地下水環境影響及評價方法

夏杰塬　姜北

摘 要：地下水水質評估是地下水資源評估的重要組成部分。一般來說可歸納為內梅羅水污染指數法、人工神經網絡、模糊評價法、單因子污染指數法、灰色評價法、物元分析法等。這些評估方法各具特色，也有各自的適用范圍和局限性。

關鍵詞：地下水;水質評價;方法

中圖分類號：S273.4

文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190715028

1 地下水概述

1.1 地下水在建設中的意義

儲存在巖石和土壤空隙中的水稱為地下水。由于巖層的過濾和地表巖土的保護作用，地下水在水質和衛生條件方面都較地表水優越，因此地下水是工農生產和人民日常生活的重要供水水源。尤其是華北、西北相對干旱的地區，地表水相對稀缺，地下水的開發利用就頗為重要。此外，地下水是一種天然的礦產資源;地下礦水還具有醫療價值，地下熱水也是一項重要能源，觀測地下水還可以預報地震，分析地下水還可作為找礦的標志。因此，地下水在發展國民經濟發展中的地位非常重要。但地下水同時又具有潛蝕作用，是造成巖溶、塌陷、管涌、滑坡等特殊地貌或災害的主要營力，也會危及地下工程和建筑物的安全。因此在開發利用地下水時不能不對其有害因素予以密切關注和了解，進行有效的防治，還要防止地下水的污染。研究地下水的目的是為了合理開發和利用地下水資源，防止污染和破壞。如果地下水被污染和破壞就很難治理和恢復，有的甚至不能再恢復，因此要十分重視保護地下水資源。

1.2 巖石的水理性質

巖石與水有關的特性被稱為巖石的水理特性，主要有以下幾點。

1.2.1 持水性

巖石能保持一定水量的特性稱之為持水性。水量與巖石體積的比值稱為持水度。一般細顆粒巖石能吸附較多的水，如黏土。

1.2.2 給水性

能夠從飽和水的巖石中自由流出一定水量的特性稱之為給水性。水量與巖石體積之比稱為給水度。粗顆粒巖石給水度打，如粗砂巖。

1.2.3 透水性

巖石本身能使水透過的性能。大空隙、多空隙巖石是高透性的，如礫巖。黏土以及致密的塊狀巖石透水性最差，如玄武巖。

1.3 地下水的物理性質

1.3.1 溫度

地下水的溫度隨地下水深度的變化而變化。由于溫度的原因，地表附近的地下水溫度呈周期性變化，但周年變化的深度一般不超過30m。在年常溫層中，水溫年變化較小，一般情況水文變化不會超過0.1℃。在常溫層以下，隨著深度的增加和地熱的升溫，水溫也會逐漸升高。地熱增溫各地不同，一般為每33m升高1℃。在某些地址條件下，由于地球內部熱能的影響，形成地下熱水，地下熱水通過某些通道上涌，可能形成地熱田。

1.3.2 顏色

地下水通常是無色的，但有時會通過某種離子富集懸浮物或膠體物質，顯示不同的顏色，例如，含亞鐵離子或硫化氫氣體的水為淺藍綠色，含有三氧化二鐵的水主要為棕紅色等。

1.3.3 透明度

地下水的透明度取決于水中含有的鹽、懸浮物、有機物和膠體的量。透明度分為4種類型：透明、半透明、微透明和不透明。

1.3.4 氣味

通常地下水是無味的，當含有某種氣體成分和有機物質時，會產生一定氣味。如果含有硫化氫氣體，氣味像臭雞蛋，若含有有機物質，地下水會有魚腥味。

1.3.5 味感

地下水的味道由其化學成分決定，其與所含物質的關系見表1。

1.3.6 比重

地下水的比重取決于水的溫度和溶解在水中的鹽。鹽越多多，比重越大。地下淡水的比重常接近于1。鹽水的比重一般用波美度（°Be）表示。當1L水含有10g氯化鈉時，其鹽度可表示為1°Be。

1.4 地下水污染

地下水污染是指地下水在人類活動的影響下，與其“背景值”相比，地下水的發展趨勢趨于惡化的現象。所謂“背景值”是指未受人類影響的地下水各種組分的天然含量，超過此值謂之污染?！氨尘爸怠痹诓煌貐^的數值不同，在地下水已遭受污染、天然地下水環境已遭破壞，很難取得該地區的背景值，應在自然條件類似，且與污染源鄰近的地區取樣。如有歷史水質資料可借助謂參考。

地下水的污染與地表水污染不同，由于其流動緩慢，且污染物在包氣帶和含水層中產生各種作用，故污染過程相對緩慢，且難于發現。其自凈能力亦差。因此地下水遭受污染，經治理或清除污染源后，需要相當長的時間才嫩恢復水質原狀。

由于地下水與大氣降水和地表水有直接或間接的水力聯系，因此地下水的污染與其他自然環境質量密切相關。在城區，地下水的污染主要是工業廢水和生活污水沿著土壤和巖石的空隙或裂隙下滲。下滲的途徑是多方面的，如地下管道及排污溝渠、滲坑滲井、河水塘堰等地表水體的垂直下滲，遭污染的大氣降水以及海水倒灌等。在城市郊區或廣大農村不合理的污水灌溉，過量的使用化肥。農藥，都有可能導致地下水的污染。地下水的污染可分為直接污染和間接污：直接污染是地下水的污染物直接來自污染源;間接污染是污染過程中地下水污染物緩慢形成，性質與污染源存在差異，難以查明。

2 地下水質量評價

2.1 評價工作的目的

地下水質量評估，是環境質量評估的重要組成部分。特別是城市和工礦區，隨著地下水的大量開發利用，許多城市和地區的地下水已遭到不同程度的污染，有的已嚴重影響到城市的供水水質，從而影響人們的身體健康。

根據不同用途，對地下水的水質提出了不同的要求，根據地下水的物理性質和化學成分，正確評價地下水的水質，以滿足這些要求是一項十分重要的工作。

2.2 評價工作的準備程序

地下水的水質評價是一項復雜而涉及面廣的工作，一般要在對區內水文、工程地質條件、環境地質問題基本查清的情況下進行。另外還要對區內工農業生產狀況、廠礦廢水及生活污水的排放情況進行調查研究。對地下水進行評價之前，應進行以下工作。

2.2.1 環境水文地質資料的收集整理包括區域現有水文地質、工程地質、環境地質、礦產普查、地球化學等資料。此外，對地下水動態觀測、水質分析、土壤分析、地下水開發利用現狀、城市規劃、污染源分布、污水排放等資料進行綜合分析。

2.2.2 環境水地質調查如上述資料不充分，應對該地區水文地質開展調查。包括該區內上部含水層的水文地質條件、地下水的埋藏、補給和徑流排放條件、土層的巖性厚度以及各種污染物的降解和自凈條件。此外，有必要了解城市規劃、地下水開發利用現狀，以及地下水的開采引起的地下水位、水質的變化。調查該區內污染源及污染排放形式及其對地下水的污染情況等。

2.2.3 地下水的動態觀測和水質監測這項工作是地下水質量評估的基礎。除監測地下水外，還需要同時監測大氣降水、河水、污水和土壤。通過地下水動態觀測，可以了解該地區地下水的開采造成的水位下降，以及地下水、地表水和大氣降水之間的互補關系。

地下水動態觀測和水質監測網絡的布局應根據當地水文地質特征和地下水污染性質。采取點、面結合的布置原則，對整個評價區適當控制。地下水水質監測的項目是根據評估目的確定的，但總體綜合評價應符合生活飲用水標準要求。

2.2.4 環境水文地質勘探利用勘探鉆孔了解含水層的厚度、結構、地下水的污染范圍、污染程度、污染物遷移路徑和擴散等。鉆探網的布局取決于當地水文地質條件和評估目的。

2.2.5 環境水文地質模擬試驗目的通過現場模擬試驗、定位試驗和實驗室試驗，以了解地下水污染機制和遷移變化規律、并取得定量評價的有關參數等。

3 地下水水質評價方法

3.1 內梅羅綜合指數法

內梅羅指數法也廣泛用于水質評價。例如，通過改進的內梅羅法評價地下水水質，分析黃河蘭州壩段水質污染狀況。

3.2 人工神經網絡評價法

人工神經網絡是自適應簡單單元的廣泛并行互聯網絡，其組織可以模擬生物神經系統與現實世界的相互作用。BP模型是最常用的水質評估人工神經網絡。BP網絡使用最陡坡降法來最小化誤差函數，并將網絡輸出的誤差逐層傳播到輸入層，同時分攤到各層，獲得每層單元的參考誤差，并調整人工神經網絡的相應連接權，直到網絡的誤差最小化。近年來，人工神經網絡研究愈發廣泛。

3.3 模糊評價法

由于水體環境本身存在大量不確定性因素，目標分類和標準確定均具模糊性。因此，模糊數學在水質評價中得到了廣泛應用。通過檢測數據建立每個指標及其標準的隸屬度數據集，形成隸屬度矩陣，然后將因子權重集乘以隸屬度矩陣，得到模糊集，得出綜合評判集，表明各級水質與標準水質的從屬程度，反映水質類別的模糊性。

模糊評價法主要包括模糊聚類法、模糊綜合指數法、模糊貼近法、模糊距離法、模糊水質分類評價法、模糊相似度選擇法、模糊綜合評價級數法等。

3.4 單因子污染指數法

單因子污染指數法將評價因子與評價標準進行比較，確定各個評價因子的水質類別，并選擇最差水質作為項目水體的水質類別。該方法可以確定水體中主要污染因子，是最廣泛使用的水質評價方法，特別是在建設項目的環境影響評價中。該方法的特征值包括各評價因子的達標率、超標率以及超標倍數。

3.5 灰色評價法

水質監測數據是在有限的時間和空間內獲得的，所以信息會出現不完整或者不準確的現象。因此，水環境系統可以被當做灰色系統，即，一些信息已知，部分信息未知或未知的系統。將該原理應用于水質綜合評價中的基本思路是：計算每個因素在水質中的測量濃度與各水質標準之間的相關性，然后根據相關程度確定水質類別。通過與標準水體的差異程度，可評價水質的優劣程度。

灰色評價法主要包括灰色聚類法、灰色聚類關聯法、灰色模式識別法、等斜率灰色聚類法、區域灰色決策法、加權灰色局勢決策法、梯形灰色聚類法、灰色局勢決策法等。

3.6 物元分析法

物元分析法物元分析理論在水環境質量評價領域中的應用。其思路是：通過各級水質標準建立經典域物元矩陣，根據各因子實測濃度建立節域物元矩陣，然后建立各污染指標對不同水質標準級別的關聯函數，最后根據其值確定水質的級別。

4 地下水環境保護措施

進行地質詳勘，探明涌水段具體位置，制定封堵施工方案;

堅持“以防為主、防堵結合，限量排放”的原則;

布置超前水平鉆孔探測。

開展地質監測，發現問題及時解決;

制定突水應急措施，減少突水風險造成的損失;

設立補償機制，因工程而斷流的水井應另打井作為補償，打井費用應列入基礎設施補償費中。

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作者簡介：

夏杰塬，碩士研究生，研究方向：水文學及水資源。