“雙源”分布區地下水質量及生態價值評估

徐慶勇，林 健，江 岳，楊 慶，王曉紅

(1.北京市水文地質工程地質大隊(北京市地質環境監測總站)， 北京 100195；2.北京市地質礦產勘查開發局信息中心， 北京 100195)

1 研究背景

這里的“雙源”指存在于農村地下水飲用水源補給區或周邊2 km范圍內的化工類工業風險源及補給區或周邊2 km范圍內存在化工類工業風險源的農村地下水飲用水源。“雙源”所在的行政區是北京未來城市發展的重要區域。在北京的多源供水格局中地下水占據半壁江山，但北京市地下水環境壓力較大，特別是平原區地下水污染形勢嚴峻，部分地區已危及城鄉居民飲水安全[1]。而該區因可用的地表水資源為零面臨著水資源不足的困境，目前水源供給主要依賴地下水[2]。但據有關監測成果顯示，該區是北京平原區各區縣中地下水水質很差的區縣之一[1]。

該區共有 478 個行政村，農村人口占常住人口的1/3多[3]，飲用水源全部為地下水。而在1997-2010 年，該區工業經歷了大發展，其中，屬化工行業的化學原料及化學制品制造業占有較大比重[4]。雖然2017年加快退出不符合首都功能定位的產業，推進工業大院、低端產業、低端市場的退出[5]，但在農村飲用水源補給區內或周邊仍存在一定數量的化工類工業企業。化工類工業企業主要指石油加工、煉焦及核燃料加工業、化學原料及化學制品制造業和醫藥制造業等化工類行業的工業園區外的企業。2015年4月2日，國務院印發的《水污染防治行動計劃》中明確要求：定期調查評價集中式地下水型飲用水水源補給區等區域環境狀況，切實保障農村飲用水源地水質安全。因此，開展一次全面的“雙源”分布區地下水環境狀況評估，掌握化工類工業風險源是否對農村地下水飲用水源造成影響以及影響程度，摸清農村地下水飲用水源及補給區環境狀況十分必要。

然而以往關于該區地下水的研究多集中在整個區域地下水質量評價、水資源評價[6]、再生水利用[7]、水化學特征分析[8]、氟分布規律研究[9]及農村地下水個別指標如氟含量及氨氮污染[10]等研究方面；關于地下水價值，一直以來，其經濟和社會價值備受關注，生態價值往往被忽視，僅個別研究人員提出了地下水生態價值的定義[11]和地下水生態系統價值評價的一些方法[12]，但主要還停留在觀念階段；還有一些研究人員[13-14]在進行水生態文明建設的研究中，提出了水生態的指標，但對水(包括地下水)的生態價值并無闡述和評估。因此，迄今為止，評估“雙源”分布區地下水環境質量和生態價值的研究較為鮮見。基于“雙源”明確的位置關系，以其分布區為研究區域，評估地下水質量及其生態價值，分析風險源是否對地下水源水質造成影響，表明該區域地下水所具有的重大生態價值，為地下水污染治理及對保護的更加高度關注提供依據和支撐，對切實保障農村供水安全、全方位認識地下水價值、促進從觀念到行動的轉變及推進生態文明建設具有重要的理論與現實意義。

2 數據與方法

2.1 研究區概況

根據“雙源”分布位置，研究區包括A～E 5個子區，面積共約170 km2。區內共分布有17個農村地下水飲用水源，均為小型水源地，取水量共計約300×104t/a，服務人口共約3.8×104人。每個水源地都建有井房并設1名水管員專職看管、維護井房及供水井，以保證水源供水井正常運行；補給區或周邊2 km范圍內分布化工類工業風險源9個，化工類工業風險源以化學原料及化學制品制造業為主，目前已有4個停產，在生產的5個企業均建有污水處理設施。“雙源”基本信息及對應關系見表1和圖1。

研究區氣候屬溫帶大陸性半濕潤季風氣候，多年平均溫度11.3℃，年降水量620 mm左右[15]。地處潮白河與永定河沖洪積扇下游地區，地勢較為平坦，自西北向東南緩緩傾斜， 第四系厚度大，最厚處位于子區A內，達600余m。地下水類型為第四系孔隙水，主要賦存于潮白河與永定河沖洪積作用形成的多層砂及少數礫石中[16]。含水層組巖性主要有兩種，子區A的東北部、子區B和子區E含水層組巖性以多層砂層夾少數礫石層為主；子區A西南部、子區C區和子區D以多層砂層為主。5個區含水層組均為多層結構，層數多，單層厚度小。研究區富水性總體較好，水位下降5 m時，單井日涌水量除子區C和子區D南部為500～1 500 m3/d外，其他地區均為1 500～3 000 m3/d(圖1)。地下水天然流向由北、西北流向東南。

2.2 數據來源

研究所用數據來源于：(1)2017年11月取樣實測數據；(2)北京市水文地質工程地質大隊(北京市地質環境監測總站)所承擔的“北京市平原區地下水環境監測網年(2017)運行”項目中監測井測試的數據；(3)該區2016年國民經濟和社會發展統計公報[3]。

2.3 研究方法

2.3.1 地下水質量評價方法 采樣深度水源以開采層為主，風險源原則上以淺層為主。但受實際條件限制，有些風險源只能采深層水樣。共采集地下水樣品26件，其中水源17件，均為深層承壓水；風險源9件，為潛水或承壓水。測試指標63項，其中常規指標31項，非常規指標32項(表2)。

表1 “雙源”基本信息及對應關系

按照《地下水質量標準》(GB/T 14848-2017)[17]中規定的方法進行地下水質量綜合評價，即首先進行單指標評價，以《地下水質量標準》(GB/T 14848-2017)(優先采用)或《生活飲用水衛生標準》(GB 5749-2006)[18]中指標值所在的III類限值或限值確定地下水質量類別(不同地下水質量類別的指標相同時從優不從劣)，然后以單指標評價結果的最高類別作為綜合地下水質量類別。對于超過III類限值或限值的指標，其超標倍數的計算公式如下：

(1)

式中：I為某評價因子的超標倍數；C為地下水中某評價因子的實測濃度值，mg/L；CH為評價因子在《地下水質量標準》(GB/T 14848-2017)中III類值或 《生活飲用水衛生標準》(GB 5749-2006)中的限值，mg/L。

對于非常規指標及常規指標中的三氯甲烷、四氯化碳、苯和甲苯，除評價超標狀況外，還評價檢出狀況，將實驗室檢出限作為評價檢出限。

2.3.2 生態價值評價模型 生態價值指地下水在參與自然界水循環，并與其周圍環境進行物質與能量交換過程中，對維持生態系統生命周期和生態環境良性發展所起的作用[11]。地下水具有調節徑流、涵養水源的直接生態功能以及釋氧固碳、調節氣候、防風固沙、保持水土、維持生物多樣性等間接生態功能。地下水的生態功能決定了其具有重要的生態價值。采用替代工程法，用假想水庫的造價替代地下水涵養水源的功能效益，并用發展階段系數進行調整，公式如下[12]：

V=f·Q·Cr·10-8

(2)

式中：V為地下水涵養水源的功能價值，元；f為當地發展系數；Q為該區域的地下水資源量，m3；Cr為貯水成本，為當地建水庫等替代工程造價與工程庫容量的比值，元/m3。

為了能夠準確描述經濟發展階段對生態價值影響的特征，國內外學者經過多年研究，用皮爾生長曲線和恩格爾系數求出發展階段系數f[19]，公式如下：

(3)

式中：e為自然對數的底， 為常數；t為該區農村居民恩格爾系數的倒數。

3 結果與分析

3.1 地下水質量狀況

3.1.1 總體質量狀況 采用上述水質綜合評價方法，對26件水樣分別進行了綜合評價。結果表明，50%的水樣超標，均為IV或V類水，以IV類水為主，其中水源超標7件，風險源超標6件，分別占水源和風險源水樣的41.2%和66.7%。超標指標7項均為常規指標，主要超標指標為砷、錳和鐵，超標率分別為19.2%、19.2%和15.4%。其中水源超標指標4項，分別為砷、錳、鐵和氟化物，超標率(占水源水樣比率)分別是17.6%、11.8%、11.8%和5.9%；風險源超標指標除此4項外，還包括總硬度、氨氮和TDS，其中，總硬度、鐵、錳和砷超標率(占風險源水樣比率)均為22.2%，氨氮、TDS和氟化物超標率均是11.1%(圖2)。研究區總體水質較差。

表2 測試指標

采用公式(1)分別計算了7項超標指標的超標倍數，其中超標倍數均值最大的指標是鐵，最大超標倍數36.9；其次是錳，最大超標倍數21.7，鐵、錳超標倍數最大的均是風險源水樣。超標倍數均值最小的指標是砷，最大超標倍數僅0.4，為水源水樣；最小超標倍數0.19，為風險源水樣(圖3)。

進行檢出評價的上述4項常規指標中僅三氯甲烷1項且僅1件水源水樣有檢出。非常規指標檢出7項，檢出率最高的是熒蒽，為53.8%，其次是二氯甲烷，為50%，再次是萘和蒽，均為23.1%；檢出率最低(僅1件水樣)的指標是1,2二氯乙烷和三氯乙烯，均為3.8%。其中水源檢出7項，風險源檢出6項。水源檢出率(占水源水樣比率)熒蒽為41.2%、二氯甲烷為47.1%、萘和蒽均為11.8%；風險源檢出率(占風險源水樣比率)熒蒽為77.8%、二氯甲烷為55.6%、萘和蒽均為44.4%(圖2)，但檢出濃度均為微量或痕量(表3)，地下水供水安全未受到威脅。

總體來看，地下水質量水源好于風險源。

3.1.2 分區評價

子區A：有W1～W77個農村地下水水源，水源補給區或周邊2 km范圍內存在P1～P33個風險源(表1，圖1)。超標水樣5件，其中水源3件，均為Ⅳ類水，風險源2件，為Ⅳ和Ⅴ類水；超標指標6項，其中水源超標指標為砷和錳，超標倍數0.06～0.4；風險源超標指標為錳、總硬度、鐵、TDS和氨氮5項，超標倍數鐵最大，為36.9， TDS最小，為0.07(圖3)。非常規指標檢出5項，水源僅W7檢出，檢出指標為二氯甲烷、萘、熒蒽和苯并[b]熒蒽4項，風險源P1和P3均有檢出，檢出指標除此4項外還包括三氯乙烯(表3)。

水源W1和W2周邊2km范圍內存在風險源P1，W1和P1均超標，分別為Ⅳ和Ⅴ類水，但二者超標指標不同，W1為砷，P1為總硬度、鐵、錳和氨氮；非常規指標水源均未檢出，風險源檢出萘、三氯乙烯和熒蒽3項。水源W3～W6補給區或周邊2 km范圍內存在風險源P2，W4、W5和P2超標，均為Ⅳ類水，其中W5和P2有1項相同超標指標—— 錳，超標倍數P2>W5；非常規指標水源和風險源均未檢出。水源W7周邊2 km范圍內存在風險源P3，二者均未超標；非常規指標W7檢出4項，P3檢出3項，二者檢出3項相同指標，即二氯甲烷、熒蒽和苯并[b]熒蒽，檢出濃度水源≥風險源(圖3，表3)。總體來看，子區A地下水質量水源好于風險源。

子區B：有W8～W103個農村地下水水源，水源周邊2 km范圍內存在1個風險源P4(表1，圖1)。水源和風險源均超標，水源超標指標為鐵、砷和錳，風險源為砷，但僅W9與P4有相同的超標指標-砷，超標倍數W9>P4；非常規指標檢出4項，W9、W10及P4均有檢出，檢出2項相同指標，即二氯甲烷和熒蒽，且二氯甲烷檢出濃度P4>W9>W10(圖3，表3)。總體來看，子區B地下水質量水源與風險源相當。

子區C：有W11、W12兩個農村地下水水源，水源補給區或周邊2 km范圍內存在1個風險源P5(表1，圖1)。W12氟化物超標1.2倍，P5未超標；非常規指標水源和風險源均檢出二氯甲烷和熒蒽，檢出二氯甲烷濃度P5>W12，熒蒽濃度P5>(或<)W12(圖3，表3)。總體來看，子區C地下水質量風險源好于水源。

圖1 研究區水文地質條件及 “雙源”分布圖

圖2 “雙源”各類別水質、超標指標及非常規(常規)檢出指標比率

子區D：有W13～W153個農村地下水水源地，水源補給區或周邊2 km范圍內存在P6和P72個風險源(表1，圖1)。水源均未超標；風險源均超標，超標指標為砷、錳和氟化物。非常規指標檢出4項，且水源和風險源檢出4項相同指標，分別為二氯甲烷、萘、蒽和熒蒽(圖3，表3)。

圖3 “雙源”地下水質量、超標指標及超標倍數評價圖

水源W13和W14補給區內存在風險源P6，W13和W14均未超標，P6砷、錳超標，超標倍數0.10～0.19；非常規指標W13、W14和P6均有檢出，但W13和W14均檢出二氯甲烷，P6檢出蒽和熒蒽。水源W15周邊2 km范圍內存在風險源P7，W15未超標，P7氟化物超標1.5倍；非常規指標W15和P7均有檢出，且有3項相同指標，即萘、蒽和熒蒽，檢出濃度萘和熒蒽P7>W15，蒽W15>P7(圖3，表3)。

總體來看，子區D地下水質量水源好于風險源。萘是風險源特征污染物，地下水檢出可能是受到風險源的影響，但屬于痕量檢出，地下水供水安全并未受到威脅，且目前該企業已停產，將來亦不會加重污染程度。

子區E：有W16、W172個農村地下水水源，水源補給區或周邊2 km范圍內存在2個風險源P8、P9(表1，圖1)。

水源未超標，風險源P8鐵超標0.03倍；非常規指標檢出5項，W16、W17為二氯甲烷、蒽、熒蒽和三氯甲烷，P8、P9除此4項外還包括萘，水源與風險源檢出3項相同指標——二氯甲烷、蒽和熒蒽，檢出濃度風險源≥(或<)水源(圖3，表3)。總體來看，子區E地下水水質水源好于風險源。

由上述對風險源的調查分析及分區評價可知，各子區超標指標與檢出的非常規指標(萘除外)均不是風險源特征污染指標，因此研究區內水源基本未受到化工類工業風險源的影響。

3.2 地下水生態價值

首先采用公式(3)，根據該區農村居民恩格爾系數，計算得出f為0.543；然后采用公式(2)，評價得出研究區地下水調節徑流、涵養水源的生態價值約為人民幣1.256元。可見，在研究區地下存在著一座生態價值巨大的地下水庫，并且這還只是一種生態價值，如果對地下水生態價值全面、完整地評價，數值還會更大。

表3 各子區地下水非常規(常規)檢出指標及濃度統計表

3.3 原因分析

影響指標超標(進而水質量超標)的原因不外乎自然因素和人為因素兩種。在北京市平原區，由于地層沉積環境以及天然水巖作用，存在著砷、錳、鐵和氟化物等指標的天然劣質水[20]，而研究區均處于天然劣質水分布區范圍內。因此，砷、錳、鐵和氟化物4項指標超標主要是地質成因造成的，屬自然因素導致。總硬度、氨氮、TDS超標主要受人為因素影響，根據北京市水文地質工程地質大隊監測成果，研究區所在的行政區淺層水總硬度、TDS大部分地區超標，氨氮局部超標[2]，而本次總硬度、TDS和氨氮超標的風險源P1、P2均處于區域淺層水總硬度、TDS和氨氮超標區范圍內。因此，總硬度、TDS和氨氮超標由區域淺層地下水環境即人類活動影響下的區域地下水環境導致，而非由企業造成。

該區人口眾多，常住人口約138×104[3]，生活污水、生活垃圾排放量大，相應地，醫療衛生、文化教育、餐飲服務等生活附屬設施數量亦較多，人類活動產生的大量污水、固體廢棄物通過滲漏、淋溶、自然下滲等途徑進入地下，成為地下水重要的風險源。北運河是北京市的重要排污河，處于通州區內的河段接納其上游多個污水處理廠退水，氨氮常年超出地表水V類標準，濃度亦高于地下水，并且由于河水水位高，呈現補給地下水的特征[21]，因而河道兩側一定范圍內地下水還受河流側向補給的影響，加重了地下水污染。該區地勢平坦，河渠眾多，大小河渠在以前作為城市生產、生活污水的主要排污場所，污水下滲造成地下水污染。歷史上絕大部分地區曾是北京的污灌區，灌溉回滲補給地下水，農業污水是地下水又一風險源。而研究區地下水天然防污性能總體為“中等”，河道兩岸一定范圍內為“較差”[22]，故污染物易下移。多種污染物輸入補給，現實原因、歷史因素與包括地下水埋深、含水層巖性、滲透系數、土壤類型、包氣帶巖性、地形坡度等多個因素在內的地下水天然防污性能是影響通州區淺層地下水超標的重要原因。處于該區內的風險源P1、P2的淺層地下水總硬度、TDS和氨氮也就可能超標。

4 結論與討論

(1)總體評價結果表明，研究區總體水質較差，地下水以IV類為主，主要超標指標是砷、錳和鐵；超標倍數均值最大的指標是鐵，最大達36.9倍，為風險源水樣；有機檢出指標主要是熒蒽、二氯甲烷、萘和蒽，但均為微量或痕量檢出，地下水供水安全未受到威脅。從水源與風險源分別來看，總體上地下水質量水源好于風險源。

(2)分區評價結果表明，各子區超標的常規指標與檢出的非常規指標(萘除外)均不是風險源特征污染指標，因此研究區內水源基本未受到化工類工業風險源的影響。萘雖是風險源特征污染物，但屬痕量檢出，且目前該企業已停產，將來亦不會繼續影響水源。

(3)地下水生態價值評價表明，地下水調節徑流、涵養水源的生態價值巨大，不容忽視。

本次調查的化工類風險源雖未對周邊水源造成影響，但對于地下水超標現象仍不可忽視。不同的水質類別應區別對待，對于目前為Ⅲ類水質的水源，應著重注意保護，避免污染，防止向高一級類型的水質轉化；對于目前為IV類水質的水源，建議采用凈水技術去除超標因子，達標后供水；對于目前為V類水質的水源，建議納入到農村飲用水安全鞏固提升工程“十三五”規劃進行改水，并加快應急水源地建設，因地制宜建設備用水源或相鄰水廠調水管道。

同時，對于主要由人為因素導致超標的水源建議加強對水源周邊區域環境的治理，包括河道水質治理、進一步完善污水處理系統、加強生活垃圾管理、嚴禁隨意填埋、城市污水管網滲漏核查、區域污染企業進一步排查等，以去除風險源頭、阻斷污染途徑，切實保障飲用水源安全。工業上，二氯甲烷用作涂料溶劑、脫漆劑等，雖不是風險源特征污染指標，但對于B、C、D和E區二氯甲烷普遍檢出的狀況，建議加強監測，隨時關注發展變化，防患于未然。生態文明的核心是人與自然的和諧發展[13]，以生態文明為視角，全方位關注地下水價值，進行地下水保護，滿足人水和諧的要求，實現可持續利用和人與自然(包括地下水)共同發展的美好愿景。

以 “雙源”分布區為例，對地下水質量進行了評價，但受實際條件限制，本次個別風險源采樣深度較大，水質評價結果可能較為理想。新建充分滿足評價要求的監測井才能更加科學、準確地分析“雙源”關系。同時對地下水調節徑流、涵養水源的生態價值進行的評價，還只是一種探索和嘗試，其值是粗略的估算值，還具有一定的不確定性：(1)評價模型中f的不確定。目前對f的計算模型還存在爭議，如有相關人員[23]指出，f的計算模型中位移值的確定缺少理論支撐；(2)評價是對某一特定時間段內地下水所具有的生態價值的估算，評價值是靜止的。實際上生態價值是動態變化的，其隨著社會經濟發展水平、自然條件及人類活動的變化而變化。由社會經濟發展水平決定的人民生活水平越高，人們對生態價值的相對支付意愿就越強，生態價值越大；自然條件主要包括降水量、蒸發量、入滲量，降水量和入滲量越大、蒸發量越小即地下水資源量越大，生態價值越大；人類活動主要指地下水開采、水利工程建造，地下水開采量越小、回滲、補給、蓄水與保水等的水利工程越多，生態價值越大。但盡管如此，對“雙源”地下水質量進行的評價，可促進對化工類工業風險源更有針對性地監管，去除污染隱患；對地下水生態價值的評估充分說明了地下水對生態環境所做出的重大貢獻，其生態價值不容忽視。

根據GB/T 14848-2017中“地下水水質分類”，不同類別水質生態價值應是有區別的，分類分質評價才更科學、合理。即使不能(或沒有必要)精確定量評價每一類水的生態價值，但區分達標水和超標水還是十分必要的。達標水的生態價值應大于超標水，如果達標水采取上述評價模型，則超標水應在此基礎上乘以一個小于1的系數，具體系數的大小還有待進一步討論和研究。

“綠水青山就是金山銀山”，單純考量地下水的社會經濟價值已遠遠不夠了，只有同時關注地下水的生態價值，才是符合生態文明建設的要求。探索一種更加科學、完善的地下水生態價值評估模型，是今后研究的重要內容。