再生水回用后丁香水源地水質風險評價

再生水回用后丁香水源地水質風險評價

水質風險評價模型可概括為隨機模型、模糊模型、灰色風險評價模型和不確定性風險模型。目前,雖然有一些對水質風險評價的研究,但至今尚未形成系統的、專門的理論體系和方法體系。即便是水質風險的定義、風險的識別以及風險大小的度量等也都還沒有統一的概念和計算模式可循。本文采用三角模糊數方法對北部污水處理廠出水回用于丁香湖后對地下水水源產生污染的風險進行評價。丁香地區(qū)地處遼寧省沈陽市西北城鄉(xiāng)結合部,地貌位置為下遼河平原區(qū),東部山前傾斜平原的渾河沖洪積扇地之中,面積約20km2,其中丁香湖蓄水面積6.2km2,丁香湖地區(qū)地下水資源豐富,淺層地下水的埋深很淺,大面積裸露于地表,現有湖水即是當地孔隙潛水。丁香湖蓄水工程是為了解決遠期6.2km2、近期2.8km2湖面的蓄水問題。專家提出北部污水處理廠的出水可以作為丁香湖的供水資源,但考慮到北部污水廠出水再生回用于丁香湖后,可能引發(fā)地下水水質的變化。為了解丁香湖再生水回用后對丁香水源地水質帶來的風險,需要對其進行水質風險評價。1模糊風險評價方法1.1三角模糊數的基本原理1.1.1角模糊數設a,b,c分別為某一模糊變量的下限、最可能值和上限,則3個一組數(a,b,c)構成一個三角模糊數,令其。這里,a、b、c為實數,且,相應的隸屬函數定義為式(1)。μ?A(x)={0,x＜a(x-a)/(b-a),a?x?b(c-x)/(c-b),b?x?c0,x＞c(1)1.1.2a為無空閉區(qū)間設三角模糊數?A=(a1,a2,a3),隸屬函數表達式同式(1),則?A的α-截集可以定義為:?Aα={x|μ?A(x)?α?x∈X}(2)式中:X為廣域區(qū)間;α為可信度水平,且α∈[0,1]。則?Aα是一個無空的閉區(qū)間,通常表示為:?Aα=[aLα,aRα]=[(a2-a1)α+a1,(a2-a3)α+a3](3)顯然,?Aa是可信度水平不低于α的數據區(qū)間,且對所有α(α∈[0?1])??Aα均為三角模糊數。由式(2)、式(3)可以看出,對于給定的可信度水平α,三角模糊數實際上己轉化為區(qū)間數。1.2水環(huán)境水質安全狀態(tài)的模糊可靠度假設?X表示水環(huán)境支撐能力三角模糊數,?Y為污染負荷水平三角模糊數,令?Ζ=?X-?Y。這里,若?Ζ＞0,即?Ζ為正的三角模糊數,則水環(huán)境支撐能力大于污染負荷水平,此時水環(huán)境水質是安全的;若?Ζ＜0,即?Ζ為負的三角模糊數,則將發(fā)生失效模糊概率事件,即出現水質超標現象。顯然,?Ζ=0為臨界狀態(tài)。這里,不妨將包含了模糊性的水環(huán)境水質風險定義為模糊水質風險,并用式(4)定量表征風險發(fā)生的可能性。式中:R(?Ζ＜0)稱為水環(huán)境水質模糊風險率或模糊失效概率;μ?Ζ為對?Ζ的隸屬度或可信度。水環(huán)境水質狀態(tài)的模糊失效對應的是水質超標風險的發(fā)生,由此可將度量水環(huán)境水質安全狀態(tài)的模糊可靠性指標,即模糊可靠度表示為式(5)。Rs=1-R(?Ζ＜0)=∫?Ζ＞0μ?Ζ(z)dz/∫Ζμ?Ζ(z)dz(5)顯然,在用上述模型評價水環(huán)境風險時,水環(huán)境支撐能力和污染負荷水平的隸屬函數類型將直接影響到模糊失效概率或模糊可靠度大小。2丁香湖再生水回用后的水質狀況由于研究區(qū)下游有丁香水源地,飲用水源地對水質要求較高,所以此次水質風險評價中主要研究對象是丁香水源地。為保障廣大居民的飲水安全,沈陽市規(guī)定將水源地保護帶設為500m,即在水源地500m之內水質應達到生活飲用水水源水質標準。通過建立研究區(qū)地下水溶質運移模型,預測了將北部污水處理廠出水回灌于丁香湖后研究區(qū)溶質運移未來變化趨勢情況(限于篇幅、模擬過程省略),并輸出了北部污水處理廠出水再生利用于丁香湖50年后的水質變化狀況。圖1是在50年輸出結果基礎上加上了水源地保護帶,以便于更清晰的看出丁香湖再生水利用后對水源地的影響情況。其中,陰影區(qū)為水源地保護區(qū)。由圖1可以看出,位于丁香湖上游的芳士水源地防護區(qū)域未受到再生水的影響,可視為安全的。但是很明顯,2058年污染帶已經進入了位于丁香湖下游的丁香水源地防護區(qū)。為了更清晰看出污染帶與水源地防護帶的位置關系,在圖1基礎上,截取了局部放大圖,見圖2。生活飲用水水源水質標準中規(guī)定,SO42-的濃度不能超過250mg/L。由圖2可以清晰的看出,2058年SO42-250mg/L的等值線已經進入水源地防護帶,300mg/L的等值線也開始進入水源地防護帶。由此可以說明丁香湖再生水回用后2058年水源地將有被污染的風險,下面將用水質模糊風險評價理論定量預測一下2058年丁香水源地水質遭受風險的程度。另外,根據污染帶的運移趨勢,整個污染帶有向丁香水源地遷移的趨勢。若水源地在今后的開采中加大開采量,即會加速污染帶的運移,所以在評價水質風險時,從保護水源地安全的角度,同時計算了污染帶中心運移到水源地保護區(qū)域時對水源地水質造成的風險。2.1糊數相關的隸屬函數按照預測值將2058年進入水源地保護帶內SO42-的濃度值定義為三角模糊數,即~C1=(100,200,300)。則~C1相應的隸屬函數見式(6)。將污染帶中心進入水源保護帶后SO42-的濃度值定義為?C2=(100,300,500),同上,其相應的隸屬函數見式(7)。2.2so42-濃度區(qū)間值c假設采用相同的可信度水平,利用三角模糊數的α-截集技術將三角模糊數~C1和~C2表示為區(qū)間數得,?C1α=[100α+100,-100α+300];?C2α=[200α+100,-200α+500]。顯然,SO42-濃度區(qū)間值將隨著可信度α取值的改變發(fā)生變化,即?C是可信度水平α的函數。在區(qū)間[0,1]內,對任取某一實數,則~C1和~C2均是一個區(qū)間值。若α取遍整個可信度區(qū)間[0,1],則可得到進入水源地保護帶的三角模糊數形式的SO42-濃度分布圖,見圖3和圖4。2.3so42-濃度下的水質風險水質控制目標定義為生活飲用水源水質標準值250mg/L,將其也定義為三角模糊數為?C0=(250,250,250)。則?Ζ1=?C0-?C1＜0,意味著2058年進入水源地保護帶內SO42-的預測濃度超過水質目標,即發(fā)生水質風險。?Ζ2=?C0-?C2＜0,意味著污染帶中心進入水源地保護帶內后SO42-的濃度超過水質目標,即發(fā)生水質風險。由圖3和圖4均可以看出,SO42-濃度三角模糊數的隸屬函數可以近似看作是線性的。再由式(4)得,水質風險率在幾何意義上來講,可表示如下。R(?Ζ1＜0)=S1/S總(8)式中:S總為圖3中三角形總面積;S1為圖3中硫酸鹽濃度超過控制濃度部分所組成面積。R(?Ζ2＜0)=S2/S總(9)式中:S總為圖4中三角形總面積;S2為圖4中硫酸鹽濃度超過控制濃度部分所組成面積。(1)模擬水質風險率計算由圖3得,S1=∫?Ζ＜0μ?Ζ(z)dz=12.5?S總=∫?Ζμ?Ζ(z)dz=100,再由式(8)可得,2058年模擬水質風險率為0.125。(2)污染帶中心進入草地防護區(qū)的水質風險率由圖4得,S2=∫?Ζ＜0μ?Ζ(z)dz=143.75?S總=∫?Ζμ?Ζ(z)dz=200,再由式(9)可得,污染帶中心進入水源地防護區(qū)的水質風險率為0.719。3生態(tài)評價及對策建議由以上所得結果可以看出,根據預測50年后水源地水質以SO42-濃度計所得風險率為0.125,相應的水源地水質安全狀態(tài)的模糊可靠度為0.875;而一旦污染帶中心進入水源地防護區(qū),將造成高達0.719的水質風險率,在此情況下水源地水質安全狀態(tài)的模糊可靠度為0.281。即50年后水源地保護區(qū)將出現水質風險。通過利用模糊風險評價法對再生水