北京密懷順地區地下水污染風(fēng)險評價(jià)方法探究

　　1 引言(Introduction)

　　地下水是我國城市供水的重要水源, 也是重要的飲用水源之一.隨著(zhù)城市規模的不斷擴大、人口的不斷增加和經(jīng)濟的快速發(fā)展, 我國的地下水資源正面著(zhù)臨嚴重的問(wèn)題.地下水污染的隱蔽性和難以治理的特點(diǎn)要求人們應采取“以防為主, 防治結合”的方針加以保護(趙勇勝, 2015; 吳登定等, 2005; 張偉紅, 2007).

　　地下水污染風(fēng)險評價(jià)可利用一定量的數據來(lái)確定地下水污染風(fēng)險的大小, 并根據污染風(fēng)險的大小選取相應的風(fēng)險決策方案, 這不僅有利于地下水資源保護與污染防治, 更是地下水污染防控的重要環(huán)節(趙勇勝, 2007; 孫才志等, 2015).同時(shí), 大多數地下水污染風(fēng)險評估一般僅以地下水固有脆弱性為依據, 而忽視了污染源的危害性.

　　在同一地區對同一個(gè)數據使用不同的方法進(jìn)行分析, 所得到的地圖結果也會(huì )有所不同, 有時(shí)甚至會(huì )相互矛盾.北京市地下水開(kāi)采量占全市供水量的2/3左右, 是國際上為數不多的以地下水作為供水水源的大都市之一(郇環(huán)等, 2011).北京密懷順(密云-懷柔-順義)地區包括懷柔應急水源地和水源八廠(chǎng)水源地, 主要為北京城區提供地下水資源, 開(kāi)展更準確的地下水污染風(fēng)險評價(jià)可為合理開(kāi)發(fā)利用地下水資源和改善水質(zhì)提供科學(xué)依據.故本文以北京密懷順地區作為示例, 選取3種最常用的地下水污染風(fēng)險評價(jià)方法(相加法、矩陣法和計算法), 通過(guò)硝酸鹽濃度分布進(jìn)行對比驗證, 旨在為研究區選取最優(yōu)的地下水污染風(fēng)險評價(jià)方法, 以便幫助決策者和管理者制定地下水保護的管理措施.

　　2 研究區概況(Study area)

　　研究區位于北京市東北部, 研究范圍為北京市密云縣和懷柔區的平原區(圖 1), 面積約703 km2.研究區內地形總的趨勢是北部狹窄、南部開(kāi)闊, 地形由北向南傾斜.區內海拔一般在50 m, 其東北、西北和北部三面環(huán)山, 南面地勢平坦.研究區多年平均降雨量為656.5 mm, 其中, 2004—2014年的年均降水量為565 mm.年內降水主要集中在5—9月的汛期, 歷年平均汛期降水量占到年降水總量的72%~85%, 其中, 6—8月的降水量占到年總降水量的65%, 在7、8月常有暴雨出現.

　　圖 1

　　圖 1研究區地理位置示意圖

　　研究區構造線(xiàn)方向以北東及北東向為主, 北西向次之.平原區屬于新華夏系北東向的新生代斷陷盆地, 為一地塹式盆地, 基底起伏與斷裂延伸方向一致, 為北東向.北部平原基底絕大部分為地震旦系片麻巖及燕山基期花崗閃長(cháng)巖所占據.南部基底及四周山區則以震旦亞界古生界及中生界地層為主.

　　根據收集的研究區內地質(zhì)鉆孔資料, 對研究區的水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析, 建立了水文地質(zhì)概化結構圖(圖 2).研究區含水層主要由砂、礫石、卵石組成, 從北向南介質(zhì)粒徑由粗變細, 含水層由單一層過(guò)渡到多層, 巖層厚度由薄變厚.區域內含水層結構東西方向差異較大, 東部為潮白河主河道滾動(dòng)區, 含水層厚, 層次少、粒徑大、孔隙大;西部為懷河、雁棲河、小中河滾動(dòng)區, 含水層薄, 層次多、粒徑較小、透水性相對較差.

　　圖 2

　　圖 2研究區地下水系統聯(lián)合剖面圖

　　3 地下水污染風(fēng)險指標(Groundwater pollution risk index)

　　地下水污染是由含水層本身的脆弱性與人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的污染負荷造成的.本文在考量地下水污染風(fēng)險時(shí)主要考慮含水層固有脆弱性和污染源荷載兩個(gè)方面.

　　3.1 含水層固有脆弱性評價(jià)方法

　　含水層固有脆弱性是指在天然狀態(tài)下含水層對污染所表現的內部固有的敏感屬性, 含水層固有脆弱性評價(jià)的主要目的是評價(jià)地下水受到污染的難易程度(Babiker et al., 2005; Aller et al., 1987).本文根據研究區水文地質(zhì)條件, 選擇DRASTIC模型, 該模型主要適用于孔隙地下水固有脆弱性評價(jià).根據式(1)進(jìn)行疊加分析, 得到DRASTIC評價(jià)結果.

(1)

　　式中, D為地下水脆弱性指數, rD為地下水埋深的分級值, wD為地下水埋深的權重值, rR為含水層凈補給的分級值, wR為含水層凈補給的權重值, rA為含水層介質(zhì)類(lèi)型的分級值, wA為含水層介質(zhì)類(lèi)型的權重值, rS為土壤類(lèi)型的分級值, wS為土壤類(lèi)型的權重值, rT為地形坡度的分級值, wT為地形坡度的權重值, rI為包氣帶介質(zhì)類(lèi)型的分級值, wI為包氣帶介質(zhì)類(lèi)型的權重值, rC為含水層滲透系數的分級值, wC為含水層滲透系數的權重值.

　　3.2 污染源荷載評價(jià)

　　污染源荷載評價(jià)需要收集、處理和分析大量的污染源及受體環(huán)境信息.污染源荷載評價(jià)主要為表征人類(lèi)活動(dòng)和污染源對地下水造成的影響, 反映地下水系統中污染物的數量.從實(shí)用的角度出發(fā), 本文采用了涵蓋污染源種類(lèi)K(包括毒性、衰減能力、遷移性等)、污染物產(chǎn)生量Q、污染物釋放的可能性L(fǎng)(有無(wú)防護措施、有無(wú)泄漏)3個(gè)指標的污染源評價(jià)體系.構建的評價(jià)模型(Harman et al., 2001; Wang et al., 2012)為：

(2)

　　式中, P為單個(gè)潛在污染源危害性指數, K為潛在污染源類(lèi)型的等級, Q為污染物產(chǎn)生量, L為污染物釋放的可能性等級, 以上變量均無(wú)量綱.其中, K按污染源類(lèi)型取值范圍為1~9, Q按污染物產(chǎn)生量大、中、小依次取值3、2、1, L按防護性能強弱取值0~1.綜合考慮研究區內所有污染源的荷載分險, 根據研究區地下水動(dòng)力場(chǎng)確定各污染源影響范圍, 然后應用GIS的疊加分析綜合考慮研究區內所有污染源的污染荷載.最后運用Natural Breaks分級方法, 將評價(jià)結果重新分為5級, 表示污染源荷載風(fēng)險低、較低、中、較高、高5個(gè)等級.

　　4 地下水污染風(fēng)險評價(jià)方法及驗證方法(Groundwater pollution risk evaluation method and validation method)

　　地下水污染風(fēng)險強度通常由污染物負荷與對應地點(diǎn)的脆弱性進(jìn)行評價(jià).本文選擇相加法、矩陣法、計算法3種地下水風(fēng)險強度評價(jià)方法對研究區進(jìn)行評價(jià).

　　4.1 相加法

　　地下水污染風(fēng)險等級通過(guò)固有脆弱性等級和污染源荷載風(fēng)險等級相加得出, 地下水污染風(fēng)險最高的地方是在高度脆弱地區和發(fā)生污染源荷載評價(jià)高的地方.因此, 本文根據Entezari等(2016)、Ravbar等(2007)和Nguyet等(2006)提出的計算地下水污染風(fēng)險等級公式進(jìn)行計算：

(3)

　　式中, H為地下水污染風(fēng)險等級, V為脆弱性等級, P為污染源荷載等級.

　　4.2 矩陣法

　　矩陣法也是常用的地下水污染風(fēng)險評價(jià)的方法, 其特點(diǎn)是簡(jiǎn)明扼要、易于直觀(guān)表達(Zhang et al., 2016).矩陣法主要考慮了不同的水文地質(zhì)條件及能承受的污染源荷載等級, 具有相同污染等級的地區可能具有不同的風(fēng)險等級(Ducci et al., 2008), 具體如表 1所示, 值1、2、3、4和5分別代表低、較低、中等、較高、高的地下水污染風(fēng)險值.例如, 污染源荷載等級為高, DRASTIC等級為中等時(shí), 污染負荷等級為較高.

　

　　4.3 計算法

　　Morris和Foster(2000)將地下水污染風(fēng)險定義為“含水層中的地下水將被地表上的活動(dòng)污染到不可接受的水平”.這種方法利用地下污染物負荷與其對應地點(diǎn)的含水層污染脆弱性的相互作用來(lái)描述“風(fēng)險強度”(Dimitriou et al., 2008; Mimi et al., 2009; Zwahlen et al., 2000), 這種風(fēng)險強度常用風(fēng)險強度指數(式(4))來(lái)表示, 最終的地下水污染風(fēng)險等級根據得到的RI指數進(jìn)行分級.

(4) 式中, RI為風(fēng)險強度指數, HI為危害指數, 為脆弱性指數.

　　4.4 驗證

　　硝酸鹽常被選為評估地下水脆弱性和污染風(fēng)險的指標(Stigter et al., 2005; Assaf et al., 2009; McLay et al., 2001), 硝酸鹽濃度與地下水污染風(fēng)險等級之間的相關(guān)性可以用Pearson相關(guān)因子(r)或Spearman等級相關(guān)因子(ρ)來(lái)表征(Lake et al., 2003; Panagopoulos et al., 2006).其中, Pearson相關(guān)因子的應用前提是假定硝酸鹽濃度服從正態(tài)分布, 而Spearman等級相關(guān)因子不受兩變量分布形式和樣本量的約束.故本文采用Spearman等級相關(guān)因子(式(5))來(lái)驗證本研究中地下水污染風(fēng)險等級結果的有效性.

(5)

　　式中, N為樣品數, d為污染風(fēng)險等級與硝酸鹽濃度等級之間的差異.

　　5 結果與分析(Results and discussion)5.1 含水層脆弱性評價(jià)

　　將各指標圖層在A(yíng)rcGIS軟件中完成矢量化、數值化, 并依據權重進(jìn)行疊加計算.將各評價(jià)指標的分類(lèi)等級圖根據疊加公式進(jìn)行疊加分析, 結果重新劃分為4個(gè)等級, 得到研究區地下水脆弱性等級分區, 結果如圖 3所示.整個(gè)研究區有25.72%的地下水脆弱性等級為較低, 大部分位于研究區中部, 其中, 沙河、十里堡、西田各莊、王化水處理廠(chǎng)、梭草位于該區域, 地下水的防污性能最好.這是由于該區域地下水埋深較大, 土壤介質(zhì)、包氣帶介質(zhì)、含水層介質(zhì)類(lèi)型抗污性良好.整個(gè)研究區有61.79%的地下水脆弱性等級為中等, 其中, 范各莊、東白巖、平頭位于該區域.整個(gè)研究區有10.94%的地下水脆弱性等級為較高, 位于研究區西南部、西北部小部分區域, 其中, 懷北莊、前辛莊、前橋梓村東、桃山位于該區域.相對而言, 整個(gè)研究區僅有1.56%的地下水脆弱性等級為高, 位于研究區西南部小部分區域的地下水脆弱性等級為最高, 防污性能最差.這是由于該區域地下水埋深較小, 埋深最小位置在1.5 m以下, 土壤介質(zhì)為粉礫質(zhì)亞粘土、包氣帶介質(zhì)為風(fēng)化巖或塊狀灰巖, 含水層介質(zhì)類(lèi)型較其他區域容易污染.

　　圖 3

　　圖 3含水層固有脆弱性評價(jià)等級

　　5.2 污染源荷載評價(jià)結果

　　研究區內地下水污染類(lèi)型以硝酸鹽氮超標和揮發(fā)性酚類(lèi)超標為主, 個(gè)別井超標組分為總硬度、總大腸菌群等, 近幾年水質(zhì)以Ⅱ類(lèi)水和Ⅲ類(lèi)水為主, 部分地區可達到飲用水質(zhì)量標準.

　　根據調查結果, 研究區地下水負荷風(fēng)險的主要來(lái)源是家禽養殖場(chǎng)、加油站、垃圾填埋場(chǎng)、工業(yè)污染源和污水處理廠(chǎng).將各種類(lèi)污染源圖層在A(yíng)rcGIS軟件中完成矢量化、數值化后進(jìn)行疊加計算, 結果重新劃分為5個(gè)等級, 得到研究區污染荷載評價(jià)等級, 結果如圖 4所示.由圖 4可知, 污染載荷強的地區主要分布在研究區東部、東北部及西部零星地區, 主要原因是受排污口的影響較大;污染載荷較強的地區主要分布在污染載荷強的地區周?chē)?污染載荷較弱、弱的地區主要分布在研究區的北部, 主要原因是該地區無(wú)工業(yè)污染源及排污口, 污染源較少.

　　圖 4

　　圖 4地下水污染荷載評價(jià)等級

　　5.3 地下水污染風(fēng)險評價(jià)

　　根據上述3種方法, 將含水層固有脆弱性評價(jià)等級圖(圖 3)及污染荷載評價(jià)等級圖(圖 4)在GIS系統中進(jìn)行疊加分析.利用公式(3)得到地下水污染風(fēng)險等級分區圖(相加法), 結果如圖 5a所示.利用表 1得到地下水污染風(fēng)險等級分區圖(矩陣法), 結果如圖 5b所示.利用公式(4)得到地下水污染風(fēng)險等級分區圖(計算法), 結果如圖 5c所示.

　　圖 5

　　圖 5地下水污染風(fēng)險等級分區圖 (a.相加法, b.矩陣法, c.計算法)

　　以上3種方法均不同程度地顯示了地下水污染風(fēng)險等級較高的地區主要位于研究區西北部, 包括前辛莊、桃山及前橋梓村東一帶, 以及懷北莊、十里堡和東白巖等地區;而地下水污染風(fēng)險等級較低地區主要分布于研究區中部及北部, 主要由于該地污染源分布較少且脆弱性較低.具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　通過(guò)相加法、矩陣法和計算法上述3種方法, 均采用Natural Breaks方法來(lái)區分相對地下水污染風(fēng)險等級, 風(fēng)險等級面積比較結果如圖 6所示.相加法和計算法得到的污染風(fēng)險等級為中等和較低的脆弱地區約占54%.另外, 脆弱性高的地區所占比例分別從相加法、計算法的5.23%、4.17%降低到矩陣法的1.56%, 表明相加法和計算法均高估了地下水脆弱性高的地區范圍.

　　圖 6

　　圖 6相加法、矩陣法和計算法地下水污染風(fēng)險分區比例

　　5.4 驗證

　　本文選用潛水硝酸鹽濃度作為驗證依據, 這是因為地下水中硝酸鹽濃度背景值一般低于2 mg·L-1, 如果明顯高于背景值, 意味著(zhù)人類(lèi)活動(dòng)對于地下水產(chǎn)生了影響.一般情況下, 地下水污染風(fēng)險等級高的地區, 硝酸鹽濃度值相對較高.研究區地下水污染風(fēng)險評價(jià)結果的驗證取決于2015年研究區內14個(gè)淺層地下水樣品的污染風(fēng)險等級與硝酸鹽濃度的相關(guān)性, 根據這14個(gè)地下水水質(zhì)監測井的硝酸鹽濃度進(jìn)行插值分析, 根據Nature Breaks方法將研究區內硝酸鹽濃度分為5個(gè)等級, 其中, NO3--N的最小、最大和平均濃度分別為2.46、19.6和12.0 mg·L-1(圖 7).

　　圖 7

　　圖 7硝酸鹽濃度分區

　　通過(guò)研究區內含水層固有脆弱性結果、污染荷載評價(jià)結果、3種方法得到的地下水污染風(fēng)險結果與硝酸鹽濃度分區進(jìn)行比較, 發(fā)現單獨考慮含水層固有脆弱性或者單獨考慮污染源荷載不足以描繪地下水污染風(fēng)險, 兩者疊加后的結果更符合實(shí)際.

　　將3種方法得到的地下水污染風(fēng)險等級結果與硝酸鹽濃度分布等級結果進(jìn)行對比, 得到地下水污染風(fēng)險等級與硝酸鹽等級差值計數(圖 8), 表 2為3種方法得到的等級差值所占比例.由圖 8及表 2可知, 矩陣法與相加法得到的地下水污染風(fēng)險等級與硝酸鹽等級差值主要等級差的計數點(diǎn)均在0處取到最大, 等級差值為1次之;而計算法得到的等級差絕對值在1處取到最大.根據表 2可知, 矩陣法得到的99.2%計數點(diǎn)的污染風(fēng)險等級與硝酸鹽等級差分布在0和1.反觀(guān)相加法和計算法, 其等級差值較大, 這主要是由于相加法與計算法均在某些地區突出了脆弱性等級和污染源荷載等級的極端情況.由此可知, 對于研究區來(lái)說(shuō), 矩陣法明顯優(yōu)于另兩種方法, 得到的結果更符合實(shí)際.

　　圖 8

　　圖 8地下水污染風(fēng)險等級與硝酸鹽等級差值計數圖

 　　根據公式(5)分別計算上述3種方法的相關(guān)因子(ρ), 根據Spearman等級相關(guān)因子, 對以上3種地下水污染風(fēng)險方法計算了與硝酸鹽濃度的相關(guān)系數ρ, 得到矩陣法(ρ=93.19%)>計算法(ρ=90.33%)>相加法(ρ=89.23%).

　　根據以上兩種驗證方法均得出, 研究區內地下水污染風(fēng)險評價(jià)方法使用矩陣法得到的結果更加準確、更可行.

　　6 結論(Conclusions)

　　1) 地下水污染是由含水層本身的脆弱性(內部因素)與人類(lèi)活動(dòng)(外部因素)產(chǎn)生的污染負荷造成的, 僅考慮含水層固有脆弱性或者僅考慮污染源荷載不足以描繪地下水污染風(fēng)險, 將兩者進(jìn)行疊加得到的地下水污染風(fēng)險分區圖與硝酸鹽水質(zhì)分區基本吻合，說(shuō)明地下水污染風(fēng)險評價(jià)結果更為合理.

　　2) 3種方法得到的硝酸鹽濃度與地下水污染風(fēng)險分區的Spearman等級相關(guān)因子顯示, 研究區內地下水污染風(fēng)險評價(jià)方法使用矩陣法(ρ=93.19%)得到的結果更加準確、更合理.

　　3) 本文從含水層固有脆弱性、污染源荷載風(fēng)險兩方面進(jìn)行地下水污染風(fēng)險評價(jià), 結果表明, 該研究區地下水污染風(fēng)險整體上相對較低, 大部分地區以低和中污染風(fēng)險為主, 但在桃山、前辛莊、楊橋梓村東、十里堡及東白巖地區, 由于人類(lèi)活動(dòng)集中, 地下水污染風(fēng)險高, 應對這些地區制定嚴格的污染防控管理措施, 保護地下水資源.(來(lái)源：環(huán)境科學(xué)學(xué)報 作者：張佳文)