地下水污染防控系统建构研究

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本文作者：王俊杰何江涛陆燕刘丽雅张小亮作者单位：中国地质大学水资源与环境学院

地下水污染防治区划是地下水污染地质调查评价工作的一项重要内容，其目的是保护地下水资源，为制定和实施地下水污染防治规划提供依据［1］．文献［2］明确提出“要抓紧开展地下水污染状况调查和评估，划定地下水污染治理区、防控区和一般保护区”的要求．实施有针对性的预防及监管措施有利于降低地下水污染概率．作为先导，构建有效的地下水污染防治区划，对实际措施的制定与实施具有十分重要的意义［3～5］．

目前，地下水污染防治区划并未形成明确概念．王焰新等［6］认为地下水污染防治区划是基于一定的调查与原则，在评价地下水现实和潜在利用价值、含水层遭受污染的脆弱性、土地利用和污染源类型、分布来确定污染荷载的风险性、以及根据地下水的不同使用功能来确定污染危害性的基础上开展的区划．其中地下水功能评价和地下水脆弱性评价是地下水污染防治区划的基础．文献［1］指出，地下水污染防治区划应在综合分析调查区地下水系统防污染性能，地下水质量与污染现状、地下水资源可开采量及开发利用的基础上，参考土地利用分区、污染源分布及社会经济发展规划，完成地下水污染防治分区．本研究认为地下水污染防治区划是针对地下水污染问题，从污染事件发生的本质角度、地下水开采利用的社会经济角度及现阶段实施地下水保护措施的政策角度综合开展的地下水评价．

现阶段针对地下水污染相关问题开展的单项研究工作较多，综合研究工作较少．单项研究工作包括地下水脆弱性评价研究［7，8］、地下水污染源评价研究［9～11］、地下水价值研究［9，11～13］、地下水源保护区划分研究［14～16］等．上述单项研究工作仅针对地下水污染问题的单一方面，存在各自的研究侧重点．如地下水脆弱性研究(包括固有脆弱性及特殊脆弱性)侧重对研究区域自身水文地质条件抵御外来污染物能力的定性或定量描述，地下水污染源研究侧重地表污染源及人为活动造成地下水污染的危害性的定性或定量描述．上述2种研究基于含水层及污染源的本质特征，均是针对地下水潜在污染发生过程的评价．地下水价值的相关研究是从地下水开采利用的社会经济角度进行地下水评估．作为现阶段必不可少的政策性研究，地下水源保护区划分受限于水源地尺度范围［17］及其保护区划分的目的，这对于开展城市尺度或者更大范围区域尺度的相关研究是不够的．综合研究工作包括地下水脆弱性与地下水污染源相结合的地下水污染风险分析［11，18，19］、结合地下水脆弱性及地下水源保护区划分的综合研究［15，16］或将上述单项研究相结合开展的区划研究［9，20］等．大多数综合研究的出发角度不够全面，容易忽略地下水污染问题基于社会经济角度、政策角度的考虑．

地下水污染防治区划体系致力于上述问题的综合研究．从本质角度(地下水固有脆弱性与地表污染风险源危害性)、社会经济角度(地下水价值)、政策角度(地下水源保护区划分)这3个不同角度构建地下水污染防治区划体系，汇集单项研究取得的成果，并作为地下水污染相关的预防、监管措施制定与实施的依据．

1体系构建

本研究提出的地下水污染防治区划要素构成如图1所示，由基础层(地表污染源危害性、地下水固有脆弱性、含水层富水性、地下水水质)、中间层(地下水污染风险、地下水源保护区、地下水价值)、目标层(地下水污染防治区划)这3个评价层次组成．

1.1体系构成要素解析

1.1.1地下水污染风险

地下水污染事件的发生是地表污染源与含水层二者相互作用的结果［18，21，22］．地下水污染风险评价应从研究区域所包括的地表污染源及自身的水文地质条件着手．地下水污染源危害性分级是较为常见的污染源评价方式．早在20世纪60年代便有研究者开展了针对特定种类地下水污染源的分级评价工作［20］．然而地表污染源种类极多，仅仅开展针对特定种类污染源的分级评价工作对于城市尺度或者范围更大的区域尺度是远远不够的，需要建立针对不同种类污染源的分级评价体系．基于同一评价体系对不同种类污染源进行分级评价的研究源于20世纪70年代末．受限于不同类型地下水污染风险源的规模、所属特征污染物及其排放方式等问题，以及实际开展评价工作所需巨大的信息量、不同污染源的信息丰富程度是否一致等问题，均增加了不同类型地下水污染源评价的难度［23］．以往的地下水污染风险源评价以定性或者半定量方法为主，存在较大人为主观性，通用性较差［24］．本研究使用基于地下水污染源解析的定量评价方法［24］．该方法对地下水污染源所属的特征污染物及其对应排放量进行解析，计算出地下水污染源的危害性，在此基础上进行地下水污染源的分级．地下水脆弱性是刻画特定水文地质条件自身抵抗外来污染能力的通用方法．评价方法分为地下水固有脆弱性评价与特殊脆弱性评价两种．具体评价方法分类包括迭置指数法、过程数学模拟法，统计方法、模糊数学方法等［7，25，26］．DRASTIC评价方法［27］属于迭置指数法的一种，尽管存在一定的主观性问题及参数设置问题，但仍是目前应用最为广泛的地下水固有脆弱性评价方法．相较于其他评价方法，其优点在于较低的数据依赖性及方法的不确定性［11，17，28］．DRASTIC评价方法表征为:（略）．本研究使用DRASTIC方法进行研究区域的地下水固有脆弱性评价．需要注意的是，地表污染源危害性与地下水固有脆弱性存在动态性特征．地表污染源一直处在人类活动的影响下，特征污染物及其对应排放量随时会发生变化．而地下水固有脆弱性则会受到水位埋深、净补给量、包气带厚度等变化的影响．相较而言，地表污染源的动态特征更为明显．由于受控于污染源及一些水文地质参数的动态变化，地下水污染风险的评估需要在获取变化因素的基础上及时进行更新．而更新之前应确定参数的变化是否能够对地下水污染风险评价结果及整个区划的结果造成显著影响．因此，需要对体系构成要素进行敏感性分析并结合实际动态资料进行计算．然后在此基础上提出针对某区域区划评估的合理更新频率．

1.1.2地下水价值

地下水价值是从社会经济层面对地下水的开采使用情况进行衡量．有研究指出认清地下水的价值极其重要［12，20］．虽然没有形成具体的定量表征方法，但即使一个部分的或者不精确的衡量地下水价值的方法同样有利于决策者理解改变相应的政策及管理措施会对地下水价值造成的影响．地下水价值由开采价值及原位价值组成．其中开采价值源于市政、工商业、农业等对地下水的需求;原位价值是指含水层对周期性开采地下水引起一系列影响的缓冲能力，如因开采地下水引起的地质灾害，污染物扩散、栖息地及生物多样性破坏等．地下水价值体现为含水层的富水性及地下水的水质两方面［9，11，29］．因此，本研究从含水层富水性及地下水水质两方面展开地下水价值的评价．利用单井出水量来衡量含水层的富水性，通过地下水水质类别划分来区别地下水水质差异．

1.1.3地下水源保护区

地下水源保护区划分是决策者实施地下水管理及保护措施的重要环节［30］．将其纳入本区划体系，用于表征当前的政策实施与管理．地下水源保护区的划分，对防止地下水源地污染，保护水源地环境质量起到了重要作用［14～16］．纳入地下水源保护区的区域，在地下水污染防治区划构建过程中赋予的级别值高于其他区域．

1.2构成要素叠加方法解析

1.2.1叠加原则

体系构建过程中需要进行3处构成要素的叠加耦合，包括中间层的地下水污染风险评价、地下水价值及目标层的地下水污染防治区划．地表污染源危害性评价及地下水固有脆弱性评价的叠加构成地下水污染风险评价．叠加过程遵循“择优原则”，即:假设地表污染源危害性与地下水固有脆弱性均分为1～5五个等级(表1)，数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．二者叠加，地下水污染风险由数值小(级别低)的一方决定．地下水价值由含水层富水性及地下水水质叠加而成，叠加过程遵循如下公式:(略)．地下水污染风险评价、地下水价值、地下水源保护区划分三者叠加构成地下水污染防治区划，叠加过程遵循如下公式:（略）．

1.2.2可视化表达

体系构建过程中借助GIS技术实现构建体系的可视化表达［29，34～36］．借助Arcgis9.3软件的SpatialAnalysis模块，将研究区域剖分成1km×1km的单位公里网格，并以此为单位，利用上述叠加原则对体系构建要素进行空间运算，并最终实现防治区划体系的可视化表达．

2案例分析

将本体系应用于北京市平原区(不含延庆)的地下水污染防治区划建设．首先利用北京市平原区地表污染源危害性分级(图2)［24］与地下水固有脆弱性分级(图3)进行北京市平原区地下水污染风险评估．地表污染源危害性与地下水固有脆弱性均分为5级，遵循上述择优原则，二者依据表1进行叠加运算，得到地下水污染风险分级图(图4)．其中，图2进行量化表征的地表污染源种类包括北京市平原区的加油站及油库、垃圾场、工业区、居民区、农业区、地表排污河6类，相关研究见文献［23］．图3是利用DRASTIC方法评价得到的北京市平原区潜水含水层固有脆弱性评价结果，本文不做详述．图4显示北京市平原区污染风险最高的区域(图中方形圈中区域)位于北京市城区西南近郊．该区域位于永定河出山口冲洪积扇顶部，防污性能很差．此外，该区域是北京市的重要工业基地，且非正规垃圾填埋场众多．这些因素的共同作用致使该区域地下水污染风险最高．污染风险较高的大部分区域位于平原区温榆河、凉水河所流经区域，这两条河是北京市主要排污河流．其余污染风险较高的区域所处位置为工业区、垃圾场等．污染风险中等的大部分区域位于北京城八区．南部平原区是主要的农业区，污染风险级别高于北部大部分区域．

其次将北京市平原区含水层富水性分级(图5)与地下水水质分级(图6)［37］利用公式(2)进行叠加运算，并依据表2进行分级，得到北京市平原区地下水价值分级图(图7)．图7表明北京市平原区西部较于东部，北部较于南边，地下水价值相对较高．这是由含水层富水性及地下水水质共同决定的．其中，对含水层富水性进行分级时，将富水性＞5000m3•d－1的区域赋值为4，3000～5000m3•d－1的赋值为3，并依次降低到1;根据水质类别，水质分级从优良到极差赋值依次为由4～1．

在对北京市平原区地下水污染风险及地下水价值完成分级评价之后，结合北京市平原区地下水源保护区划分(图8，北京市环境保护局于2000年完成)，依据表3进行3种叠加要素分级的赋值，然后依据公式(3)进行叠加运算，在得到北京市平原区地下水污染防治区划评分值的基础上，依据表4进行分级，最终得到北京市平原区地下水污染防治区划图(图9)．图9表明北京市平原区防治级别最高(三级)的大部分区域位于城八区西部、平原区北部及东北部，这些区域地下水污染风险等级(图4)、地下水价值等级(图7)及地下水源保护区等级(图8)均处于较高级别;防治级别次之(二级)的大部分区域位于平原区的中部、西南部、东北部，在图4、7、8中均能有所体现．总体上看，北京市平原区地下水污染防治区划图能够从本质角度、社会经济角度和政策角度综合反映出该区域目前的地下水状况，符合实际情况，能够为下一步实际相关工作的开展提供依据．

3结论

地下水污染防治区划体系的构建应从污染源自身造成污染及含水层自身抵御污染的本质层面、地下水自身蕴含价值的社会经济层面及现阶段制定与实施的政策、法规等政策层面进行综合考虑．地下水污染风险评价、地下水价值及地下水源保护区划分则是上述三个层面的量化表征．体系构建过程中，借助GIS技术，以层次分析法确定权重及建立的相应叠加原则对构成要素的耦合起到了至关重要的作用．本体系在北京市平原区地下水的应用表明区划分级结果能够综合反映出北京市平原区地下水在上述本质层面、社会经济层面及政策层面的研究成果，符合现实情况，对下一步实际预防、监管措施的制定与实施可以起到指导作用．此外，由于构成要素的动态性特征，开展构成要素的敏感性分析并结合实际情况确定区划的更新频率，对本体系的完善及推广具有重要意义．