地下水污染防控系統建構研究

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本文作者：王俊杰何江濤陸燕劉麗雅張小亮作者單位：中國地質大學水資源與環境學院

地下水污染防治區劃是地下水污染地質調查評價工作的一項重要內容，其目的是保護地下水資源，為制定和實施地下水污染防治規劃提供依據［1］．文獻［2］明確提出“要抓緊開展地下水污染狀況調查和評估，劃定地下水污染治理區、防控區和一般保護區”的要求．實施有針對性的預防及監管措施有利于降低地下水污染概率．作為先導，構建有效的地下水污染防治區劃，對實際措施的制定與實施具有十分重要的意義［3～5］．

目前，地下水污染防治區劃并未形成明確概念．王焰新等［6］認為地下水污染防治區劃是基于一定的調查與原則，在評價地下水現實和潛在利用價值、含水層遭受污染的脆弱性、土地利用和污染源類型、分布來確定污染荷載的風險性、以及根據地下水的不同使用功能來確定污染危害性的基礎上開展的區劃．其中地下水功能評價和地下水脆弱性評價是地下水污染防治區劃的基礎．文獻［1］指出，地下水污染防治區劃應在綜合分析調查區地下水系統防污染性能，地下水質量與污染現狀、地下水資源可開采量及開發利用的基礎上，參考土地利用分區、污染源分布及社會經濟發展規劃，完成地下水污染防治分區．本研究認為地下水污染防治區劃是針對地下水污染問題，從污染事件發生的本質角度、地下水開采利用的社會經濟角度及現階段實施地下水保護措施的政策角度綜合開展的地下水評價．

現階段針對地下水污染相關問題開展的單項研究工作較多，綜合研究工作較少．單項研究工作包括地下水脆弱性評價研究［7，8］、地下水污染源評價研究［9～11］、地下水價值研究［9，11～13］、地下水源保護區劃分研究［14～16］等．上述單項研究工作僅針對地下水污染問題的單一方面，存在各自的研究側重點．如地下水脆弱性研究(包括固有脆弱性及特殊脆弱性)側重對研究區域自身水文地質條件抵御外來污染物能力的定性或定量描述，地下水污染源研究側重地表污染源及人為活動造成地下水污染的危害性的定性或定量描述．上述2種研究基于含水層及污染源的本質特征，均是針對地下水潛在污染發生過程的評價．地下水價值的相關研究是從地下水開采利用的社會經濟角度進行地下水評估．作為現階段必不可少的政策性研究，地下水源保護區劃分受限于水源地尺度范圍［17］及其保護區劃分的目的，這對于開展城市尺度或者更大范圍區域尺度的相關研究是不夠的．綜合研究工作包括地下水脆弱性與地下水污染源相結合的地下水污染風險分析［11，18，19］、結合地下水脆弱性及地下水源保護區劃分的綜合研究［15，16］或將上述單項研究相結合開展的區劃研究［9，20］等．大多數綜合研究的出發角度不夠全面，容易忽略地下水污染問題基于社會經濟角度、政策角度的考慮．

地下水污染防治區劃體系致力于上述問題的綜合研究．從本質角度(地下水固有脆弱性與地表污染風險源危害性)、社會經濟角度(地下水價值)、政策角度(地下水源保護區劃分)這3個不同角度構建地下水污染防治區劃體系，匯集單項研究取得的成果，并作為地下水污染相關的預防、監管措施制定與實施的依據．

1體系構建

本研究提出的地下水污染防治區劃要素構成如圖1所示，由基礎層(地表污染源危害性、地下水固有脆弱性、含水層富水性、地下水水質)、中間層(地下水污染風險、地下水源保護區、地下水價值)、目標層(地下水污染防治區劃)這3個評價層次組成．

1.1體系構成要素解析

1.1.1地下水污染風險

地下水污染事件的發生是地表污染源與含水層二者相互作用的結果［18，21，22］．地下水污染風險評價應從研究區域所包括的地表污染源及自身的水文地質條件著手．地下水污染源危害性分級是較為常見的污染源評價方式．早在20世紀60年代便有研究者開展了針對特定種類地下水污染源的分級評價工作［20］．然而地表污染源種類極多，僅僅開展針對特定種類污染源的分級評價工作對于城市尺度或者范圍更大的區域尺度是遠遠不夠的，需要建立針對不同種類污染源的分級評價體系．基于同一評價體系對不同種類污染源進行分級評價的研究源于20世紀70年代末．受限于不同類型地下水污染風險源的規模、所屬特征污染物及其排放方式等問題，以及實際開展評價工作所需巨大的信息量、不同污染源的信息豐富程度是否一致等問題，均增加了不同類型地下水污染源評價的難度［23］．以往的地下水污染風險源評價以定性或者半定量方法為主，存在較大人為主觀性，通用性較差［24］．本研究使用基于地下水污染源解析的定量評價方法［24］．該方法對地下水污染源所屬的特征污染物及其對應排放量進行解析，計算出地下水污染源的危害性，在此基礎上進行地下水污染源的分級．地下水脆弱性是刻畫特定水文地質條件自身抵抗外來污染能力的通用方法．評價方法分為地下水固有脆弱性評價與特殊脆弱性評價兩種．具體評價方法分類包括迭置指數法、過程數學模擬法，統計方法、模糊數學方法等［7，25，26］．DRASTIC評價方法［27］屬于迭置指數法的一種，盡管存在一定的主觀性問題及參數設置問題，但仍是目前應用最為廣泛的地下水固有脆弱性評價方法．相較于其他評價方法，其優點在于較低的數據依賴性及方法的不確定性［11，17，28］．DRASTIC評價方法表征為:（略）．本研究使用DRASTIC方法進行研究區域的地下水固有脆弱性評價．需要注意的是，地表污染源危害性與地下水固有脆弱性存在動態性特征．地表污染源一直處在人類活動的影響下，特征污染物及其對應排放量隨時會發生變化．而地下水固有脆弱性則會受到水位埋深、凈補給量、包氣帶厚度等變化的影響．相較而言，地表污染源的動態特征更為明顯．由于受控于污染源及一些水文地質參數的動態變化，地下水污染風險的評估需要在獲取變化因素的基礎上及時進行更新．而更新之前應確定參數的變化是否能夠對地下水污染風險評價結果及整個區劃的結果造成顯著影響．因此，需要對體系構成要素進行敏感性分析并結合實際動態資料進行計算．然后在此基礎上提出針對某區域區劃評估的合理更新頻率．

1.1.2地下水價值

地下水價值是從社會經濟層面對地下水的開采使用情況進行衡量．有研究指出認清地下水的價值極其重要［12，20］．雖然沒有形成具體的定量表征方法，但即使一個部分的或者不精確的衡量地下水價值的方法同樣有利于決策者理解改變相應的政策及管理措施會對地下水價值造成的影響．地下水價值由開采價值及原位價值組成．其中開采價值源于市政、工商業、農業等對地下水的需求;原位價值是指含水層對周期性開采地下水引起一系列影響的緩沖能力，如因開采地下水引起的地質災害，污染物擴散、棲息地及生物多樣性破壞等．地下水價值體現為含水層的富水性及地下水的水質兩方面［9，11，29］．因此，本研究從含水層富水性及地下水水質兩方面展開地下水價值的評價．利用單井出水量來衡量含水層的富水性，通過地下水水質類別劃分來區別地下水水質差異．

1.1.3地下水源保護區

地下水源保護區劃分是決策者實施地下水管理及保護措施的重要環節［30］．將其納入本區劃體系，用于表征當前的政策實施與管理．地下水源保護區的劃分，對防止地下水源地污染，保護水源地環境質量起到了重要作用［14～16］．納入地下水源保護區的區域，在地下水污染防治區劃構建過程中賦予的級別值高于其他區域．

1.2構成要素疊加方法解析

1.2.1疊加原則

體系構建過程中需要進行3處構成要素的疊加耦合，包括中間層的地下水污染風險評價、地下水價值及目標層的地下水污染防治區劃．地表污染源危害性評價及地下水固有脆弱性評價的疊加構成地下水污染風險評價．疊加過程遵循“擇優原則”，即:假設地表污染源危害性與地下水固有脆弱性均分為1～5五個等級(表1)，數值越小代表地表污染源危害性越低或者地下水固有防污性能越好．二者疊加，地下水污染風險由數值小(級別低)的一方決定．地下水價值由含水層富水性及地下水水質疊加而成，疊加過程遵循如下公式:(略)．地下水污染風險評價、地下水價值、地下水源保護區劃分三者疊加構成地下水污染防治區劃，疊加過程遵循如下公式:（略）．

1.2.2可視化表達

體系構建過程中借助GIS技術實現構建體系的可視化表達［29，34～36］．借助Arcgis9.3軟件的SpatialAnalysis模塊，將研究區域剖分成1km×1km的單位公里網格，并以此為單位，利用上述疊加原則對體系構建要素進行空間運算，并最終實現防治區劃體系的可視化表達．

2案例分析

將本體系應用于北京市平原區(不含延慶)的地下水污染防治區劃建設．首先利用北京市平原區地表污染源危害性分級(圖2)［24］與地下水固有脆弱性分級(圖3)進行北京市平原區地下水污染風險評估．地表污染源危害性與地下水固有脆弱性均分為5級，遵循上述擇優原則，二者依據表1進行疊加運算，得到地下水污染風險分級圖(圖4)．其中，圖2進行量化表征的地表污染源種類包括北京市平原區的加油站及油庫、垃圾場、工業區、居民區、農業區、地表排污河6類，相關研究見文獻［23］．圖3是利用DRASTIC方法評價得到的北京市平原區潛水含水層固有脆弱性評價結果，本文不做詳述．圖4顯示北京市平原區污染風險最高的區域(圖中方形圈中區域)位于北京市城區西南近郊．該區域位于永定河出山口沖洪積扇頂部，防污性能很差．此外，該區域是北京市的重要工業基地，且非正規垃圾填埋場眾多．這些因素的共同作用致使該區域地下水污染風險最高．污染風險較高的大部分區域位于平原區溫榆河、涼水河所流經區域，這兩條河是北京市主要排污河流．其余污染風險較高的區域所處位置為工業區、垃圾場等．污染風險中等的大部分區域位于北京城八區．南部平原區是主要的農業區，污染風險級別高于北部大部分區域．

其次將北京市平原區含水層富水性分級(圖5)與地下水水質分級(圖6)［37］利用公式(2)進行疊加運算，并依據表2進行分級，得到北京市平原區地下水價值分級圖(圖7)．圖7表明北京市平原區西部較于東部，北部較于南邊，地下水價值相對較高．這是由含水層富水性及地下水水質共同決定的．其中，對含水層富水性進行分級時，將富水性＞5000m3•d－1的區域賦值為4，3000～5000m3•d－1的賦值為3，并依次降低到1;根據水質類別，水質分級從優良到極差賦值依次為由4～1．

在對北京市平原區地下水污染風險及地下水價值完成分級評價之后，結合北京市平原區地下水源保護區劃分(圖8，北京市環境保護局于2000年完成)，依據表3進行3種疊加要素分級的賦值，然后依據公式(3)進行疊加運算，在得到北京市平原區地下水污染防治區劃評分值的基礎上，依據表4進行分級，最終得到北京市平原區地下水污染防治區劃圖(圖9)．圖9表明北京市平原區防治級別最高(三級)的大部分區域位于城八區西部、平原區北部及東北部，這些區域地下水污染風險等級(圖4)、地下水價值等級(圖7)及地下水源保護區等級(圖8)均處于較高級別;防治級別次之(二級)的大部分區域位于平原區的中部、西南部、東北部，在圖4、7、8中均能有所體現．總體上看，北京市平原區地下水污染防治區劃圖能夠從本質角度、社會經濟角度和政策角度綜合反映出該區域目前的地下水狀況，符合實際情況，能夠為下一步實際相關工作的開展提供依據．

3結論

地下水污染防治區劃體系的構建應從污染源自身造成污染及含水層自身抵御污染的本質層面、地下水自身蘊含價值的社會經濟層面及現階段制定與實施的政策、法規等政策層面進行綜合考慮．地下水污染風險評價、地下水價值及地下水源保護區劃分則是上述三個層面的量化表征．體系構建過程中，借助GIS技術，以層次分析法確定權重及建立的相應疊加原則對構成要素的耦合起到了至關重要的作用．本體系在北京市平原區地下水的應用表明區劃分級結果能夠綜合反映出北京市平原區地下水在上述本質層面、社會經濟層面及政策層面的研究成果，符合現實情況，對下一步實際預防、監管措施的制定與實施可以起到指導作用．此外，由于構成要素的動態性特征，開展構成要素的敏感性分析并結合實際情況確定區劃的更新頻率，對本體系的完善及推廣具有重要意義．