第2章　农村饮用水水源地安全评价

2.1　安全评价技术体系构建

评价指标体系包含目标层、准则层和指标层三个层次。目标层反映的是各子系统综合运行的最终效果,是安全评价结果的高度总结和直观表达。准则层从水量安全、水质安全、生态安全、工程管理、应急能力五个方面进一步提升水源地安全的水平,即农村饮用水水源地安全评价的一级指标体系。指标层是结合研究区域实际情况选取的具体评价指标,更深入地揭示水源地安全状况,即农村饮用水水源地安全评价的二级指标体系。农村饮用水水源地安全评价指标体系如图2-1所示。

2.1.1　指标体系的构建原则

农村饮用水水源地安全是一个系统的概念,影响因素包括自然环境、人口、经济、社会等诸多方面,水源地的类型不同,影响因子也不尽相同。在选择评价指标时,既要考虑全面又要避免重复,既要体现系统性又要体现层次性,既要能准确度量又要操作简单方便。建立能够从各方面综合体现和衡量农村饮用水水源地安全的评价指标体系是评价工作的前提和基础,为了能够客观、准确、全面地反映不同类型水源地安全状况,在确定指标体系时应遵循以下原则:

(1)全局性与代表性原则。指标体系要能比较客观真实地概括农村饮用水水源地安全的内涵,能全面反映水源地安全的总体特征。同时要注意,并不是越全面越好,要考虑到指标越多,评价越复杂,难度越大,精度可能越差。要选择最必要的,具有代表性、关键性的指标,不能过于细致而导致指标之间的重叠。指标过少,虽然评价过程简单方便,但不能全面地反映整个系统的客观状况。因此在实际应用中,需要除去重复性因素的作用,并找出具有代表性的指标。

(2)系统性与层次性的原则。指标体系是一个复杂的系统,它由不同层次、不同要素组成,需要将系统分解成相互关联的不同层次,指标通常也根据层次结构设定,层次越高指标越综合,层次越低指标越具体。农村饮用水水源地安全指标大系统中又包含几个子系统。相对应的描述指标众多,各指标之间也会相互作用,因此确定指标体系是要分别确定总体指标的目标层、主体指标的准则层和群体指标的具体指标层,并要分别确定各层次指标的权重,做到系统性与层次性相结合。

(3)科学性与可操作性原则。科学性是指用科学合理的方法来选取指标、标准的理论来定义指标的含义,用合理可行的计算方法得出结论,能够较客观、真实地反映系统内部结构关系,并能较好地度量饮用水水源地安全的程度。可操作性是指在实际研究中评价所采用的资料和数据应尽可能容易获取,所选的指标变量必须在现实生活中、现有技术条件下,通过调研、测量或其他简单方便的方法就能够得到,而且指标定义清晰易懂,能被政府主管部门和专业人士所理解和接受。

(4)定量与定性原则。影响水源地安全的因素中,有些可以量化,有些无法量化。一般来说,指标应尽可能量化,以保证评价结果准确可信。不能直接量化的指标也应该采用相应的数学方法间接赋值量化,如相对性指标百分率等。难以定量的重要指标可以采用定性描述。指标体系构成应以定量为主,定性为辅,两者相互结合。其中定量指标主要反映供水的水量、水质水平,定性指标主要反映管理水平、应急能力、部门之间的协调行为以及群众的监督和参与意识等。

(5)综合性与类别性原则。指标尽可能采用通用的名称、概念和计算方法,做到指标在不同类型水源地之间具有可比性,同时在具体指标上能体现出不同类型的水源地各自的特征,区分水源地的类别性。饮用水水源地安全问题也要有针对性。选取地域不同、对象不同,区域研究侧重点也应不同,随之得出的结果以及采取的措施同样也会不完全相同。

2.1.2　数据处理

1.指标赋值

指标赋值是评价模型构建中的基础和关键,在确定指标安全值域和目标值时,要遵循国家或行业标准,并根据专家学者的相关研究,参考区域规划及实际状况对指标值进行适当修正;同时应考虑指标的安全效应,即有的指标值越大表示该项目对水源地的安全越有利称为正效应指标,而有的指标则相反,称为负效应指标,在进行无量纲化时应明确区分。

(1)定性指标定量化。通常针对定性指标赋值时常采用状态描述方法,由于没有具体的数据值来表示,不易应用于涉及多方面的综合评价,因此有必要将其定量化。定量化即是把影响水源地安全的定性因子,按一定的方法分别给出不同级别的分值范围,再根据其保护环境的作用和水源地的实际情况进行评分,这样定性指标便可转换为定量值。

(2)定量指标无量纲化。评价中各指标数据主要来自水利部门、环境保护部门、林业部门和国土部门等,其各自数据性质和单位难免有差异,对评价结果的影响也是不同的,因此需要把各指标数据进行无量纲化处理,以便于不同量级和单位的指标进行比较。无量纲化方法主要分为折线型和直线型两种。折线型无量纲化是以某一级区间标准最大值与监测值之差除以标准最大值与最小值之差,适用于标准是范围区间的指标;直线型无量纲化是指当指标实际值化为无量纲的指标值时,假设两者之间呈线性关系,指标实际值与标准化后的数值成比例关系,适用于标准值是某一目标值的指标。

2.指标赋权

权重是以某种数量形式反映被评价事物总体中诸因素的相对重要程度,既是决策者的主观评价,也是指标本身的物理属性的客观反映,是主客观综合度量的结果。为了客观反映不同评价指标的相对重要性以及更准确地评价水源地的安全状况,如何科学合理地确定指标权重是安全评价中非常重要的一个环节。目前有关指标赋权的研究取得了不少成果,根据其确定途径,大致可分为以下两大类:

(1)主观赋权法:研究人员根据自身主观价值对各指标重要性进行比较而赋权的一种定性分析方法。优点是体现研究者的经验判断,权重的确定一般比较符合现实;缺点是不可避免地带有一定的主观臆断性,有时不能客观地反映指标间的内在联系和实际情况,甚至可能出现结果“失真”的现象。常采用的主观赋权法有德尔菲法、层次分析法、模糊评价法和灰色评价法等四种。

(2)客观赋权法:将各指标原始资料经过数学分析处理后,分析各指标间的相关关系或各指标值的变异程度来确定权重的方法。目前常用的主要有:主成分分析法、因子分析法和熵值法等三种。

任何一种单一的方法都存在优势和缺陷,主观赋权法中以模糊评价法和层次分析法为宜,客观赋权法中以主成分分析法为宜。具体实践中,常根据实际研究需求将各种方法进行比选、集成,最终形成综合赋权法。

2.1.3　评价方法

根据参与评价的参数数目,评价方法可分为单因子评价法和综合评价法。其中,常用的综合评价法有综合指数评价法、模糊数学评价法、灰色系统评价法、物元分析法以及神经网络评价法。

1.单因子评价法

以评价因子的监测结果与评价标准比较,确定每个评价因子的水质类别,然后选择其中最高类别作为监测点的综合水质类别。单因子评价法采取最差项目赋全权,直接指出水质问题所在,可以客观清晰地判断出主要污染因子,了解水质状况同水质标准之间的关系,但由于忽视了其他因子对水质的影响以及不同因子对污染的影响度不同,而选择其中最高类别作为综合水质类别,使得其评价结果过于悲观。但同时,由于单因子评价法直接将指标值同标准值进行比较得出评价结果,具有操作简便的优点,适用于精度要求不高、评价指标简单的评价过程。在水利、环保等部门的公报、年报以及日常水质评价工作中主要采用单因子评价法。但这种方法由于不能反映复杂的综合状况,不适于多层次多系统的安全评价。

2.综合指数评价法

综合指数评价法是用指标监测值与其评价标准之间的某种形式的比例求出分指数,再通过数学手段把各项目的分指数综合运算,从而得出一个综合指数,以此来代表水体的污染程度。由于对分指数处理的不同,使综合指数法存在不同形式,包括组合指数模式、罗斯水质指数、叠加型指数法、均值型指数法、指数聚类法、分指数平方和方根法、布朗水质指数法、内梅罗污染指数法、综合指数混合加权模式、加权均值法等。该方法只要监测结果可靠,综合评价从总体上看是可以基本反映水质污染程度的,既考虑了平均污染水平和个别较高的污染物,又考虑了各种污染物的离散程度。因为此法使用方便,可直观地判断出水体是否满足水域的使用功能,所以中国环境监测总站进行水质评价时常采取此种方法。但此法并不能直观判定水体的水质指标情况,人们无法对影响水体水质的主要污染物、污染源有直观认知,而且有时可能因各因子的权重选取不当,导致结果偏离事实。

3.模糊数学评价法

由于水源地自身存在许多不确定性因素,各项目标准的确定、级别的划分都具模糊性,因此,模糊数学评价法在水质评价中得到广泛应用。该评价方法通过监测数据,建立各项指标对其各级标准的隶属度集,构建隶属度矩阵,再将隶属度矩阵与权重集相乘结果即为模糊集,最后得到的综合评判集表征了评价水体水质对各级标准的隶属度,反映出水质级别的模糊性。模糊评价法主要有模糊综合指数法、模糊综合评判分级保证率法、模糊综合评价级数法、模糊聚类法、模糊水质分级评价法等。

用隶属度来描绘模糊的安全状况分级界限,避免了以往分级不连续的缺点,不至于因某项参数超标而使各综合指标的评价偏高,从而保证了评价结果的可靠性,并且更客观地反映出多因子共同作用下的水质状况,体现了水源地中存在的不确定性,符合客观事实,因此由其评价得出的结果具有一定的合理性,结论更符合客观实际。但这种评价方法计算复杂,而且在权重系数的选择上由于往往带有很大的主观性,有可能出现评级结果失真等现象。

4.灰色系统评价法

由于水源地是一个部分信息已知、部分信息未知且不确切的系统,因此可看成是一个灰色系统,可用灰色系统的原理来进行评价。例如水质的监测数据是在有限的时间和空间范围内获得的,时段上存在差异性,空间上具有局限性,为找出水质的变化规律情况,可通过各因子实测浓度与水质各级标准的关联度确定水体水质级别。处于同一类水质的不同水体,可以通过该水体与该类标准水体的关联度进行优劣性比较。灰色系统理论评价法有灰色局势决策法、灰色聚类关联法、灰色模式识别法、加权灰色局势决策法、梯形灰色聚类分析法、等斜率灰色聚类法、灰色局势决策法、灰色聚类法等诸多方法。灰色系统评价法考虑并体现了水源地中存在的未知性和不确定性,符合客观事实,因此由其评价得出的结果具有一定的合理性。但这种评价方法也存在与模糊数学评价法相同的缺点。

5.物元分析法

物元是描述事物名称、特征及量值三个基本元素组成的三元组。物元分析法主要通过各级水质标准建立经典域物元矩阵,根据各因子的实测浓度建立节域物元矩阵,然后建立各污染指标对不同水质标准级别的关联函数并确定各污染指标的权重,最后根据关联函数值大小判别水体水质的级别。

6.神经网络评价法

人工神经网络(Artificial Neural Network,简称ANN)是对人脑思维方式的模拟,是一种非线性的动力学系统,它反映了人脑功能的许多基本特征,但它并不是人脑神经系统的真实写照,而只是对人脑的行为作某些简化、抽象和模拟。它具有大规模并行处理和分布式的信息存储能力,良好的自适应性、自组织性及很强的学习、联想、容错及抗干扰能力。对事物的判断、分类不需要预先建立某种模式,只是根据事物的性质特征,采用直观推理判断。目前人工神经网络模型有数十种,较典型应用于水质评价的方法有Hopfield网络模型法、BP网络模型法、RBF网络模型法及CPN网络模型法等。人工神经网络法通过网络对水质标准的学习来获得各评价因子的权重,该方法消除了人为确定权重的影响,令其评价结果与其他方法相比显得更加准确、客观。但此法需要大量的数据资料作为样本进行学习,导致操作要求很高。鉴于我国当前农村水质监测与跟踪能力限制,所得的资料往往不太完整,这使得人工神经网络法在短期内难于在农村的水质评价中得到大量使用和推广。

表2-1综合给出了每种方法的优劣势。在水源地的安全评价中,有些定量指标通过计算公式直接得出数据,有些只能通过定性描述,而且由于指标体系中指标种类繁多、关系错综复杂等,这些因素的存在使任意单一的水质评价方法都无法完全满足农村饮用水水源地安全评价的要求,因此应采用多种评价方法组合进行评价,优势互补,积极探索更为切实可行的评价途径与方法。

综合考虑单因子评价法、综合指数评价法、加权求和法以及德尔菲法等各方法的适用性,参考相关规范标准,根据各评价指标的特征,形成集成评价方法体系,如图2-2所示。

水量安全,是关系用户能否得到必要用水量的重要指标,采用简单直观的单因子评价法;水质安全,是关系用户生命健康的重要指标,采用相对简便且能反映多个水质因子影响的综合指数法,对于湖库型水源采用较为成熟的营养评分法;生态安全,是关系水源地潜在安全的重要指标,采用简便实用的加权求和法;工程管理安全,是关系水源工程良性运行的重要指标,采用定性评价中常用的德尔菲法;应急反应,是关系水源遭受突发事件情况下快速应对能力的重要指标,采用定性评价中常用的德尔菲法。

2.1.4　评价内容

为了全面反映农村饮用水水源地安全内涵,本书所构建的评价体系相应的包括五个方面:水量安全评价、水质安全评价、生态安全评价、工程管理评价、应急能力评价。

1.水量安全评价

水量安全评价即针对水源地产水和供水能力的评价,即对产水能力和供水能力进行评价。饮用水水源地通过天然径流(包括地表径流和地下径流)、降雨等途径产水,再通过饮水工程的供水能力来综合反映水源地整体水量安全。

水源地水量安全主要体现为水源地产水能力和供给能力满足设计要求。无论城市还是乡村其水量安全应具有相同特性,因此,可参考《城市饮用水水源地安全状况评价技术细则》确定的水量指标和相应的安全标准来评价农村饮用水源地水量的安全状况。

2.水质安全评价

水质安全即饮用水水源地水域中各项指标都能够持续地满足饮用水水源水质标准的要求。同时安全的饮用水水源地遇到水体污染的风险应该很低,水源地风险事件不发生或者其发生不会对水源地安全供水构成威胁。水质安全评价即对水源地水域的水质等级进行评估,要特别注意的是,湖库型饮用水水源地容易发生富营养化,在对其进行水质评价时,应将富营养化指数纳入水质子系统评价的指标体系中。

根据《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)中对生活饮用水水源水质卫生的要求,采用地表水为生活饮用水水源时应符合《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)要求;采用地下水为生活饮用水水源时应符合《地下水质量标准》(GB 14848—93)要求。针对农村水源的主要划分类型,窖池型、河流型、湖库型水源水质应参照《地表水水环境质量标准》(GB 3838—2002),地下水水源水质应参照《地下水质量标准》(GB/T 14848—93)进行评价,这两个标准参考水域功能和人体健康基准值,将大部分水环境质量标准分为五类,农村饮用水水源地水质应达到Ⅲ类标准。同时,《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)中指出农村小型集中式供水和分散式供水的水质因条件限制,部分指标可暂放宽标准执行。

3.生态安全评价

生态安全状况是指水源地作为自然系统、经济系统、社会系统的复合统一体,在受到社会发展、资源供给等对其调配供水能力需求的压力下,水源地生态系统自身稳定性、水源涵养能力、环境质量的状况和人类活动将对其产生影响。

考虑到水源地生态系统服务功能,可以从三方面对水源地生态安全进行分析。从经济发展来看,在水量上要满足本地区农村供水的需求,水资源保障问题成为农村发展的制约因素;从自然环境来看,水源地在满足水分供给、侵蚀控制和沉积物保持、生物控制和遗传资源等服务的基础上,在水源涵养、水体净化功能和生态系统稳定性方面需要得到更多的保障;从社会响应来看,实现生态安全,需要政府和公众的共同参与,出台相关保护政策、明确各部门职责、加强环境保护宣传和教育以保障生态系统服务功能多样性和稳定性。简而言之,水源地生态安全追求的目标就是实现水源地生态系统整体结构的优化。

4.工程管理评价

工程管理安全是指饮用水水源地的饮水工程在完善的管理制度下运行稳定且效益良好,充分满足农村饮水需求。工程管理评价即非水资源性因素影响水源地安全的评价,非水资源性因素如工程设施运行状况和对工程的管护及工程的可持续性等,可以从工程运维保障及用户满意度等多方面进行工程管理的安全评价。

5.应急能力评价

应急能力评价即针对水源地发生突发事件所应具备的监控、响应、恢复能力的评价。应急能力应体现在:建设饮用水水源地应急预警系统;制定饮用水水源地突发事件应急预警预案,确定应急预警预案的目标、内容和响应方式;通过进行预案的排练和预演来检验预案的实际可操作性和相应人员的熟练性;完善的应急响应机制和相关的管理措施;突发事故严重时有备用应急水源地等。当出现突发情况时,应急处置人员及装备应能做到及时到位,政府相关部门联合行动协调有序,保证对突发事件的处理准确高效。

2.1.5　评价区域

建议水源地评价区域与饮用水水源保护区保持一致。国外一些国家的水源地安全评价研究中,认为流域是集水区域的综合反映,因此通常参考流域边界来划定评价区域,在整个流域取水口上游部分中划定不同尺度区域来进行污染源调查和污染物评价。国内研究中关于评价区域的部分并未统一,水质评价通常以水源地水体为范围,生态评价则参考流域边界来划定。评价区域应包含水源地环境变化敏感区,不能过大而增加评价工作难度,也不能过小而不能揭示水源地主要污染源。饮用水水源地保护区基本能满足以上条件,为了便于评价工作展开,明确评价范围,建议水源地评价区域与饮用水水源保护区保持一致。

在确保饮用水水源地不受污染的前提下,应尽量缩小水源保护区范围。划分水源保护区应考虑当地的地理位置、水文、气象、地质特征、水量需求、水源地规模、水动力特性、水域污染类型、污染特征、污染源分布等技术指标。划定的保护区范围应足以使主要污染物在向取水点运移过程中,衰减到所期望的浓度水平,以防止水源地附近人类活动对水源的直接污染,一旦出现水源地污染突发事故,保证留有采取应急措施的时间和缓冲地带。同时,在确保饮用水水源地不受污染的前提下,应尽量缩小水源保护区范围。我国已经开展饮用水水源地保护区划分的相关工作,《饮用水水源保护区划分技术规范》(HJ/T 338—2007)对水源地保护区作出详细说明:①地表水饮用水源保护区包括一定面积的水域和陆域,地下水饮用水源保护区指地下水饮用水源地的地表区域;②针对河流型饮用水源地、湖库型饮用水源地、地下水饮用水源地保护区的划分提出具体方法;③规定集中式饮用水水源地都应设置饮用水水源保护区,将饮用水水源保护区划分为一级保护区和二级保护区,必要时增设准保护区。