鄭 尚，劉國東，王 亮，邱云翔，胡立春

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點實驗室，成都 610065；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065)

傍河水源地是指建立在常年性河流旁側(cè)，主要依靠河流入滲補給的地下水水源地。傍河水源地具有水量充足、水質(zhì)良好和便于集中開采等優(yōu)點，在水資源緊缺地區(qū)具有較大的開發(fā)潛力[1]。我國目前大約有300個傍河水源地[2]，可見傍河開采地下水已經(jīng)成為一種重要的地下水開發(fā)模式。但由于河流沿途可能接受到農(nóng)業(yè)、生活以及工業(yè)污染源的影響，河流在為地下水水源地提供充足水量的同時也成為了傍河水源地的污染源。該類水源地具有補給充足、水質(zhì)優(yōu)良和供水量穩(wěn)定等優(yōu)點[3]，因此難以在短時間內(nèi)被替代，而水源地一旦發(fā)生污染，將危及人們的健康，可能造成較大的社會影響。運用風(fēng)險理論進(jìn)行地下水污染風(fēng)險評價是一種有效的地下水環(huán)境管理手段，許多學(xué)者在地下水污染風(fēng)險方面進(jìn)行了研究。如李如忠[4]利用模糊集理論對城市水源健康風(fēng)險進(jìn)行評價，史良勝[5]等利用隨機配點法評價地下水污染風(fēng)險，但針對傍河水源地為對象的地下水污染風(fēng)險的研究很少。因此為了更好管理傍河水源地，研究傍河水源地地下水污染風(fēng)險評價方法十分必要。

1 傍河水源地地下水污染風(fēng)險評價概念模型

根據(jù)傍河區(qū)地下水的埋藏特點和風(fēng)險災(zāi)害理論，構(gòu)建傍河水源地地下水污染風(fēng)險評價概念模型，確定源地價值。概念模型綜合考慮了污染源、污染物傳播途徑及污染受體，同時考慮了水源地的自然屬性(傍河水源地地下水污染風(fēng)險主要受4個方面影響：河流危險性、地下水脆弱性、地下水水質(zhì)容量指數(shù)和水地下水脆弱性、水質(zhì)指標(biāo)環(huán)境容量)以及社會屬性(社會價值)，比僅考慮“脆弱性”及“污染物危害性”為基礎(chǔ)的風(fēng)險評價模型更為合理。概念模型結(jié)構(gòu)見圖1。

1.1 河流危險性H

由于傍河水源地主要受河流入滲補給這一特殊性質(zhì)，所以河流往往成為水源地地下水污染風(fēng)險的來源，上游接受的污染物可能隨著河流遷移至水源地附近，并通過下滲的河水污染水源地，可見河水水質(zhì)越差、河流與水源地聯(lián)系越密切，水源地存在的風(fēng)險越大，因此選擇地下水源地河流補給系數(shù)、上游工農(nóng)業(yè)發(fā)展程度、河流水質(zhì)現(xiàn)狀、河流年均流量及水源井與河流平均距離共5個因子作為河流危險性的評價依據(jù)。其中，地下水源地河流補給系數(shù)反映了河流對地下水的影響程度，用河流補給量占地下水開采量的比例表示，分配權(quán)重0.3；上游區(qū)工農(nóng)業(yè)發(fā)展程度反映河流受到污染的概率和污染物的毒性；河流水質(zhì)現(xiàn)狀、河流年均流量及水源井與河流平均距離3個因子反映河流承受污染事件的能力和水源地的響應(yīng)時間。指標(biāo)分級詳見表1。河流危險性H計算方式如下：

(1)

式中：αi為指標(biāo)i權(quán)重；hi為指標(biāo)i評分值；m為指標(biāo)因子個數(shù)。

層次分析法是目前應(yīng)用較為廣泛的權(quán)重確定方法，具系統(tǒng)性、簡潔性、實用性及靈活性等特點，具體步驟參見文獻(xiàn)[6]，因此本文采用層次分析法進(jìn)行河流危險性指標(biāo)的權(quán)重分配。

1.2 地下水脆弱性V

地下水脆弱性是指人類活動產(chǎn)生的污染物進(jìn)入地下水含水層，由于含水層自然保護(hù)能力的差異，一些地區(qū)比其他地區(qū)易遭受污染的特性[7]。地下水脆弱性的評價方法較多，如DRASTIC、GOD、PI和VULK等，其中DRASTIC方法應(yīng)用最為廣泛。但由于DRASTIC模型忽略了各指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性等問題，不能反映傍河水源地的防污特性，因此本文以DRASTIC模型為基礎(chǔ)進(jìn)行一定的修正，以用于傍河地下水水源地脆弱性評價。首先，傍河水源地主要接受河流入滲補給，所以可以忽略土壤介質(zhì)的影響；其次，由于傍河地下水水源地含水層孔隙度較大，連通性較好，水力傳導(dǎo)系數(shù)均較大，因此也可忽略其影響；最后，水源地以開采地下水為目的，而開采系數(shù)是表征在保證可持續(xù)開采的基礎(chǔ)上，地下水開采量占可開采量比例的指標(biāo)，因此需增加地下水開采系數(shù)指標(biāo)。綜上，構(gòu)建的DRATIG模型包含：地下水埋深D、含水層凈補給R、含水層巖性A、地形坡度T、包氣帶介質(zhì)I以及地下水開采系數(shù)G6項指標(biāo)，其中地下水埋深及地形坡度采用DRASTIC模型的分級指標(biāo)，其余指標(biāo)根據(jù)傍河水源地的特點進(jìn)行分級并賦值，詳見表2。地下水脆弱性V利用式(1)計算，各因子權(quán)重采用層次分析法計算。

圖1 傍河水源地地下水污染風(fēng)險評價模型Fig.1 Groundwater pollution risk assessment model in riverside water source

地下水源地河流補給系數(shù)/%上游工農(nóng)業(yè)發(fā)展程度河流水質(zhì)現(xiàn)狀河流年均流量/(m3·s-1)水源井與河流平均距離/m分值0～20農(nóng)業(yè)不發(fā)達(dá)、工業(yè)不發(fā)達(dá)Ⅰ>100>200120～40工業(yè)不發(fā)達(dá)、農(nóng)業(yè)較發(fā)達(dá)Ⅱ100～50100～200240～60工業(yè)較發(fā)達(dá)、農(nóng)業(yè)較發(fā)達(dá)Ⅲ50～2050～100360～80工業(yè)較發(fā)達(dá)、農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)Ⅳ20～520～50480～100工業(yè)發(fā)達(dá)Ⅴ5～00～205

1.3 地下水水質(zhì)容量指數(shù)C

水源地主要以供水為目的，因此主要以《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)所規(guī)定的各類指標(biāo)限值為標(biāo)準(zhǔn)，用每個監(jiān)測指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值與現(xiàn)狀值之差占標(biāo)準(zhǔn)值的比例作為各指標(biāo)的水質(zhì)容量指數(shù)qi[8,9]。指標(biāo)的水質(zhì)容量指數(shù)越大，表明在不影響地下水使用價值的條件下該指標(biāo)可接受的污染程度越大，計算方法見式(2)，當(dāng)某一指標(biāo)值超出標(biāo)準(zhǔn)值時，該指標(biāo)的容量指數(shù)取為0。將各指標(biāo)的容量指數(shù)綜合后得到地下水水質(zhì)容量指數(shù)C，計算方法見式(3)。

qi=(Cis-Cic)/Cis

(2)

(3)

式中：Cis為指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)值；Cic為指標(biāo)i的現(xiàn)狀監(jiān)測值；qi為指標(biāo)i的容量指數(shù)，當(dāng)待計算指標(biāo)為pH時，qi=min{|Cic-6.5|,|Cic-8.5|}；當(dāng)僅有一個監(jiān)測點時C′i=qi，當(dāng)有多個監(jiān)測點時，C′i為指標(biāo)i計算結(jié)果qi的最小值；C為地下水水質(zhì)容量指數(shù)，顯然，C的取值范圍在0到1之間，因此以0.2為間隔，將C劃分為5個等級，對應(yīng)的地下水水質(zhì)容量依次為低(0～0.2)、較低(0.2～0.4)、中(0.4～0.6)、較高(0.6～0.8)及高(0.8～1.0)，相應(yīng)分值依次為1、2、3、4、5。

1.4 水源地價值W

水源地的價值主要體現(xiàn)在供水人口和供水地區(qū)的人均GDP 2方面，供水人口越多，人均GDP越高，地下水污染所造成的后果越嚴(yán)重。將水源地的供水人數(shù)和供水地區(qū)人均GDP劃分5個等級，同樣采用式(1)進(jìn)行水源地價值計算。依據(jù)各指標(biāo)重要性進(jìn)行權(quán)重賦值，確定供水人口權(quán)重、供水地區(qū)人均GDP權(quán)重依次為0.7、0.3。地下水水源地價值分級及評分見表3。

1.5 地下水污染風(fēng)險指數(shù)R計算

由前所述，河流危險性和地下水脆弱性得分越高，水源地污染風(fēng)險越大；水源地價值評分值越高，水源地遭受污染后損失越大；相反，地下水水質(zhì)容量指數(shù)C越大，所能容納的污染物越多，地下水污染風(fēng)險越小。因此，傍河水源地地下水污染風(fēng)險指數(shù)R可用下式表達(dá)：

(4)

式中：H為河流危險性，H∈(1，5)；V為地下水脆弱性，V∈(1，10)；C為地下水水質(zhì)容量指數(shù)，C∈(1，5)；W為水源地價值，W∈(1，5)。

將風(fēng)險指數(shù)R分為5個等級，其風(fēng)險程度依次為低(0～0.5)、較低(0.5～1.3)、中(1.3～2.5)、較高(2.5～4.0)、高(4.0～6.3)。

2 實例分析

2.1 研究區(qū)概況

西窯水源地位于晉中榆次區(qū)，屬于瀟河河漫灘及1級階地，目前共有供水井18眼，日供水量約34 344 m3，其中潛水井11口，日開采量約21 822 m3，水源地傍河取水區(qū)水位埋深0.5～1.5 m，是典型的傍河取水水源地。瀟河發(fā)源于昔陽縣沾尚馬道嶺，全長130 km，其中水源地以上長80 km，流域面積2 700 km2，水源地上游主要流經(jīng)昔陽和壽陽，多年平均流量為4.03 m3/s，最大洪水流量為788 m3/s，最小流量為0.27 m3/s[9]。瀟河流域區(qū)內(nèi)普遍干旱缺水，多年平均降水量為483 mm，其中汛期降水量約占全年的70%。

2.2 西窯水源地地下水污染風(fēng)險評價

(1)河流危險性分析。西窯水源地上游段主河道村莊分布，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，無城市發(fā)展，其支流白馬河穿越壽陽縣，壽陽縣工業(yè)園位于白馬河?xùn)|側(cè)，最近距離小于1 km，極可能產(chǎn)生工業(yè)污染源；根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，瀟河主河道水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)；西窯水源地11口潛水井與河流平均距離為47.4 m；河流入滲補給量約14 630 m3，占水源地開采量的42.6%。利用公式層次分析法，地下水源地河流補給系數(shù)、上游工農(nóng)業(yè)發(fā)展程度、河流水質(zhì)現(xiàn)狀、河流年均流量及水源井與河流平均距離權(quán)重依次為0.35、0.17、0.15、0.06、0.27，利用式(1)進(jìn)行計算，得西窯水源地地下水危險性H=3.56。

(2)地下水脆弱性分析。依據(jù)構(gòu)建的地下水脆弱性DRATIG評價方法，結(jié)合西窯水源地實際情況，西窯水源地脆弱性V=8.074，具體特性見表4。

(3) 地下水水質(zhì)容量指數(shù)C計算。2015年6月，對西窯水源地井群中2口供水井取樣進(jìn)行水質(zhì)調(diào)查，結(jié)果顯示除揮發(fā)酚類(以苯酚計)與《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)中標(biāo)準(zhǔn)相等，其余指標(biāo)均未超出標(biāo)準(zhǔn)，地下水水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果見表5。利用式(2)和(3)計算，得地下水水質(zhì)容量指數(shù)C=2。

(4)水源地價值W分析。根據(jù)晉中市2014年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報，2014年晉中市人均GDP為31434元。西窯水源地是榆次區(qū)三大供地下水水源地之一，供水人口約8.5萬。利用式(1)計算得W=3.7。

(5)西窯水源地地下水污染風(fēng)險R。根據(jù)各項風(fēng)險指標(biāo)計算得到西窯水源地地下水污染風(fēng)險值R=2.05，因此該水源地地下水污染風(fēng)險程度“中”。

3 結(jié) 語

(1)根據(jù)傍河水源地特殊的地理位置與環(huán)境，建立傍河水源地地下水風(fēng)險評價概念模型，構(gòu)建以河流危險性、地下水脆弱性、地下水水質(zhì)容量指數(shù)及水源地價值為評價因子的傍河水源地地下水污染風(fēng)險評價體系，并確定了各因子的計算方法、權(quán)重及分值，定義了傍河水源地地下水污染風(fēng)險計算模型，具有一定的應(yīng)用價值。

表4 西窯水源地脆弱性計算Tab.4 Calculating table of vulnerability in Xiyao water resource

表5 地下水現(xiàn)狀監(jiān)測結(jié)果Tab.5 Result of groundwater quality monitoring

(2)以瀟河傍河區(qū)榆次西窯水源地為研究對象，利用構(gòu)建的評價體系進(jìn)行風(fēng)險評價結(jié)果表明地下水污染風(fēng)險程度為“中”。瀟河為山區(qū)河流，潛在污染源較少，且現(xiàn)狀水質(zhì)較好，水質(zhì)容量指標(biāo)較高，同時西窯水源松散巖類含水層下伏二馬營組砂巖含水層，地下水越流補給和側(cè)向補給強烈，因此西窯水源地地下水污染風(fēng)險等級為“中”符合實際情況。

(3)本文構(gòu)建的風(fēng)險模型能很好的確定傍河水源地地下水污染風(fēng)險等級，對于地下水水源地風(fēng)險等級不高的水源地，仍然需要考慮河流的極易受污染這一特性，針對可能的突發(fā)情況，如工業(yè)偷排、非正常工況或事故工況下污水泄漏等導(dǎo)致河流污染后進(jìn)一步導(dǎo)致水源地污染，使水源地失去飲用功能的情況，傍河水源地應(yīng)做好提前預(yù)警和定期水質(zhì)監(jiān)測，在上游發(fā)生突發(fā)環(huán)境事件的情況下，應(yīng)提前關(guān)閉水源地抽水井，才能更有效的防止水源地地下水污染。

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