平原河網(wǎng)區(qū)地下水污染風(fēng)險評價體系及其應(yīng)用

吳建強，王 敏，黃沈發(fā)，龔靜香，郭晉川，陳建國，阮俊杰，蔡卓爾，鄢忠純

(1.上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233； 2.上海市城市建設(shè)工程學(xué)校(上海市園林學(xué)校)，上海 200232； 3.廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院廣西水工程材料與結(jié)構(gòu)重點實驗室，廣西 南寧 530023； 4.華東理工大學(xué)中德工學(xué)院，上海 200237)

我國有400多個城市以地下水為飲用水源[1]，然而隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會經(jīng)濟和城市化的高度發(fā)展，地下水環(huán)境壓力逐漸增大，污染形勢日益嚴(yán)峻。據(jù)統(tǒng)計，我國80%的淺層地下水和30%的深層地下水已受到不同程度的污染[2]。由于地下含水介質(zhì)的隱蔽性和埋藏分布的復(fù)雜性，要解決不斷出現(xiàn)的地下水污染問題，很多國家采取“以防為主、防治結(jié)合、防重于治”的方針。地下水污染風(fēng)險的識別及評價是預(yù)防地下水污染最有效的方法之一[3-4]。

目前地下水污染風(fēng)險尚無統(tǒng)一、嚴(yán)格的定義，學(xué)者從不同的角度給出了地下水污染風(fēng)險的概念。Hanen等[5]將地下水污染風(fēng)險定義為地下水環(huán)境中污染發(fā)生的可能性；劉增超等[6]認(rèn)為地下水污染風(fēng)險是指含水層中地下水由于其上人類活動而遭受到不可接受水平的可能性，是含水層污染脆弱性與人類活動造成的污染負(fù)荷相互作用的結(jié)果；滕彥國等[7]將地下水污染風(fēng)險定義為地下水污染概率與污染后果之乘積。然而，不管何種定義，都是將地下水作為受體，表征受體自身的敏感性與外來污染源共同作用的結(jié)果，其中自身敏感性即為含水層的脆弱性。1993年美國環(huán)保局(U.S. Environmental Protection Agency，EPA)和國際水文地質(zhì)協(xié)會(International Association of Hydrology，IAH)將地下水脆弱性分為兩類：一類是本質(zhì)脆弱性，即只考慮水文地質(zhì)內(nèi)部固有因素的脆弱性；另一類是特殊脆弱性，即地下水對特定的污染物或人類活動所表現(xiàn)出的敏感性[8]。脆弱性評價方法主要有迭置指數(shù)法、過程數(shù)學(xué)模擬法、統(tǒng)計方法以及模糊數(shù)學(xué)方法等[9-11]。其中指數(shù)法中的DRASTIC模型應(yīng)用較多，后常與GIS技術(shù)結(jié)合，被世界多國廣泛使用[12-13]。然而DRASTIC模型的7個指標(biāo)主要還是以固有水文地質(zhì)條件為主，缺少對研究區(qū)域內(nèi)影響水文地質(zhì)條件特殊性的考慮，即地下水的特殊脆弱性，因而在實際應(yīng)用中對于地下水脆弱性的評價不夠全面，需要根據(jù)區(qū)域的特殊性質(zhì)對其修正[14]。左海鳳等[15]指出DRASTIC指標(biāo)法在地下水脆弱性評價中缺乏人類活動影響的缺點并對其進行了改進，增加了土地利用變化影響等因素。羅婷等[16]對成都青白江地區(qū)的地下水脆弱性評價中，將三氮污染物及其來源作為特殊脆弱性因子進行評價。雖然脆弱性評價能反映地下水系統(tǒng)對污染物的敏感程度和抗污能力，但不能體現(xiàn)污染源對地下水的影響。隨后更多學(xué)者考慮人為活動污染對地下水的影響，如英國在地下水污染風(fēng)險評價中增加了污染載荷影響評價，包括人為污染源的類型、位置、規(guī)模以及污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律等[17-18]。卞建民等[19]在DRASTIC模型的基礎(chǔ)上增加了地下水開采強度、土地利用等因素；劉香等[20]在DRASTIC基礎(chǔ)上增加了污染源影響作為參考指標(biāo)；江劍等[21]綜合考慮含水層脆弱性及污染源災(zāi)害分級對北京市海淀區(qū)進行地下水污染風(fēng)險評價。然而，這些研究中地下水抗污能力的評價都是基于DRASTIC模型，且其關(guān)于地表污染源的評價也較為簡單，缺乏系統(tǒng)的地下水污染風(fēng)險評價指標(biāo)體系，不能全面反映區(qū)域地下水污染風(fēng)險。

平原河網(wǎng)地區(qū)河流密布，城市化程度高。一方面地表水體水質(zhì)較差，與地下水補給交換會影響淺層地下水水質(zhì)；另一方面大量的地下工程會直接或間接地改變地下含水層特性及水文地質(zhì)條件。常規(guī)的DRASTIC模型難以準(zhǔn)確評價這些區(qū)域地下水的脆弱性，應(yīng)綜合考慮區(qū)域水文地質(zhì)條件、地表水系、地下工程，并疊加地表污染源開展地下水污染風(fēng)險評價，目前尚無相關(guān)研究報道。本文針對平原河網(wǎng)地區(qū)特征，建立包含地下水本質(zhì)脆弱性、地表水系和地下工程特殊脆弱性以及污染源荷載的地下水污染風(fēng)險評價體系，以期為區(qū)域地下水污染的有效防控提供參考。

1 地下水污染影響因素

地下水污染主要受地表污染源、土壤、包氣帶、含水層以及人類活動等影響，污染源通過降雨淋溶、水體交換、入滲等途徑，經(jīng)土壤、包氣帶后進入地下含水層，表現(xiàn)為自然因素和人為活動共同影響地下水的脆弱性和污染風(fēng)險。具體影響因素及關(guān)鍵表征見表1[22-23]。

表1 地下水污染影響因素及其表征

2 平原河網(wǎng)地區(qū)地下水風(fēng)險評價體系

2.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

整個地下水污染風(fēng)險評價體系分為地下水脆弱性評價和污染源荷載評價兩部分(圖1)。其中，脆弱性評價包括7個本質(zhì)脆弱性指標(biāo)(DRASTIC模型)和6個特殊脆弱性指標(biāo)，特殊脆弱性指標(biāo)重點考慮地表水系和地下工程。污染源荷載選取污染物毒性、污染源釋放可能性和可能釋放量3個指標(biāo)來進行評價。

本質(zhì)脆弱性綜合指數(shù)由地下水埋深、凈補給量、含水層厚度、土壤帶介質(zhì)、地形、包氣帶介質(zhì)和水力傳導(dǎo)系數(shù)的指標(biāo)值加權(quán)求和得到。特殊脆弱性綜合指數(shù)的計算方法與本質(zhì)脆弱性方法相同，由河流水質(zhì)、河網(wǎng)密度、河流等級、建設(shè)時間、建設(shè)深度、防滲等級的指標(biāo)值加權(quán)求和得到。區(qū)域綜合脆弱性指數(shù)由本質(zhì)脆弱性綜合指數(shù)和特殊脆弱性綜合指數(shù)加權(quán)求和得到。單個污染源荷載指數(shù)為污染物毒性、污染源釋放可能性和污染物可能釋放量的乘積。綜合污染源荷載指數(shù)由不同污染源荷載指數(shù)加權(quán)求和得到。疊加地下水綜合脆弱性、綜合污染源荷載指數(shù)得到地下水污染風(fēng)險防控值，即地下水污染風(fēng)險防控值等于區(qū)域綜合脆弱性指數(shù)乘以綜合污染源荷載指數(shù)。

2.2 指標(biāo)等級劃分和賦值方法及權(quán)重確定

本質(zhì)、特殊脆弱性指標(biāo)等級劃分及賦值應(yīng)根據(jù)評價區(qū)域水文地質(zhì)條件確定。污染源載荷指標(biāo)等級劃分及賦值主要依據(jù)污染源類型及其生產(chǎn)規(guī)模確定，評價區(qū)主要的地下水污染源及指標(biāo)評分見表2。

采用層次分析法結(jié)合專家打分法確定地下水脆弱性評價指標(biāo)的權(quán)重值并進行歸一化處理，得到地下水埋深、凈補給量、含水層厚度、土壤帶介質(zhì)、地形、包氣帶介質(zhì)和水力傳導(dǎo)系數(shù)的本質(zhì)脆弱性評價指標(biāo)權(quán)重分別為0.217、0.174、0.131、0.087、0.043、0.217、0.131；地表水系河流水質(zhì)、河網(wǎng)密度、河流等級、地下工程建設(shè)時間、建設(shè)深度、防滲等級的特殊脆弱性評價指標(biāo)權(quán)重分別為0.485、0.333、0.182、0.292、0.184、0.524。重點污染源中工業(yè)、垃圾填埋場、石油銷售、畜禽養(yǎng)殖場的指標(biāo)權(quán)重分別為0.333、0.199、0.286、0.182。

3 應(yīng)用

3.1 金山區(qū)概況

金山區(qū)位于上海南端、杭州灣北沿，陸地面積636.44 km2，全境地勢低平，地面高程3.0～6.5 m(吳淞高程)。區(qū)內(nèi)河網(wǎng)密布，工業(yè)企業(yè)和園區(qū)眾多，尤其是杭州灣沿岸，集聚了上海市多個化工類工業(yè)園區(qū)。依據(jù)上海市水文地質(zhì)分區(qū)，東側(cè)小部為濱海平原和潮坪地貌Ⅰ區(qū)，中部大部為湖沼平原Ⅲ區(qū)，金山區(qū)西北角為湖沼平原Ⅳ區(qū)。Ⅰ區(qū)的淺部以粉性土、砂土為主，有利于污染物垂向、水平向遷移；Ⅲ區(qū)的淺部無粉性土、砂土分布，不利于污染物遷移；Ⅳ區(qū)的淺部有厚層硬黏性土分布，污染物無法向下穿越。

圖1 地下水污染風(fēng)險評價指標(biāo)體系表2 不同污染源類型荷載評分

污染源類型內(nèi)容T評分L評分Q評分工業(yè)石油、煉焦、金屬冶煉及加工、皮革制品等0.2～3.0(依據(jù)原料及產(chǎn)品差異確定,毒性越高,分值越高)0.2～1.0(依據(jù)經(jīng)營時間及有無防滲措施)0.1～1.2(依據(jù)廢水排放量)垃圾填埋場生活垃圾、農(nóng)業(yè)垃圾、建筑垃圾等1.50.1～1.0(依據(jù)建設(shè)時間及防護等級)0.4～0.9(依據(jù)填埋容量)石油銷售加油站、儲油庫等2.50.1～1.0(依據(jù)建設(shè)時間及罐體類型)0.6(單個地下儲油罐)畜禽養(yǎng)殖場雞、牛、豬等規(guī)?；B(yǎng)殖場1.00.3～1.0(依據(jù)建設(shè)時間及有無防護措施)0.1～1.0(依據(jù)廢水排放量)

注：T評分為污染物毒性指標(biāo)賦值；L評分為污染源釋放可能性指標(biāo)賦值；Q評分為污染物可能釋放量指標(biāo)賦值。

3.2 金山區(qū)地下水脆弱性評價

3.2.1指標(biāo)等級劃分和賦值

結(jié)合文獻[24]及指標(biāo)數(shù)據(jù)分析，確定潛水含水層DRASTIC模型中地下水埋深、凈補給量、含水層厚度、土壤帶介質(zhì)、地形坡度、包氣帶介質(zhì)和水力傳導(dǎo)系數(shù)7個本質(zhì)脆弱性指標(biāo)和地表水系、地下工程6個特殊脆弱性指標(biāo)的等級劃分，并給出相應(yīng)評分值見表3和表4。

3.2.2脆弱性評價結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果，采用GIS軟件自動分級劃分，可得到評價區(qū)的本質(zhì)脆弱性、地表水系和地下工程特殊脆弱性及綜合脆弱性分區(qū)結(jié)果，分為“低”“較低”“中等”“較高”和“高”5級(圖2)，并統(tǒng)計各等級脆弱性所占面積見表5。

表3 本質(zhì)脆弱性評價指標(biāo)等級劃分和賦值

表4 特殊脆弱性指標(biāo)分級和賦值

(a)本質(zhì)脆弱性 (b)地表水系特殊脆弱性

(c)地下工程特殊脆弱性 (d)綜合脆弱性

圖2 評價區(qū)地下水脆弱性評價分區(qū)

由圖2(a)和表5可知，金山區(qū)地下水本質(zhì)脆弱性呈現(xiàn)明顯的由西向東逐漸增加的趨勢。西部以“低和較低”級別為主，面積分別為72.56 km2和70.76 km2，中部以“中”級別為主，面積達到196.43 km2；東部以“較高”和“高”級別為主，面積分別為197.79 km2和98.90 km2。脆弱性東高西低的特征與金山區(qū)自西向東由湖沼平原向濱海平原過度相關(guān)。整體而言，金山區(qū)地下水脆弱性較高，“中”級別以上占全區(qū)面積的77.48%。

從圖2(b)和表5可看出，金山區(qū)地表水系特殊脆弱性主要是“高”級別，面積達到419.03 km2，其次是“較高”級別，面積為136.75 km2，其他級別面積都較小。對照金山區(qū)河網(wǎng)水系情況，水質(zhì)較差，基本處于Ⅳ類～劣Ⅴ類；河網(wǎng)密度較高，大多處于3 km/km2以上，這些都是造成脆弱性較高的主要原因。而地下工程特殊脆弱性(圖2(c))評價結(jié)果主要“低”級別，面積達到582.82 km2，“較高”和“高”級別面積均很小，分別為11.74 km2和5.09 km2，主要分布在東南部工業(yè)集聚區(qū)和西部零星區(qū)域。對照金山區(qū)地下工程情況，分布較少且集中，建設(shè)時間大多低于10年，防滲等級都處于Ⅱ級和Ⅰ級水平，使得區(qū)域地下工程特殊脆弱性較低。

由圖2(d)和表5可知，整個評價區(qū)地下水脆弱性以“中”和“較高”為主。其中，“中”級別廣泛分布于評價區(qū)中部、東部和西部局部區(qū)域，面積達到231.94 km2。其次為“較高”級別，主要分布于東部和中部等地表水系比較集中的地區(qū)域，面積為171.89 km2?！案摺钡燃墔^(qū)域面積最小，僅為45.97 km2，主要分布在南部和中部零星區(qū)域，與這些區(qū)域地下工程和河流密布一致，說明這些區(qū)域在地下水埋深、含水層厚度、補給量、地表水系和地下工程等因素的綜合作用下，已經(jīng)直接且顯著影響了地下水的脆弱性。

3.3 金山區(qū)地下水污染源荷載評價

3.3.1污染源荷載統(tǒng)計

梳理評價區(qū)4大類污染源信息，結(jié)合評價區(qū)水文地質(zhì)背景及各類污染源特性設(shè)定影響半徑(即以污染源場地邊界向外延伸的距離)。得到評價區(qū)內(nèi)擁有地埋式儲油罐的石油銷售共54個，推薦緩沖半徑為1.5 km；國家級、市級工業(yè)園區(qū)共13個，以化工類為主，推薦緩沖半徑為2.5 km；園區(qū)外工業(yè)企業(yè)類型主要包括石油、煉焦、金屬冶煉及加工、皮革制品等，共223個，推薦緩沖半徑為1.5 km；正規(guī)及200 t以上的非正規(guī)垃圾填埋場5個，推薦緩沖半徑2.0 km；規(guī)?；B(yǎng)殖場40個，推薦緩沖半徑1.0 km。

3.3.2污染源荷載評價結(jié)果

圖3為評價區(qū)單項污染源荷載分布，表6為單項污染源荷載評分和各自所占面積?？梢姽I(yè)園區(qū)及企業(yè)廣泛分布于整個評價區(qū)，其種污染荷載得分處于(3,4]的面積最大，占比為33.84%；其次為(4,6]，(0,2]面積最小。工業(yè)污染源荷載較高的區(qū)域主要在中部和東南部區(qū)域，這與金山區(qū)的工業(yè)集聚區(qū)分布密切相關(guān)。石油銷售也廣泛分布于評價區(qū)內(nèi)，得分區(qū)間跨度較大，以(3,5]為主，占比為16.69%，其他得分區(qū)間面積均小于60 km2。(7,9]為所有荷載評價的最高分，主要分布在西北角和東南部，是因為該區(qū)域加油站分布集中且地下儲油罐數(shù)量均在5個及以上，較高的污染源毒性和可能釋放量綜合疊加導(dǎo)致。評價區(qū)正規(guī)及非正規(guī)垃圾填埋場共5個，都位于金山區(qū)西部，荷載評分分為(0,2]和(2,4]兩級，占比較小。畜禽養(yǎng)殖場主要分布在評價區(qū)中部，(3,4]得分區(qū)間所占面積最大，占比6.45%，(4,6]面積最小。整體而言，評價區(qū)內(nèi)工業(yè)污染源分布最為廣泛，荷載影響范圍最大，評價分值也較高；加油站荷載評價受地下油罐數(shù)量的影響，其單個荷載評價得分最高。工業(yè)及加油站為評價區(qū)內(nèi)地下水主要的潛在污染源，應(yīng)重點防治。

圖4為評價區(qū)綜合污染源荷載分布。疊加單項污染源荷載得到綜合荷載指數(shù)，采用GIS軟件自動分級劃分，分為“低”“較低”“中等”“較高”和“高”5級，其面積分別為274.84、150.00、130.60、70.63、10.38 km2，占評價區(qū)面積百分比分別為43.18%、23.57%、20.52%、11.10%、1.63%?？梢娫u價區(qū)污染源荷載以“低”等級為主，其次是“較低”和“中”等級，“高”等級面積最小。從分布來看，“低”“較低”和“中”3個級別廣泛分布于整個評價區(qū)，面積占整個評價區(qū)的87.27%，而“較高”和“高”級別區(qū)域主要分布在金山區(qū)的西北部和東南部，均是由工業(yè)、加油站、垃圾填埋場等污染源疊加而成。

(a)工業(yè)

(b)石油銷售

(c)垃圾填埋場

(d)畜禽養(yǎng)殖場

圖3 評價區(qū)單項污染源荷載分布

表6 評價區(qū)單項污染源荷載評價結(jié)果

圖4 綜合污染源荷載分布

3.4 金山區(qū)地下水污染風(fēng)險評價

疊加地下水綜合脆弱性、污染源荷載得到地下水污染風(fēng)險防控值(R)。評價區(qū)網(wǎng)格共3 023行，1 900列，5 743 700個像元，利用GIS軟件將每個柵格單元的污染風(fēng)險自動分級，得到“低”“較低”“中等”“較高”和“高”5個分區(qū)，其面積分別為231.13 km2、183.02 km2、138.59 km2、77.14 km2、6.56 km2，占評價區(qū)面積百分比分別為36.31%、28.76%、21.78%、12.12%、1.03%。圖5為評價區(qū)地下水污染風(fēng)險分布。

圖5 評價區(qū)地下水污染風(fēng)險分布

由圖5可見，評價區(qū)內(nèi)地下水污染風(fēng)險“低”級別分布范圍最廣， “較低”級別次之，“高”級別區(qū)域面積最小?！拜^高”以上級別主要分布在金山南部及中部、西北部等零星區(qū)域。“高”風(fēng)險區(qū)集中在金山南部的化工類工業(yè)園區(qū)及周邊區(qū)域，主要是由于該區(qū)域?qū)儆诟叽嗳跣苑植紖^(qū)，地下水防污性能較差，同時也是污染源密布、荷載較高、潛在風(fēng)險較大的集中區(qū)，多因素疊加所致。總體而言，“低”、“較低”、“中”3個級別地下水污染風(fēng)險分區(qū)在金山區(qū)內(nèi)均有廣泛分布，三者面積之和達553.38 km2，占比為86.95%，說明金山區(qū)地下水潛在的污染可能性較小。結(jié)合區(qū)域地下水環(huán)境質(zhì)量調(diào)查結(jié)果，金山區(qū)的南部及西部邊陲地下水污染問題較為突出，這與本次污染風(fēng)險評價結(jié)果一致，說明構(gòu)建的地下水污染風(fēng)險評價體系能很好地應(yīng)用于金山區(qū)及其他類似區(qū)域。

4 結(jié) 論

a. 構(gòu)建了包含地下水本質(zhì)脆弱性、地表水系和地下工程特殊脆弱性、地表污染源荷載的地下水污染風(fēng)險評價體系，并以金山區(qū)為例進行評價，結(jié)果與該區(qū)域地下水環(huán)境現(xiàn)狀相符。

b. 金山區(qū)地下水脆弱性較高，主要影響因素為本質(zhì)脆弱性和地表水系特殊脆弱性。其中本質(zhì)脆弱性以“中”和“較高”級別為主面積達493.12 km2，占比為77.48%；地表水系特殊脆弱性主要是“高”級別，面積達419.03 km2，而地下工程特殊脆弱性主要是“低”級別，面積達582.82 km2。

c. 金山區(qū)地下水污染源綜合荷載以“低”級別為主，面積達274.84 km2，占比43.18%，“較高”和“高”級別主要分布在西北部和東南部的工業(yè)集聚區(qū)，化工類工業(yè)園區(qū)及加油站為評價區(qū)內(nèi)地下水主要潛在污染源。

d. 金山區(qū)地下水污染風(fēng)險整體較低，其潛在的污染可能性較小， “低”“較低”“中”3個級別面積之和為553.38 km2，占比達86.95%。