基于評(píng)分指數(shù)法的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)
——以甘肅省嘉峪關(guān)市的平原區(qū)為例*

王 瀟 馬寶強(qiáng) 湯 超 張偉濤 宋 蓉 王彩彩

(甘肅省生態(tài)環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730000)

地下水是水資源的重要組成部分，在支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保障居民飲水安全方面發(fā)揮著巨大作用。然而，分析2017—2019年的中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)發(fā)現(xiàn)，全國(guó)1萬(wàn)多個(gè)國(guó)家級(jí)地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中超過(guò)60%的點(diǎn)位屬于《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)的Ⅳ至Ⅴ類水，水質(zhì)狀況堪憂。通常地下水污染治理成本高，而且還可能會(huì)造成二次污染[1]，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)從地下水污染治理戰(zhàn)略轉(zhuǎn)為地下水污染防治戰(zhàn)略[2]。我國(guó)為應(yīng)對(duì)形勢(shì)嚴(yán)峻的地下水污染問(wèn)題[3]，生態(tài)環(huán)境部等5部門于2019年3月聯(lián)合印發(fā)了《全國(guó)地下水污染防治實(shí)施方案》(以下簡(jiǎn)稱《方案》)，全面推進(jìn)地下水污染防治工作。《方案》提出地下水污染防治的一個(gè)重要工作思路是“分區(qū)管理”，而地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分區(qū)是地下水分區(qū)管理的重要基礎(chǔ)工作和技術(shù)依據(jù)。

地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)主要是對(duì)地下水受人為活動(dòng)污染的可能性和可能造成的損失程度進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]1141。然而，目前地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法仍然以定性為主[5-6]，缺乏定量化的評(píng)價(jià)方法。本研究在參考郭高軒等[7]、耿藝成等[8]215和文一等[9]的指標(biāo)體系基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于地下水脆弱性、地下水污染源荷載和地下水利用價(jià)值3個(gè)方面的指標(biāo)體系，并基于評(píng)分指數(shù)法[10]2761提出了地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的定量化方法。

嘉峪關(guān)市位于甘肅省西北部，常年干旱少雨，地表水資源匱乏，年平均降雨量?jī)H為85 mm，長(zhǎng)期依賴地下水作為生活和工農(nóng)業(yè)用水水源，而嘉峪關(guān)市又是工業(yè)型城市，污染源眾多，加上地理環(huán)境復(fù)雜，地下水污染風(fēng)險(xiǎn)較大。為保護(hù)嘉峪關(guān)市地下水資源與環(huán)境，本研究利用建立的定量化評(píng)價(jià)方法對(duì)嘉峪關(guān)市的平原區(qū)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并按風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行分區(qū)，而且評(píng)價(jià)結(jié)果得到了地下水中的硝酸鹽數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。

1 研究區(qū)概況

由于嘉峪關(guān)市地下水主要分布在南北兩山之間的廣大第四系沖洪積平原區(qū)，因此本研究的評(píng)價(jià)范圍聚焦在平原區(qū)(即不包括黑山和文殊山兩個(gè)基巖山區(qū))，評(píng)價(jià)面積達(dá)930 km2。南部的北大河是區(qū)內(nèi)最大的地表河流，在區(qū)內(nèi)的干流長(zhǎng)為35 km。區(qū)內(nèi)出露的地層巖性由老到新主要是奧陶系板巖、火山巖(O)，白堊系黏土巖、礫巖(K)，第四系的各類巖石等，其中第四系的各類巖石在區(qū)內(nèi)分布最為廣泛。嘉峪關(guān)斷裂(F1)貫穿中部，將研究區(qū)分成酒泉西盆地和酒泉東盆地兩個(gè)水文地質(zhì)單元(見(jiàn)圖1)。F1為第四系逆斷層，由于上下盤的相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致地下水位在下盤(酒泉東盆地)出現(xiàn)明顯變化，形成一個(gè)跌水陡坎。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)圖

區(qū)內(nèi)地下水類型包括基巖裂隙水和孔隙潛水，無(wú)承壓水，基巖裂隙水主要分布在黑山、文殊山一帶的基巖山區(qū)，富水性較差；孔隙潛水主要分布在廣大平原區(qū)，屬于第四系松散巖類孔隙潛水，含水層巖性為第四系中、晚更新統(tǒng)礫石、砂巖，厚度為40～250 m，富水性好，是研究區(qū)內(nèi)最主要的地下水類型，也是當(dāng)?shù)鼐用裆詈凸まr(nóng)業(yè)用水的主要水源，水位埋深在酒泉西盆地、酒泉東盆地均呈自西向東逐漸變淺趨勢(shì)，主要在5～150 m之間變化，其中F1西側(cè)附近區(qū)域和東北部的新城鎮(zhèn)是地下水的溢出帶，但由于嘉峪關(guān)市城區(qū)地下水的超采導(dǎo)致F1西側(cè)的水位持續(xù)下降，已無(wú)法自然溢出地表。由于嘉峪關(guān)市干旱少雨，水資源匱乏，蒸發(fā)強(qiáng)烈，大氣降水對(duì)地下水的補(bǔ)給非常有限[11]，因此研究區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給主要依賴于北大河的河道滲漏與側(cè)向補(bǔ)給或通過(guò)農(nóng)田灌溉水補(bǔ)給。

2 評(píng)價(jià)方法

2.1 地下水脆弱性評(píng)價(jià)

目前，DRASTIC模型是最普遍用于地下水脆弱性評(píng)價(jià)的評(píng)分指數(shù)法[12-16]，通過(guò)計(jì)算地下水脆弱性綜合指數(shù)(見(jiàn)式(1))進(jìn)行評(píng)價(jià)。

DI=DW×Dg+RW×Rg+AW×Ag+SW×Sg+TW×Tg+IW×Ig+CW×Cg

(1)

式中：DI為地下水脆弱性綜合指數(shù)；Dg、Rg、Ag、Sg、Tg、Ig、Cg分別為地下水位埋深、地下水凈補(bǔ)給量、含水層厚度、土壤介質(zhì)類別、地形坡度、包氣帶介質(zhì)類別和含水層滲透系數(shù)的評(píng)分，每個(gè)指標(biāo)依據(jù)《地下水污染防治分區(qū)劃分工作指南》(環(huán)辦土壤函〔2019〕770號(hào))(以下簡(jiǎn)稱《指南》)進(jìn)行評(píng)分，分值為1～10；DW、RW、AW、SW、TW、IW、CW分別為Dg、Rg、Ag、Sg、Tg、Ig、Cg的權(quán)重，依據(jù)《指南》分別賦予5、4、3、2、1、5、3。

地下水脆弱性綜合指數(shù)越小，則地下水的脆弱性越低，反之，則地下水的脆弱性越高。根據(jù)《指南》，地下水脆弱性可按照表1劃分為5個(gè)等級(jí)。

表1 地下水脆弱性等級(jí)劃分

2.2 地下水污染源荷載評(píng)價(jià)

地下水污染源荷載評(píng)分指數(shù)法主要考慮污染源的污染物釋放可能性、污染物可能釋放量和污染物毒性3個(gè)方面，根據(jù)式(2)計(jì)算地下水污染源荷載綜合指數(shù)。

PI=∑Ti×Li×Qi×Wi

(2)

式中：PI為地下水污染源荷載綜合指數(shù)；Ti為污染源i的污染物毒性評(píng)分；Li為污染源i的污染物釋放可能性評(píng)分；Qi為污染源i的污染物可能釋放量評(píng)分；Wi為污染源i的荷載權(quán)重。Wi的賦值采用《指南》中的推薦值(見(jiàn)表2)，Ti、Li、Qi的取值參考《指南》中的方法確定。

表2 不同污染源荷載的權(quán)重

由于《指南》中的地下水污染源荷載等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)研究區(qū)內(nèi)的污染源荷載評(píng)價(jià)等級(jí)整體偏低，因此本研究參考朱飛[17]在上海市地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)使用的地下水污染源荷載等級(jí)劃分方法，分成5個(gè)等級(jí)(見(jiàn)表3)。

表3 地下水污染源荷載等級(jí)劃分

2.3 地下水利用價(jià)值評(píng)價(jià)

地下水利用價(jià)值由開(kāi)采價(jià)值和原位價(jià)值兩部分組成[18]，本研究通過(guò)評(píng)分指數(shù)法量化地下水水質(zhì)[4]1143和水量[8]218來(lái)反映原位價(jià)值和開(kāi)采價(jià)值，由此地下水利用價(jià)值綜合指數(shù)按式(3)計(jì)算。

VI=VV×VQ

(3)

式中：VI為地下水利用價(jià)值綜合指數(shù)；VV、VQ分別為地下水水量和水質(zhì)的評(píng)分。根據(jù)《區(qū)域地下水污染調(diào)查評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0288—2015)將地下水水量劃分成唯一源含水層系統(tǒng)、主要含水層系統(tǒng)、次要含水層系統(tǒng)和貧乏含水層系統(tǒng)4類，分別賦予分值為10、8、5、2；地下水水質(zhì)按照GB/T 14848—2017的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類劃分，分別賦予分值為10、9、8、2、1。

最后根據(jù)DZ/T 0288—2015將地下水利用價(jià)值劃分為高、中、低3個(gè)等級(jí)(見(jiàn)表4)。

表4 地下水利用價(jià)值等級(jí)劃分

2.4 地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

地下水污染風(fēng)險(xiǎn)可以認(rèn)為是地下水遭受污染的概率與污染造成的后果的乘積[19-21]。地下水脆弱性綜合指數(shù)與地下水污染源荷載綜合指數(shù)的乘積代表了地下水遭受污染的概率，地下水利用價(jià)值綜合指數(shù)代表了污染造成的后果，因此地下水污染風(fēng)險(xiǎn)可通過(guò)式(4)計(jì)算[8]218。

R=DI×PI×V

(4)

式中：R為地下水污染風(fēng)險(xiǎn)。

DZ/T 0288—2015中地下水污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為低、中、高3個(gè)等級(jí)[8]218，現(xiàn)在也有分為低、較低、中等、較高和高5個(gè)等級(jí)的[10]2757,[22]。為與相關(guān)行業(yè)規(guī)范保持一致，本研究采用3個(gè)等級(jí)的分法，結(jié)果基于ArcGIS平臺(tái)采用等間距法將R劃分為低、中、高3個(gè)等級(jí)。

3 數(shù)據(jù)與資料的獲取

地下水脆弱性評(píng)價(jià)涉及的地下水位埋深通過(guò)地下水位測(cè)繩實(shí)測(cè)得到；地下水凈補(bǔ)給量、含水層厚度、土壤介質(zhì)類別、包氣帶介質(zhì)類別和含水層滲透系數(shù)來(lái)源于甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院的《嘉峪關(guān)市幅1∶5萬(wàn)水文地質(zhì)調(diào)查成果報(bào)告》；地形坡度基于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心的地理空間云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/home)獲取數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)后分析得到。地下水污染源荷載評(píng)價(jià)涉及的污染源信息主要來(lái)自于第二次(2017年)全國(guó)污染源普查成果，本研究對(duì)研究區(qū)內(nèi)涉及的重點(diǎn)污染源又進(jìn)行了核實(shí)和補(bǔ)充調(diào)查。地下水利用價(jià)值評(píng)價(jià)涉及的水質(zhì)數(shù)據(jù)利用了甘肅省生態(tài)環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院承擔(dān)的2019年度甘肅省地下水基礎(chǔ)環(huán)境狀況調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目中關(guān)于嘉峪關(guān)市的175個(gè)淺層地下水采樣點(diǎn)的分析結(jié)果，由甘肅地質(zhì)工程實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，分析指標(biāo)包括了GB/T 14848—2017中的39項(xiàng)常規(guī)指標(biāo)。

4 結(jié)果與討論

4.1 地下水脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果

由圖2可知，嘉峪關(guān)市的平原區(qū)地下水脆弱性等級(jí)有較高、中等和較低3級(jí)，相應(yīng)的分布面積分別為237、360、333 km2。地下水脆弱性較高區(qū)主要分布在東北部新城鎮(zhèn)一帶地下水位埋深較淺的地段、F1附近和北大河沿岸地表水/地下水轉(zhuǎn)化活躍地段，與實(shí)際情況基本符合。東北部新城鎮(zhèn)橫溝村、長(zhǎng)城村至泥溝村一帶是地下水的溢出帶，部分地段地下水埋深不到5 m，特別容易遭受人類活動(dòng)的污染影響；F1屬于第四系活動(dòng)斷裂[23-24]，北大河沿岸是地下水與地表水最為活躍的地段，因此地表污染物容易在F1附近和北大河沿岸進(jìn)入到地下含水層中。

圖2 地下水脆弱性評(píng)價(jià)分區(qū)

4.2 地下水污染源荷載評(píng)價(jià)結(jié)果

嘉峪關(guān)市屬于工業(yè)型城市，研究區(qū)內(nèi)分布的污染源類型及數(shù)量眾多，本研究共調(diào)查了重點(diǎn)污染源77個(gè)，工業(yè)污染源、礦山開(kāi)采區(qū)、垃圾填埋場(chǎng)、危險(xiǎn)廢物處置場(chǎng)、加油站、農(nóng)業(yè)污染源等均有涉及。根據(jù)《指南》，工業(yè)污染源、礦山開(kāi)采區(qū)、危險(xiǎn)廢物處置場(chǎng)、垃圾填埋場(chǎng)和農(nóng)業(yè)污染源的緩沖區(qū)半徑為1.0 km，加油站緩沖區(qū)半徑為1.5 km，基于ArcGIS自然間斷分類法得到不同污染源的緩沖區(qū)分布(見(jiàn)圖3)。嘉峪關(guān)市的平原區(qū)地下水污染源荷載等級(jí)高、較高、中等、較低和低都有分布，等級(jí)中等至高的區(qū)域主要分布在嘉峪關(guān)市主城區(qū)北部的工業(yè)園區(qū)。

注：圓圈大小表示污染源緩沖區(qū)范圍。

4.3 地下水利用價(jià)值評(píng)價(jià)結(jié)果

研究區(qū)內(nèi)地下水屬于第四系松散巖類孔隙潛水，水質(zhì)狀況總體為GB/T 14848—2017的Ⅲ類，地下水利用價(jià)值綜合指數(shù)為8～64，因此根據(jù)地下水利用價(jià)值等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表4)可將研究區(qū)地下水利用價(jià)值劃分為中、低兩個(gè)等級(jí)，結(jié)果見(jiàn)圖4。大部分地區(qū)的地下水利用價(jià)值等級(jí)為中，分布面積達(dá)到98.3%，只有少部分地區(qū)地下水利用價(jià)值等級(jí)為低。

圖4 地下水利用價(jià)值評(píng)價(jià)分區(qū)

4.4 地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

由圖5可見(jiàn)，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在東北部新城鎮(zhèn)橫溝村至泥溝村一帶的地下水溢出帶和北大河沿岸地段，分布面積為212 km2，占研究區(qū)總面積的22.8%；中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布面積為393 km2，占研究區(qū)總面積的42.3%；低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布面積為325 km2，占研究區(qū)總面積的34.9%?？梢钥吹?，嘉峪關(guān)市的平原區(qū)地下水污染防治壓力較大，建議高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)應(yīng)作為優(yōu)先防控區(qū)或優(yōu)先治理區(qū)，中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)應(yīng)作為重點(diǎn)防控區(qū)或重點(diǎn)治理區(qū)，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)作為一般防控區(qū)或一般治理區(qū)，進(jìn)行分區(qū)管理。

4.5 結(jié)果驗(yàn)證

由于地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)涉及的指標(biāo)太復(fù)雜導(dǎo)致其結(jié)果往往與實(shí)際水文地質(zhì)特征和具體污染狀況不符[25]，這也是目前地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法仍然以定性為主，缺乏定量化評(píng)價(jià)方法的主要原因。

由于硝酸鹽在水中的遷移性強(qiáng)，在全國(guó)淺層地下水中普遍存在硝酸鹽污染[26]，因此這里利用研究區(qū)的地下水硝酸鹽數(shù)據(jù)對(duì)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分區(qū)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。GB/T 14848—2017的Ⅰ～Ⅲ類均可以作為集中式生活飲用水源，可以認(rèn)為是低風(fēng)險(xiǎn)，Ⅳ、Ⅴ類分別可以認(rèn)為中風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)，因此分別以硝酸鹽質(zhì)量濃度為≤20、>20～30、>30 mg/L對(duì)應(yīng)地下水污染低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)圖6，與地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分區(qū)(見(jiàn)圖5)具有相似性。硝酸鹽質(zhì)量濃度>30 mg/L的區(qū)域與新城鎮(zhèn)地下水污染高風(fēng)險(xiǎn)比較一致，但是北大河沿岸地下水硝酸鹽含量與其地下水污染風(fēng)險(xiǎn)存在差異，這可能是因?yàn)闁|北部新城鎮(zhèn)一帶是研究區(qū)內(nèi)主要的農(nóng)業(yè)活動(dòng)區(qū)，加之該區(qū)域?yàn)榈叵滤囊绯鰩?，地下水位埋深淺，因此其污染物主要就是硝酸鹽，而北大河沿岸的主要污染物不一定是硝酸鹽。

圖5 地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分區(qū)

圖6 地下水硝酸鹽質(zhì)量濃度分布

本研究構(gòu)建的基于評(píng)分指數(shù)法的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法涉及地下水脆弱性、地下水污染源荷載和地下水利用價(jià)值3個(gè)方面共12個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。這些指標(biāo)的獲取都需要大量地下水基礎(chǔ)環(huán)境調(diào)查，獲取難度大，數(shù)據(jù)存在較大不確定性。地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估在建設(shè)項(xiàng)目及規(guī)劃項(xiàng)目的災(zāi)害評(píng)估方面已有相關(guān)評(píng)估規(guī)范[27]，方法易操作、結(jié)果較可靠，對(duì)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)具有借鑒意義，如集中式地下水水源地污染造成的價(jià)值損害評(píng)估。在今后進(jìn)一步完善地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法時(shí)更應(yīng)該考慮對(duì)居民飲水安全、身體健康及社會(huì)穩(wěn)定的影響，應(yīng)適當(dāng)突出地下水水源地的功能需求。

5 總 結(jié)

(1) 基于評(píng)分指數(shù)法，結(jié)合地下水脆弱性、地下水污染源荷載和地下水利用價(jià)值評(píng)價(jià)結(jié)果，將甘肅省嘉峪關(guān)市的平原區(qū)劃分出地下水污染風(fēng)險(xiǎn)低、中、高3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，分布面積分別為325、393、212 km2，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在東北部新城鎮(zhèn)橫溝村至泥溝村一帶的地下水溢出帶和北大河沿岸地段。

(2) 基于評(píng)分指數(shù)法的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)屬于固定模型，但由于不同地區(qū)水文地質(zhì)條件和污染狀況存在差異，因此會(huì)存在評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際有偏差的情況，所以一般需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。而且由于地下水污染風(fēng)險(xiǎn)會(huì)隨著水文地質(zhì)條件的改變(如地下水位埋深、水質(zhì)等變化)或地下水污染防治措施的完善而變化，因此評(píng)價(jià)結(jié)果只可為中短期地下水污染防治提供技術(shù)依據(jù)。本研究用地下水硝酸鹽數(shù)據(jù)對(duì)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分區(qū)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證有效。

(3) 地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是地下水污染防治的重要依據(jù)，但是目前相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)及方法還不完善。評(píng)分指數(shù)法涉及的水文地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)多，評(píng)價(jià)過(guò)程難度大，而且有些指標(biāo)還是難以準(zhǔn)確定量，因此評(píng)價(jià)方法還有待進(jìn)一步優(yōu)化或改進(jìn)。