基于評分指數(shù)法的地下水污染風(fēng)險評價
——以甘肅省嘉峪關(guān)市的平原區(qū)為例*

王 瀟 馬寶強 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)濟社會發(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年的中國生態(tài)環(huán)境狀況公報發(fā)現(xiàn)，全國1萬多個國家級地下水監(jiān)測點位中超過60%的點位屬于《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，而且還可能會造成二次污染[1]，美國等發(fā)達(dá)國家已經(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]。我國為應(yīng)對形勢嚴(yán)峻的地下水污染問題[3]，生態(tài)環(huán)境部等5部門于2019年3月聯(lián)合印發(fā)了《全國地下水污染防治實施方案》(以下簡稱《方案》)，全面推進(jìn)地下水污染防治工作?！斗桨浮诽岢龅叵滤廴痉乐蔚囊粋€重要工作思路是“分區(qū)管理”，而地下水污染風(fēng)險評價分區(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)險評價主要是對地下水受人為活動污染的可能性和可能造成的損失程度進(jìn)行評價[4]1141。然而，目前地下水污染風(fēng)險評價方法仍然以定性為主[5-6]，缺乏定量化的評價方法。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值3個方面的指標(biāo)體系，并基于評分指數(shù)法[10]2761提出了地下水污染風(fēng)險評價的定量化方法。

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，年平均降雨量僅為85 mm，長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)險較大。為保護嘉峪關(guān)市地下水資源與環(huán)境，本研究利用建立的定量化評價方法對嘉峪關(guān)市的平原區(qū)地下水污染風(fēng)險進(jìn)行了評價，并按風(fēng)險等級進(jìn)行分區(qū)，而且評價結(jié)果得到了地下水中的硝酸鹽數(shù)據(jù)的驗證。

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)，因此本研究的評價范圍聚焦在平原區(qū)(即不包括黑山和文殊山兩個基巖山區(qū))，評價面積達(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水文地質(zhì)單元(見圖1)。F1為第四系逆斷層，由于上下盤的相對運動導(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，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)強烈，大氣降水對地下水的補給非常有限[11]，因此研究區(qū)內(nèi)地下水補給主要依賴于北大河的河道滲漏與側(cè)向補給或通過農(nóng)田灌溉水補給。

2 評價方法

2.1 地下水脆弱性評價

目前，DRASTIC模型是最普遍用于地下水脆弱性評價的評分指數(shù)法[12-16]，通過計算地下水脆弱性綜合指數(shù)(見式(1))進(jìn)行評價。

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)的評分，每個指標(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)(以下簡稱《指南》)進(jìn)行評分，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個等級。

表1 地下水脆弱性等級劃分

2.2 地下水污染源荷載評價

地下水污染源荷載評分指數(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個方面，根據(jù)式(2)計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的污染物毒性評分；Li為污染源i的污染物釋放可能性評分；Qi為污染源i的污染物可能釋放量評分；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劃分標(biāo)準(zhǔn)對研究區(qū)內(nèi)的污染源荷載評價等級整體偏低，因此本研究參考朱飛[17]在上海市地下水污染風(fēng)險評價時使用的地下水污染源荷載等級劃分方法，分成5個等級(見表3)。

表3 地下水污染源荷載等級劃分

2.3 地下水利用價值評價

地下水利用價值由開采價值和原位價值兩部分組成[18]，本研究通過評分指數(shù)法量化地下水水質(zhì)[4]1143和水量[8]218來反映原位價值和開采價值，由此地下水利用價值綜合指數(shù)按式(3)計算。

VI=VV×VQ

(3)

式中：VI為地下水利用價值綜合指數(shù)；VV、VQ分別為地下水水量和水質(zhì)的評分。根據(jù)《區(qū)域地下水污染調(diào)查評價規(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將地下水利用價值劃分為高、中、低3個等級(見表4)。

表4 地下水利用價值等級劃分

2.4 地下水污染風(fēng)險評價

地下水污染風(fēng)險可以認(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)險可通過式(4)計算[8]218。

R=DI×PI×V

(4)

式中：R為地下水污染風(fēng)險。

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

3 數(shù)據(jù)與資料的獲取

地下水脆弱性評價涉及的地下水位埋深通過地下水位測繩實測得到；地下水凈補給量、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)來源于甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院的《嘉峪關(guān)市幅1∶5萬水文地質(zhì)調(diào)查成果報告》；地形坡度基于中國科學(xué)院計算機網(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價涉及的污染源信息主要來自于第二次(2017年)全國污染源普查成果，本研究對研究區(qū)內(nèi)涉及的重點污染源又進(jìn)行了核實和補充調(diào)查。地下水利用價值評價涉及的水質(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)查評價項目中關(guān)于嘉峪關(guān)市的175個淺層地下水采樣點的分析結(jié)果，由甘肅地質(zhì)工程實驗室測定，分析指標(biāo)包括了GB/T 14848—2017中的39項常規(guī)指標(biāo)。

4 結(jié)果與討論

4.1 地下水脆弱性評價結(jié)果

由圖2可知，嘉峪關(guān)市的平原區(qū)地下水脆弱性等級有較高、中等和較低3級，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，與實際情況基本符合。東北部新城鎮(zhèn)橫溝村、長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的污染影響；F1屬于第四系活動斷裂[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 地下水脆弱性評價分區(qū)

4.2 地下水污染源荷載評價結(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)查了重點污染源77個，工業(yè)污染源、礦山開采區(qū)、垃圾填埋場、危險廢物處置場、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、礦山開采區(qū)、危險廢物處置場、垃圾填埋場和農(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(見圖3)。嘉峪關(guān)市的平原區(qū)地下水污染源荷載等級高、較高、中等、較低和低都有分布，等級中等至高的區(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 地下水利用價值評價結(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，地下水利用價值綜合指數(shù)為8～64，因此根據(jù)地下水利用價值等級劃分標(biāo)準(zhǔn)(見表4)可將研究區(qū)地下水利用價值劃分為中、低兩個等級，結(jié)果見圖4。大部分地區(qū)的地下水利用價值等級為中，分布面積達(dá)到98.3%，只有少部分地區(qū)地下水利用價值等級為低。

圖4 地下水利用價值評價分區(qū)

4.4 地下水污染風(fēng)險評價結(jié)果

由圖5可見，高風(fēng)險區(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)險區(qū)分布面積為393 km2，占研究區(qū)總面積的42.3%；低風(fēng)險區(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)險區(qū)應(yīng)作為重點防控區(qū)或重點治理區(qū)，低風(fēng)險區(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)果驗證

由于地下水污染風(fēng)險評價涉及的指標(biāo)太復(fù)雜導(dǎo)致其結(jié)果往往與實際水文地質(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)險評價方法仍然以定性為主，缺乏定量化評價方法的主要原因。

由于硝酸鹽在水中的遷移性強，在全國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)對地下水污染風(fēng)險評價分區(qū)結(jié)果進(jìn)行驗證。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，Ⅳ、Ⅴ類分別可以認(rèn)為中風(fēng)險和高風(fēng)險，因此分別以硝酸鹽質(zhì)量濃度為≤20、>20～30、>30 mg/L對應(yīng)地下水污染低風(fēng)險、中風(fēng)險、高風(fēng)險進(jìn)行結(jié)果驗證，結(jié)果見圖6，與地下水污染風(fēng)險評價分區(qū)(見圖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)險存在差異，這可能是因為東北部新城鎮(zhèn)一帶是研究區(qū)內(nèi)主要的農(nóng)業(yè)活動區(qū)，加之該區(qū)域為地下水的溢出帶，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)險評價分區(qū)

圖6 地下水硝酸鹽質(zhì)量濃度分布

本研究構(gòu)建的基于評分指數(shù)法的地下水污染風(fēng)險評價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值3個方面共12個評價指標(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)害危險性評估在建設(shè)項目及規(guī)劃項目的災(zāi)害評估方面已有相關(guān)評估規(guī)范[27]，方法易操作、結(jié)果較可靠，對地下水污染風(fēng)險評價具有借鑒意義，如集中式地下水水源地污染造成的價值損害評估。在今后進(jìn)一步完善地下水污染風(fēng)險評價方法時更應(yīng)該考慮對居民飲水安全、身體健康及社會穩(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值評價結(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)險低、中、高3個風(fēng)險區(qū)，分布面積分別為325、393、212 km2，高風(fēng)險區(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) 基于評分指數(shù)法的地下水污染風(fēng)險評價屬于固定模型，但由于不同地區(qū)水文地質(zhì)條件和污染狀況存在差異，因此會存在評價結(jié)果與實際有偏差的情況，所以一般需要對結(jié)果進(jìn)行驗證。而且由于地下水污染風(fēng)險會隨著水文地質(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，因此評價結(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)對地下水污染風(fēng)險評價分區(qū)結(jié)果進(jìn)行驗證有效。

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