傍河水源地地下水污染風險評價

鄭 尚，劉國東，王 亮，邱云翔，胡立春

(1.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，成都 610065；2.四川大學水利水電學院，成都 610065)

傍河水源地是指建立在常年性河流旁側，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、水質良好和便于集中開采等優點，在水資源緊缺地區具有較大的開發潛力[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成為一種重要的地下水開發模式。但由于河流沿途可能接受到農業、生活以及工業污染源的影響，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、水質優良和供水量穩定等優點[3]，因此難以在短時間內被替代，而水源地一旦發生污染，將危及人們的健康，可能造成較大的社會影響。運用風險理論進行地下水污染風險評價是一種有效的地下水環境管理手段，許多學者在地下水污染風險方面進行了研究。如李如忠[4]利用模糊集理論對城市水源健康風險進行評價，史良勝[5]等利用隨機配點法評價地下水污染風險，但針對傍河水源地為對象的地下水污染風險的研究很少。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險評價方法十分必要。

1 傍河水源地地下水污染風險評價概念模型

根據傍河區地下水的埋藏特點和風險災害理論，構建傍河水源地地下水污染風險評價概念模型，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、地下水水質容量指數和水地下水脆弱性、水質指標環境容量)以及社會屬性(社會價值)，比僅考慮“脆弱性”及“污染物危害性”為基礎的風險評價模型更為合理。概念模型結構見圖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，所以河流往往成為水源地地下水污染風險的來源，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，可見河水水質越差、河流與水源地聯系越密切，水源地存在的風險越大，因此選擇地下水源地河流補給系數、上游工農業發展程度、河流水質現狀、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。其中，地下水源地河流補給系數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，分配權重0.3；上游區工農業發展程度反映河流受到污染的概率和污染物的毒性；河流水質現狀、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時間。指標分級詳見表1。河流危險性H計算方式如下：

(1)

式中：αi為指標i權重；hi為指標i評分值；m為指標因子個數。

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

1.2 地下水脆弱性V

地下水脆弱性是指人類活動產生的污染物進入地下水含水層，由于含水層自然保護能力的差異，一些地區比其他地區易遭受污染的特性[7]。地下水脆弱性的評價方法較多，如DRASTIC、GOD、PI和VULK等，其中DRASTIC方法應用最為廣泛。但由于DRASTIC模型忽略了各指標之間的關聯性等問題，不能反映傍河水源地的防污特性，因此本文以DRASTIC模型為基礎進行一定的修正，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，水力傳導系數均較大，因此也可忽略其影響；最后，水源地以開采地下水為目的，而開采系數是表征在保證可持續開采的基礎上，地下水開采量占可開采量比例的指標，因此需增加地下水開采系數指標。綜上，構建的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I以及地下水開采系數G6項指標，其中地下水埋深及地形坡度采用DRASTIC模型的分級指標，其余指標根據傍河水源地的特點進行分級并賦值，詳見表2。地下水脆弱性V利用式(1)計算，各因子權重采用層次分析法計算。

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

地下水源地河流補給系數/%上游工農業發展程度河流水質現狀河流年均流量/(m3·s-1)水源井與河流平均距離/m分值0～20農業不發達、工業不發達Ⅰ>100>200120～40工業不發達、農業較發達Ⅱ100～50100～200240～60工業較發達、農業較發達Ⅲ50～2050～100360～80工業較發達、農業發達Ⅳ20～520～50480～100工業發達Ⅴ5～00～205

1.3 地下水水質容量指數C

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

qi=(Cis-Cic)/Cis

(2)

(3)

式中：Cis為指標i的標準值；Cic為指標i的現狀監測值；qi為指標i的容量指數，當待計算指標為pH時，qi=min{|Cic-6.5|,|Cic-8.5|}；當僅有一個監測點時C′i=qi，當有多個監測點時，C′i為指標i計算結果qi的最小值；C為地下水水質容量指數，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，對應的地下水水質容量依次為低(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在供水人口和供水地區的人均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重。將水源地的供水人數和供水地區人均GDP劃分5個等級，同樣采用式(1)進行水源地價值計算。依據各指標重要性進行權重賦值，確定供水人口權重、供水地區人均GDP權重依次為0.7、0.3。地下水水源地價值分級及評分見表3。

1.5 地下水污染風險指數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，地下水水質容量指數C越大，所能容納的污染物越多，地下水污染風險越小。因此，傍河水源地地下水污染風險指數R可用下式表達：

(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為地下水水質容量指數，C∈(1，5)；W為水源地價值，W∈(1，5)。

將風險指數R分為5個等級，其風險程度依次為低(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 研究區概況

西窯水源地位于晉中榆次區，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，水源地傍河取水區水位埋深0.5～1.5 m，是典型的傍河取水水源地。瀟河發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]。瀟河流域區內普遍干旱缺水，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，農業發達，無城市發展，其支流白馬河穿越壽陽縣，壽陽縣工業園位于白馬河東側，最近距離小于1 km，極可能產生工業污染源；根據水質監測結果，瀟河主河道水質達到Ⅲ類水標準；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、上游工農業發展程度、河流水質現狀、河流年均流量及水源井與河流平均距離權重依次為0.35、0.17、0.15、0.06、0.27，利用式(1)進行計算，得西窯水源地地下水危險性H=3.56。

(2)地下水脆弱性分析。依據構建的地下水脆弱性DRATIG評價方法，結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) 地下水水質容量指數C計算。2015年6月，對西窯水源地井群中2口供水井取樣進行水質調查，結果顯示除揮發酚類(以苯酚計)與《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)中標準相等，其余指標均未超出標準，地下水水質監測結果見表5。利用式(2)和(3)計算，得地下水水質容量指數C=2。

(4)水源地價值W分析。根據晉中市2014年國民經濟和社會發展統計公報，2014年晉中市人均GDP為31434元。西窯水源地是榆次區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險R。根據各項風險指標計算得到西窯水源地地下水污染風險值R=2.05，因此該水源地地下水污染風險程度“中”。

3 結 語

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

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

表5 地下水現狀監測結果Tab.5 Result of groundwater quality monitoring

(2)以瀟河傍河區榆次西窯水源地為研究對象，利用構建的評價體系進行風險評價結果表明地下水污染風險程度為“中”。瀟河為山區河流，潛在污染源較少，且現狀水質較好，水質容量指標較高，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向補給強烈，因此西窯水源地地下水污染風險等級為“中”符合實際情況。

(3)本文構建的風險模型能很好的確定傍河水源地地下水污染風險等級，對于地下水水源地風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，針對可能的突發情況，如工業偷排、非正常工況或事故工況下污水泄漏等導致河流污染后進一步導致水源地污染，使水源地失去飲用功能的情況，傍河水源地應做好提前預警和定期水質監測，在上游發生突發環境事件的情況下，應提前關閉水源地抽水井，才能更有效的防止水源地地下水污染。

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[1] 韓再生.傍河地下水水源地的若干問題[J].工程勘察, 1996,(4):24-26.

[2] 劉佩貴,束龍倉.傍河水源地地下水水流數值模擬的不確定性[J].吉林大學學報(地球科學版), 2008,38(4):639-643.

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[4] 李如忠.基于不確定信息的城市水源水環境健康風險評價[J].水利學報,2007,38(8):895-900.

[5] 史良勝,唐云卿,楊金忠.基于隨機配點法的地下水污染風險評價[J].水科學進展, 2012,23(4): 529-538.

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[8] 李小牛,周長松,周孝德,等.污灌區淺層地下水污染風險評價研究[J].水利學報, 2008,45(3):326-342.

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