地下水源地污染源危害性評價方法研究

金愛芳,張 旭,李廣賀 (清華大學環境學院,地下水與土壤環境研究所,北京 100084)

造成地下水污染的污染源復雜多變,如何對其潛在危害性進行評價與分級,這對于地下水污染的預防及污染源的有效監管具有重要意義[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雜,數據計算量大,評價污染源的類型單一,且主要集中在農藥類污染源[2-7].近年來,因需求數據量相對較小和易于快速應用推廣,指數模型備受關注.如基于污染物的半衰期和有機碳分配系數構建的GUS指數模型[8];基于土壤和農藥的性質建立的衰減因子模型[9];運用SCI-GROW 模型[10]和IPNOA 模型[11]分別進行了農藥和硝酸鹽對地下水的危害性評估.此外還有學者通過對農業和工業活動的危害性分級建立了地下水危害性指數[12].目前,運用多指標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,且多數研究集中在對不同類型污染源(如農業、工業污染源)及特定污染物的潛在危害性的評價,所建方法普適性較差,難以對研究區所有污染源的危害性進行整體評價.

從所建模型的參數來看,大多是把污染物性質參數與地質環境條件參數結合到一起考慮,如基于土壤和污染物的性質評價污染源對地下水的潛在污染[9,13].只考慮污染源,不考慮地質環境條件的研究甚少[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域,對地面環境的污染源進行了定量化分析.從污染源特性和污染物性質兩方面考慮,構建了由污染源的排放位置、污染發生可能性、影響面積、污染持續時間及污染物的毒性、遷移性、持久性、等標負荷或單位面積負荷等構成的污染源危害性評價參數體系,并基于GIS平臺,進行了污染源的危害性評價與分級,以期為后續的地下水污染的風險源識別及控制研究提供技術支撐.

1 評價因素解析

1.1 參數體系

污染源對地下水的危害,最終歸結為污染源排放的污染物穿過包氣帶,到達含水層,破壞地下水環境的過程.因此,污染源危害性評價,除考慮污染物的排放量外,還應考慮污染源所處的位置、污染持續時間及排放污染物種類等諸多因素.污染源的特性指標衡量的是污染源是否具有輸出污染物的潛力.污染源的防護措施完整,則污染發生的概率較低,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,污染物的性質是影響地下水水質狀況的關鍵因素.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,降解性越差,則到達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兩方面篩選多項參數,構建污染源危害性評價的參數體系.

遵循建立參數體系的4個原則:系統性原則、動態性原則、科學性原則、可操作性原則,選擇污染源特征參數(排放位置、污染發生可能性、污染的持續時間、影響面積)及污染物的參數(毒性、遷移性、持久性、等標負荷或單位面積負荷)構建污染源危害性評價的參數體系(表1).

1.2 參數的分級與權重的確定

由于各參數指標的量綱不同,并且指標間數量差異較大,致使指標間難以進行比較.為此需通過數學手段,將在調查中獲取的各種定量及定性的數據進行處理,將其轉化為無量綱或統一量綱的指標,以便以統一的尺度衡量污染強度的時空變化特征.此外,各參數指標對地下水環境的破壞程度不同,必須賦予不同的權重加以區別,從而達到對污染源的危害性進行準確評價的目的.

污染源危害性評價參數的衡量及其等級劃分具體見表 2.所有參數的等級范圍為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;遷移性依據有機碳-水分配系數 Koc進行劃定,Koc值越低,則污染物越不易被土壤或含水層介質吸附,遷移能力越強,等級越高;持久性依據污染物在土壤中的半衰期進行劃定,半衰期越長,污染物越不易降解,危害性越大,等級越高;針對點源和線源所排放污染物的等標負荷則依據測試濃度計算的等標負荷結果進行劃分,標準值參考《地表水環境質量標準》[16],標準中沒有的項目參考其他國家的相關標準,面源的污染物以單位面積負荷進行等級劃分,具體劃分標準依據實際情況而定.

污染物的排放位置依據污染源的存在形式進行劃分,地表污染源相對地下污染源而言,危害較小,等級較低;污染源發生可能性依據其防護措施進行分級,防護措施好,則污染地下水的可能小,等級較低;影響面積依據其影響范圍的大小進行分級,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的分級Table2 Parameters rating of pollution source hazard assessment

多指標綜合評價中各評價指標權重分配會直接導致評價對象優劣順序的改變.由于層次分析法可以根據實際問題合理確定各指標的權重值,因此本研究采用層次分析法確定指標的權重,指標量化的具體標準參考Saaty提出的9級標度法[17].

2 評價方法的構建

綜合考慮污染源的防護措施、所處位置,及所排放污染物的種類、性質(毒性、遷移性、持久性)等因素,認為應針對目標污染物構建多指標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,性質各異,為簡化評價過程,選取幾種有代表性的污染物為目標污染物.選取的原則主要為:優先選擇研究區的典型污染物;優先選擇遷移能力強、毒性大和降解能力差的污染物;優先選擇我國水體中優先控制污染物黑名單內的污染物.

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為污染源特性指數和污染物性質指數之和.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,并運用Equal Interval或Natural Breaks分級方法進行危害性等級劃分,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;n為目標污染物的個數;m 為目標污染物的參數個數;ri,j為目標污染物i參數j的分級值;wi,j為目標污染物i參數j的權重;q為污染源特征參數的個數;rk為污染源特征參數k的分級值;wk為污染源特征參數k的權重.

3 案例應用

研究區為某地下水源地,面積約140km2,南部為低山丘陵河谷地形,灰巖裸露區地表和地下巖溶發育,出現較大的溶蝕洼地.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、黏質砂土、砂卵礫石等.

研究區西北部坐落著石化公司,其周邊聚集了大批鄉鎮、區、市屬化工企業,對地區的水環境造成了巨大的壓力并產生了嚴重的污染.通過污染源一期調查,明確了研究區的點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調查,并對重點污染源進行樣品采集,測試結果表明,研究區有機污染比較嚴重,主要污染物為總油類、苯系物、氯代烴、多環芳烴類.

選擇苯、三氯甲烷、四氯化碳、萘、菲、苯并(a)芘作為主要目標污染物.由于污染物性質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,因此賦予較高的權重.由層次分析法計算評價參數毒性、遷移性、持久性、排放位置、等標負荷、影響面積、污染發生可能性、持續時間的權重值分別為0.2650、0.1325、0.1325、0.1100、0.1943、0.0957、0.0350、0.0350.

針對點源的危害性評價,其對地下水的影響范圍均設置為200m.線源危害性評價,根據其空間分布情況、溝河交匯情況將研究區的線源分為9段,各分段的污染負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置為50m,具體范圍根據研究區實際條件進行調整.

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劃分出4個類型區,每個類型區根據空間分布的差異進一步劃分出若干亞區,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,對每個區的土壤污染負荷進行了估算,并根據表 3對單位面積負荷進行了等級劃分.

表3 面源的負荷分級標準Table 3 The classification standard of diffused pollution load

由于面源污染沒有固定污染排放點,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,只考慮污染物性質方面的指標.為了使面源綜合指數取值范圍與點源及線源保持一致,對其權重進行重新計算,結果顯示,污染物毒性、遷移性、持久性及單位負荷的權重分別為0.42、0.08、0.08、0.42.

為了對研究區污染源的危害性有總體認識,基于GIS平臺,采用耦合模型將研究區的面源、點源及線源危害性評價指數進行疊加分析,并根據綜合指數將 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.綜合評價結果如圖1所示.

由圖1可以看出,研究區污染源危害程度低的區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)芘的污染負荷較高.危害程度高的區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,甚至個別污染物嚴重超標(如三氯甲烷的最大超標倍數達1358).這些區域的污染源對地下水的危害程度最大,應引起注意.可見,上述評價結果能夠客觀地反映出研究區環境對地下水潛在危害性狀況,評價方法有效可行.

圖1 研究區污染源危害性評價結果Fig.1 Hazard assessment of pollution sources in study area

4 結論

4.1 針對地下水源地,從污染源特性和污染物性質兩方面考慮,構建了由污染源的排放位置、污染發生可能性、影響面積、污染持續時間及污染物的毒性、遷移性、持久性、等標負荷或單位面積負荷 8項指標構成的污染源危害性評價參數體系,并采用層次分析法確定了各指標的權重.

4.2 基于GIS技術平臺,對污染源特性指標評價與污染物屬性指標評價采用數學手段-耦合模型進行污染源的綜合評價及分級.

4.3 運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行了定量化評價,結果表明,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,其余區域危害性較低.評價結果能夠真實客觀地反映研究區的實際情況.

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