再生水回用后丁香水源地水質(zhì)風(fēng)險評價

再生水回用后丁香水源地水質(zhì)風(fēng)險評價

水質(zhì)風(fēng)險評價模型可概括為隨機模型、模糊模型、灰色風(fēng)險評價模型和不確定性風(fēng)險模型。目前,雖然有一些對水質(zhì)風(fēng)險評價的研究,但至今尚未形成系統(tǒng)的、專門的理論體系和方法體系。即便是水質(zhì)風(fēng)險的定義、風(fēng)險的識別以及風(fēng)險大小的度量等也都還沒有統(tǒng)一的概念和計算模式可循。本文采用三角模糊數(shù)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(chǎn)生污染的風(fēng)險進(jìn)行評價。丁香地區(qū)地處遼寧省沈陽市西北城鄉(xiāng)結(jié)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(xiàn)有湖水即是當(dāng)?shù)乜紫稘撍?。丁香湖蓄水工程是為了解決遠(yuǎn)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(zhì)的變化。為了解丁香湖再生水回用后對丁香水源地水質(zhì)帶來的風(fēng)險,需要對其進(jìn)行水質(zhì)風(fēng)險評價。1模糊風(fēng)險評價方法1.1三角模糊數(shù)的基本原理1.1.1角模糊數(shù)設(shè)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(shù)(a,b,c)構(gòu)成一個三角模糊數(shù),令其。這里,a、b、c為實數(shù),且,相應(yīng)的隸屬函數(shù)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(shè)三角模糊數(shù)?A=(a1,a2,a3),隸屬函數(shù)表達(dá)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(shù)據(jù)區(qū)間,且對所有α(α∈[0?1])??Aα均為三角模糊數(shù)。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(shù)實際上己轉(zhuǎn)化為區(qū)間數(shù)。1.2水環(huán)境水質(zhì)安全狀態(tài)的模糊可靠度假設(shè)?X表示水環(huán)境支撐能力三角模糊數(shù),?Y為污染負(fù)荷水平三角模糊數(shù),令?Ζ=?X-?Y。這里,若?Ζ＞0,即?Ζ為正的三角模糊數(shù),則水環(huán)境支撐能力大于污染負(fù)荷水平,此時水環(huán)境水質(zhì)是安全的;若?Ζ＜0,即?Ζ為負(fù)的三角模糊數(shù),則將發(fā)生失效模糊概率事件,即出現(xiàn)水質(zhì)超標(biāo)現(xiàn)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(zhì)風(fēng)險定義為模糊水質(zhì)風(fēng)險,并用式(4)定量表征風(fēng)險發(fā)生的可能性。式中:R(?Ζ＜0)稱為水環(huán)境水質(zhì)模糊風(fēng)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(zhì)狀態(tài)的模糊失效對應(yīng)的是水質(zhì)超標(biāo)風(fēng)險的發(fā)生,由此可將度量水環(huán)境水質(zhì)安全狀態(tài)的模糊可靠性指標(biāo),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(fēng)險時,水環(huán)境支撐能力和污染負(fù)荷水平的隸屬函數(shù)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(zhì)狀況由于研究區(qū)下游有丁香水源地,飲用水源地對水質(zhì)要求較高,所以此次水質(zhì)風(fēng)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(hù)帶設(shè)為500m,即在水源地500m之內(nèi)水質(zhì)應(yīng)達(dá)到生活飲用水水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。通過建立研究區(qū)地下水溶質(zhì)運移模型,預(yù)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(zhì)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(zhì)變化狀況。圖1是在50年輸出結(jié)果基礎(chǔ)上加上了水源地保護(hù)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(hù)區(qū)。由圖1可以看出,位于丁香湖上游的芳士水源地防護(hù)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(jīng)進(jìn)入了位于丁香湖下游的丁香水源地防護(hù)區(qū)。為了更清晰看出污染帶與水源地防護(hù)帶的位置關(guān)系,在圖1基礎(chǔ)上,截取了局部放大圖,見圖2。生活飲用水水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)進(jìn)入水源地防護(hù)帶,300mg/L的等值線也開始進(jìn)入水源地防護(hù)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(fēng)險,下面將用水質(zhì)模糊風(fēng)險評價理論定量預(yù)測一下2058年丁香水源地水質(zhì)遭受風(fēng)險的程度。另外,根據(jù)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(zhì)風(fēng)險時,從保護(hù)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(hù)區(qū)域時對水源地水質(zhì)造成的風(fēng)險。2.1糊數(shù)相關(guān)的隸屬函數(shù)按照預(yù)測值將2058年進(jìn)入水源地保護(hù)帶內(nèi)SO42-的濃度值定義為三角模糊數(shù),即~C1=(100,200,300)。則~C1相應(yīng)的隸屬函數(shù)見式(6)。將污染帶中心進(jìn)入水源保護(hù)帶后SO42-的濃度值定義為?C2=(100,300,500),同上,其相應(yīng)的隸屬函數(shù)見式(7)。2.2so42-濃度區(qū)間值c假設(shè)采用相同的可信度水平,利用三角模糊數(shù)的α-截集技術(shù)將三角模糊數(shù)~C1和~C2表示為區(qū)間數(shù)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(shù)。在區(qū)間[0,1]內(nèi),對任取某一實數(shù),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(jìn)入水源地保護(hù)帶的三角模糊數(shù)形式的SO42-濃度分布圖,見圖3和圖4。2.3so42-濃度下的水質(zhì)風(fēng)險水質(zhì)控制目標(biāo)定義為生活飲用水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值250mg/L,將其也定義為三角模糊數(shù)為?C0=(250,250,250)。則?Ζ1=?C0-?C1＜0,意味著2058年進(jìn)入水源地保護(hù)帶內(nèi)SO42-的預(yù)測濃度超過水質(zhì)目標(biāo),即發(fā)生水質(zhì)風(fēng)險。?Ζ2=?C0-?C2＜0,意味著污染帶中心進(jìn)入水源地保護(hù)帶內(nèi)后SO42-的濃度超過水質(zhì)目標(biāo),即發(fā)生水質(zhì)風(fēng)險。由圖3和圖4均可以看出,SO42-濃度三角模糊數(shù)的隸屬函數(shù)可以近似看作是線性的。再由式(4)得,水質(zhì)風(fēng)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(zhì)風(fēng)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(zhì)風(fēng)險率為0.125。(2)污染帶中心進(jìn)入草地防護(hù)區(qū)的水質(zhì)風(fēng)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(jìn)入水源地防護(hù)區(qū)的水質(zhì)風(fēng)險率為0.719。3生態(tài)評價及對策建議由以上所得結(jié)果可以看出,根據(jù)預(yù)測50年后水源地水質(zhì)以SO42-濃度計所得風(fēng)險率為0.125,相應(yīng)的水源地水質(zhì)安全狀態(tài)的模糊可靠度為0.875;而一旦污染帶中心進(jìn)入水源地防護(hù)區(qū),將造成高達(dá)0.719的水質(zhì)風(fēng)險率,在此情況下水源地水質(zhì)安全狀態(tài)的模糊可靠度為0.281。即50年后水源地保護(hù)區(qū)將出現(xiàn)水質(zhì)風(fēng)險。通過利用模糊風(fēng)險評價法對再生水