金愛芳,張 旭,李廣賀 (清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,地下水與土壤環(huán)境研究所,北京 100084)

造成地下水污染的污染源復(fù)雜多變,如何對其潛在危害性進(jìn)行評價與分級,這對于地下水污染的預(yù)防及污染源的有效監(jiān)管具有重要意義[1].已有的研究中,污染源對地下水危害性評價的仿真模擬的模型復(fù)雜,數(shù)據(jù)計算量大,評價污染源的類型單一,且主要集中在農(nóng)藥類污染源[2-7].近年來,因需求數(shù)據(jù)量相對較小和易于快速應(yīng)用推廣,指數(shù)模型備受關(guān)注.如基于污染物的半衰期和有機(jī)碳分配系數(shù)構(gòu)建的GUS指數(shù)模型[8];基于土壤和農(nóng)藥的性質(zhì)建立的衰減因子模型[9];運(yùn)用SCI-GROW 模型[10]和IPNOA 模型[11]分別進(jìn)行了農(nóng)藥和硝酸鹽對地下水的危害性評估.此外還有學(xué)者通過對農(nóng)業(yè)和工業(yè)活動的危害性分級建立了地下水危害性指數(shù)[12].目前,運(yùn)用多指標(biāo)綜合評價模型開展污染源對地下水危害性評價的研究剛剛起步,且多數(shù)研究集中在對不同類型污染源(如農(nóng)業(yè)、工業(yè)污染源)及特定污染物的潛在危害性的評價,所建方法普適性較差,難以對研究區(qū)所有污染源的危害性進(jìn)行整體評價.

從所建模型的參數(shù)來看,大多是把污染物性質(zhì)參數(shù)與地質(zhì)環(huán)境條件參數(shù)結(jié)合到一起考慮,如基于土壤和污染物的性質(zhì)評價污染源對地下水的潛在污染[9,13].只考慮污染源,不考慮地質(zhì)環(huán)境條件的研究甚少[14-15],且已有研究要么缺乏定量化評價方法,要么對污染源特性因素考慮較少,難以滿足地下水源地污染源危害性定量化評價的要求.

本研究以地下水源地為研究區(qū)域,對地面環(huán)境的污染源進(jìn)行了定量化分析.從污染源特性和污染物性質(zhì)兩方面考慮,構(gòu)建了由污染源的排放位置、污染發(fā)生可能性、影響面積、污染持續(xù)時間及污染物的毒性、遷移性、持久性、等標(biāo)負(fù)荷或單位面積負(fù)荷等構(gòu)成的污染源危害性評價參數(shù)體系,并基于GIS平臺,進(jìn)行了污染源的危害性評價與分級,以期為后續(xù)的地下水污染的風(fēng)險源識別及控制研究提供技術(shù)支撐.

1 評價因素解析

1.1 參數(shù)體系

污染源對地下水的危害,最終歸結(jié)為污染源排放的污染物穿過包氣帶,到達(dá)含水層,破壞地下水環(huán)境的過程.因此,污染源危害性評價,除考慮污染物的排放量外,還應(yīng)考慮污染源所處的位置、污染持續(xù)時間及排放污染物種類等諸多因素.污染源的特性指標(biāo)衡量的是污染源是否具有輸出污染物的潛力.污染源的防護(hù)措施完整,則污染發(fā)生的概率較低,對地下水的危害性較低;同一條件下,地下污染源對地下水的危害性高于地表污染源的危害性.

表1 污染源危害性評價的參數(shù)體系Table 1 Parameters system of pollution source hazard assessment

在污染源具有輸出潛力的前提下,污染物的性質(zhì)是影響地下水水質(zhì)狀況的關(guān)鍵因素.污染物的量越大,濃度越高,對地下水的危害性越大;污染物的毒性越大,遷移能力越強(qiáng),降解性越差,則到達(dá)含水層的可能性越高,對地下水的危害性越大.因此,本研究主要從污染源的特性及污染物的性質(zhì)兩方面篩選多項參數(shù),構(gòu)建污染源危害性評價的參數(shù)體系.

遵循建立參數(shù)體系的4個原則:系統(tǒng)性原則、動態(tài)性原則、科學(xué)性原則、可操作性原則,選擇污染源特征參數(shù)(排放位置、污染發(fā)生可能性、污染的持續(xù)時間、影響面積)及污染物的參數(shù)(毒性、遷移性、持久性、等標(biāo)負(fù)荷或單位面積負(fù)荷)構(gòu)建污染源危害性評價的參數(shù)體系(表1).

1.2 參數(shù)的分級與權(quán)重的確定

由于各參數(shù)指標(biāo)的量綱不同,并且指標(biāo)間數(shù)量差異較大,致使指標(biāo)間難以進(jìn)行比較.為此需通過數(shù)學(xué)手段,將在調(diào)查中獲取的各種定量及定性的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,將其轉(zhuǎn)化為無量綱或統(tǒng)一量綱的指標(biāo),以便以統(tǒng)一的尺度衡量污染強(qiáng)度的時空變化特征.此外,各參數(shù)指標(biāo)對地下水環(huán)境的破壞程度不同,必須賦予不同的權(quán)重加以區(qū)別,從而達(dá)到對污染源的危害性進(jìn)行準(zhǔn)確評價的目的.

污染源危害性評價參數(shù)的衡量及其等級劃分具體見表 2.所有參數(shù)的等級范圍為1～10,等級越高,對地下水的危害性越大.污染物的毒性主要參考EPA等級劃分,毒性越大,等級越高;遷移性依據(jù)有機(jī)碳-水分配系數(shù) Koc進(jìn)行劃定,Koc值越低,則污染物越不易被土壤或含水層介質(zhì)吸附,遷移能力越強(qiáng),等級越高;持久性依據(jù)污染物在土壤中的半衰期進(jìn)行劃定,半衰期越長,污染物越不易降解,危害性越大,等級越高;針對點(diǎn)源和線源所排放污染物的等標(biāo)負(fù)荷則依據(jù)測試濃度計算的等標(biāo)負(fù)荷結(jié)果進(jìn)行劃分,標(biāo)準(zhǔn)值參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[16],標(biāo)準(zhǔn)中沒有的項目參考其他國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),面源的污染物以單位面積負(fù)荷進(jìn)行等級劃分,具體劃分標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)實際情況而定.

污染物的排放位置依據(jù)污染源的存在形式進(jìn)行劃分,地表污染源相對地下污染源而言,危害較小,等級較低;污染源發(fā)生可能性依據(jù)其防護(hù)措施進(jìn)行分級,防護(hù)措施好,則污染地下水的可能小,等級較低;影響面積依據(jù)其影響范圍的大小進(jìn)行分級,影響范圍越大,則地下水污染的范圍越大,危害性越大,等級較高;污染的持續(xù)時間越長,危害性越大,等級越高.

表2 污染源危害性評價參數(shù)的分級Table2 Parameters rating of pollution source hazard assessment

多指標(biāo)綜合評價中各評價指標(biāo)權(quán)重分配會直接導(dǎo)致評價對象優(yōu)劣順序的改變.由于層次分析法可以根據(jù)實際問題合理確定各指標(biāo)的權(quán)重值,因此本研究采用層次分析法確定指標(biāo)的權(quán)重,指標(biāo)量化的具體標(biāo)準(zhǔn)參考Saaty提出的9級標(biāo)度法[17].

2 評價方法的構(gòu)建

綜合考慮污染源的防護(hù)措施、所處位置,及所排放污染物的種類、性質(zhì)(毒性、遷移性、持久性)等因素,認(rèn)為應(yīng)針對目標(biāo)污染物構(gòu)建多指標(biāo)污染源危害性評價方法.由于不同污染源排放的污染物種類不同,性質(zhì)各異,為簡化評價過程,選取幾種有代表性的污染物為目標(biāo)污染物.選取的原則主要為:優(yōu)先選擇研究區(qū)的典型污染物;優(yōu)先選擇遷移能力強(qiáng)、毒性大和降解能力差的污染物;優(yōu)先選擇我國水體中優(yōu)先控制污染物黑名單內(nèi)的污染物.

基于上述對地下水污染源危害性各評價因素的分析,定義污染源危害性指數(shù)為污染源特性指數(shù)和污染物性質(zhì)指數(shù)之和.具體量化評價模型見式(1).基于GIS平臺,建立污染源危害性專題圖層,并運(yùn)用Equal Interval或Natural Breaks分級方法進(jìn)行危害性等級劃分,分為低、較低、中等、較高、高5個級別.

式中:S總為污染源危害性指數(shù);n為目標(biāo)污染物的個數(shù);m 為目標(biāo)污染物的參數(shù)個數(shù);ri,j為目標(biāo)污染物i參數(shù)j的分級值;wi,j為目標(biāo)污染物i參數(shù)j的權(quán)重;q為污染源特征參數(shù)的個數(shù);rk為污染源特征參數(shù)k的分級值;wk為污染源特征參數(shù)k的權(quán)重.

3 案例應(yīng)用

研究區(qū)為某地下水源地,面積約140km2,南部為低山丘陵河谷地形,灰?guī)r裸露區(qū)地表和地下巖溶發(fā)育,出現(xiàn)較大的溶蝕洼地.北部為山前傾斜平原,為某河早期所形成的隱伏沖洪積扇,沉積物巖性為黃土狀亞黏土、黏質(zhì)砂土、砂卵礫石等.

研究區(qū)西北部坐落著石化公司,其周邊聚集了大批鄉(xiāng)鎮(zhèn)、區(qū)、市屬化工企業(yè),對地區(qū)的水環(huán)境造成了巨大的壓力并產(chǎn)生了嚴(yán)重的污染.通過污染源一期調(diào)查,明確了研究區(qū)的點(diǎn)狀污染源主要為滲坑及排污口,線狀污染源主要為排污渠及河道,面狀污染源主要為污染土壤.通過污染源的二期詳細(xì)調(diào)查,并對重點(diǎn)污染源進(jìn)行樣品采集,測試結(jié)果表明,研究區(qū)有機(jī)污染比較嚴(yán)重,主要污染物為總油類、苯系物、氯代烴、多環(huán)芳烴類.

選擇苯、三氯甲烷、四氯化碳、萘、菲、苯并(a)芘作為主要目標(biāo)污染物.由于污染物性質(zhì)方面的因素包含的信息量多,且在評價中的影響作用較污染源的特性方面大,因此賦予較高的權(quán)重.由層次分析法計算評價參數(shù)毒性、遷移性、持久性、排放位置、等標(biāo)負(fù)荷、影響面積、污染發(fā)生可能性、持續(xù)時間的權(quán)重值分別為0.2650、0.1325、0.1325、0.1100、0.1943、0.0957、0.0350、0.0350.

針對點(diǎn)源的危害性評價,其對地下水的影響范圍均設(shè)置為200m.線源危害性評價,根據(jù)其空間分布情況、溝河交匯情況將研究區(qū)的線源分為9段,各分段的污染負(fù)荷為沿線各排污口排污量的總和,其對地下水的影響范圍設(shè)置為50m,具體范圍根據(jù)研究區(qū)實際條件進(jìn)行調(diào)整.

針對面源污染,按照土壤污染類型、地理位置、污染程度的差異將研究區(qū)劃分出4個類型區(qū),每個類型區(qū)根據(jù)空間分布的差異進(jìn)一步劃分出若干亞區(qū),并分別采取土壤樣品.基于土壤采樣分析得出主要污染物的含量與分布,對每個區(qū)的土壤污染負(fù)荷進(jìn)行了估算,并根據(jù)表 3對單位面積負(fù)荷進(jìn)行了等級劃分.

表3 面源的負(fù)荷分級標(biāo)準(zhǔn)Table 3 The classification standard of diffused pollution load

由于面源污染沒有固定污染排放點(diǎn),被污染的土壤勢必成為地下水的污染源,因此污染源特性方面不予考慮,只考慮污染物性質(zhì)方面的指標(biāo).為了使面源綜合指數(shù)取值范圍與點(diǎn)源及線源保持一致,對其權(quán)重進(jìn)行重新計算,結(jié)果顯示,污染物毒性、遷移性、持久性及單位負(fù)荷的權(quán)重分別為0.42、0.08、0.08、0.42.

為了對研究區(qū)污染源的危害性有總體認(rèn)識,基于GIS平臺,采用耦合模型將研究區(qū)的面源、點(diǎn)源及線源危害性評價指數(shù)進(jìn)行疊加分析,并根據(jù)綜合指數(shù)將 0～3.27,3.27～6.54,6.54～9.81,9.81～13.08,13.08～16.36分別劃分為低、較低、中等、較高、高5個級別.綜合評價結(jié)果如圖1所示.

由圖1可以看出,研究區(qū)污染源危害程度低的區(qū)域主要分布在南部及北部,占總面積的81.03%.危害程度中等的區(qū)域主要分布在石化公司,這主要是由于土壤中苯、萘、菲、苯并(a)芘的污染負(fù)荷較高.危害程度高的區(qū)域主要分布在排污溝、石化公司周邊的滲坑群及南部和東部某河灘的滲坑.這些污染源排放的污染物濃度很高,甚至個別污染物嚴(yán)重超標(biāo)(如三氯甲烷的最大超標(biāo)倍數(shù)達(dá)1358).這些區(qū)域的污染源對地下水的危害程度最大,應(yīng)引起注意.可見,上述評價結(jié)果能夠客觀地反映出研究區(qū)環(huán)境對地下水潛在危害性狀況,評價方法有效可行.

圖1 研究區(qū)污染源危害性評價結(jié)果Fig.1 Hazard assessment of pollution sources in study area

4 結(jié)論

4.1 針對地下水源地,從污染源特性和污染物性質(zhì)兩方面考慮,構(gòu)建了由污染源的排放位置、污染發(fā)生可能性、影響面積、污染持續(xù)時間及污染物的毒性、遷移性、持久性、等標(biāo)負(fù)荷或單位面積負(fù)荷 8項指標(biāo)構(gòu)成的污染源危害性評價參數(shù)體系,并采用層次分析法確定了各指標(biāo)的權(quán)重.

4.2 基于GIS技術(shù)平臺,對污染源特性指標(biāo)評價與污染物屬性指標(biāo)評價采用數(shù)學(xué)手段-耦合模型進(jìn)行污染源的綜合評價及分級.

4.3 運(yùn)用所建立的方法對某地下水源地不同污染特征的污染源潛在危害性進(jìn)行了定量化評價,結(jié)果表明,排污溝、石化公司周邊的滲坑群及南部和東部某河灘的滲坑對地下水的潛在危害程度最高,石化公司的潛在危害性中等,其余區(qū)域危害性較低.評價結(jié)果能夠真實客觀地反映研究區(qū)的實際情況.

[1]王紅旗,秦 成,陳美陽.地下水水源地污染防治優(yōu)先性研究 [J].中國環(huán)境科學(xué), 2011,31(5):876–880.

[2]Laskowski D A, Goring C A I, McCall P J, et al. Terrestrial environment [C]//Conway R A. Environmental risk analysis for chemicals. NewYork:Van Nostrand Reinhold Company,1982,198-240.

[3]Mullins J A, Carsel R F, Scarbough J E, et al. PRZM-2, a model for predicting pesticide fate in the crop root and unsaturated soil zones:Users’ manual for release 2.0 [R]. United States:Environmental Research Laboratory, 1993.

[4]Hantush M M, Marin M A, Islam M R. Models for leaching of pesticides in soils and groundwater [J]. Journal of Hydrology,2000,227:66-83.

[5]Eason A, Tim U S, Wang X. Integrated modeling environment for statewide assessment of groundwater vulnerability from pesticide use in agriculture [J]. Pest Manag. Sci., 2004,60:739-745.

[6]Larsbo M, Roulier S, Stenemo F, et al. Animproved dual-permeability model of water flow and solute transport in the vadose zone [J]. Vadose Zone Journal, 2005,4:398-406.

[7]Stenemo F, J?rgensen P R, Jarvis N. Linking a onedimensional pesticide fate model to a three-dimensional groundwater model to simulate pollution risks of shallow and deep groundwater underlying fractured till [J]. Contam. Hydrol., 2005,79:89-106.

[8]Gustafson D I. Groundwater ubiquity score-a simple method for assessing pesticide leachability [J]. Environmental Toxicology and Chemistry, 1989,8(4):339-357.

[9]Stenemo F, Ray C, Yost R, et al. A screening tool for vulnerability assessment of pesticide leaching to groundwater for the islands of Hawaii, USA [J]. Pest Management Science, 2007,63:404-411.

[10]程 燕,周軍英,單正軍,等.運(yùn)用SCI-GROW模型預(yù)測農(nóng)藥對地下水的污染風(fēng)險 [J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報, 2007,23(4):78-82.

[11]Ghiglieri G, Barbieri G, Vernier A. Potential risks of nitrate pollution in aquifers from agricultural practices in the Nurra region, northwestern Sardinia, Italy [J]. Journal of Hydrology,2009,379:339-350.

[12]Ducci D, De-Masi G, Priscoli G D. Contamination risk of the Alburni Karst System (Southern Italy) [J]. Engineering Geology,2008,99:109-120.

[13]Kaufman M M, Rogers D T, Murray K S, et al. Using soil and contaminant properties to assess the potential for groundwater contamination to the lower Great Lakes, USA [J]. Environmental Geology, 2009,56:1009-1021.

[14]江 劍,董殿偉,楊冠寧,等.北京市海淀區(qū)地下水污染風(fēng)險性評價 [J]. 城市地質(zhì), 2010,5(2):14-18.

[15]申利娜,李廣賀.地下水污染風(fēng)險區(qū)劃方法研究 [J]. 環(huán)境科學(xué),2010,31(4):918-923.

[16]GB3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) [S].

[17]尚松浩.水資源系統(tǒng)分析方法及應(yīng)用 [M]. 北京:清華大學(xué)出版社, 2007:147-149.