水环境风险源识别和评估研究进展综述

收稿日期:2018-06-08
作者简介:孙滔滔,环境科学工程师。

基金项目:深圳市科技计划项目(JSGG20150814163914934)。

摘要:针对流域水环境风险问题,归纳了国内外环境风险源识别和风险评估研究进展。

研究表明,国内水环境风险源识别方面,点源和面源识别方法比较成熟,研究案例很丰富,移动源识别有待加强。

风险评估方面,富营养化研究已有适合国内水环境的方法,但是有机污染物和重金属风险评估主要停留在风险识别阶段,风险评估方法及标准主要参考国外文献,还有待深入研究,以期能提出适合国内环境的风险评价方法和标准。

关键词:水环境;风险源识别;风险因子;风险评估
Review on study progress of identification and evaluation for water environment risk sources //Sun Taotao,Zhao Xin,Yin Kuihao,Peng Shenghua,Lin Qing
Abstract :The paper reviews the study progress of water environment risk sources identification and evaluation in China and other countries.The study shows that there are more matured methodologies for point and non -point sources identification and case studies,but very few methodologies for identifying move sources.In terms of risk assessment,the methodologies that suit for identifying eutrophication in China has been found,but the methods and standards for risk assessment of organic pollutants and heavy metals are mainly references of foreign literatures that needs in -depth
studies,so as to find out risk assessment methods and standards that are suitable to local environment.Key words:water environment;identification of risk sources;risk factors;risk evaluation 中图分类号:X171.4+TV213文献标识码:A
文章编号:1000-1123(2018)15-0041-04
水环境风险源识别和评估
研究进展综述
孙滔滔1,赵
鑫1,尹魁浩1,彭盛华1,林
青2
(1.深圳市环境科学研究院国家环境保护饮用水水源地管理技术重点实验室,518001,深圳;
2.广东粤港供水有限公司,518021,深圳)
随着经济社会的进步,流域水环境问题日趋严重,在自然环境演变和人类活动的影响下,风险源的类型和数量不断增加,水环境风险问题凸显。

国务院出台的《水污染防治行动计划》(国发〔2015〕17号)中明确指出要加强水环境风险管理,全力保障水生态环境安全。

为更好地解决水环境问题和进行科学的水环境管理,有必要将水环境管理理念从传统的被动式应急管理转向主动式风险管理,开展水环境风险识别和评估,从源头识别风险,防患于未然。

水环境风险源识别根据其形态
特征可以分为点源、移动源和面源,风险评估则选取风险源的风险因子进行辨析,一般将风险因子分为氮磷等富营养化元素、有机污染物、重金属3个类别进行评估。

国内外针对水环境风险源识别和评估开展了大量研究工作,取得了一定成果。

本文梳理了国内外研究案例和进展,总结了水环境风险源点源、移动源、面源的识别方法,以及富营养化因子、有毒有机污染物、重金属风险评估技术的研究进展,以期系统反映水环境风险源识别和评估的研究现状,为相关研究者和流域水环境安全管理提供参考。

一、水环境风险源识别和评估的内涵
1.风险源识别
风险一般是指遭受损害、不利或毁灭的可能性。

环境风险是指由人类或自然活动引起、由环境媒介传播、能对环境造成不利后果的事件发生的概率。

水环境风险源识别是指在风险事故发生之前,运用各种方法体系判断可能出现的各种水环境风险,分析和预测风险事故发生的潜在原因及范围,提前进行防范。

水环境风险识别的
内涵主要包括3个方面:风险源、风险因子和风险受体,如表1所示。

(1)风险源
风险源是指对生态环境产生不利影响的一种或多种化学的、物理的或生物的风险来源。

从形态来看,水环境风险源可以分为固定源、移动源及流域面源。

(2)风险受体
风险对象即评价重点或受害对象(受体)。

顾名思义,水环境风险受体是水环境。

本文研究的水环境主要是地表水。

(3)风险因子
风险因子是最终造成水体风险的污染物,流域水环境中的污染物以氮磷、重金属和有机物为代表。

我国约49%的河流、湖泊存在着由流域沉积物中的有机污染物、氮磷无机污染物以及重金属等引起的环境风险。

2.风险评估
风险评估的基本思想是定量评估事件可能产生的影响或损失,并将结果表示为风险值或等级,为风险控制和管理提供参考。

对潜在的风险进行评估,有利于更好地了解风险、把握风险,对风险做出防范措施。

环境风险评价是指预测和评估风险因子对环境的影响和损害程度,并提出相应的防范、减缓环境风险的措施和对策。

水环境风险评估区别于其他环境风险评价的主要特点在于,它是基于风险源对水体的危害,评价的受体是水环境。

二、水环境风险源识别与评估技术进展
1.风险源识别技术进展
风险源的有效辨识是风险评估的前提。

环境风险源识别最初来源于危险源的识别。

20世纪80年代,欧盟率先颁布了《塞韦索法令》,作为危险环境危险源界定指南,指定了180种危险物质及临界量。

随后英国、德国按照《塞韦索法令》标准,分别辨识了1650个、850个重大危险源,其中大
部分为化工类设施。

同时,水环境污
染事故的频繁发生,严重损害了人们
的健康以及流域生态环境,大量水环
境安全方面的课题研究就此展开,水
环境风险源识别的概念在这一时期
开始出现。

相较于国外,我国在水环境风险
源识别方面的研究起步较晚。

2000
年,中国安全生产科学研究院颁布了
《危险化学品重大危险源辨识》,作为
重大危险源辨识的依据。

水环境风险
源的研究则是在21世纪初,随着松
花江水污染等几次重大水环境事件
的发生,逐步受到关注。

现阶段,根据风险源形态的不
同,研究侧重点也有所不同。

点源识
别主要识别对象为工业企业、加油站
等,一般通过构建指标体系确定风险
大小。

移动源主要识别对象为水上运
输、港口、跨江大桥或是沿江公路,除
了构建指标体系确定风险源的预警
等级,还需要模拟突发事故情形下污
染物的扩散风险预测。

面源研究则针
对农业、禽畜养殖较多的区域,通过
流域模型表征其风险时空分布特征。

(1)点源
国内工业企业生产活动在突发
环境污染事件中占有很高的比重,据
统计,点源造成的环境污染事件占比
高达50%~60%。

目前,主流的研究方
法是通过构建指标体系,对研究区的
固定风险源进行风险分级。

建立指标
体系的主要方法有德国清单法、模糊
综合评判法、层次分析法等。

具体指
标体系会根据研究区域和风险源类
别不同而有所差异,常用指标包括临
界值、风险源强、风险概率等因素。

国
内研究者对不同流域、工业园区进行
了风险源辨识研究。

如张艳军等建立
了三峡库区潜在重大水环境风险源
清单和评估平台;陈超等应用模糊综
合评价方法对西北内陆典型流域风
险源进行了综合分析。

(2)移动源
目前,移动源与点源的风险识别
方法有较高的相似性,主要区别在于
移动风险源的风险发生地点具有不
确定性。

根据文献,移动风险源的研
究主要分为两类,一类同点源风险识
别类似,构建风险指标体系对移动源
风险进行辨识。

另一类,通过突发污
染模拟预测的方法,对水源地和海域
突发性污染事故进行风险分析。

(3)面源
国外面源污染在河流水域污染中
占有更高的比重,尤其是农业面源污
染。

日本、欧洲等地农业面源污染占总
水域污染的50%以上;美国则约有
60%河流水域污染与面源污染有关,其
中农业面源污染贡献率为57%~75%。

通过建立模型,对面源进行时空
序列上的模拟,是研究面源的时空变
异特征以及评价其影响的最有效方
法。

模型研究可划分为三大类:经验
模型、机理模型和综合流域模型。

有
代表性的经验模型主要有通用土壤
流失方程USLE和SCS-CN径流模型
等,前者由美国农业部于1965年颁
布,后者来自美国土壤保持局。

比较
表1水环境风险识别的主要内容
形态主要来源风险形式风险特点风险因子
固定源
工业企业、加油站、污水
处理厂等
泄漏事故、工业
废水偷排乱排
位置固定,局部水域
由点到面逐步扩散
有毒有害化学物
质为主
移动源
沿岸行驶的货车相撞或
侧翻入水中,河流中运货
船舶货物泄露等
交通运输泄漏
事故
发生时间和空间具
有不确定性,由点到
面或呈带状扩散
石油类和有毒有
害化学物质
面源
居民区、农业区、禽畜养
殖区、旅游区、矿产区等
地表径流、地下
渗漏
面状污染,范围大,
时间持续较长
氮磷营养元素、重
金属、微生物等
有代表性的机理模型有农业化学污染物径流和土壤侵蚀模型CREAMS、流域非点源污染环境响应模型AN⁃SWERS以及农业非点源污染模型AGNPS等。

综合流域模型主要包括美
国环保署开发的BASINS,以及美国农业部开发的SWAT和AnnAGNPS 等。

目前,国内外使用最多的非点源风险评估流域模型是BASINS和SWAT。

2.风险源评估技术研究进展20世纪,环境风险评价经历了30年代的萌芽、80年代评估体系的形成、90年代的完善3个阶段,如表2所示。

21世纪后,孤立的健康风险评价和生态风险评价等研究表现出局限性,无法满足社会发展对风险评估提出的新需求。

在此背景下,联合国环境规划署提出综合风险评价的概念,评价框架体系、规范评价流程也逐步开始制定。

我国的环境风险基础研究始于20世纪80年代,水质健康风险评价模型应用案例最早出现在90年代,曾光明等应用水环境健康风险评价模型对河北省保定市河流水质监测数据进行了健康风险评价分析。

现阶段,水环境风险因子评估一般集中在流域水体富营养化风险评估,重金属风险评估,以及以农药、抗生素、环境激素、全氟化合物等为代表的有毒有机污染物风险评估等方面。

(1)水体富营养化风险评估
富营养化是指水体中植物氮、磷等营养物质含量过多引起的水质污染现象。

目前国内外研究者运用各种风险评估方法对流域水环境质量指标进行分析,评估流域水体富营养化程度
的方法主要包括综合营养状态指数
法、模糊综合评价法、灰色聚类法。

综合营养状态指数法最初是
Carlson于20世纪70年代提出的,该
方法选取透明度作为基准变量,研究
透明度、叶绿素、总磷这3个参数之
间的关系。

国内研究者结合我国湖泊
的特点,进一步对方法进行了改进,
目前国内采用的指数法的评价指标
是总氮、总磷、CODmn、叶绿素、透明
度5个参数。

模糊综合评价法是目前水体富
营养化评估中应用最为广泛的评价
方法之一。

该方法是以美国学者
Zadeh提出的模糊数学理论为基础的
综合评价方法,通过隶属度理论将模
糊的、难以量化的定性描述转化为清
晰的、系统的定量评估,评估结果表
现为向量形式。

目前灰色聚类法被广泛应用于
水环境领域。

该方法将湖泊系统视作
一个灰色系统,采用灰色聚类理论
构建聚类指标体系并赋予权重值,
计算得到最大聚类系数及相应的聚
类结果,从而实现对湖泊富营养化程
度的评估分级。

灰色聚类法保留了模
糊数学法的优点,同时能更充分地利
用信息,规避模糊综合评价法的不合
理之处。

(2)有机污染物风险评估
新型有机污染物是指因建立新
的分析方法或发现新的危害风险效
应而引起关注的有机污染物,典型代
表有EDCs、POPs、药物和PPCPs等,
它们是国际环境学科近十几年的研
究热点,是当前欧美等发达国家重点
控制的污染物,也是国内水环境中广
泛存在且具有潜在风险的污染物。

虽
然有机污染物在环境中的含量很低,
但由于其稳定性、生物富集性和高毒
性,对生态环境和人类健康具有巨大
威胁。

国内外对以多环芳烃(PAHs)、
农药、抗生素、环境激素、全氟化合物
等为代表的有毒有机污染物做了大
量风险研究工作,国内长江口、珠江
口等水系都有较多参考成果。

EPA最早于1989年提议用健康
风险模型评估DDTS和HCHs对人类
健康造成的风险,随后,研究者展开
了一些关于有机污染物的潜在生态
危害和健康风险方面的评估。

国内关
于生态风险和健康风险评估的研究
一般是基于低等水生生物及底栖生
物的毒理学数据和EPA标准的商值
法,还没有形成本土的系统化的评估
方法和规范,地表水环境标准对很多
有机污染物浓度尚没有标准的规定。

(3)重金属风险评估
重金属元素在水体和沉积物中
循环积累,通过生物富集作用使微量
重金属产生巨大的生物毒性,最终成
为生命体累积和慢性中毒的来源,直
接影响人类饮用水安全。

开展重金属
元素在水体沉积物中的分布规律、赋
存形态和迁移规律研究,是目前环境
科学领域中最重要的研究内容和任
务之一。

国内外学者采用的评估方法
主要有地累积指数法、富集系数法和
潜在生态风险指数法等。

地累积指数法是1969年Muller
提出的,该方法综合考虑了人为活动
可能产生的环境影响和自然成岩作
用引起的背景值变动,是现阶段定量
评价水体沉积物中重金属元素的污
染程度应用最为广泛的方法之一。

富
集系数法最早于1979年由Buat-
Menard提出,重金属污染的富集特征
通过富集系数来表征,富集系数等于
重金属元素与标准化惰性元素的比
值。

潜在生态风险指数法是Hakanson
于1980年提出的,结合重金属性质
表2国外风险源评估发展
时期阶段研究进展20世纪30年代环境风险评价萌芽毒物暴露条件下的健康影响分析
20世纪80年代环境风险评估体系
基本形成欧美地区发布一系列专业评估指南,现已被多国采用的风险评价“四步法”诞生于这一时期;水质健康风险评价开始兴起
20世纪90年代环境风险评价完善阶段加拿大、英国、澳大利亚等地区开始开展生态
风险评价研究
及环境行为特点,从沉积学角度定量分析多种污染物对环境的影响及其综合效应。

目前,地累积指数评价法和生态危害指数评价法是国内重金属评估应用最为广泛的方法,为了解我国主要湖泊沉积物中重金属的污染特征,有学者通过搜集整理已公开发表的文献资料数据,运用地累积指数法、潜在生态风险指数法分析并评价了我国31个主要湖泊表层沉积物中砷、镉、铬、铜、汞、镍、铅和锌8种重金属含量的平均值、分布特点和污染程度。

三、总结与展望
对于水环境风险源识别和评估研究,国内外已经开展了大量工作,取得了一些成果,也存在一些问题。

风险识别方面,国内水环境风险源识别工作大多以点源和面源为研究对象,移动源风险识别研究工作开展较少;环境风险源的辨识、风险发生可能性评估等研究以定性和半定量研究居多,定量研究还有待加强。

风险评估方面,目前国内水环境富营养化的风险评估已经有符合本土特征的方法,但有机污染物和重金属风险评估研究工作主要是风险识别,风险评
估方法和标准大多直接采用国外研
究成果,需进一步深入研究,以期能
设计出适用于国内水环境的风险评
估方法和标准。

加强有机污染物迁
移、转化、富集等环境行为研究,探讨
多种重金属和其他元素的协同污染
评价等,都是当前很有意义的研究课
题。

此外,随着大数据时代的到来,互
联网、物联网、云计算、人工智能等IT
与通信技术飞速发展,也为新形势下
的水环境风险评估和管理提供了一个
全新的方向。

■
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责任编辑张瑜洪
四是加快实施太湖流域防洪规划,将太湖防洪标准从50年一遇提高到100年一遇,其中有多项河道拓浚工程,如望虞河后续工程、太浦河后续工程、吴淞江工程和已开始实施的新孟河延伸拓浚工程、新沟河延伸拓浚工程等,都直接或间接有利于江南运河苏南段的洪涝水排泄,应该促进这些项目的实施。

五是加强水环境治理,尤其水污染治理,抓好江南运河水污染治理这个薄弱环节,不仅改善环境,而且可使其洪涝水顺畅下泄,减少高水位的风险。

苏南沿江地区,乃至建了防洪大包围的城区,都已采取或试行引水冲污和搞活水体的措施,取得了一定效果,
但这只是辅助措施,还要预防污染“搬
家”和汛期引水抬高河道水位增加防
洪风险。

根本措施仍是治理污染源。

六是增补信息系统建设,在原有
水文、水质信息采集系统的基础上,
增补大包围有关站点的外河、内河水
位及排水泵站排水流量的信息采集,
开展大包围工程的远程监控管理系
统建设,其中包括大包围各口门建筑
物的工情采集等。

■
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责任编辑轩玮
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