基于ArcGIS的雅安市农村水源地水质.docx
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基于ArcGIS的雅安市农村水源地水质
基于ArcGIS的雅安市农村水源地水质
健康风险评价与管理研究
农业水利工程专业叶剑
(指导老师:
倪福全副教授卢修元讲师)
摘要:
针对农村饮水安全中水质不安全的核心问题,本文采集了雅安市221个农村饮水水源地的水样,并检测了致癌物与非致癌物的含量,对四川盆地西缘典型区-四川省雅安市七县一区水环境特征分析、水环境健康风险源辨识的基础上,应用美国科学院国家研究委员会(U.S.NationalResearchCouncilofNationalAcademyofScience)推荐的健康风险模型计算并分析了本区农村水源地饮水水质的致癌风险(R)和非致癌风险(危害指数,HI),利用ArcGIS的地统计空间分析功能,对评价结果数据(R和HI值)进行了分析,选择合理的插值方法,得到研究区水质风险的空间分布图,对雅安七县一区农村饮水水质进行了致癌物及非致癌物的健康风险的单因子和组合因子的综合评价,指出:
水源地中主要的致癌物是砷、铬(6+)和铅,主要分布在雨城区及名山县的部分地区;
非致癌物的健康风险(危害指数)主要来源于砷、氟化物、硝酸盐、铁,主要分布在雨城区、天全县、荥经县、汉源县、石棉县等人口密集地,建议重点监控这4种污染物质。
研究结论揭示了研究区水源地水质健康风险控制指标,为水源地的治理提供了科学依据。
关键词:
水源地;水环境;水质;健康风险评价;ArcGIS;地统计分析;雅安市
RuralwaterhealthyriskassessmentandmanagementbyusinggeostatisticsbasedonArcGISinYa’ancity
Abstract:
Aimattheunsafeofwaterqualitywhichisthecoreproblemsinruraldrinkingwatersafety.Thispapercollected221watersamplesofruraldrinkingwatersourceinya'an,detectedthecontentsofthecarcinogenandthenon-carcinogenmaterials,appliedthehealthyriskmodalrecommendedbytheU.S.NationalResearchCouncilofNationalAcademyofSciencetocalculateandanalyzethewater’scarcinogenicriskandthenon-carcinogenicrisk,basedontheanalyzingofthecharacteristicsofthewaterenvironmentofya'an,whichisatypica1lowmountainandhillregion,betweenSichuanBasinandWesternPlateauinSichuan,Chinaandidentifyingofthewaterenvironmenthealthyrisksource.Thenusedthegeostatisticalmethodtoanalyzetheresultoftheassessment,selectedtheinterpolationmethodtodrawthewaterqualityriskassessmentmap,assessedthesinglefactorandthemuti-factorofthehealthriskofthecarcinogenandthenon-carcinogenofthewaterqualityinruralareasinya'an.Theobtainedresultsshowthat,themaincarcinogeninwatersourceareaareAs,CrandPbrespectively,theyaremainlyintheRainCityDistrictandMingshancountyinya'an,themainnon-carcinogenicriskcomesfromAs,fluorides,nitrate,andFe,theyaremainlyindenselypopulatedareas,suchasRainCityDistrict,Tianquancounty,Yingjingcounty,HanyuancountyandShimiancounty.Thesefourcontaminatingmaterialsshouldbemonitoredwithemphasis.Thestudyresultsshowedthatthecontrolindexesofthehealthyriskofthewatersourceinthestudyareaandprovidedthescientificbasisforthetreatmentofthewaterqualityofthewatersourceareas.
Keywords:
watersourcearea;waterenvironment;waterquality;healthriskassessment;ArcGIS;geostatisticalanalysis;Ya’an
1引言
1.1研究背景
近年来,我国水环境污染问题日益严重,饮用水水源水质安全受到了严重威胁,势必严重影响人民的生命和健康。
水污染对人体健康的影响,主要有以下几个方面:
(1)引起急性和慢性中毒。
水体受化学有素物质污染后,通过饮水和食物链便可造成中毒,如甲基汞中毒(水俣病)、镉中毒(骨痛病)、砷中毒、铬中毒、农药中毒、多氯联苯中毒等。
这是水污染对人体健康危害的主要方面。
(2)致癌作用。
某些有致癌作用的化学物质,如砷、铬、镍、铍、苯胺、苯并(a)芘和其它多环芳烃等污染水体后,可在水中悬浮物、底泥和水生生物内蓄积。
长期饮用这类水质或食用这类生物就可能诱发癌症。
(3)发生以水为媒介的传染病。
生活污水以及制革、屠宰、医院等废水污染水体,常可引起细菌性肠道传染病和某些寄生虫病,如伤寒、痢疾、霍乱、肠炎、传染性肝炎和血吸虫病等。
(4)间接影响。
水受污染后,常可引起水的感官性状恶化,发生异臭、异味、异色、呈现泡沫和油膜等,抑制水体天然自净能力,影响水的利用与卫生状况。
目前人类90%的癌症是由化学致癌物引起的[1]。
随着越来越多的饮用水水源受到污染,健康危害评价不能只停留在污染物是否严重的描述上,而应该将污染物的严重程度量化以风险度来直接表达其对人体的危害。
因此水环境健康风险评价正逐渐兴起并成为一个新的研究领域。
随着越来越多的饮用水源受到污染,化学污染物种类逐年增多,常规的净水工艺难以去除痕量有机污染物然,而这些物质会对人体健康产生很大的危害。
联合国的相关报告指出:
贫困地区80%的疾病是由饮水不安全引起的,每天约有2.5万人因此而死亡[2];另据世界卫生组织的报告,全世界发展中国家1/3的城市人口得不到安全的饮用水[3]。
我国的饮用水安全形势亦相当严峻,2004年12月22日(农历二〇〇四年十一月十一)水利部部长汪恕诚指出:
我国70%以上河流湖泊遭受不同程度污染,高氟水、高砷水、苦咸水、有机物污染水、血吸虫等,造成3.6亿人饮水不安全;其中,1.9亿人饮水中有毒物质含量超标[2]。
水体中的污染物按性质可以分为生物性、物理性和化学性污染物。
其中,生物性污染物主要指各种病原微生物,将导致介水传染病的传播和流行,如伤寒、细菌性痢疾、病毒性肝炎等,严格的水源卫生管理和常规的饮水消毒处理基本能保障饮用水水质的微生物安全。
物理性污染物主要指各种放射性物质,将诱发人体细胞发生癌变、基因突变和先天性畸形,但是一般水体尤其是作为水源地的水体,放射性污染程度很轻、一般检测不出[4]。
化学性污染物主要指随污染进入水体的无机和有机化学物质,可以引起人体急、慢性中毒和致癌、致畸等远期危害,如甲基汞引起的水俣病和镉污染引起的痛痛病,均为闻名世界的公害病。
现今饮水水质安全的威胁主要来自化学性污染,而目前常规的饮用水处理工艺对绝大部分化学性污染物还无能为力,因此卫生部2001年颁布实施的《生活饮用水水质卫生规范》(以下简称《规范》)中规定的常规检验项目与非常规检验项目中的70项毒理学指标和附录A中添加的30项指标均直接针对源水[5]。
化学污染物根据其对人体危害性质的不同可以分为致癌污染物和非致癌污染物,美国环保署U.S.EPA通过分析流行病学和临床统计资料以及动物实验数据,根据化学致癌物质对人体和动物致癌证据的充分程度将其分为A类(致癌)、B1类(很可能致癌)、B2类(可能致癌)和C类(可疑致癌);国际癌症研究中心IARC也作了类似分类。
美国能源部(U.S.DepartmentofEnergy,USDOE)资助OAKRIDGE国家实验室(OAKRIDGENationalLaboratory,ORNL)建立的风险评估信息系统(RiskAssessmentInformationSystem,RAIS)收集整理了包括U.S.EPA的综合风险信息系统(IntegratedRiskInformationSystem,IRIS)和健康影响评价概要表(HealthEffectsAssessmentSummaryTables,HEAST)以及暂定毒性数据库(ProvisionalPeerReviewedToxicityValuesDatabase,PPRTV)等数据源中放射性核素以及化学污染物对人体健康危害的数据[6,7,8]。
以U.S.EPA的分类标准为基础,同时结合参考国际癌症研究中心的分类数据,确定《规范》中列入的化学物指标中有46项对人体有致癌作用,其中A类4种、B1类5种、B2类26种、C类11种;非致癌化学污染物52种,并且化学致癌物质基本上同时对人体具有非致癌慢性毒害作用;此外,附录A中有8种物质对人体的健康危害暂时不能定性。
具体的分类见表1。
饮用水是人类生存的基本需求,因此享有安全的饮用水是人权的基本标志之一。
饮用水安全包括水量安全和水质安全,而我国目前严峻的水污染状况使得水质安全管理的重要性愈发凸显。
确保饮水水质安全的最终落脚点是充分保障人体健康,然而目前主要基于水质标准开展的饮用水水质安全评价管理工作并不能直接反映水质与人体健康之间的关系。
健康风险评价则正好架起了两者之间的桥梁,可以定量反映水体污染对人体健康造成损害的可能性及其程度大小。
因此,有必要在饮用水水质安全管理工作中全面开展健康风险评价,在目前饮用水水质安全标准管理的基础上逐步引入风险管理。
因此,需通过饮用水源水质健康危害的风险度评价,直接得到以健康危害的风险度表示的水源水质的综合结论,确定水体中污染物的主次及治理的优先顺序[9]。
表1《规范》中化学污染物对人体健康危害的分类
A类
砷
苯
铬(六价)
氯乙烯
B1类
镉#
铍
钴
甲醛
丙烯腈
B2类
铅
溴仿
百菌清
四氯乙烯
2,4,6-三氯酚
氯仿
甲草胺
六六六
二氯甲烷
1,2-二氧乙烷
七氯
六氯苯
五氯酚
苯并(a)芘
1,2-二氯乙烷
林丹
滴滴涕
2,4-滴
丙烯酰胺
七氯环氧化物
苯胺
水合肼
四氯化碳
环氧氯丙烷
一溴二氯甲烷
乙醛
C类
对硫磷
三氯乙烯
1,4-二氯苯
三硝基甲苯
1,1-二氯乙烯
丙烯醛
三氯乙酸
三氯乙醛
六氯丁二烯
二溴一氯甲烷
二氯乙酸
非致癌
铝
镍
黄磷
异丙苯
亚氯酸盐
铁
银
石油
内吸磷
二硫化碳
锰
铊
氰化物
甲萘威
二硝基苯
铜
钒
氟化物
一氯胺
己内酰胺
锌
钛
硝酸盐
氯化氰
1,2-二氯苯
汞
甲苯
二甲苯
灭草松
1,2-二氯乙烯
硒
乙苯
苯乙烯
溴氰菊酯
甲基对硫磷
锑
氯苯
三氯苯
挥发酚类
1,1,1-三氯乙烷
钡
乐果
叶枯唑
马拉硫磷
微囊藻毒素-LR
硼
乙腈
四氯苯
四乙基铅
邻苯二甲酸二酯
钼
吡啶
暂未
定性
松节油
三乙胺
活性氯
丁基黄原酸
二硝基氯苯
苦味酸
氯丁二烯
硝基氯苯
注:
#研究表明镉对人体的致癌主要经由呼吸,经由饮用水未发现致癌作用。
农村水源地水质状况直接关系到广大农村地区农牧民的身体健康。
现行的水质安全评价方法中,大多基于水质标准进行评价工作,健康危害评价只停留在对有害污染物是否严重的描述上,并未直接反映源水水质对人体健康的影响。
如何将污染物的严重程度量化,以风险度来直接表达其对人体的危害,是当前我国农村饮水安全工作中的热点和难点问题。
由于干旱、水资源缺乏且分布不均、水文地质条件和地形条件差等自然原因及居住分散、农村经济条件差、基层技术力量薄弱、国家经费投入少、科技投入不足、污废水的不合理排放、化肥农药的大量施喷、不合理开矿、水资源的不合理开发以及管理落后等人为原因导致我国农村饮水安全问题严重。
按水质、水量、用水方便程度和保证率等指标衡量,2004年底,占全国总面积近90%的广大农村地区尚有3.23亿农村人口(中西部地区占80%)饮水未达到安全标准。
2005年,国家启动了农村饮水安全应急工程,2010年前要解决1.6亿农村人口饮用高氟水、高砷水、苦咸水、污染水和血吸虫病区、微生物超标等水质不达标以及局部地区严重缺水的问题。
据调查,全国农村饮水水质超标涉及人口为22642万人,占饮水不安全人口的70%。
饮水水质超标主要包括高氟水、高砷水、苦咸水、污染水,以及铁、锰等其他指标超标。
其中:
饮用高氟水人口为5115万人,占饮水不安全人口的16%(其中,含氟量大于2.Omg/L的为3000多万,遍及全国);饮水砷超标人口数达364万人,占水质不安全人口的2%,分布在22个省;饮用苦咸水人口为3832万人,占饮水不安全人口的12%,其中,溶解性总固体>2O00mg/L的为2400多万人;饮用污染水人口为8922万人,占饮水不安全人口的28%,遍布全国所有省(自治区、直辖市),90%分布在中南、西南、华东、华北地区。
健康风险评价(HealthRiskAssessment,HRA)兴起于20世纪80年代,以风险度作为评价指标,将环境污染与人体健康联系起来,定量描述污染对人体健康产生危害的风险。
目前,健康风险评价在世界各地都得到了一定的应用[10]。
我国的健康风险评价工作始于20世纪90年代初,最初主要应用于核工业领域[11],目前尚未列入常规环境评价中[12]。
随着水环境污染问题的日益严重,特别是饮用水安全受到严重威胁,开展水环境健康风险评价有利于充分了解水体污染状况、污染物迁移转化途径和对人体健康与生态的危害,提高饮用水的安全性。
随着我国“以人为本”、“社会、经济、环境和谐发展”战略的确定,水环境健康风险评价工作必将提高到十分重要的位置。
人类疾病的出现与气候、环境、水质和管理、教育、空气污染、自然疾病、社会等因子密切相关,了解并深入研究人体健康及其影响因子的空间分布十分必要,有助于健康决策部门采取应对预案和措施,确保社会稳定。
因此GIS技术在健康风险中的应用研究,特别是在国外日益得到了重视和应用[13,14,15,16,17]。
但国内大多数研究都主要集中在对城市水源地、农村水源地、污水回灌溉、地下水等方面的健康风险分析研究,多为U.S.EPA健康风险公式的简单应用,很少考虑非确定性因素的影响进而开展基于GIS的研究[18,19,20,21]。
为此,本文以四川西缘山地典型区-四川省雅安市七县一区为例,基于对221处农村水源地源水检测成果的分析,应用美国科学院国家研究委员会(U.S.NationalResearchCouncilofNationalAcademyofScience)推荐的健康风险评价模型对源水中超标项目,如氟化物、硝酸盐、Fe、Mn、As、Cr6+、Pb、Cd、Hg等的健康致癌风险和非致癌风险(危害指数)进行了计算和研究,应用ESRI(EnvironmentalSystemsResearchInstitute)ArcGIS(GeographicInformationSystem)9.0版本软件,将计算出各个水质监测点的各种致癌风险(R)和非致癌风险(危害指数,HI),进行空间插值分析,生成一系列关于致癌风险(R)和非致癌风险(危害指数,HI)值在雅安七县一区的分布情况的专题地图,为雅安废市七县一区的水质风险预测和评价提供了可靠的保障。
阐明了研究区农村饮用水水环境的风险水平、污染物的主次及治理的优先顺序,为研究区饮用水水质风险管理提供科学依据。
1.2研究目标
选择雅安市农村水源地,以国家最新颁布的水源水质和饮用水标准为水质目标,研发GIS支持下的多种综合评估分析工具和水质管理决策支持关键技术,初步形成基于污染源动态变化的污染物负荷分配和农村水质管理技术体系,为雅安市农村水源地水质保护提供新模式和技术平台。
利用GIS对水源地源水水质数据进行存储、计算、分析、模拟和显示,适时绘制水质风险的空间分布专题图,实现对水源地水质健康风险的实时监测、评价与动态管理。
整个系统由数据库、GIS可视化界面以及水源地水质健康风险模型组成。
1.3主要研究内容
影响水源地水质关键污染物筛选、源识别和污染负荷监测;选择水质健康风险分析模型;计算水源地水质风险;借助于GIS强大的空间分析功能作出水源地水质健康风险单因子和组合因子的综合评价专题图件,从而为分析研究水质健康风险的空间分布,寻找风险原因提供科学依据。
1.4研究区水环境特征概况
1.4.1基本概况
雅安市位于四川省西部,东经101º56’~103º20’,北纬28º51’~30º56’。
东邻成都、眉山两市,南与凉山相连,西接甘孜,北与阿坝毗邻。
境内地形狭长,南北长约220公里,东西宽约70公里,最高海拔5793米,最低海拔515.97米,相对高差5277米。
幅员面积15409.48平方公里,现有耕地面积144.68万亩。
雅安市属四川省盆地西缘山地,为盆地到青藏高原的过渡地带。
境内山脉纵横,地形切割强烈,地貌类型复杂多样。
全市以山地为主,占总面积的94%,丘陵平坝仅占6%。
地貌主要特征是:
地势起伏大,山脉走向与地质构造线一致;层状地貌明显,单斜山(成丘)具有规律性分布;山脉走向制约着自然地理环境,高3000余米的大相岭横贯本市中部,走向近于西北,不仅是大渡河与青衣江的主要分水岭,也是市内自然地理的重要分界线。
大相岭以北,有雨城区、名山、荥经、天全、芦山、宝兴六县(区),以南有汉源、石棉两县,南北区域在气候、植被、土壤等方面都有显著的不同。
北部沟谷切割强烈,多峡谷分布、降雨集中,强度大,经常造成洪涝灾害;南部属大渡河中游河谷干旱少雨区,气候干燥,日照多、降雨少、常有旱情发生。
境内物质坡面移动强烈、崩塌、滑坡、泥石流经常发生。
根据中国科学院地理研究所提出的山地高度分类情况,低山、中山、高山、极高山在全市均有分布。
低山区占全市总面积的16.28%,中山区占全市总面积的67.44%,高山区占全市总面积的6.12%,其余为海拔5000米以上的极高山区。
1.4.2自然条件
境内径流主要源于降水、融雪次之。
全市多年平均地面径流180.69亿立方米,平均径流深1183毫米,平均每平方公里产水量118.33万立方米,其中青衣江流域多年平均径流量134.41亿立方米,占全市总量的74.4%,平均径流深1367毫米;大渡河流域多年平均径流量42.16亿立方米,占总量的24%,平均径流深为845毫米;岷江流域多年平均径流量4.12亿立方米,占总量1.6%,平均径流量982毫米。
市内过境水量289.8亿立方米,其中大渡河275.9亿立方米,青衣江13.9亿立方米。
径流年际变化不大,变差系数在0.14~0.3之间。
但由于降水时空分布不均,加之地貌、地质和植被的变化,致使地表径流年内差异较大,汛期(6~9月份)约占全年的65%,最大月径流量占全年径流量的15~18%,枯期(12月至次年2月)径流量占7.4~11.9%,最小月径流量占年径流量的1.4~2.8%。
河流:
市内河流属岷江水系的支流大渡河、青衣江,全市流域面积在30平方公里以上的河流有131条,其中流域面积大于1000平方公里的河流11条,100至500平方公里的河流40条,500~1000平方公里的河流2条,除名山县的临溪河直接汇入岷江外,其余均属大渡河流域和青衣江流域[22]。
1.4.3日照条件
全市除少数高山地区外,基本属亚热带湿润季风气候。
其主要特征是冬少严寒,夏无酷热,气候温和。
日照情况:
以大相岭为界,南北差异明显,北部日照少,南部日照多。
北部多年平均日照时数791.3~1060.7小时,南部日照时数1245.6~1447.9小时。
石棉为全市日照最多的县之一。
气温:
气温分布呈明显的南北水平差异和随地势变化的垂直差异。
北部青衣江河谷和南部大河河谷海拔最低,年均气温分别为14ºC~16ºC和17ºC~18ºC。
气温年际变化不大,但冬夏气温相差较大,如宝兴县一月最低平均气温4.5ºC,石棉则为8.3ºC,七月最高平均气温,宝兴为22.6ºC,汉源为25.9ºC。
降雨:
由于季风环流和地形地貌的影响,北部的六县(区)是全省著名暴雨区,降雨特点是夏秋多、冬春少、夜雨多、暴雨强度大,年均降雨量在1200~1700毫米之间,日最大暴雨量达339.7毫米,多年平均降水日数177—236天。
南部石棉县、汉源,年降雨量700多毫米,多年平均降水日数143天。
1.4.4人文经济概况
全市辖七县一区,分别是宝兴县、芦山县、天全县、名山县、雨城区、荥经县、汉源县、石棉县。
167个乡镇,1070个行政村,总人口155.4万人,其中:
非农业人口31.35万人,农业人口124.41万人,占总人口80%,农村劳动力68.9万人。
全市有彝、回、满、藏等18种少数民族,近6万人,主要分布在汉源、石棉、宝兴等农村地区。
全市耕地面积144.68万亩,其中:
水田面积52.5万亩,旱地面积92.18万亩,农村人口平均耕地1.16亩。
主产粮食作物有:
水稻、玉米、小麦和油菜仔、茶叶等经济作物。
粮食总产量51.81万吨,农业人均产粮416公斤。
近年来随着农业结构调整,农村经济的发展,农业科技的推广,全市粮食生产和农村经济稳步发展,农、林、牧、副、渔稳步增长,农业总产值达37.23亿元,农村人均收入达2387元。
2003年全市财政收入3.04亿元。
全市现有各类水利工程4979处,其中,灌面万亩以上中型渠埝13条,灌面1000亩以上渠埝70条,灌面1000亩以下渠埝3026条;中型水库1座(属省管);小
(一)型水库8座;小
(二)型水库31座。
山坪塘1140口;固定提灌站690处,845台,装机1.58万千瓦。
全市引、蓄、提水量达5.7亿立米,设计灌溉面积72.64万亩;有效灌溉面积64.66万亩
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