地下水環(huán)境背景值的確定方法探討

劉 暢，甘圣斌

(1.廣東省環(huán)境科學(xué)研究院，廣東 廣州 510045；2.水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì) 長(zhǎng)江三峽水文水資源勘測(cè)局，湖北 宜昌 443000)

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地下水環(huán)境背景值的確定方法探討

劉 暢1，甘圣斌2

(1.廣東省環(huán)境科學(xué)研究院，廣東 廣州 510045；2.水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì) 長(zhǎng)江三峽水文水資源勘測(cè)局，湖北 宜昌 443000)

探討了地下水環(huán)境背景值的概念和特征，指出了環(huán)境背景值具有時(shí)空差異性，對(duì)比了國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的地下水環(huán)境背景值確定方法的優(yōu)缺點(diǎn)，列舉了數(shù)理統(tǒng)計(jì)法確定背景值的主要依據(jù)，最后提出了地下水環(huán)境背景值的確定方法以及在應(yīng)用中常見(jiàn)的問(wèn)題處理辦法。

地下水污染；地下水背景值；區(qū)域差異性；時(shí)間差異性；數(shù)理統(tǒng)計(jì)法

1　地下水環(huán)境背景值的概念

我國(guó)地下水環(huán)境背景值研究起步較晚，自20世紀(jì)80年代初在“長(zhǎng)江中下游重點(diǎn)地區(qū)地下水環(huán)境背景值調(diào)查”研究中首次提出至今[1]，其概念一直存在分歧，也出現(xiàn)了本底值、對(duì)照值等說(shuō)法，存在同一概念在不同文獻(xiàn)中代表不同含義，不同概念在不同出處表達(dá)同一內(nèi)容的現(xiàn)象[2～4]。地下水環(huán)境背景值是環(huán)境特征的定量反映，反映地下水中各要素隨自然環(huán)境的存在和發(fā)展而演化和發(fā)展的內(nèi)在過(guò)程及其特征。其概念的爭(zhēng)議主要在于它是否一定代表研究區(qū)完全沒(méi)有受到人類活動(dòng)影響的天然地下水水質(zhì)狀態(tài)，由于當(dāng)前不受人類活動(dòng)影響的天然環(huán)境已極少存在，因此現(xiàn)階段對(duì)地下水環(huán)境背景值的概念，較為認(rèn)可的闡述為：地下水環(huán)境背景值指研究區(qū)域內(nèi)相對(duì)清潔區(qū)(人類活動(dòng)影響相對(duì)較小的地區(qū))化學(xué)元素的含量及能量值，是確定區(qū)域地下水是否受到污染的主要參數(shù)[5]。

2　地下水環(huán)境背景值的時(shí)空差異性

由于地下水的形成、運(yùn)動(dòng)、演化與大氣降水、地表水有密切的聯(lián)系，是水與周圍介質(zhì)(大氣圈、生物圈、巖石圈)在長(zhǎng)期歷史進(jìn)程中相互作用的結(jié)果，隨其所處的環(huán)境不同，水化學(xué)成分各異，因此地下水環(huán)境背景值具有空間差異性和時(shí)間差異性?？臻g差異性主要表現(xiàn)為不同的環(huán)境單元具有不同的環(huán)境背景值，由于地下水的流動(dòng)性和含水介質(zhì)的非均質(zhì)性，同一單元內(nèi)部環(huán)境各要素也會(huì)表現(xiàn)出局部差異和漸變的特點(diǎn)，是一個(gè)范圍值。同時(shí)，受水文、氣象等影響，地下水的物理、化學(xué)要素隨時(shí)間有一定的變化，即具有時(shí)間差異性。

3　地下水環(huán)境背景值的確定方法

目前研究者們采用了不同的方法確定背景值，按初判調(diào)查對(duì)象地下水污染現(xiàn)狀可分為未污染區(qū)域確定方法和污染區(qū)域確定方法兩類。前者可采用平均值法或趨勢(shì)面分析法，后者多采用比擬法、剖面圖法、歷時(shí)曲線法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法等，各方法各具優(yōu)缺點(diǎn)。非污染區(qū)域調(diào)查計(jì)算方法簡(jiǎn)單，平均值法以樣本算術(shù)平均值加減標(biāo)準(zhǔn)差作為背景值，操作簡(jiǎn)易；趨勢(shì)面分析法根據(jù)系列樣品計(jì)算得到的結(jié)果能同時(shí)反映背景值時(shí)間差異性和空間差異性，但無(wú)法避免擬合過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。相對(duì)，污染區(qū)域調(diào)查計(jì)算方法則復(fù)雜一些，往往根據(jù)調(diào)查范圍、水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度、現(xiàn)階段研究程度、人員經(jīng)費(fèi)投入等因素采用不同技術(shù)[6]。對(duì)比比擬法無(wú)法體現(xiàn)空間差異性，剖面法布設(shè)剖面耗時(shí)，趨勢(shì)面分析法精度不高，歷時(shí)曲線法要求樣點(diǎn)代表性好的局限性，數(shù)理統(tǒng)計(jì)法可充分利用以往水質(zhì)資料，讓地下水背景值的空間差異得到充分詮釋，在實(shí)際應(yīng)用中得到了眾多學(xué)者的認(rèn)可，成為污染區(qū)應(yīng)用最多的方法之一，主要計(jì)算方法見(jiàn)表1。當(dāng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布時(shí)，背景值范圍以算數(shù)平均值為基準(zhǔn)；當(dāng)滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布時(shí)，背景值范圍以幾何平均值為基準(zhǔn)；當(dāng)既不屬于正態(tài)分布，也不屬于對(duì)數(shù)正態(tài)分布時(shí)，參考偏態(tài)分布確定背景值范圍。

表1　數(shù)理統(tǒng)計(jì)法確定背景值的方法

4　探討和建議

4.1概念的混淆

地下水環(huán)境背景值概念的爭(zhēng)議主要在于它是否一定代表研究區(qū)完全沒(méi)有受到人類活動(dòng)影響的天然地下水水質(zhì)狀態(tài)。由于廣意上的地下水污染是指：在人類活動(dòng)的影響下，地下水水質(zhì)變化朝著水質(zhì)惡化方向發(fā)展的現(xiàn)象，它是水質(zhì)的變化趨勢(shì)。因此，在地下水污染評(píng)價(jià)中背景值是代表天然狀態(tài)還是較清潔區(qū)水質(zhì)狀態(tài)，是以背景值、本底值或者其他方式表述就顯得沒(méi)有那么重要，而關(guān)鍵在于開(kāi)展研究的目的。當(dāng)從大時(shí)間尺度開(kāi)展區(qū)域地下水污染評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)考慮現(xiàn)狀水質(zhì)與研究區(qū)無(wú)人類影響狀態(tài)時(shí)水質(zhì)差異；當(dāng)從小時(shí)間尺度評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)考慮現(xiàn)狀水質(zhì)與研究區(qū)較清潔區(qū)水質(zhì)之間的區(qū)別；當(dāng)研究某污染源對(duì)地下水影響時(shí)，可直接考慮下游水質(zhì)現(xiàn)狀值與上游水質(zhì)現(xiàn)狀值之間的比較。

4.2取值范圍

地下水環(huán)境背景值具有空間差異性和時(shí)間差異性，反映了地下水中各要素隨自然環(huán)境的存在和發(fā)展而演化和發(fā)展的內(nèi)在過(guò)程及其特征，因此地下水環(huán)境背景值是一個(gè)區(qū)間范圍值，求解的過(guò)程應(yīng)當(dāng)充分考慮這一特性。例如，平均值法獲得的背景值是平均值加減一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，剖面圖法獲得的背景值是取兩條外包線所表示的組分含量范圍[7]；而僅采用平均值、眾數(shù)值等單獨(dú)的值代表背景值等類似方法是不準(zhǔn)確的。此外，環(huán)境背景值還與研究區(qū)測(cè)試水平等因素有關(guān)，例如由于測(cè)試方法與儀器檢出限不同，同一地區(qū)同一要素地下水環(huán)境背景值可能存在偏差。

4.3樣品點(diǎn)布設(shè)

采樣點(diǎn)布設(shè)的合理性與代表性是確保所求背景值是否真實(shí)可靠的關(guān)鍵。在布點(diǎn)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)充分考慮研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)水文地質(zhì)條件、地下水開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀、污染源分布變遷歷史等綜合因素，以確保趨勢(shì)面分析法選取的代表性系列樣品值能充分體現(xiàn)背景值的時(shí)空差異特性；變差曲線法取得的樣品點(diǎn)屬于同一環(huán)境地質(zhì)單元；歷時(shí)曲線樣品點(diǎn)充分反應(yīng)地下水中某物理化學(xué)要素隨時(shí)間的階躍性變化；另外，數(shù)理統(tǒng)計(jì)法獲得背景值，除樣品點(diǎn)數(shù)量要滿足數(shù)理統(tǒng)計(jì)要求外，還需體現(xiàn)地下水環(huán)境單元內(nèi)區(qū)域差異性，布點(diǎn)方法可采用環(huán)境單元法與網(wǎng)格法相結(jié)合的方法。

4.4采樣過(guò)程的規(guī)范

在地下水環(huán)境背景值的確定過(guò)程中往往偏重于方法的確定、采樣點(diǎn)的布設(shè)，忽略了采樣、實(shí)驗(yàn)室分析環(huán)節(jié)質(zhì)量控制的重要性，存在研究初期獲得數(shù)據(jù)本身出現(xiàn)誤差的現(xiàn)象。因此，要求嚴(yán)格規(guī)范采樣方案，選則有資質(zhì)的人員完成相關(guān)工作，已有井采樣，應(yīng)排除井管材質(zhì)對(duì)地下水水質(zhì)的干擾，規(guī)范洗井，根據(jù)不同測(cè)試項(xiàng)目確定取樣器，如潛水泵不適合采集地下水中揮發(fā)性有機(jī)物指標(biāo)，應(yīng)改用閉合定深取樣器或氣囊泵，此外需按要求制定現(xiàn)場(chǎng)平行樣、現(xiàn)場(chǎng)空白樣、實(shí)驗(yàn)室平行樣、實(shí)驗(yàn)室空白樣等，盡可能地降低采樣與分析環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤與誤差。

4.5數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)

無(wú)論用什么方法計(jì)算地下水環(huán)境背景值，都需要對(duì)其原始數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。在原始數(shù)據(jù)異常點(diǎn)的剔除過(guò)程中，除考慮采用散點(diǎn)圖法、平均值加標(biāo)準(zhǔn)差法、狄克松法(Dixon)、格魯布斯法(Grubbs)和t檢驗(yàn)法等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法外，還應(yīng)充分結(jié)合水文地球化學(xué)條件進(jìn)行數(shù)據(jù)的異常值處理，各組分符合所在水文地球化學(xué)場(chǎng)濃度分布規(guī)律，保證天然水體物流場(chǎng)化學(xué)背景。同時(shí)用各種方法獲得的背景值應(yīng)進(jìn)行時(shí)間和空間上的相互檢驗(yàn)，每一環(huán)境單元應(yīng)有一至幾個(gè)代表點(diǎn)進(jìn)行系列采樣或具備系列資料，當(dāng)相應(yīng)組分的歷史曲線分析與其他方法一致時(shí)，背景值才是可靠的。此外，多種數(shù)據(jù)的融合有助于更加合理地確定背景值。

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2016-06-26

劉暢(1986—)，女，助理工程師，碩士，主要從事地下水環(huán)境保護(hù)方向的研究工作。

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