)險。該方法簡單實用，評價結(jié)果意義明確。

(1)淮河流域某地區(qū)的地下水質(zhì)量綜合評價中應(yīng)用結(jié)果顯示，評價結(jié)果簡單明了，符合地學(xué)統(tǒng)計特征。與內(nèi)梅羅指數(shù)法相比，指標(biāo)分類評價結(jié)果更為客觀。

(2)提出的地下水質(zhì)量指標(biāo)分類綜合評價方法可有效解決水質(zhì)綜合評價結(jié)果容易產(chǎn)生歧義和誤導(dǎo)的問題，滿足常規(guī)指標(biāo)和毒理學(xué)指標(biāo)的綜合評價，能夠更好的綜合體現(xiàn)地下水水質(zhì)信息。

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