再生水回用后丁香水源地水质风险评价

再生水回用后丁香水源地水质风险评价

水质风险评价模型可概括为随机模型、模糊模型、灰色风险评价模型和不确定性风险模型。目前,虽然有一些对水质风险评价的研究,但至今尚未形成系统的、专门的理论体系和方法体系。即便是水质风险的定义、风险的识别以及风险大小的度量等也都还没有统一的概念和计算模式可循。本文采用三角模糊数方法对北部污水处理厂出水回用于丁香湖后对地下水水源产生污染的风险进行评价。丁香地区地处辽宁省沈阳市西北城乡结合部,地貌位置为下辽河平原区,东部山前倾斜平原的浑河冲洪积扇地之中,面积约20km2,其中丁香湖蓄水面积6.2km2,丁香湖地区地下水资源丰富,浅层地下水的埋深很浅,大面积裸露于地表,现有湖水即是当地孔隙潜水。丁香湖蓄水工程是为了解决远期6.2km2、近期2.8km2湖面的蓄水问题。专家提出北部污水处理厂的出水可以作为丁香湖的供水资源,但考虑到北部污水厂出水再生回用于丁香湖后,可能引发地下水水质的变化。为了解丁香湖再生水回用后对丁香水源地水质带来的风险,需要对其进行水质风险评价。1模糊风险评价方法1.1三角模糊数的基本原理1.1.1角模糊数设a,b,c分别为某一模糊变量的下限、最可能值和上限,则3个一组数(a,b,c)构成一个三角模糊数,令其。这里,a、b、c为实数,且,相应的隶属函数定义为式(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为无空闭区间设三角模糊数˜A=(a1,a2,a3),隶属函数表达式同式(1),则˜A的α-截集可以定义为:˜Aα={x|μ˜A(x)⦥α‚x∈X}(2)式中:X为广域区间;α为可信度水平,且α∈[0,1]。则˜Aα是一个无空的闭区间,通常表示为:˜Aα=[aLα,aRα]=[(a2-a1)α+a1,(a2-a3)α+a3](3)显然,˜Aa是可信度水平不低于α的数据区间,且对所有α(α∈[0‚1])‚˜Aα均为三角模糊数。由式(2)、式(3)可以看出,对于给定的可信度水平α,三角模糊数实际上己转化为区间数。1.2水环境水质安全状态的模糊可靠度假设˜X表示水环境支撑能力三角模糊数,˜Y为污染负荷水平三角模糊数,令˜Ζ=˜X-˜Y。这里,若˜Ζ＞0,即˜Ζ为正的三角模糊数,则水环境支撑能力大于污染负荷水平,此时水环境水质是安全的;若˜Ζ＜0,即˜Ζ为负的三角模糊数,则将发生失效模糊概率事件,即出现水质超标现象。显然,˜Ζ=0为临界状态。这里,不妨将包含了模糊性的水环境水质风险定义为模糊水质风险,并用式(4)定量表征风险发生的可能性。式中:R(˜Ζ＜0)称为水环境水质模糊风险率或模糊失效概率;μ˜Ζ为对˜Ζ的隶属度或可信度。水环境水质状态的模糊失效对应的是水质超标风险的发生,由此可将度量水环境水质安全状态的模糊可靠性指标,即模糊可靠度表示为式(5)。Rs=1-R(˜Ζ＜0)=∫˜Ζ＞0μ˜Ζ(z)dz/∫Ζμ˜Ζ(z)dz(5)显然,在用上述模型评价水环境风险时,水环境支撑能力和污染负荷水平的隶属函数类型将直接影响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质状况由于研究区下游有丁香水源地,饮用水源地对水质要求较高,所以此次水质风险评价中主要研究对象是丁香水源地。为保障广大居民的饮水安全,沈阳市规定将水源地保护带设为500m,即在水源地500m之内水质应达到生活饮用水水源水质标准。通过建立研究区地下水溶质运移模型,预测了将北部污水处理厂出水回灌于丁香湖后研究区溶质运移未来变化趋势情况(限于篇幅、模拟过程省略),并输出了北部污水处理厂出水再生利用于丁香湖50年后的水质变化状况。图1是在50年输出结果基础上加上了水源地保护带,以便于更清晰的看出丁香湖再生水利用后对水源地的影响情况。其中,阴影区为水源地保护区。由图1可以看出,位于丁香湖上游的芳士水源地防护区域未受到再生水的影响,可视为安全的。但是很明显,2058年污染带已经进入了位于丁香湖下游的丁香水源地防护区。为了更清晰看出污染带与水源地防护带的位置关系,在图1基础上,截取了局部放大图,见图2。生活饮用水水源水质标准中规定,SO42-的浓度不能超过250mg/L。由图2可以清晰的看出,2058年SO42-250mg/L的等值线已经进入水源地防护带,300mg/L的等值线也开始进入水源地防护带。由此可以说明丁香湖再生水回用后2058年水源地将有被污染的风险,下面将用水质模糊风险评价理论定量预测一下2058年丁香水源地水质遭受风险的程度。另外,根据污染带的运移趋势,整个污染带有向丁香水源地迁移的趋势。若水源地在今后的开采中加大开采量,即会加速污染带的运移,所以在评价水质风险时,从保护水源地安全的角度,同时计算了污染带中心运移到水源地保护区域时对水源地水质造成的风险。2.1糊数相关的隶属函数按照预测值将2058年进入水源地保护带内SO42-的浓度值定义为三角模糊数,即~C1=(100,200,300)。则~C1相应的隶属函数见式(6)。将污染带中心进入水源保护带后SO42-的浓度值定义为˜C2=(100,300,500),同上,其相应的隶属函数见式(7)。2.2so42-浓度区间值c假设采用相同的可信度水平,利用三角模糊数的α-截集技术将三角模糊数~C1和~C2表示为区间数得,˜C1α=[100α+100,-100α+300];˜C2α=[200α+100,-200α+500]。显然,SO42-浓度区间值将随着可信度α取值的改变发生变化,即˜C是可信度水平α的函数。在区间[0,1]内,对任取某一实数,则~C1和~C2均是一个区间值。若α取遍整个可信度区间[0,1],则可得到进入水源地保护带的三角模糊数形式的SO42-浓度分布图,见图3和图4。2.3so42-浓度下的水质风险水质控制目标定义为生活饮用水源水质标准值250mg/L,将其也定义为三角模糊数为˜C0=(250,250,250)。则˜Ζ1=˜C0-˜C1＜0,意味着2058年进入水源地保护带内SO42-的预测浓度超过水质目标,即发生水质风险。˜Ζ2=˜C0-˜C2＜0,意味着污染带中心进入水源地保护带内后SO42-的浓度超过水质目标,即发生水质风险。由图3和图4均可以看出,SO42-浓度三角模糊数的隶属函数可以近似看作是线性的。再由式(4)得,水质风险率在几何意义上来讲,可表示如下。R(˜Ζ1＜0)=S1/S总(8)式中:S总为图3中三角形总面积;S1为图3中硫酸盐浓度超过控制浓度部分所组成面积。R(˜Ζ2＜0)=S2/S总(9)式中:S总为图4中三角形总面积;S2为图4中硫酸盐浓度超过控制浓度部分所组成面积。(1)模拟水质风险率计算由图3得,S1=∫˜Ζ＜0μ˜Ζ(z)dz=12.5‚S总=∫˜Ζμ˜Ζ(z)dz=100,再由式(8)可得,2058年模拟水质风险率为0.125。(2)污染带中心进入草地防护区的水质风险率由图4得,S2=∫˜Ζ＜0μ˜Ζ(z)dz=143.75‚S总=∫˜Ζμ˜Ζ(z)dz=200,再由式(9)可得,污染带中心进入水源地防护区的水质风险率为0.719。3生态评价及对策建议由以上所得结果可以看出,根据预测50年后水源地水质以SO42-浓度计所得风险率为0.125,相应的水源地水质安全状态的模糊可靠度为0.875;而一旦污染带中心进入水源地防护区,将造成高达0.719的水质风险率,在此情况下水源地水质安全状态的模糊可靠度为0.281。即50年后水源地保护区将出现水质风险。通过利用模糊风险评价法对再生水