基于模糊理论的水环境现状综合评价与水体污染源解析 ——以辽河流域典型河流为例

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在我国,水污染问题伴随着城市化日益突显,水环境状况不容乐观。辽河流域人口相对稠密,经济发展水平较高,流域内各项污染问题突出,如今已成为我国污染最重的河流之一。辽河流域流经辽宁省的中轴线,纵贯辽宁中部地区,流经区域水污染状况同样不容乐观。目前,基于断面实测数据的水质综合评价与重金属人类健康风险评估被广泛应用于流域水污染的研究,且在各大流域范围内得到了很好的评价结果和推广应用。为了提高流域水环境质量,本研究综合评价了辽宁省辽河流域两大水系的水环境质量,对重金属排放带来的人类健康风险进行评估,同时解析了研究区水体的污染物来源。选择2019年辽河流域22个水质采样点(包括地表河流与入海河流两种类型),开展一月一次的常规水质指标(DO、BOD5、CODCr、CODMn、NH3-N与TP)和重金属污染指标(Cu、Zn、Pb、Cd与Cr)的监测,共获得227个样品,基于模糊数学理论,应用水质指标Zk在传统模糊评价法的结果的基础上表征各断面的水质,对研究区断面的水质状况做出客观合理的评价;同时,基于重金属污染物的监测数据,重金属污染现状评价首先采用重金属污染指数法进行,并应用美国环境保护署(US EPA)推荐的健康风险评价法,分别对饮水途径造成的成年人和儿童的非致癌(Rn)和致癌(Rc)健康风险进行计算,确定不同河流不同金属的评价等级,以评估研究区内的重金属带来的人类健康风险的大小;再者,对11项指标进行相关性分析和断面空间聚类分析,做基于多元统计法的不同水系和河流的污染源识别和解析研究;最终根据评价与评估结果,针对流域内水环境综合治理提出相应的意见和措施建议。主要结论如下:(1)2019年研究区内整体上浑太水系水质优于辽河水系、上游水质优于下游。具体表现为,辽河干流总体上处于良好水平,水质综合评价处于Ⅰ-Ⅲ等级的断面占比为71.4%;浑太水系三条主要河流断面水质综合评价处于Ⅰ-Ⅲ等级的比例为80%,水质状况整体处于优及良好等级;研究区内赵圈河、曙光大桥、于家房、于台和蒲河沿5个断面污染比较严重,其水质状况不容乐观;同时入海河流采样点辽河公园评价结果为Ⅲ级,赵圈河评价等级为Ⅳ级。水质综合指数进一步细化了评价结果,结果显示辽河水系巨流河大桥断面水质状况最佳(Zk=2.350),曙光大桥断面水质状况最差(Zk=3.521);浑太水系中,大伙房水库断面水质最佳(Zk=1.116),于家房断面水质状况最差(Zk=3.911)。(2)22个水质断面的HPI指数均小于10,说明研究区水体的重金属污染程度低于国家Ⅲ级标准限值,处于可接受的水平;人类健康风险评估结果表明,儿童重金属污染的非致癌和致癌健康总风险总体上均明显高于成人,且辽河水系的重金属健康风险低于浑太水系。对于不同类型的重金属而言,致癌重金属Cr的风险远高于Cd,而非致癌均未超过US EPA推荐的最大可接受水平。同时,浑河水体中的重金属Cd、大辽河水体中的Cr带来的人类健康风险明显高于其他河流,太子河的小姐庙与蒲河沿断面、大辽河的三岔河断面的评价结果明显高于其他断面。(3)断面空间聚类分析的结果为,当欧氏距离平方(SED)为5时,辽河水系的7个断面聚类为3组,浑太水系的15个断面聚类为4组。针对空间聚类的结果,进一步结合因子分析法对水体的污染物及其来源进行分析,结果表明辽河水系的主要污染源为生活、工业和农业污染源,而生活污染源和工业污染源是浑太水系的主要污染源;同时对重金属的源解析表明辽河水系的重金属污染源主要为工业源、交通源和生活垃圾堆放源,而浑太水系的重金属污染源主要为工业源和交通源。同时,对辽河流域水环境综合治理提出对应的意见与建议。其中辽河流域水环境质量综合治理措施包括工程措施、管理措施以及保障措施,辽河流域水污染综合防治包括工业污染防治、农业污染防治及重金属污染防治三方面的措施。以上结论与建议可为进一步实施辽河流域综合管理工作提供可参考的实际建议,也可对我国流域治理提供相关参考。
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