撒哈拉以南非洲地區鉆孔水質保護——最小安全距離保護和分區保護

［南非］ Y.拉吉庫馬爾 等

1 概述

在非洲，地下水在改善貧困人口生活窘境和提高生活水平方面提供了寶貴的機遇。然而，地下水復雜的不可見環境又給其管理和保護提出了嚴峻的挑戰。

在非洲撒哈拉以南的很多地區，由不安全飲用水(微生物角度來看)和不健全的公共衛生體系所造成的病毒感染爆發幾乎每天都在發生。一些發展中國家的疾病感染率很高，特別是經濟欠發達國家和地區最容易受到疾病侵襲。2000年世界衛生組織估計，在發展中國家，每年會發生約40億例腹瀉，均與無法獲得安全飲用水有關。與水有關的疾病死亡率很高，年死亡人數超過220萬。到2020年，預計每年將會有1.35億人死于與水有關的疾病。即使“千年發展計劃”目標得以實現，到2020年，可能仍會有7600萬人死于與水有關的疾病。這一估計十分令人擔憂，為了人類生活的幸福安康，迫切需要采取更主動的措施來管理和保護地下水資源。

雖然要從根本上全面保護撒哈拉以南非洲地區的地下水資源并不現實，但是，基于含水層的分類，對不同含水層系統進行有差異的保護，不失為一種可行的使地下水資源水質得到充分保護的方法。不同的含水層，由于其獨特的社會、經濟和環境重要程度不同，需要得到不同程度的保護。因此，從在水源附近提供最小的安全距離保護到建立一個更復雜的分區機制，保護程度可能出現較大差異。

源頭的分區保護主要是控制土地的使用，以此來防治或控制地下水資源污染。這一方法考慮了輸移時間和到供水鉆孔最小安全距離的概念，保證污染物有足夠的水平輸移時間，以確保其被生物化學降解或稀釋。在某些情況下，次表層的衰減或清除性能可以通過自然物理、化學或生物過程，減少或完全去除這些污染物。然而，為了保護水質，保護區的劃定還應將鉆孔適當布置與水泵合理安裝結合起來。

在一些發達國家，在鉆井或鉆孔周圍劃定保護區的做法被廣泛采用，但是這種方法在南部非洲很難適用，特別是在其他區域性經濟區。考慮到非洲社會經濟基礎設施的發展狀況，本文認為，在非洲，設立最小距離(或稱安全距離)可以作為防止鉆孔水受到污染的第1道防線。然而，在某些可行的區域，仍然應該貫徹執行分區保護的理念。

2 含水層差異化保護概念

2.1 基本保護機制

相對于非生物降解，輸移時間和最小安全距離的概念對于生物降解污染物更加適用。最小安全距離就是隔離水資源與潛在污染源的安全水平距離。這一距離保證污染物有足夠的水平輸移時間，確保其被物理生物化學降解。針對南非的具體情況，提出細菌和病毒所需要的輸移時間為30 d，最小距離從15 m到50 m不等(取決于含水層條件)。距離是通過改進達西定律計算所得。

2.2 更高級別保護規劃

2.2.1 風險評價框架

地下水污染的風險由以下兩個因素決定:含水層受到污染的脆弱性和遭受污染的荷載量。分區保護的目的就是要降低污染荷載量。一般來說，從農村、城市和城市附近的環境到工業化環境(進行采礦等工業活動)，荷載量會由于地區發展程度的不同而不同。含水層受到污染的脆弱性表征的是含水層受到污染荷載負面影響的敏感性。脆弱性部分地取決于棄污點和地下水水位之間污染物的衰減程度，同時部分地取決于水體及其伴隨的污染物質穿越含水層，包括非飽和區和飽和區的速率。含水層介質本身的特性對于評價脆弱性十分關鍵。基于以上兩個因素，風險類型可以通過圖1所示的框架來評估。

圖1 地下水風險評估框架

2.2.2 含水層分類

撒哈拉以南非洲大部分區域的含水層從性質上講是次生的。當對其采用差異化保護時，為了對不同含水層進行不同程度的保護，需要建立一個更加精細的分級體系進行劃分。南非喬利等學者1993年在研究中提出了一種分級系統，給出了3個基本的劃分原則來評估含水層的重要性，它們是:地下水水質、產水量和含水層用途。地下水水質和產水量是最主要的評估因素，含水層目前或將來的用途可用來提升和降低含水層的重要性。

帕森等學者后來對這一方法進行了修正(1998年)，針對南非含水層的劃分，提出了下面的分級系統，如表1所示。

表1 改進后的含水層分級

利用表1的含水層劃分和脆弱性等級，帕森等還針對不同類型的含水層，給出了其受污染的敏感性等級。

2.2.3 立法框架

地下水保護的立法框架是，從國家層面環境立法的正式頒布，到政策制定、公眾參與、用地規劃與管理、污染控制途徑的制定等，最后直到地方層面的執行。

南非很可能是撒哈拉以南非洲地區在這一方面最為積極的國家之一。其立法框架源于《憲法》，《憲法》第24條規定:任何對國家自然資源的開發和利用都必須具有環境上的可持續性。《國家水法》(NWA)對國家水資源的保護和可持續利用做出了更進一步的規定。任何許可發放之前，都必須進行初步考評。考評內容包括人文和生態保護區、國際責任、未來需求和現有用戶。以資源為導向的保護措施(RDM)和以地下水資源為導向的保護措施(GRDM)是根據NWA第3章建立起來的工具之一。GRDM包括水資源的分級、建立保護區和設置資源質量目標(NWA，1998年)。所提出的最小安全距離和分區保護措施，就可以很好地納入這一框架中，以保證在GRDM的框架下實現保護資源質量的目標。

GRDM主要是在流域層面管理水資源的利用，國家水資源戰略(NWRS)則從國家層面從戰略高度指導水資源管理，提供長期規劃來應對南非干旱缺水的挑戰。NWRS包括一系列地下水資源水質管理的方法和措施，這些政策和對策闡述了管理地下水資源水質的可行方法。國家地下水戰略(2008年)更進一步闡釋了這方面的內容，尤其是將分區保護作為保護地下水的一種可選方案。

即使所有的環境立法和相關政策都到位，仍然存在各種挑戰，包括地下水資源利用的授權、保護和管理。地下水的“隱蔽”特性，使得當有人在未經授權使用甚至污染地下水的時候，很難被察覺到。在確定地下水保護級別和含水層可持續利用時，地下水監測并非總是有效，特別是并非所有使用者都合法登記或嚴格遵守許可要求。所以，執行這些法律法規，是撒哈拉以南非洲地區國家所要應對的挑戰之一。

2.3 保護分區

這一策略包括劃定水資源附近的區域，以便進行差異化的保護(見圖2)。從外部保護區到井口作業區，土地使用的限制越來越嚴格。通過在重要水源地形成保護區，可以控制土地使用給地下水資源帶來的負面影響。在事先確定的條件下，某些土地使用開發活動可以獲準進行，然而其開發強度受到限制，且將要進行開發使用的土地位置具體標示出來。

圖2 水資源附近保護區示意

井口作業區是首要保護區域，這可以給鉆孔周圍區域提供保護。可以根據最小安全距離的概念確定保護距離。水力坡降和流向決定了保護區的形狀和大小。在南非，根據含水層地質特性的差異，最小距離在15 m到50 m不等。在理想狀況下，除了提取水樣、巖樣等活動之外，不允許任何其他人為活動。對這一區域，需要執行嚴格控制以防止污染物進入水源地。內部保護區的確定是基于微生物污染物在地表下層水平輸移所需的時間。非飽和區的自然消解過程可以過濾掉地表下層的微生物病原體。污染物輸移時間取決于其生命周期，一般在10 d到400 d之間不等。從經濟和安全方面考慮，50 d的輸移時間是合理的。外部保護區是對水資源進行含水層層面的保護。應長期對含水層回灌區進行保護，以防止水質受到污染物污染。這些污染物很難被降解，而且會長期存在于次表層環境中。喬利等學者于1993年提出，南非的污染物輸移時間為500 d。但是，可以根據含水層的保護需要和其脆弱性，對這一時間進行適當調整。

3 發達國家和發展中國家情況對比

在一項由聯合國環境規劃署-聯合國教科文組織(UNEP-UNESO)牽頭的項目中，共有11個非洲國家參與評估了其主要含水供水層的污染脆弱性，確定了多個導致非洲含水層面臨越來越大壓力的因素。這些因素包括:

(1)農村人口為追求更高生活水平大量向城市遷移，導致城市人口快速增長，而城市基礎設施建設設計并未考慮容納如此大量人口。

(2)對污染排放設施地點和就地衛生處理選址無章可循，微生物污染是水資源面臨的首要威脅。

(3)不合理的鉆孔和鉆井建設也給含水層帶來污染，在很多情況下，并沒有采取保護措施來防止被污染的地表水流入井中。

(4)人口密度和社會經濟格局也被認為是造成污染的因素。低收入居民聚居區面臨大量大腸桿菌的侵襲。

(5)其實，最大威脅在于缺乏管理和保護策略與框架來減少和防止將來的污染。

近年來，出現了一種發展中國家全套照搬經濟較發達國家保護管理措施的傾向。盡管這種主動應對的意識值得鼓勵，但一些專家也提醒，不要將發達國家的措施直接移植到發展中國家并加以實施。

非洲國家缺乏明晰的法律制度框架。同時，大多數非洲國家都沒有專門的監測網絡，不能提供數據來量化地下水受到影響的程度。即使那些具有專門監測網絡的國家，也很少把微生物污染作為一項標準監測內容進行常規分析。同時，即便監測網絡存在，這些網絡也是維護不足，缺乏資金，而且缺乏監測重點。

數據的收集和管理十分關鍵，其構成了對任何資源實施更高級別保護和管理的基礎。撒哈拉以南非洲地區很多國家都缺乏足夠的數據，這就解釋了它們當中幾乎沒有哪個國家建立了適合自身狀況的水質方針，更談不上實施進一步的保護措施。相對于監測項目或執行水質標準，這些發展中國家優先考慮的是提供各種資源利用方面的服務，導致缺乏連續可靠的數據來量化地下水資源被微生物污染的程度，因此也阻礙了對這些資源的有效管理。

發展中國家與水有關的疾病發生率很高，這說明地下水資源已經在某種程度上被微生物污染。《人類發展報告》顯示，在發展中國家，每年報告有50億例兒童腹瀉。該報告還估計，每年有180萬兒童死于不清潔水帶來的各種疾病。在一項針對2001年某些南部非洲國家由霍亂爆發而引起的死亡率的研究中，馬拉維、津巴布韋、斯威士蘭、津巴布韋和莫桑比克報告的死亡率超過20%～50%。這些驚人的數據表明，很多非洲國家迫切需要一定程度的水資源保護，即使只是最基礎的保護，例如最小安全距離和重視鉆井工程施工方法，都可以給資源提供一定程度的及時保護。盡管眾多法規政策框架并不到位，但是即使是十分簡單的保護也好過完全沒有任何保護。

保護策略首先需要對土地使用活動進行限制，尤其是那些對資源產生損害的土地開發活動。然而，為了評估哪些水資源需要保護以及需要何種程度的保護，這些國家需要像前文提到的那樣進行分級。

4 南非水資源分區保護

4.1 情景評估

南非采用差異化方法保護地下水資源，包括3個層次:第1層為基礎保護標準，提供一些指南，例如公共廁所的選址等，以減少點源污染在全國范圍內的影響;第2層為通過分級、繪圖和教育等方法，有計劃地對資源實施保護，在區域范圍內對點源和分散污染源進行控制;第3層也就是最后一層是資源保護分區，第3層是對地下水資源進行更高級別的保護，這也被認為是長期的目標。為了實施分區，需要一些具體的信息，包括土地使用現狀、水文地質特征和地下水源。

在建立和采用政策法規來保護地下水資源，特別是分區保護方面，在撒哈拉以南非洲地區的各個國家中，南非都處于領先地位。南非政府意識到，只有在地方、地區和國家范圍內對資源進行有效管理，才能保證可持續的地下水資源。在編制“水務部2010國家地下水戰略”中，將保護分區策略作為可采用的可持續地下水資源管理的方案之一。該文件同時指出，盡管分區保護策略并未在南非廣泛應用，但強調這一策略在經濟和環境方面都十分重要。

2005年，國家水務部啟動了引進這一策略的可行性研究項目。在完成保護立法和對全國含水層進行分類的基礎工作后，南非正準備實施差異化的分區保護策略。目前該項目處于可行性研究階段。

4.2 實施

針對分區保護的可行性研究確定了一些具體的實施步驟，包括技術性很強的措施、各種社會問題的處理，以及區域劃分之后的監測和評估。具體如下:

(1)利益相關各方的參與和公共意識;

(2)含水層特征描述;

(3)分區描述;

(4)數據管理;

(5)區域劃分之后的監測與評估。

盡管南非政府已經意識到這一政策的重要性，這項工程至今仍處于可行性研究階段。

4.3 阻礙因素

南非研究了實施分區的策略，針對4.2所述的各項影響因素的處理如下:

(1)社會經濟影響。對水資源周圍活動進行限制，并進行社會經濟影響評估。在劃分保護區時，需要在資源保護和社會經濟發展之間尋求平衡。如果對大量的土地開發加以限制，很可能會導致相關社區民眾的抵制，因為對土地收入損失的擔心會取代對獲取安全水源重要性的關注。對由分區保護而產生的農業生產損失，可以采取貨幣形式進行補償，從而消除抵制。

(2)利益相關者的通力協作。在實施這一策略之前，公眾的廣泛參與和相關教育培訓活動十分重要。利益相關者的支持對于分區策略的實施十分關鍵，因為實施分區實際上限制了將來的土地使用，并且需要目前的土地使用者/所有者承擔大量的責任。

(3)技術能力的不足。非洲大陸對當地缺乏足夠的了解，技術知識不足，且并未完全認清污染物在破碎巖石含水層的輸移活動，這些都對地下水保護分區策略的實施產生阻礙。在撒哈拉以南非洲地區進行能力建設，培養技術熟練的地下水專業人士十分必要。

(4)數據缺乏。撒哈拉以南非洲地區地下水方面的相關數據嚴重缺乏，而這些數據和實施風險評估、脆弱性地區的圖繪以及區域劃分關系密切。

(5)地下水開發范圍。許多對于社會生活十分重要的含水層一般都是低產量的單井，而不是高產量的井田。而正是這些農村地區的低產量單井同時又是重要的社會生活資源供給單位，因此需要更高級別的保護。而這需要耗費更多的時間，且實施難度更大。

(6)法律框架發展的水平。總的來說，在非洲撒哈拉以南大部分國家里，沒有相關的法律法規來促進這一策略的實施。雖然南非已經進入了政策制定階段，他們仍然對實施這些法律的底線存在爭議。這也可能是人員配備不足，技術力量匱乏、制度框架不健全以及資金缺乏的后果。NWA引入了很多發達國家的立法，然而，要加強本國的法律法規可能仍然十分困難，因為南非還屬于發展中國家。在南非，盡管相關立法已經到位，但實施地下水資源保護的政策總體上滯后于立法框架。

(7)缺乏部門整合。另一個嚴重阻礙因素是整個非洲大陸水資源管理，包括地下水管理部門之間缺乏一體化。這種現象十分明顯，盡管提出了一些倡議，如建立流域組織、湖泊組織等等。隨著非洲水資源部長會議(AMCOW)下屬的非洲地下水委員會的建立，這一狀況將會得到改善，使地下水成為保證非洲廣大農村地區用水安全的基礎。

5 取得的進展

為了提供可靠、清潔、安全的水資源，非洲地下水從業者需要解決如下幾個問題。

首先，地下水開發者應該保證地下水資源有合適的清潔密封和井口保護機制，并將井眼布置在點源污染的水力坡度之上。應該勘查深層含水層，建設質量好的鉆井(套管長度適中并且清潔密封)。從UNEP-UNESCO牽頭的項目可以看出，較容易開發的淺層含水層已經受到污染，需要通過勘查找出替代資源。

在非洲的大部分國家，對地下水狀況的認識十分有限。需要進行全面的勘查和水利普查，得出各種現有設施(地下水使用、打井、污染問題、水資源潛力)的基礎技術數據，以確定含水層污染脆弱性和次表層污染荷載。在進行這些評估期間，可以優先開展和啟動保護措施。

很多國家都有必要更加關注地下水監測項目，獲取定性和定量數據，特別是開展微生物的定性監測。這將有助于獲得更為清晰的水資源狀況的認識，幫助保護措施的規劃。

因此，需要針對那些對社會生活重要而且產量高的井田，制定適宜的管理計劃。一個管理規范的常規系統可以幫助及時發現問題，以避免情況進一步惡化。

目前，非洲大陸巖土工程技術力量嚴重不足，這一問題也急需解決。就污染輸移的研究來看，非洲的硬巖含水層十分復雜。為了充分了解地下水和污染物在雙孔隙系統中的輸移，需要通過復雜的設計與合理的試驗進行研究。這一研究花費很大且需要技術過硬的人員進行操作。

由UNEP-UNESCO牽頭的項目結果表明，分區保護對土地使用的限制，其合理性可以從技術方面得到論證，但也要求精確劃分出高含量微生物污染源的區域。研究同時指出，需要對土地使用規劃和巖土工程繪圖進行整合，以便在城市日益擴張的情況下減小污染，更好地保護地下水資源。

最后，也是最高級層面上的，在水資源周圍實施土地使用限制必須與公眾參與計劃相結合，從而增強當地社區水質意識。同時還需要考慮對社區的社會經濟、環境、健康和服務提供等的影響。

6 結語

很顯然，由于人口快速增長，農業集約化程度提高和土地使用活動改變，淺層地下水正面臨著很大的污染風險。

分區保護可以提供技術上講更為精確、置信水平更高、污染物防范范圍更廣的保護，但是，從撒哈拉以南非洲地區當前的社會、經濟和制度現狀來看，分區保護可能并不是當前尋求和實施地下水保護的最可行方案。最小安全距離的理念仍然是現如今最可行的方法，可以為緊鄰地下水源的區域建設立第1道防線。當然，實施這種策略不應該停止建立更高級別的保護策略，如分區保護，以便于遠期實施和取得長遠效益。

聯合國相關部門和其他機構進行的研究對了解非洲地下水資源狀況很有益，并有助于確定含水層差異化保護策略，包括分區保護策略等。盡管如此，必須高度重視撒哈拉以南非洲地區地下水管理中存在的差距，并在不遠的將來予以研究處理。只有這些問題都得到妥善解決，地下水資源管理的目標才能得以實現，包括成功實施地下水的差異化管理。