地下水质量指标分类综合评价方法研究

1、Vol41No6Nov2014水文地质工程地质HYDOGEOLOGY ENGINEEING GEOLOGY 第41卷第6期2014年11月地下水质量指标分类综合评价方法研究许真1,2,何江涛1,马文洁3,曾颖1(1中国地质大学(北京水资源与环境工程北京市重点实验室,北京100083;2四川省地质工程勘察院,四川成都610071;3东华理工大学水资源与环境工程学院,江西南昌330013摘要:近年来随着污染加剧,地下水中检出的污染指标种类不断增加,新修订的地下水质量标准中水质指标由GB/T 148481993的39项增加至93项,其中大部分为有机毒理学指标。原有的地下水质量综合评价方法因不能区分毒

2、理学指标和感官性状与一般化学指标的差异,评价结果容易产生歧义,且评价结果不符合地学统计特征,已不再适用。为此在反复摸索计算的基础上提出了指标分类地下水质量综合评价方法。该方法利用单指标质量分类统计法评价感官性状与一般化学指标,利用单指标最大分类确定法评价毒理学指标,最终结果分别给出感官性状与一般化学指标级别和毒理学指标级别,同时给出毒理学指标的饮水途径健康风险以供参考。该方法在淮河流域某地区的地下水质量综合评价中应用结果显示,评价结果简单明了,符合地学统计特征,与内梅罗指数法相比,评价结果更为客观。地下水质量指标分类综合评价方法,可有效解决水质综合评价结果容易产生歧义和误导的问题,满足常规指标

3、和毒理学指标的综合评价,能够更好地综合体现地下水水质信息。关键词:地下水质量;综合评价;指标分类;毒理学指标中图分类号:P641文献标识码:A文章编号:1000-作者简介:许真(1988-,男,研究生,主要研究方向为地下水环境。E-mail :jthecugbeducn为保护和合理开发地下水资源,需要对地下水质量做出科学可靠的评价。地下水作为一种宝贵的资源,是极其重要的生态环境因子1。近些年来,随着人类活动的增加,对地下水资源的需求量越来越大,地下水污染问题越发严重。地下水污染中检出的组分越来越多、越来越复杂,而且污染程度和深度也在不断增加。检出“三致”(致癌、致畸、致突变微量有机物已经是普遍

4、现象,新修订的地下水质量标准中水质指标由GB/T 148481993的39项增加至93项,其中47项为有机毒理学指标,原有的地下水质量综合评价方法受到巨大挑战。目前国内关于地下水质量综合评价的方法较多,没有统一的标准方法。常见的地下水质量评价方法有综合指数法2、模糊综合评价法3 4、灰色聚类法5、熵权属性识别评价6等。还有利用水质指标分类评价的方法7以及在不同评价模型间进行交叉和融合的方法8对地下水质量进行评价。这些方法普遍存在问题主要表现为:(1多数仅适用于常规指标,评价结果往往仅体现地下水的一般质量9,难以客观全面的反映地下水的综合质量。(2差异巨大的不同性质指标采用同一种评价方法,结果容

5、易产生严重歧义和误导,掩盖有毒有机物、重金属等对人体健康危害较大污染物的影响;(3评价出来的水质类别分布不符合地下水水质分布连续性地学统计特征,存在水质类别缺失和跳跃的问题。国外对地下水质量评价是从水质指标出发,对比世界卫生组织饮用水标准或者美国环保局饮用水标准,查看水质指标的对比情况10。还有运用多元统计方法以及水文地球化学图解法进行评价11。以及基于化学浓度的测试,实验室毒性测试和物理化学分析三者相结合的地下水质量评价方法12。与中国水质综合评价要求不一致,难以借鉴。地下水质量评价结果的可靠程度与评价方法的科学性密不可分,为了合理地对地下水质量进行评价,针对目前存在的问题,本文提出了指标分

6、类的地下水质量综合评价方法。利用单指标质量分类统计法评价感官性状与一般化学指标,利用单指标最大分类确定法评价毒理学指标,最终结果分别给出感官性状与一般化学指标级别和毒理学指标级别。考虑到毒理学指标级别并不能完全体现其对人体的健康风险,评价结果附上毒理学指标的饮水途径健康风险以供参考。1地下水质量指标分类综合评价方法针对地下水指标繁多,类型不一,尤其是在地下水质量标准中纳入了大量的有机毒理学指标,并且考虑到感官性状与一般化学指标和毒理学指标对人体健康的危害性存在比较大的差异,两者一起评价的结果可能会存在严重歧义。提出了指标分类评价,分别对感官性状与一般化学指标和毒理学指标进行评价,最终第6期水文

7、地质工程地质·7·结果用两者共同表示。提出感官性状与一般化学指标评价方法之前,曾经尝试从单指标赋值和综合指数分级区间调整对内梅罗指数法进行改进,并且尝试利用20项感官性状与一般化学指标所有排列组合的地下水水样进行评价试算,试算结果均不理想。对其它常用地下水质量评价方法的改进也以失败告终。几经反复最终提出了单指标质量分类统计法评价感官性状与一般化学指标。由于毒理学指标危害性大,评价过程中采用一般的方法容易掩盖其危害性,评价结果可能产生严重歧义和误导。比如评价中同时存在一个高风险指标和一个低风险指标,叠加评价使得评价结果体现不出高风险指标。本文提出利用单指标最大分类确定法进行评

8、价。考虑到地下水质量标准的制定不仅仅从水质指标出发,还要从社会经济管理的角度出发,因此某些毒理学指标在饮用水标准下已经存在一定的健康风险,所以非常有必要在水质评价结果的基础上,补充毒理学指标饮水途径的健康风险。本文利用美国环境保护署的健康风险评价模型计算出毒理学指标的人体健康风险水平13。1.1感官性状与一般化学指标评价方法(1参加评价的指标依据GB/T14848XXX地下水质量标准修订版规定的20项感官性状与一般化学指标确定,参评指标应不少于10项。(2依据GB/T14848XXX地下水质量标准修订版地下水质量指标及限值,对参评的各项单组分指标进行评价,划分单指标组分所属质量类别。(3统计所

9、有参评指标,不同质量类别的个数。(4根据,不同质量类别的个数划分地下水综合质量类别,划分标准见表1。表1感官性状与一般化学指标级别分类表Table1Level classification of organoleptic and general chemical indicators 水质类别划分标准优良水(样品中单指标属于类指标个数大于等于参评指标个数的60%,且单指标属于类指标个数小于等于参评指标个数的40%,指标中不出现,类。良好水(将评价为优良水的样品扣除。剩余样品中,单指标属于类和类指标个数之和大于等于参评指标个数的70%,且单指标属于类指标个数小于等于参评指标个数的30%,指标中不

10、出现,类。较好水(将评价为优良水、良好水的样品扣除。剩余样品中,单指标属于类、类及类指标个数之和大于等于参评指标个数的80%,且单指标属于类指标个数小于等于参评指标个数的20%,指标中不出现类。较差水(将评价为优良水、良好水、较好水的样品扣除。剩余样品中,单指标属于类、类、类及类指标个数之和大于等于参评指标个数的90%,类指标个数小于等于参评指标个数的10%。极差水(类指标个数大于参评指标个数的10%。注:以上划分标准中,、类指标个数均指某一个样品中的指标个数。1.2毒理学指标评价依据GB/T14848XXX地下水质量标准修订版地下水质量指标及限值,对各项单组份毒理学指标进行质量类别判断,将毒

11、理学指标中质量类别最高的作为评价的最终结果。1.3毒理学指标人体健康风险毒理学指标区分致癌指标与非致癌指标,查询毒理学指标参数信息14,获取相关参数分别计算致癌指标与非致癌指标的人体健康风险15。(1非致癌指标人体健康风险污染物暴露的日均剂量计算公式:CDI=CWIEFEDBWAT式中:CDI污染物暴露的日均剂量(mg/kg/d;CW污染物浓度(mg/L;I每日饮水量,建议值为成人2.0L/d;EF暴露频率,采用值为365d/a;ED暴露持续时间,采用值为70a;BW体重,采用值为60kg;AT暴露发生的平均时间(d,致癌效应取值70a365d/a,非致癌效应取值30a365d/a。非致癌指标

12、人体健康风险计算公式:i'=CDIfD106式中:i'非致癌指标i的人体健康风险;fD参考剂量(mg/kg/d;106与fD相对应的假设可接受的健康风险水平。(2致癌指标人体健康风险致癌指标人体健康风险计算公式:i=CDISF式中:i致癌指标i的人体健康风险;SF致癌斜率因子,(mg/kg/d1。(3毒理学指标总健康风险总健康风险计算公式:T=i+i式中:T毒理学指标总健康风险;·8·许真,等:地下水质量指标分类综合评价方法研究2014年i'非致癌指标总健康风险,由于非致癌毒理学指标的阈值效应,当其健康风险小于106时,不参加叠加计算。i致癌指标总健

13、康风险;1.4地下水质量综合评价结果表示地下水质量综合评价结果采用联合表示方法,以罗马数字表示感官性状与一般化学指标评价结果,以阿拉伯数字表示毒理学指标评价结果,并将实际计算得出的毒理学指标总健康风险以括弧表示。示例如下:5(1052实例验证及对比分析采用淮河流域某地区2009年地下水水质监测数据,运用提出的地下水质量指标分类综合评价方法进行评价。2.1感官性状与一般化学指标评价感官性状与一般化学指标评价因子为总硬度、氨氮、硫酸盐、氯化物、铁、溶解性总固体、锰、铝、锌、耗氧量和钠11项指标,地下水水样共计81组。评价标准采用GB/T14848XXX地下水质量标准(修订版。评价方法采用提出的地下

14、水质量指标分类综合评价方法中感官性状与一般化学指标评价方法,评价结果见图1。从地下水感官性状与一般化学指标评价结果可以看出,从感官性状与一般化学指标考虑,淮河流域某地区的地下水主要以类水为主,约占全区的一半。其次为类水,所占比例为40%。类水与类水均出现的比较少,所占比例均不到10%。研究区未出现优良水。2.2毒理学指标评价依据GB/T14848XXX地下水质量标准(修订版地下水质量指标及限值,对检测的30项毒理学指标进行质量类别判断,将毒理学指标中质量类别最高的作为评价的最终结果,其中30项指标分别为硝酸盐、亚硝酸盐、氟化物、汞、砷、硒、镉、铬、铅、三氯甲烷、四氯化碳、四氯乙烯、1,2二氯乙

15、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、荧蒽、苯并(b荧蒽、苯并(a芘、总六六六、六六六、DDT、六氯苯。毒理学指标评价结果见图1,毒理学指标以3级为主,所占比例达到了48.15%。其次为4级,所占比例为33.33%。5级所占比例为18.52%。分析原始水样数据得知,毒理学指标评价结果以4、5级为主的原因是硝酸盐、亚硝酸盐、氟化物、苯并(a芘这4项指标浓度值过高所致,反映出该地区已经受到了毒理学指标的污染 。图1感官性状与一般化学指标和毒理学指标评价结果Fig1Evaluation results of organoleptic indicato

16、rsand general chemical and toxicological indicators2.3毒理学指标人体健康风险计算对参评的30项毒理学指标进行致癌非致癌分类,同时查询相关计算参数,见表2。根据提出的人体健康风险计算公式,分别计算出致癌指标和非致癌指标的健康风险以及总健康风险,总健康风险结果统计见图3。从图2可以看出,总健康风险以104为主,所占比例约为92.6%。总健康风险为103与105所占比例均不到5%。根据美国环境保护署提出的人体可接受健康风险值的范围在106 104之间,研究区大部分水样点在可接受范围之内,仅5%左右的地下水水样点超过104 。图2毒理学指标总健康风

17、险分布图Fig2Distribution of total health risk oftoxicological indicators地下水质量综合评价结果成图过程中,感官性状与一般化学指标评价结果以质量分区图表示,毒理学指标评价结果以单点质量类别表示。采用提出的地下水质量指标分类综合评价方法,淮河流域某地区的地下水质量综合评价结果见图3。从评价结果(图3可以看出,研究区地下水感官性状与一般化学指标评价结果为类水主要分布在南部地区和东北部地区,类水主要分布在中东部地区与西北部地区。类水分布在中部地区,其它地区有零星分布。毒理学指标评价结果以3级为主,在全区分布。4、5级主要分布在研究区的中部

18、区域以及中西部区域。2.4内梅罗指数法对比分析按照GB1484893中规定的内梅罗指数法对11项感官性状与一般化学指标进行评价,评价结果见图4。第6期水文地质工程地质·9· 图3淮河流域某地区的地下水质量综合评价结果Fig3esults of comprehensive groundwater evaluation in a region of HuaiHe iver Basin表2毒理学指标参数Table 2The relevant parameters of toxicological indicators指标致癌斜率因子(mg /kg /day 1参数来源指标致癌斜率

19、因子(mg /kg /day 1参数来源致癌毒理学指标砷 1.50E +00IIS 苯 5.50E 02IIS 镉 3.80E 01CALEPA 乙苯 1.10E 02CALEPA 铅8.50E 03CALEPA 萘 1.20E 01CALEPA 三氯甲烷 1.90E 02CALEPA 苯并(b 荧蒽7.30E 01IIS 四氯化碳7.00E 02IIS 苯并(a 芘7.30E +00IIS 四氯乙烯 2.10E 03IIS 六六六(总量 6.30E +00IIS 1,2-二氯乙烷 4.70E 02CALEPA -六六六(林丹 1.10E +00CALEPA 1,1,2-三氯乙烷 5.70E

20、02IIS 滴滴涕(总量3.40E 01IIS 三溴甲烷7.90E 03IIS六氯苯1.60E +00IIS非致癌毒理学指标指标参考剂量(mg /kg /day 参数来源指标参考剂量(mg /kg /day 参数来源亚硝酸盐(以N 计 1.60E 01US EPA 甲苯8.00E 02US EPA 硝酸盐(以N 计1.60E +00US EPA 苯乙烯2.00E 01US EPA 氟化物 6.00E 02US EPA 蒽3.00E 01US EPA 汞 3.00E 04US EPA 荧蒽4.00E 02IIS 硒5.00E 03US EPA 氯苯 2.00E 02IIS 铬(六价3.00E 0

21、3US EPA1,1二氯乙烯5.00E 02US EPA注:参数来源分别如下:ATSD-The Agency for Toxic Substances and Disease egistry ;CALEPA-California Environmental Protection Agency ;GSI-GSI Environmental Inc;HCl-Health Canada ;IIS-Integrated isk Information System ;PPTV-The Provisional Peer eviewed Toxicity Values ;US EPA-United Sta

22、tesEnvironmental Protection Agency ;WHO-World Health Organization从图4可以看出,内梅罗指数法评价11项感官性状与一般化学指标水质类别以类水为主,占研究区比例的70%左右,从评价结果分布(图5可以看出类水分布遍及整个研究区。其次为类水,所占比例·10·许真,等:地下水质量指标分类综合评价方法研究2014年约为28%,评价结果分布图显示其主要分布在研究区的中部区域以及东南角。类水零星分布在研究区的西部区域以及东北角。没有出现、类水的质量类别。评价结果与提出的地下水质量指标分类综合评价方法结果相比,缺失了类水,不符

23、合地下水水质连续分布的地学统计特征。同时内梅罗指数法过于突出最大污染因子,使得评价结果偏差。利用内梅罗指数法对11项感官性状与一般化学指标加30项毒理学指标项进行评价。41项指标评价结果见图4,结果分布见图6 。图4内梅罗指数法评价Fig4Eleven indicators and forty one indicators evaluation results of Nemerow method图5内梅罗指数法评价感官性状与一般化学指标结果分布图Fig5Distribution of organoleptic and general chemical indicators evaluation

24、 results of the Nemerow method图6内梅罗指数法评价所有指标结果分布图Fig6Distribution of all indicators evaluation results of the Nemerow method第6 期 水文地质工程地质 · 11 · Groundwater in the Liapning Central AreaJ ock and Mineral Analysis， 2011 ， 30 （ 3 ） ： 289 294. （ in Chinese） 利用内梅罗指数法评价 11 项感 从图 4 可以看出， 官性状与一般化学

25、指标加 30 项毒理学指标， 评价结果 、 以类水为主， 所占比例为 93. 83% 。 类水所占比 例均不到 4% 。从评价结果分布图可以看出， 类水分 、 布在研究区的大部分区域范围， 类水零星的分布在 研究的中部区域与中西部区域。评价结果偏差的主要 原因可能是内梅罗指数法过于突出最大污染因子。 通过对比分析可以看出， 提出的地下水质量指标 分类综合评价方法能够解决评价结果水质类别分布不 符合地下水水质分布连续性地学统计特征 ， 存在水质 类别缺失和跳跃的问题， 以及内梅罗指数法过于突出 最大污染因子的问题， 同时还考虑了不同性质指标之 。 间的差异性 4 焦珣，苏小四，林学钰，等 考虑样

26、本差异的一种 地下水质模糊评判方法与应用J 水文地质工程 地质，2010 ，37 （ 3 ） ： 6 11. JIAO X，SU X S， LIN X Y， et al A Fuzzy method for groundwater quality evaluation introduced with weight of sample difference J Hydrogeology Engineering Geology， 2010 ， 37 （ 3 ） ： 6 11. （ in Chinese） 5 李亚松，张兆吉，费宇红，等 改进的灰色聚类法 水 资 源 保 护， 在地下 水 质 量 评

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32、 针对目前地下水质量综合评价存在的问题， ， 指标分类地下水质量综合评价方法 分别利用单指标 质量分类统计法评价感官性状与一般化学指标 ， 利用 单指标最大分类确定法评价毒理学指标 ， 最终结果联 合表示， 同时给出毒理学指标的饮水途径人体健康风 险。该方法简单实用， 评价结果意义明确。 （ 1 ） 淮河流域某地区的地下水质量综合评价中应 用结果显示， 评价结果简单明了， 符合地学统计特征。 与内梅罗指数法相比， 指标分类评价结果更为客观。 （ 2 ） 提出的地下水质量指标分类综合评价方法可 有效解决水质综合评价结果容易产生歧义和误导的问 题， 满足常规指标和毒理学指标的综合评价 ， 能够更好

33、 。 的综合体现地下水水质信息 参考文献： 1 王大纯，张人权，史毅红，等 水文地质学基础 M 北 京： 地 质 出 版 社，1995. WANG D C， ZHANG Q，SHI Y H，et al Basis of Hydrogeology M Beijing： Geological Publishing House，1995. （ in Chinese） 2 王文强 综合指数法在地下水水质评价中的应用 J 水 利 科 技 与 经 济，2008 ，14 （ 1 ） ： 54 55. WANG W Q Application of Aggregative Index Number Metho

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40、gical Engineering Investigation，Chengdu，Sichuan 610071 ，China；3. School of Water esources and Environmental Engineering，East China Institute of Technology ，Nanchang，Jiangxi 330013 ，China） Abstract：With increasing pollution in recent years，more and more pollutants were detected in groundwater The num

41、bers of water quality indexes modified from 39 to 93 in the latest groundwater quality standard ，most of them are organic contaminants Original comprehensive groundwater quality evaluation methods were not suitable any more ， because the old methods cannot distinguish the differences between organoleptic and general chemical indicators and toxicological indicators， and the evaluation results are easy to be misunderstood