劉姝媛，王紅旗（北京師范大學水科學研究院，北京 100875）

某地下水水源地污染風險評價指標體系研究

劉姝媛，王紅旗*（北京師范大學水科學研究院，北京 100875）

在對地下水污染物理過程以及地下水資源與人類活動相互制約關系充分認識的基礎上，以歐洲模型和壓力-狀態(tài)-響應模型為理論基礎，從源、路徑、目標三方面構建了地下水水源地污染風險評價指標體系，并將其運用于某地下水水源地，得到該水源地的污染風險評價結果圖.結果表明，該研究區(qū)中的污染高風險區(qū)位于水源地的東部，較高風險區(qū)位于Q石化公司廠區(qū)的周邊.

地下水；水源地；污染風險評價；指標體系

地下水是水資源的重要組成部分，其在社會經(jīng)濟發(fā)展中有著重要的作用.在我國，約有2/3的人口以地下水為飲用水源，地下水資源對于維持人民群眾的生活有著重要的意義［1-3］.隨著工業(yè)和城市化進程的加快，大量的石油消耗推動著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，但隨之帶來的是地下水的石油污染風險逐漸加重.地下水污染風險是地下水脆弱性概念的發(fā)展和延伸，其是指含水層中地下水由于其上的人類活動所遭受污染到不可接受水平的可能性［4］.地下水污染風險評價是對污染風險定量或定性的度量，是地下水資源保護和地下水污染防治的重要手段.通過地下水污染風險評價，可以識別出不同地區(qū)地下水受污染的可能性以及污染的危害程度.合理的地下水污染風險評價，對于地下水水源地保護區(qū)的劃分，污染控制和削減措施的制定以及地下水水質監(jiān)測網(wǎng)點的布設等具有重要的指導意義［5-6］.

目前，研究者提出了很多地下水污染風險評價的模型.其中，比較有代表性的模型有DRASTⅠC、GOD、SⅠNTACS和主要應用于巖溶地下水的歐洲模型，以及REKS、GLA、EPⅠK等

［7-11］.我國對于地下水污染風險評價的研究主要為介紹和應用國外的研究成果［12］.針對城市地下水污染風險，付素蓉等［13］對DRASTⅠC模型進行了改進，提出了DRAMⅠC模型.針對巖溶地下水污染風險，鄒勝章等［14］在EPⅠK模型的基礎上構建了EPⅠKSVLG指標體系；張強等［15］則應用歐洲模型對青木關巖溶區(qū)地下水脆弱性風險性進行評價.針對地下水區(qū)域存在孔隙和巖溶兩類地下水的情況，張雪剛等［16］結合了DRASTⅠC和GOD模型，并增加了土地利用因子，提出了GRADⅠCL模型對張集地區(qū)的地下水污染風險進行了評價.不同的評價模型采用不同的評價因子，各有優(yōu)劣，適用于不同的地區(qū)及地下水水源地.

地下水水源地污染風險評價指標體系應是一個獨立完整的整體，可以為地下水污染風險管理提供技術支持，既要能夠體現(xiàn)地下水系統(tǒng)的自然屬性，也能反映出受人類活動影響下的社會屬性，即人類活動對地下水擾動的程度.因此，本文以歐洲模型和壓力-狀態(tài)-響應模型為理論基礎篩選指標集，運用層次分析法確定指標的權重系數(shù)，構建出地下水水源地污染風險評價指標體系，并將其運用于某地下水水源地，確定該水源地的污染風險區(qū)域分布，從而為防止水源地污染，保護人民健康，實現(xiàn)水源地可持續(xù)開發(fā)利用提供科學依據(jù).

1 研究區(qū)概況

某水源地位于北方巖溶地區(qū)，面積約110km2，地勢南高北低，南部為低山丘陵河谷地形，北部為山前傾斜平原.地下水的補給來源有上游地下水的側向徑流補給、大氣降水入滲補給和地表水的入滲補給.研究區(qū)的含水系統(tǒng)主要有上下2個主要的含水巖組：上部為第四系松散巖類孔隙含水巖組，下部為奧陶系中統(tǒng)碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組.地下水在這一主徑流帶內由南向北運動，導水性強，非常利于地下水的流動和污染物的擴散.從20世紀70年代開始，水源地周邊建起了石化工廠、煉油廠、電廠、化肥廠等工業(yè)企業(yè)，對水源地的環(huán)境造成巨大的壓力.長期的研究表明，研究區(qū)內的地下水受到了一定程度的有機污染.依據(jù)地下水質量標準（GB/14848-93）［17］，研究區(qū)內多為Ⅲ類水和劣Ⅴ類水，有機污染明顯，烷烴類等是主要的污染物類型.

2 基于歐洲模型與PSR模型的指標體系構建

2.1 歐洲模型與PSR模型基本理念

歐洲模型即“源-路徑-目標”模型，是在歐洲學者的共同努力下提出的一種可應用于地下水資源評價的方法［18-21］.“源”又可稱為“風險源”，是指潛在污染源的位置或者潛在的污染物，例如工廠的排污設施、垃圾填埋場、或農田化肥等區(qū)域；“路徑”是污染物從起源到目標的通道或者說是過程，包括從污染物的釋放點（源）到保護點（目標）之間的全部路徑；“目標”是指被保護的地下水.基于“源-路徑-目標”模型的理論，我們可以將地下水水源地污染風險評價概括為：“源”評價是對污染源所造成的危害的評價，包括對污染源的數(shù)量、與水源地之間的距離、污染物特征等的評價；“路徑”評價是針對污染物質遷移轉化過程的評價，包括對地下水包氣帶、含水層以及污染物在其中的遷移轉化的評價；“目標”評價是針對風險受體的評價，本研究中主要考慮水源地的水質及水量兩個要素（圖1）.綜合分析水源地的水文地質條件、污染源、地下水的開發(fā)利用等各類影響因素，從自然因素和人為因素分類，得到地下水污染風險性影響因素表，并基于歐洲模型，將各個指標劃分為源指標、路徑指標和目標指標（表1）.

“壓力-狀態(tài)-響應”框架（PSR模型）是由經(jīng)濟合作組織（OECD）提出的一種評價世界環(huán)境狀況的模型［22-25］.PSR模型從總體上反映了資源環(huán)境與人類活動之間相互制約的關系.地下水被污染的過程是地下水環(huán)境與人類活動相互博弈的過程，在這一過程中，人類的各種活動對地下水環(huán)境施加壓力，而地下水環(huán)境以水質與水量的變化對人類活動做出反饋，從而影響國家或政府部門以各種行政管理措施對地下水環(huán)境狀況的改變做出響應，由此可見， “壓力-狀態(tài)-響應”模型適用于地下水污染的過程.依據(jù)PSR模型的構建原則和構建方法，構建地下水水源地污染風險評價的PSR框架（圖2）和PSR模型指標集（表2）.

圖1 “源-路徑-目標”概念模型Fig.1 The source-pathway-target conceptual model

表1 地下水水源地污染風險性影響因素表Table 1 List of influence factors used for groundwater pollution risk assessment

圖2 地下水污染風險性PSR模型的構建Fig.2 The PSR model for groundwater pollution risk assessment

2.2 地下水水源地污染風險指標體系的構建

地下水水源地污染風險評價指標體系是為環(huán)境保護和社會的可持續(xù)發(fā)展提供技術支持的理論體系，因而其應具有科學性和準確性.隨著社會的進步，經(jīng)濟的發(fā)展，人們對于環(huán)境的要求也是變化發(fā)展的，這就要求指標體系具有長時間適應性和較強的可預測性.歐洲模型將污染源與地下水系統(tǒng)有機的聯(lián)系起來，刻畫出地下水污染的物理過程，有助于從本質上認識地下水污染風險性；壓力-狀態(tài)-響應模型從環(huán)境角度對地下水污染進行分析刻畫，是區(qū)別于歐洲模型的地下水污染風險性的解讀.在本研究中從這兩種不同的角度對污染風險指標進行分析篩選，使得指標體系更加系統(tǒng)全面.

初步篩選出的指標集已經(jīng)能夠較為全面和完整地描述地下水污染過程對地下水環(huán)境的影響趨勢，但是指標體系中的指標并不是越多越好.一般來說，作為評價初期的各項指標，應該可以從地質勘探，環(huán)境調查等報告中獲得，或者是在野外環(huán)境中用簡單的儀器較為快速和準確的獲得，社會學和經(jīng)濟學指標應該簡單易懂，可以使大多數(shù)人理解和準確的使用.在篩選過程中，應該遵循高度集成、簡單易得、重點突出、系統(tǒng)完善等原則.

表2 地下水水源地污染風險評價指標PSR模型Table 2 Index system of the PSR model for groundwater pollution risk assessment

圖3 地下水水源地污染風險性指標體系概念Fig.3 The groundwater pollution assessment index system

指標的篩選過程，是對評價系統(tǒng)重新認識的過程，是基于研究者對系統(tǒng)的充分了解與認識的基礎上的.層次分析法［26-28］（簡稱AHP）是美國運籌學家Saaty［26］于20世紀70年代初期，專為解決復雜的系統(tǒng)決策問題而提出的一種目標決策方法.有研究表明，地下水脆弱性評價模型DRASTⅠC的權重經(jīng)AHP法改進之后，其脆弱性評價結果的適用性較之前有很大的改善［29］.因而，將AHP法用于本研究是科學合理有效的.同時有研究表明，運用層次分析法篩選和確定污染風險指標的權重，可以優(yōu)化地下水污染風險性指標體系，因而選用層次分析法對初步篩選出的指標進行分析計算，明確指標的權重（圖3）.

2.3 地下水水源地污染風險評價指標體系

表3 地下水水源地污染風險評價指標體系Table 3 Index system of groundwater pollution risk assessment

基于歐洲模型和PSR模型構建的地下水水源地污染風險評價指標可以分為2類，數(shù)值指標和屬性指標.數(shù)值指標因子有地下水埋深、凈補給量、地形坡度等.屬性指標因子有含水層巖性、土壤介質類型、包氣帶巖性等.對于2類不同的指標，我們采用不同的指標等級賦值方式.數(shù)值指標采用專家類別評分的方式對指標影響度進行模糊聚類分析；屬性指標采用已有的分類標準作為等級劃分的依據(jù)，從而實現(xiàn)指標等級的劃定.設計的分值范圍是1～10.其中，各因子每個區(qū)間或每類數(shù)值分類因子只給一個評分值.依據(jù)專家對各等級劃分指標賦值的聚類分析結果劃分評價等級.最終構建出地下水水源地污染風險評價指標體系（表3），具體的分級標準見表5～表7.

表4 污染風險評價結果分級Table 4 Classification for groundwater pollution risk

表5 源評價指標分級標準Table 5 Ranges and ratings for source parameters

表6 路徑評價指標分級標準Table 6 Ranges and ratings for pathway parameters

2.4 風險評價結果的表征

在地下水水源地風險指標體系建立原則的指導下，依據(jù)被評價區(qū)域的實際情況確定等級賦值.地下水水源地污染風險是所有指標賦值的加權乘積和，由下式計算：

式中：R代表賦值；W代表權重值.

在實際運用過程中為了便于計算，所有指標的權重值都以其層次分析法得出的值的10倍計算（表4）.

3 地下水水源地污染風險評價

在地下水水源地污染風險評價指標體系的指導下，基于污染源調查、地下水監(jiān)測以及長期的水文地質資料的基礎上，采用定性和定量指標相結合對該水源地的污染風險進行了評估和驗證，最終得到水源地污染風險分級圖.

3.1 某水源地“源”評價

依據(jù)地下水水源地污染風險評價指標體系，“源”指標代表著污染源對于水源地的影響，分為污染源荷載量、污染物特征、污染源距離以及土地利用方式.根據(jù)指標分級標準、賦值和各個指標的權重，運用GⅠS中反距離權重插值法最終得到水源地“源”評價分級結果.

水源地的“源”評價結果表明（圖4），風險源危害最嚴重的區(qū)域位于Q企業(yè)東西部廠區(qū).首選，Q企業(yè)是水源地內排污量最大的企業(yè)，其所造成的污染負荷相應的也最大；其次，結合其所排放的污染物的性質，基本為較易滲入含水層的物質，對水源地影響很大；再次，水源地的供水井大都位于水源地的東部，靠近Q企業(yè)的主產區(qū)，污染源距離指標反映出的污染危害較大.綜合分析得出Q企業(yè)的廠區(qū)對于水源地的污染風險性是最大的.

圖4 “源”評價結果Fig.4 Risk assessment result of the site based on the“Source” parameters

3.2 某水源地“路徑”評價

污染物質向地下水中擴散遷移，經(jīng)過土壤、包氣帶，最終到達含水層，其所經(jīng)歷的過程，稱之為“路徑”，下面將從土壤介質等不同的指標，對其進行評估.

圖5 “路徑”評價結果Fig.5 Risk assessment result of the site based on the“Pathway” parameters

依據(jù)污染風險評價指標體系中的指標分級及權重，得出水源地最易于污染物運移的路徑位于臨近Z河河谷的Q企業(yè)東部廠區(qū)，而在水源地的北部受土壤介質等條件的影響污染物遷移較難（圖5）.分析各個影響因子、權重及風險評價結果，可知在本水源地內對污染風險性起決定性作用的因子為水力傳導系數(shù).水力傳導系數(shù)越大，說明污染物質越易于在含水層中遷移，影響范圍越廣，污染風險性越高.

3.3 某水源地“目標”評價

“目標”指地下水水源地污染風險評價的受體，即地下水系統(tǒng).要求其能反映出地下水系統(tǒng)本質的特征，因而選用了地下水埋深、地下水水質等參數(shù).

依據(jù)目標的評價結果，得出，該水源地最易受到污染的區(qū)域位于臨近Z河的Q企業(yè)東部廠區(qū).由于這個區(qū)域是該水源地的集中開采區(qū)，更易受到人類活動的影響；同時這個區(qū)域也是Q企業(yè)的主要工業(yè)區(qū)，地下水水質受到嚴重的污染，因而地下水污染風險性較高.而在南部低山丘陵區(qū)因地下水富水性低，開采量極低，受到人類活動的影響較小，受到污染的風險也相應的較低（圖6）.

圖6 “目標”評價結果Fig.6 Risk assessment result of the site based on the“Target” parameters

3.4 某地下水水源地污染風險評價

依據(jù)地下水水源地污染風險評價指標體系在該水源地的實際運用，水源地污染風險評估結果可將其分為五個區(qū)：高風險區(qū)、較高風險區(qū)、中風險區(qū)、較低風險區(qū)和低風險區(qū).依據(jù)以上的研究結果表明，污染源、污染遷移轉化的路徑以及地下水目標在地下水污染風險評價中均具有很大的作用.污染風險最大的區(qū)域是水源地中污染危害最嚴重的區(qū)域，也是地下水防護功能最脆弱以及最有易于污染物遷移轉化的區(qū)域，在這三個因素的共同作用下，水源地中的高風險區(qū)位于水源地的東部地區(qū)；較高風險區(qū)位于Q企業(yè)廠區(qū)的周邊；中風險區(qū)主要位于Q企業(yè)的西部廠區(qū)以及化肥廠-電廠一帶，以及部分城區(qū)；較低風險區(qū)主要分布在北部邊界以及西南部丘陵區(qū)；低風險區(qū)集中在西部丘陵區(qū).

表7 目標評價指標分級標準Table 7 Ranges and ratings for target parameters

圖7 某水源地污染風險現(xiàn)狀評價Fig.7 Groundwater pollution risk distribution of the site

4 結論

4.1 在歐洲模型和壓力-狀態(tài)-響應模型理論的指導下，通過對水源地污染風險主要影響因素的辨析，重新構建了適用于水源地的地下水水源地污染風險評價指標體系，并通過層次分析法優(yōu)化了等級賦值和權重.結合統(tǒng)計、文獻調研等方法對指標體系的建立和權重的確定進行了優(yōu)化改進；并對地下水水源地污染風險性的評價結果進行了定量討論.

4.2 依據(jù)水源地污染風險評價指標體系，得出，水源地最易于污染物運移的路徑位于臨近Z河河谷的Q企業(yè)東部廠區(qū)，該區(qū)域同樣是最易受到外界污染物影響的區(qū)域，由此得出該區(qū)域為水源地污染風險最嚴重的區(qū)域.中風險區(qū)主要位于Q企業(yè)的西部廠區(qū)和化肥廠-電廠一帶，以及部分城區(qū).較低風險區(qū)主要分布在北部邊界以及西南部丘陵區(qū)，低風險區(qū)集中在西部丘陵區(qū).

［1］ 尹雅芳，劉德深，李 晶，等.我國地下水污染風險評價的研究進展 ［J］. 廣西輕工業(yè)， 2010，12:104-106.

［2］ 郝 華.我國城市地下水污染狀況與對策研究 ［J］. 水利發(fā)展研究， 2004，（3）:23-25.

［3］ 李 君，常 莉.我國城市地下水污染狀況與治理對策 ［J］. 開封大學學報， 2006，（4）:89-91.

［4］ Brian Morris， Stephen Foster. Assessment of groundwater pollution risk ［M/OL］. ［2006-05-06］. http://www.lnweb18. worldbank.org/essd/essd.nsf.

［5］ 邰托婭，王金生，王業(yè)耀，等.我國地下水污染風險評價方法研究進展 ［J］. 北京師范大學學報（自然科學版）， 2012，（6）:648-653.

［6］ 滕彥國，蘇 潔，翟遠征，等.地下水污染風險評價的迭置指數(shù)法研究綜述 ［J］. 地球科學進展， 2012，（10）:1140-1147.

［7］ Panagopoulos G P， Antonakos A K， Lambrakis N J. Optimization of the DRASTⅠC method for groundwater vulnerability assessment via the use of simple statistical methods and GⅠS ［J］. Hydrogeology Journal， 2006，14:894-911.

［8］ Goldscheider N， Klute M， Sturm S， et al. The PⅠ method- a GⅠS-based approach to mapping groundwater vulnerability with special consideration of karst aquifers ［J］. Environmental Geo，2000，46（3）:157-166.

［9］ Malik P. Svasta J. REKS-an alternative method of karst groundwater vnlnerability estimation ［C］. Bratialava: proceedings of the 29th Congress of the ⅠAH hydrogeology and Land Use Management， 1999:79-85.

［10］ Holting B， Haertle T， Hohberger K. H， et al. Konzept zur ermittlung der schutzfunktion der grundwasserüberdeckung ［J］. Geologisches Jahrbuch， 1995，C63:5-24.

［11］ Doerfliger N， Zwahlen F. Practical guide， groundwater vulnerability mapping in karstic regions （EPⅠK） ［R］. Bern: Swiss Agency for the Environment， Forests and Landscape （SAEFL），1998，56.

［12］ 于喜鵬，宋 綿，張文靜. 污染源半定量化的地下水有機污染風險評價——以城區(qū)典型排污河周邊地下水為例 ［J］. 中國環(huán)境科學， 2015，35（6）:1709-1718.

［13］ 付素蓉，王焰新，蔡鶴生，等.城市地下水污染敏感性分析 ［J］. 中國地質大學學報， 2000，25（5）:482-486.

［14］ 鄒勝章，張文慧，梁 彬，等.西南巖溶區(qū)表層巖溶帶水脆弱性評價指標體系的探討 ［J］. 地學前緣， 2005，12:152-158.

［15］ 張 強，蔣勇軍，林玉石，等.基于歐洲模型的巖溶地下水脆弱性風險性評價 ［J］. 人民長江， 2009，40（13）:51-54.

［16］ 張雪剛，毛媛媛，李致家，等.張集地區(qū)地下水易污性及污染風險評價 ［J］. 水文地質工程地質， 2009，（1）:51-55.

［17］ GB/14848-93 地下水質量標準 ［S］.

［18］ Zwahlen F. Vulnerability and risk mapping for the protection of carbonate （karst） aquifers， final report COST action 620 ［R］. European Commission， Directorate-General for Research，EUR20912. 2004，297.

［19］ Andreo B， Goldscheider N， Vadillo Ⅰ， et al. Karst groundwater protection: First application of a Pan-European approach to vulnerability， hazard and risk mapping in the Sierra de Líbar（Southern Spain） ［J］. Science of the Total Environment. 2006，357（1—3）:54-73.

［20］ Goldscheider N. The concept of groundwater vulnerability. Vulnerability and risk mapping for the protection of carbonate（karst） aquifers， final report COST Action 620 ［R］. European Commission， Directorate-General for Research， EUR20912，2004:5-9.

［21］ Daly D， Hotzl H， De Ketelaere D. Risk definition. Vulnerability and risk mapping for the protection of carbonate （karst） aquifers，final report COST action 620 ［R］. European Commission，Directorate-General for Research， EUR20912， 2004:106-107.

［22］ 梅 景，趙 清，駱文輝，等.基于PSR模式的江蘇省區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)能力評價 ［J］. 國土與自然資源研究， 2009，（2）:65-67.

［23］ 張志強，程國棟，徐中民.可持續(xù)發(fā)展評估指標"方法及應用研究［J］. 冰川凍土， 2002，24（4）:344-360.

［24］ 鄒程林.基于PSR框架的城市土地集約利用評價分析 ［D］. 重慶師范大學， 2011.

［25］ 楊 志，趙冬至，林元燒.基于PSR模型的河口生態(tài)安全評價指標體系研究 ［J］. 海洋環(huán)境科學， 2011，（1）:139-142.

［26］ Saaty T L. The analytic hierarchy process ［M］. McGraw-Hill Ⅰnc. 1980:17—34.

［27］ David Niemeijer， Rudolf S de Groot.A conceptual framework for selecting environmental indicator sets ［J］. Ecological Ⅰndicators，2008:14-25.

［28］ 吳小歡.AHP理論中關于判斷矩陣一致性問題研究 ［D］. 南寧:廣西大學， 2006.

［29］ Neshat A B. Pradhan， Dadras M. Groundwater vulnerability assessment using an improved DRASTⅠC method in GⅠS ［J］. Resources Conservation and Recycling， 2014，86:74-86.

Establishment of a groundwater pollution risk assessment index system and its application at a groundwater sources.

LIU Shu-yuan， WANG Hong-qi*（College of Water Sciences， Beijing Normal University， Beijing 100875， China）. China Environmental Science， 2016，36（10）：3166～3174

In this paper， the authors reviewed the physics process of groundwater pollution and the inter-constraint relationship between the groundwater resource and human activities. Base on the theory of the European model and pressure-state-response model， an assessment index system was established which takes consideration of the source，pathway and target. The established index system used for the assessment of groundwater pollution at a groundwater sources. The distribution maps of groundwater risk was derived and the results showed that the area with the highest risk lies in the east of the site and the area with high risk area is the Q petrochemical factory and its surrounding area.

groundwater；water sources；pollution risk assessment；index system

X703.5

A

1000-6923（2016）10-3166-09

劉姝媛（1984-），女，山西運城人，博士，主要從事地下水污染風險評價與防治研究.

2016-02-15

環(huán)保公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費重大項目（201009009）

* 責任作者， 教授， amba@bnu.edu.cn