王嘉瑜，蒲生彥，胡 玥，李博文

(1.地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室/成都理工大學，四川 成都 610059；2.國家環(huán)境保護水土污染協(xié)同控制與聯(lián)合修復重點實驗室/成都理工大學生態(tài)環(huán)境學院，四川 成都 610059)

我國社會生產生活用水近20%來自地下水[1-2]，約有70%的主要飲用水源為地下水，約40%的耕地使用地下水灌溉[3]。隨著社會經濟的快速發(fā)展，對地下水資源的需求日益增長，地下水污染問題日益嚴重。地下水污染具有隱蔽性和滯后性[4]，須從“先污染，后治理”向“預防為主，防治結合”轉變[5-6]。地下水污染風險預警就是將“預警”的原理運用在污染防治中，通過建立風險預警機制，辨識水資源開發(fā)利用過程中出現的非持續(xù)利用征兆的人類行為，分析地下水質量和系統(tǒng)逆化、退化和惡化的程度，預測其變化趨勢，并及時做出預警和應對措施[7-11]。

地下水污染風險預警的核心是預警等級和閾值的確定。風險預警等級及閾值確定時，既要劃分水體受影響的程度——警度，又要確定警情不同嚴重性的分界線——警限。為了使預警系統(tǒng)能夠全面準確預報、合理評估地下水水質現狀和變化趨勢[12-13]，在劃分預警等級和劃定閾值時應根據研究區(qū)實際情況，充分考慮地下水循環(huán)模式、供水對象分布、生態(tài)環(huán)境風險等因素，準確定量地劃定污染閾值[14-15]。閾值通常是指預警系統(tǒng)的界限值，當人類活動對地下水化學組分、物理性質和生物學特性產生的影響超過這個界限值時，可能會導致不同程度的污染[10-11]。

地下水風險預警等級及閾值劃定都處于探索階段，尚未形成完善的理論方法體系[16]。本文通過大量文獻調研，較系統(tǒng)地歸納和總結了地下水污染風險預警等級及閾值確定方法研究現狀，并評析了不同方法的優(yōu)缺點和適用條件，以期為地下水環(huán)境保護和風險預警管理提供參考。

1 相關標準法

相關標準法是以現有地下水國際標準、國家標準、區(qū)域標準以及典型行業(yè)排放標準中的指標及限值為依據，結合研究區(qū)生態(tài)環(huán)境風險、水文地質條件及污染源分布等因素，確定預警等級和閾值的方法[17-18]。國內常用標準有《地下水質量標準》、《生活飲用水衛(wèi)生標準》和《國家突發(fā)環(huán)境事件應急預案》等，國外常用標準有《飲用水水質準則》(WHO)、《歐盟水框架》(EWFD)。

國內外學者圍繞相關標準法開展了卓有成效的研究工作。董志穎等在研究吉林西部地下水水質預警體系時，根據研究區(qū)降水量遠小于蒸發(fā)量，潛水溶解性總固體、硬度較高的特點，參照當時國家地下水質量標準(GB/T 14848—93)，劃分預警等級劃定閾值[19-20]。呂曉立等以新疆塔城盆地為研究區(qū)，由于區(qū)內多為農牧區(qū)，地下水防污性能較差，受人類活動影響大，所以將地下水中“三氮”作為預警因子，以《地下水質量標準》(GB/T14848—2017)作為依據確定預警閾值[20-21]。Douagui等在對阿比讓第四系地下水大腸桿菌和硝酸鹽污染風險等級劃分研究中，結合當地地下水主要作為生活用水，且生活垃圾等滲瀝液處理不當的實際情況，根據世界衛(wèi)生組織基于人體健康影響而設定的第四版《飲用水水質準則》，劃定地下水中硝酸鹽污染預警閾值[22-23]。Mario等在對西班牙格拉納達地區(qū)的地下水污染進行研究時，為了保護水質不受農業(yè)污染源的污染，根據《歐盟水框架指令》(EWFD)中對地下水硝酸鹽含量的閾值設定，將研究區(qū)地下水水質進行了分級[24-25]。Bhutiani等以印度北部工業(yè)城市赫爾德瓦爾為研究區(qū)，將當地工業(yè)廢水中的重金屬元素作為預警因子，WHO《飲用水水質準則》為標準確定了警限與警度[23,26-27]?；谙嚓P標準法的地下水污染風險預警等級及閾值的代表性研究見表1。

由于相關標準制定時，以地下水形成背景為基礎，已經考慮了地下水使用功能、地下水的自凈能力和污染物性質等因素，因此相關標準法具有普適性、通用性、簡潔易行和標準明確的特點，適用于大空間尺度范圍的區(qū)域預警等級及閾值確定[6]。但是，地下水環(huán)境狀況是個動態(tài)的過程，水量、水質和可持續(xù)發(fā)展程度均受到社會、經濟、自然等諸多要素的相互作用，規(guī)范標準可能在一定程度上存在著滯后性。因此，在特殊地質條件或特殊行業(yè)存在的地區(qū)，該方法應用時會存在準確度較低、針對性不強的缺點。

表1 基于相關標準法、臨界值法和綜合評判法的預警等級及閾值劃定研究Table 1 Summary of the warning level threshold classification based on the established criteria, threshold setting and Comprehensive evaluation

續(xù)表

2 臨界值法

基于臨界值法的地下水污染風險預警等級及閾值劃定方法是在分析研究區(qū)地下水水質狀況、地下水污染風險，將設定預警因子不同污染等級的濃度臨界值與風險臨界值相耦合，或者將設定預警因子的濃度乘以不同的系數來確定閾值，并進行預警等級劃分[28]。對臨界值的確定有通過建立數學模型、基于污染物風險評估、結合污染物不同濃度對生物體的毒性反應調查等方法[29]。

基于臨界值法的研究較多，如洪梅等在地下水水質預警信息系統(tǒng)的研究中根據吉林省西部平原區(qū)10余年的觀測數據，以每5年為一個時段，以水質變化速率為預警指標，設定了5個臨界值作為閾值劃分趨勢預警等級[30]。鄭丙輝等在研究水污染事件污染物安全閾值時，考慮了污染物無不良反應濃度、暴露人群體重、日均飲水量等參數，針對氰化鈉、鎘、甲醛、氨氮、甲苯、硝基苯、微囊藻毒素-LR這7種特征污染物，給出了污染物暴露的安全閾值及計算公式[31]。趙娟等在研究吉林西部地區(qū)高砷地下水砷的閾值時，根據研究區(qū)砷中毒病情調查結果、地下水采樣分析的基礎上，發(fā)現在研究區(qū)范圍內，砷的質量濃度小于0.05 mg/L的地段未發(fā)現有砷中毒病情，當砷的質量濃度大于0.05 mg/L時有砷中毒發(fā)生，從而確定了研究區(qū)地下水中砷總質量濃度的安全閾值(0.05 mg/L)[32]。黨學亞等利用柴達木盆地的生態(tài)植被生長情況與地下水溶解性總固體含量(TDS)、水位埋深之間的關系，設定不同生長情況下的TDS與水位埋深數值為臨界值，劃分了柴達木盆地生態(tài)植被生長情況下的地下水閾值[34]。基于相關臨界值法的預警等級及閾值劃定代表性研究見表1。

基于臨界值法劃分等級確定污染預警等級及閾值，方法簡單明了、針對性強。但主要適用于特定事件分析，本方法的關鍵在于相關臨界值的合理設定。

3 綜合評判法

綜合評判法是將一些邊界不清，不易定量的因素利用數學方法轉化為相似系數、關聯(lián)度等，定量化或賦值后進行判定，或者將定性與定量分析相結合的多準則評判法。在地下水污染風險預警等級及閾值劃定的研究中，通常需要將一些定性的因素進行數學模型處理，或賦予權重，然后進行計算以劃定閾值[35]。

綜合評價法主要包括層次分析法、模糊綜合評價法、專家評價法等。張偉紅等在區(qū)域地下水污染預警研究中從地下水污染風險評價的“脆弱度”、“危險度”、“危害度”三個方面，構成地下水污染風險預警，確定2級警度為警戒線[5]。周超等以北京平原區(qū)為研究區(qū)，由于研究區(qū)較大，進行脆弱性評價時需要綜合考慮地下水位埋深、凈補給量、介質類型等多個指標，利用數值模型改進的DRASTIC法得出評價結果[36]。趙文榮等對南通市通州區(qū)建立了水污染事故預警系統(tǒng)，篩選預警指標，利用層次分析法計算各指標權重并分級閾值指標[37]。姚麗利等在渾河沖洪積扇飲用水水源地的研究應用中，綜合考慮研究區(qū)污染源荷載風險和污染危害性計算污染風險值，以地下水水質綜合質量標準的級別為水質現狀評價值，并賦予污染風險和水質現狀兩個定性因素相同的權重數值，計算了污染預警值[38]。Rosli等在研究Salak河水質狀況時，根據馬來西亞國家水質標準(NWQS)和水質指數(WQI)確定河流水質等級和劃分閾值[39]。ener等以貝伊-埃爾湖流域地下水潛力圖為研究對象，利用GIS和模糊層次分析法，評價了巖性、線形、排水密度、土地利用、坡度、土壤類型和降雨7個參數，確定各參數的評價系數和權重，并計算地下水潛力指數，采用分位數分類法確定地下水潛力等級[40]?；诰C合評判法的預警等級及閾值劃定代表性研究，見表1。

綜合評價法可以有效地吸收定性分析的結果，發(fā)揮定量分析的準確性，很好地解決了判斷的模糊性和不確定性問題。但是將定性和定量相結合的多準則評判方法方面的研究還需進一步探索和加強。

4 其他方法

在許多時候，由于研究區(qū)的條件比較復雜，帶有一定的自身特殊性，預警等級及閾值劃定中則需要采用上述方法的幾種或者結合研究區(qū)背景特點采用了其他方法，在分析研究地下水水質的基礎上進行了污染預警等級及閾值的確定。

比如，Ding和Arnold利用研究區(qū)豐富的硝酸鹽歷史水樣數據，以地下水中硝酸鹽濃度背景值為基準，研究影響井中硝酸鹽濃度變化，并結合世界衛(wèi)生組織基于人體健康影響設定的飲用水標準值作為閾值[41]。Lee等比較評估年的觀察值和評估年之前的歷史值，并以此為基準，結合參數和非參數的趨勢測試結果，劃定了水位和導電性不同數值下的等級[42]。RAN Al-Adamat等在評價約旦阿茲拉克盆地玄武巖含水層脆弱性時，由于缺少研究區(qū)的部分資料，故剔除了DRASTIC模型中的水力傳導系數(C)，劃分了中度與低脆弱區(qū)[43]。TK Boateng等在對埃塞蘇-朱巴市地下水質量評價時，利用美國環(huán)境保護局風險評估模型計算地下水中不同重金屬含量下人體健康風險值，確定了地下水中Cd，Fe，Cu，Pb，Zn，Mn含量的風險閾值[44-45]。饒志等在鄱陽湖平原研究地下水重金屬污染狀況時，利用美國環(huán)境保護署的健康風險評價模型，對研究區(qū)地下水中的目標污染物Cu、Pb、Cd、Cr、As、Hg六種重金屬元素進行健康風險評價[46]。這些方法在風險預警等級及閾值的劃定中考慮研究區(qū)特殊情況，結合了幾種方法，或運用了地下水風險評價模型，可有針對性地確定風險預警的等級和閾值。

5 不同方法的適用性

不同的預警等級及閾值確定方法在應用時各有優(yōu)劣。相關標準法適用于區(qū)域或者流域尺度下地下水污染風險預警等級及閾值的劃定，在宏觀的區(qū)域中該方法可以發(fā)揮其通用性，較其他方法具有簡單易行、可靠明確的優(yōu)點。但是在面對一些特殊水文地質環(huán)境時，該方法的靈活性和針對性較為欠缺。

相比于相關標準法，臨界值法具有較強的針對性和準確性，在預警因子的確定上有更大的選擇空間，運用起來更加靈活，適用于特定事件的分析。對于預警因子臨界值的設定，需要借助模型分析、風險評估等方法，因此臨界值法的運用比較依賴充足且準確的基礎資料，較適用于資料完善的研究區(qū)域。

與臨界值法相比，綜合評判法則對于定量數據信息的要求較少，通過數學分析處理多個變量之間的關系，能夠對定性因素做出較為貼近實際的量化評價，因此該方法多應用于一些變量較多或者不易定量因素存在的研究區(qū)。但是在實際運用時，綜合評判法的數學計算較為復雜，多個變量之間的權重確定存在著一定的主觀性。

6 結論與展望

隨著地下水資源需求的日益增長，污染風險預警體系的建設越來越受到重視，對風險預警等級及閾值的確定方法也提出了越來越高的要求。由于研究區(qū)水文地球化學、地質環(huán)境等條件的多樣性，預警等級和閾值的確定出現各種各樣的方法，不同方法的準確性和適用性參差不齊。為完善我國地下水污染風險預警等級和閾值的研究，進一步研究中需關注：

(1)需要借助多方法研究成果的交叉運用。例如在運用相關標準法時，可以通過分析研究區(qū)水文地質化學條件、區(qū)域屬性，在局部區(qū)域使用設定臨界值法、綜合評判法或其他方法，彌補相關標準中的不足，分層面確定警度和閾值。

(2)與系統(tǒng)分析理論、物理化學、統(tǒng)計學等學科研究成果交互應用。運用綜合評判法劃定閾值時可以結合熵權法等其他方法，降低人為因素對權重的影響等。加強與地下水污染相關的水文地質調查及監(jiān)測工作，不斷提高地下水污染調查研究深度，充分考慮水文地質基礎資料的完整性和實際預警過程中的不確定因素。

(3)綜合考慮不同因素的影響，提高預警的精度和準確度。影響地下水污染的因素有很多，包括污染源特征、包氣帶、含水層巖性及厚度、地下水動力學特征等。應充分綜合考慮地質條件、污染源、地下水價值、地下水動態(tài)等因素，并結合實時在線監(jiān)測技術、3S技術等手段，以提高預警的準確度。