淺論地下水污染源強(qiáng)

蔡五田

(中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北保定 071051)

環(huán)境部公益行業(yè)科研項(xiàng)目“地下水污染源強(qiáng)評(píng)價(jià)、分類及防控技術(shù)研究”提出，通過分析我國地下水污染源類型、分布、污染物構(gòu)成、污染途徑、水文地質(zhì)條件及環(huán)境影響因素，構(gòu)建我國地下水污染源強(qiáng)定量、半定量評(píng)價(jià)方法、評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及主控因子識(shí)別方法，提出基于地下水污染源強(qiáng)評(píng)價(jià)的分類防控技術(shù)，為我國地下水污染環(huán)境管理提供科技支撐的目標(biāo)任務(wù)。作為項(xiàng)目參加人員，作者從2012年立項(xiàng)開始，就不斷思考“地下水污染源強(qiáng)”這一新概念的寓意?；诙嗄陙韺?duì)國內(nèi)外土壤和地下水污染理論、調(diào)查技術(shù)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)文獻(xiàn)資料跟蹤，以及對(duì)國內(nèi)不同類型污染場(chǎng)地調(diào)查實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，提出了地下水污染源強(qiáng)的定義、分類、識(shí)別方法與量化表征方法，旨在拋磚引玉，與環(huán)保部的同行共同探討地下水污染科學(xué)問題，趨同認(rèn)識(shí)。

1 幾個(gè)概念的界定

在論述地下水污染源強(qiáng)之前，首先要對(duì)地下水、污染源、地下水污染源、污染源強(qiáng)這幾個(gè)術(shù)語進(jìn)行界定，這是論述的基礎(chǔ)，否則容易引起歧義和論述混亂。

1.1 地下水

目前，主要有兩種定義，一是將賦存于地面以下飽水帶中的重力水定義為地下水。這一定義包括飽水帶中的潛水和承壓水，地下水的潛水面或第一個(gè)承壓含水層的頂板面為地下水的上界面。這是數(shù)十年前，從地下水開發(fā)利用的角度提出的一個(gè)定義。這一定義不僅是我國水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)教科書中給出的傳統(tǒng)地下水的定義［1］，也是美國、加拿大、聯(lián)合國教科文組織經(jīng)典教科書、地下水污染調(diào)查技術(shù)手冊(cè)等給出的定義［2～5］。二是將賦存于地面以下的水定義為地下水。這一定義包括土壤水、包氣帶水、上層滯水、飽水帶重力水(潛水和承壓水)。這是近十年來，從自然界面(地面)，特別是生態(tài)需水的角度提出的一個(gè)定義。這一定義涵蓋的土壤水和包氣帶水是我國現(xiàn)代水文地質(zhì)學(xué)研究的對(duì)象［1］，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織、澳大利亞等國使用了這一定義［6～9］。作者傾向于采用第一種定義，理由有二:一是，國外經(jīng)典的教科書與國際水文地質(zhì)學(xué)術(shù)交流對(duì)地下水的表述與第一種定義相同，應(yīng)該與國際接軌，保持一致;二是，從目前我國開發(fā)地下水的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件以及公眾對(duì)地下水認(rèn)知程度來看，地下水的表現(xiàn)形式就是水井中的水及泉水，其他形式的地下水如第二種定義中的土壤水、包氣帶水等，在我國現(xiàn)狀經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，尚難以大規(guī)模開發(fā)利用。

1.2 污染源

污染源是污染物發(fā)生源，通常是指產(chǎn)生或向環(huán)境排放、釋放有害物質(zhì)的場(chǎng)所、過程、人類活動(dòng)、設(shè)施、裝置、環(huán)境介質(zhì)等［5，10］。

污染源可按照不同的屬性劃分。按污染源的幾何展布形狀分為點(diǎn)狀、線狀、面狀污染源。按污染源發(fā)生位置至上而下分為空中污染源(如煙筒、大氣塵埃等)、地面污染源(如路面、生產(chǎn)車間、污水塘、污染的表層土壤等)、包氣帶污染源(如地下漏油罐、污染的深部土壤)、飽水帶污染源(如 LNAPLs、DNAPLs、污染的含水層介質(zhì)等)。按污染源中污染物的化學(xué)類別分為有機(jī)物污染源、無機(jī)物污染源、混合物污染源。按污染源是否具有放射性物質(zhì)分為放射性污染源與非放射性污染源。按污染源釋放污染物的作用方式，分為脈沖或間歇式污染源(如受降雨入滲控制的固體廢渣堆)和連續(xù)式污染源(如污水渠)。按污染源產(chǎn)業(yè)來源分為工業(yè)污染源、農(nóng)業(yè)污染源、軍工污染源、商業(yè)污染源、生活污染源等。

從地下水污染防控角度考慮，作者建議按照污染源發(fā)生位置和污染物物理化學(xué)性質(zhì)組合方式來劃分污染源。如地表存在的重金屬污染源，包氣帶存在的揮發(fā)性有機(jī)物污染源，地下水潛水面存在的LNAPLs污染源，包氣帶及飽水帶存在的DNAPLs污染源。

1.3 地下水污染源

污染物通過不同途徑和方式進(jìn)入或可能進(jìn)入地下水的污染源稱為地下水污染源，即與地下水有物質(zhì)或能量交換的污染源才是地下水污染源。

污染物進(jìn)入地下水的途徑和方式有:入滲途徑如降雨入滲、地面水體入滲等;對(duì)流-彌散途徑如包氣帶VOCs擴(kuò)散、飽水帶抽水混合等;溶解方式如LNAPLs與DNAPLs中可溶性污染物溶解進(jìn)入地下水等;解吸方式如由于地下水潛水面的波動(dòng)，吸附在土壤中污染物解吸進(jìn)入地下水中。

一個(gè)污染源是否為地下水的污染源，一般要通過辨析方法進(jìn)行識(shí)別和分析。辨析方法一般有途徑調(diào)查法、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)法、同位素源解析法等。

1.4 污染源強(qiáng)

污染源強(qiáng)是對(duì)污染物發(fā)生源強(qiáng)度的度量。目前，在我國建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)中廣泛采用單位時(shí)間向環(huán)境排放污染物的量來表示污染源強(qiáng)的大小［11］。作者贊同并采用這一度量方法來表示地下水污染源強(qiáng)。

2 地下水污染源強(qiáng)的定義

依據(jù)地下水、污染源、污染源強(qiáng)的概念，作者給出地下水污染源強(qiáng)的定義:單位時(shí)間內(nèi)污染源向地下水中排放、排泄或遷移轉(zhuǎn)化污染物的質(zhì)量。同其他物理量一樣，地下水污染源強(qiáng)是一個(gè)隨時(shí)間和空間變化的量。地下水污染源強(qiáng)，既可由單個(gè)的地下水污染源構(gòu)成，也可以由多個(gè)地下水污染源構(gòu)成。

由于污染源與地下水之間的聯(lián)系途徑和方式不同，地下水污染源強(qiáng)，既可以小于污染源本身的強(qiáng)度，如地面污染源及包氣帶污染源向下滲入過程中污染物濃度的衰減，也可以等于污染源本身的強(qiáng)度，如飽水帶污染源中污染物直接擴(kuò)散到地下水中、地面污染源通過巖溶區(qū)豎井傾瀉到地下水中的情況。

3 地下水污染源強(qiáng)的分類

地下水污染源強(qiáng)的分類，原則上與污染源屬性分類一致，幾種常用分類方法是:

按地下水污染源分布位置分類，可分為地面地下水污染源強(qiáng)、包氣帶地下水污染源強(qiáng)和飽水帶地下水污染源強(qiáng)。

按地下水污染源的相態(tài)分類，可分為氣態(tài)地下水污染源強(qiáng)、液態(tài)地下水污染源強(qiáng)、固態(tài)地下水污染源強(qiáng)，其中液態(tài)地下水污染源強(qiáng)又分為水相地下水污染源強(qiáng)和非水相(NAPLs)地下水污染源強(qiáng)。

按地下水污染源強(qiáng)度變化趨勢(shì)分類，可分為衰減型地下水污染源強(qiáng)、增強(qiáng)型地下水污染源強(qiáng)和平穩(wěn)型地下水污染源強(qiáng)。

4 地下水污染源及源強(qiáng)識(shí)別

可采用資料信息收集、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、模擬試驗(yàn)等手段識(shí)別地下水污染源及源強(qiáng)特征。

4.1 資料信息收集

主要收集污染物生產(chǎn)、傳輸、儲(chǔ)存、處置等源流過程，了解代表性污染物的物理、化學(xué)及其在土水環(huán)境中的行為性質(zhì)(吸附、降解等)，收集類似污染場(chǎng)地調(diào)查案例資料。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

采用地面、現(xiàn)場(chǎng)快檢、遙感、地球物理勘查、鉆探取樣、微觀分析等調(diào)查技術(shù)手段，調(diào)查地面及可見污染源的位置、幾何展布形狀、規(guī)模，污染物排放方式、排放量，識(shí)別污染源區(qū)包氣帶、飽水帶巖性、結(jié)構(gòu)、分布特征，采集污染源、巖土及地下水樣品，分析并確定污染物主要組分及其分布特征。

4.3 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)大氣、地面、淺地表可見污染源在規(guī)模、分布形式、強(qiáng)度等時(shí)空變化，監(jiān)測(cè)土壤、深部土層及地下水中主要污染物組分種類、濃度及其分布的時(shí)空變化，從總體上把握地下水污染源強(qiáng)強(qiáng)度及性質(zhì)的變化。

4.4 模擬試驗(yàn)

在資料收集、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，選擇符合場(chǎng)地條件的數(shù)值模擬軟件，或設(shè)計(jì)符合場(chǎng)地條件的柱/箱體模擬試驗(yàn)，分析地下水污染源從地面或包氣帶傳遞到地下水的過程，與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比，識(shí)別地下水污染源強(qiáng)的主控因子，以及地下水污染源強(qiáng)的狀態(tài)特征。

5 地下水污染源強(qiáng)的量化方法

依據(jù)地下水污染源強(qiáng)定義，可以用單位時(shí)間內(nèi)某種污染物進(jìn)入地下水的質(zhì)量表示，也可以根據(jù)質(zhì)量守恒定律，用單位時(shí)間內(nèi)地下水中污染物質(zhì)量變化表示。

地下水污染源強(qiáng)有氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)三種相態(tài)，其中液態(tài)中又存在非水相液體(NAPLs)。無論氣態(tài)還是固態(tài)，最終轉(zhuǎn)化為水溶態(tài)物質(zhì)，才會(huì)對(duì)地下水產(chǎn)生不良影響。此外，地下水污染源處于不同的位置，有的通過包氣帶間接對(duì)地下水產(chǎn)生影響如地面污染源，有的直接對(duì)地下水產(chǎn)生影響，如漂浮于潛水面上的LNAPLs污染源。依據(jù)地下水污染源強(qiáng)的相態(tài)和分布位置可以組合成多種方式。在此，僅就3種組合方式給出地下水污染源強(qiáng)的量化方法。

5.1 地面及包氣帶水相地下水污染源強(qiáng)

這類污染源主要是存在于地面或近地表排污系統(tǒng)的污水、廢水、污染的池塘水、污灌渠水等。這類污染源中的污染物需要經(jīng)過兩個(gè)過程才能進(jìn)入地下水，首先是污染源泄漏污染物到包氣帶中，然后是污染物經(jīng)過包氣帶巖土進(jìn)入到地下水中。

單位時(shí)間內(nèi)泄漏到包氣帶中污染物的質(zhì)量，可通過兩種方法計(jì)算。一是根據(jù)污染源的展布情況，以點(diǎn)強(qiáng)度(單位時(shí)間、單點(diǎn)污染物的排泄量)、線強(qiáng)度(單位時(shí)間、單位長(zhǎng)度污染物的排泄量)、面強(qiáng)度(單位時(shí)間、單位面積污染物的排泄量)與點(diǎn)、線、面的數(shù)量乘積計(jì)算。二是根據(jù)污染源區(qū)污染水中污染物的濃度與單位時(shí)間污染水入滲量乘積計(jì)算。污染源區(qū)污水中污染物的濃度，采用實(shí)測(cè)法測(cè)量。單位時(shí)間污染水入滲量，既可用污染源區(qū)污水體積與污水入滲系數(shù)(用降水入滲系數(shù)近似代替)乘積計(jì)算，也可用單環(huán)或雙環(huán)滲水試驗(yàn)確定［12］。

單位時(shí)間內(nèi)污染物經(jīng)包氣帶巖土進(jìn)入到地下水中的質(zhì)量，受污染水入滲量、污染物環(huán)境行為性質(zhì)(污染物吸附性、生物降解性)、包氣帶巖土性質(zhì)及結(jié)構(gòu)、地下水埋深等多種因素的影響。要量化這一物理量，可采用兩個(gè)方法:一是定量數(shù)值模擬方法。依據(jù)文獻(xiàn)資料、場(chǎng)地污染調(diào)查與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，建立污染場(chǎng)地概念模型，確定降水入滲系數(shù)、污染物水土分配系數(shù)(Kd)、污染物降解速率、包氣帶巖土的滲透系數(shù)(K)等，運(yùn)用與概念模型相匹配的數(shù)值模擬軟件如美國的HYDRUS［13～14］，英國的ConSim［15］等模擬輸出污染物到達(dá)地下水面的濃度。二是半定量賦值打分法。采用一個(gè)無量綱的調(diào)整系數(shù)，與單位時(shí)間內(nèi)地面及包氣帶水相污染源排泄污染物的質(zhì)量相乘，得到地面及包氣帶水相污染源強(qiáng)。即:

式中:SIw——地面及包氣帶水相地下水污染源強(qiáng)/(kg·a-1);

Mw——單位時(shí)間內(nèi)地面及包氣帶水相污染源排泄污染物質(zhì)量/(kg·a-1);

Dw——調(diào)整系數(shù)(0≤Dw≤1)。

調(diào)整系數(shù)(Dw)與場(chǎng)地污染水入滲量、污染物在包氣帶環(huán)境的行為(污染物吸附性、生物降解性)、包氣帶巖土性質(zhì)及結(jié)構(gòu)、地下水埋深等因素有關(guān)?？筛鶕?jù)我國不同地區(qū)場(chǎng)地污染條件，首先采用單因素變化情況或值域變化范圍打分賦值，再考慮各因素權(quán)重及相互作用方式，以數(shù)學(xué)表達(dá)式計(jì)算出一個(gè)調(diào)整系數(shù)值。污染水入滲量，按不同場(chǎng)地年污水入滲量劃分，并賦值打分。污染物吸附性，可按污染物水土分配系數(shù)(Kd)值劃分并賦值打分。污染物生物降解性，可按污染物在土壤中降解速率(d-1)或半衰期(d)劃分，并賦值打分。包氣帶巖土性質(zhì)及結(jié)構(gòu)，首先根據(jù)我國包氣帶巖土介質(zhì)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)分類(如孔隙區(qū)、裂隙區(qū)、巖溶區(qū))，然后再依據(jù)不同區(qū)巖性組合特征(如黏性土層、黏性土-砂土層二元結(jié)構(gòu)層、黏性土與砂土層混合層、砂土層，裸露巖溶層、黏性土-巖溶層、砂土-巖溶層、裸露裂隙層、黏性土-裂隙層、砂土-裂隙層、裂隙-巖溶層等)賦值打分。地下水埋深，可根據(jù)我國潛水埋深值賦值打分。

5.2 地面或近地表固相污染源強(qiáng)

這類污染源主要是堆積在地面或近地表的固體廢渣、污染的表層土壤等。在這類污染源中，污染物主要經(jīng)過包氣帶巖土進(jìn)入到地下水中。這類地下水污染源強(qiáng)可用式(2)表征:

式中:SIs——地面或近地表固相污染源強(qiáng)/(kg·a-1);

Ls——單位時(shí)間內(nèi)固相污染源轉(zhuǎn)化為水相污染物質(zhì)量/(kg·a-1);

Ds——調(diào)整系數(shù)(0≤Ds≤1)。

式(2)中Ds的量化方法與式(1)中Dw相同。式(2)中Ls可用污染源區(qū)土壤水中污染物的平均濃度與年降水入滲補(bǔ)給量乘積計(jì)算得出。污染源區(qū)土壤水中污染物的平均濃度，可采用實(shí)測(cè)法(如實(shí)測(cè)垃圾濾液污染物的濃度)或可通過固體廢物毒性浸出實(shí)驗(yàn)獲得［16］，也可通過污染物水土分配濃度計(jì)算式［17］近似得出，即:

式中:Ms——污染源區(qū)土壤水中污染物的平均濃度/(mg·L-1);

Ss——污染源區(qū)土壤中污染物的平均濃度/(mg·kg-1);

Kd——平衡時(shí)污染物在水土中的分配系數(shù)/(L·kg-1)，與污染物性質(zhì)、土壤性質(zhì)有關(guān)。

5.3 非水相液態(tài)污染源強(qiáng)

這類污染源為溶解在非水相液態(tài)溶劑中的污染物如LNAPLs、DNAPLs。這類地下水污染源強(qiáng)用式(4)表征，即:

式中:SINW——非水相液態(tài)污染源強(qiáng)/(kg·a-1);

MNw——非水相液態(tài)污染物釋放到地下水的質(zhì)量/kg;

t——污染時(shí)間/a。

式(4)中MNw，由受非水相液態(tài)污染源污染的地下水的體積與污染組分在水溶液中的濃度乘積計(jì)算得出。受污染的地下水的體積，可近似用非水相液態(tài)污染源的體積代替。污染時(shí)間t，可依據(jù)污染事件發(fā)生年份至評(píng)估年份確定。污染組分在水溶液中的濃度，可采用簡(jiǎn)化的饒氏定律(Raoult’s Law)［18］計(jì)算，即:

式中:Ci——非水相液態(tài)混合物中某有機(jī)污染組分i平衡時(shí)摩爾濃度/(mol·L-1);

Si——某有機(jī)污染組分i純態(tài)時(shí)在水溶液中的溶解度/(mol·L-1);

Xi——某污染組分i在有機(jī)相中的摩爾分?jǐn)?shù)(無量綱)。

6 結(jié)論

地下水污染源強(qiáng)是單位時(shí)間內(nèi)污染源向地下水中排放、排泄或遷移轉(zhuǎn)化污染物的質(zhì)量，是一個(gè)隨時(shí)間和空間變化的一個(gè)物理量。

地下水污染源強(qiáng)與污染源在分類上具有相似性，可根據(jù)幾何展布形狀、分布位置、物理化學(xué)性質(zhì)、釋放方式、產(chǎn)生來源、強(qiáng)度變化等進(jìn)行分類。其中，按照分布位置、相態(tài)分類是最常用的分類方法。

地下水污染源強(qiáng)及其特征可通過資料信息收集、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、模擬試驗(yàn)等手段進(jìn)行識(shí)別。

地下水污染源強(qiáng)，既可以采用數(shù)學(xué)公式及模擬手段定量表征，也可以采用半定量或簡(jiǎn)化方法表征，這取決于地下水污染監(jiān)管和控制要求和場(chǎng)地資料的精度。

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