撒哈拉以南非洲地区钻孔水质保护——最小安全距离保护和分区保护

［南非］ Y.拉吉库马尔 等

1 概述

在非洲，地下水在改善贫困人口生活窘境和提高生活水平方面提供了宝贵的机遇。然而，地下水复杂的不可见环境又给其管理和保护提出了严峻的挑战。

在非洲撒哈拉以南的很多地区，由不安全饮用水(微生物角度来看)和不健全的公共卫生体系所造成的病毒感染爆发几乎每天都在发生。一些发展中国家的疾病感染率很高，特别是经济欠发达国家和地区最容易受到疾病侵袭。2000年世界卫生组织估计，在发展中国家，每年会发生约40亿例腹泻，均与无法获得安全饮用水有关。与水有关的疾病死亡率很高，年死亡人数超过220万。到2020年，预计每年将会有1.35亿人死于与水有关的疾病。即使“千年发展计划”目标得以实现，到2020年，可能仍会有7600万人死于与水有关的疾病。这一估计十分令人担忧，为了人类生活的幸福安康，迫切需要采取更主动的措施来管理和保护地下水资源。

虽然要从根本上全面保护撒哈拉以南非洲地区的地下水资源并不现实，但是，基于含水层的分类，对不同含水层系统进行有差异的保护，不失为一种可行的使地下水资源水质得到充分保护的方法。不同的含水层，由于其独特的社会、经济和环境重要程度不同，需要得到不同程度的保护。因此，从在水源附近提供最小的安全距离保护到建立一个更复杂的分区机制，保护程度可能出现较大差异。

源头的分区保护主要是控制土地的使用，以此来防治或控制地下水资源污染。这一方法考虑了输移时间和到供水钻孔最小安全距离的概念，保证污染物有足够的水平输移时间，以确保其被生物化学降解或稀释。在某些情况下，次表层的衰减或清除性能可以通过自然物理、化学或生物过程，减少或完全去除这些污染物。然而，为了保护水质，保护区的划定还应将钻孔适当布置与水泵合理安装结合起来。

在一些发达国家，在钻井或钻孔周围划定保护区的做法被广泛采用，但是这种方法在南部非洲很难适用，特别是在其他区域性经济区。考虑到非洲社会经济基础设施的发展状况，本文认为，在非洲，设立最小距离(或称安全距离)可以作为防止钻孔水受到污染的第1道防线。然而，在某些可行的区域，仍然应该贯彻执行分区保护的理念。

2 含水层差异化保护概念

2.1 基本保护机制

相对于非生物降解，输移时间和最小安全距离的概念对于生物降解污染物更加适用。最小安全距离就是隔离水资源与潜在污染源的安全水平距离。这一距离保证污染物有足够的水平输移时间，确保其被物理生物化学降解。针对南非的具体情况，提出细菌和病毒所需要的输移时间为30 d，最小距离从15 m到50 m不等(取决于含水层条件)。距离是通过改进达西定律计算所得。

2.2 更高级别保护规划

2.2.1 风险评价框架

地下水污染的风险由以下两个因素决定:含水层受到污染的脆弱性和遭受污染的荷载量。分区保护的目的就是要降低污染荷载量。一般来说，从农村、城市和城市附近的环境到工业化环境(进行采矿等工业活动)，荷载量会由于地区发展程度的不同而不同。含水层受到污染的脆弱性表征的是含水层受到污染荷载负面影响的敏感性。脆弱性部分地取决于弃污点和地下水水位之间污染物的衰减程度，同时部分地取决于水体及其伴随的污染物质穿越含水层，包括非饱和区和饱和区的速率。含水层介质本身的特性对于评价脆弱性十分关键。基于以上两个因素，风险类型可以通过图1所示的框架来评估。

图1 地下水风险评估框架

2.2.2 含水层分类

撒哈拉以南非洲大部分区域的含水层从性质上讲是次生的。当对其采用差异化保护时，为了对不同含水层进行不同程度的保护，需要建立一个更加精细的分级体系进行划分。南非乔利等学者1993年在研究中提出了一种分级系统，给出了3个基本的划分原则来评估含水层的重要性，它们是:地下水水质、产水量和含水层用途。地下水水质和产水量是最主要的评估因素，含水层目前或将来的用途可用来提升和降低含水层的重要性。

帕森等学者后来对这一方法进行了修正(1998年)，针对南非含水层的划分，提出了下面的分级系统，如表1所示。

表1 改进后的含水层分级

利用表1的含水层划分和脆弱性等级，帕森等还针对不同类型的含水层，给出了其受污染的敏感性等级。

2.2.3 立法框架

地下水保护的立法框架是，从国家层面环境立法的正式颁布，到政策制定、公众参与、用地规划与管理、污染控制途径的制定等，最后直到地方层面的执行。

南非很可能是撒哈拉以南非洲地区在这一方面最为积极的国家之一。其立法框架源于《宪法》，《宪法》第24条规定:任何对国家自然资源的开发和利用都必须具有环境上的可持续性。《国家水法》(NWA)对国家水资源的保护和可持续利用做出了更进一步的规定。任何许可发放之前，都必须进行初步考评。考评内容包括人文和生态保护区、国际责任、未来需求和现有用户。以资源为导向的保护措施(RDM)和以地下水资源为导向的保护措施(GRDM)是根据NWA第3章建立起来的工具之一。GRDM包括水资源的分级、建立保护区和设置资源质量目标(NWA，1998年)。所提出的最小安全距离和分区保护措施，就可以很好地纳入这一框架中，以保证在GRDM的框架下实现保护资源质量的目标。

GRDM主要是在流域层面管理水资源的利用，国家水资源战略(NWRS)则从国家层面从战略高度指导水资源管理，提供长期规划来应对南非干旱缺水的挑战。NWRS包括一系列地下水资源水质管理的方法和措施，这些政策和对策阐述了管理地下水资源水质的可行方法。国家地下水战略(2008年)更进一步阐释了这方面的内容，尤其是将分区保护作为保护地下水的一种可选方案。

即使所有的环境立法和相关政策都到位，仍然存在各种挑战，包括地下水资源利用的授权、保护和管理。地下水的“隐蔽”特性，使得当有人在未经授权使用甚至污染地下水的时候，很难被察觉到。在确定地下水保护级别和含水层可持续利用时，地下水监测并非总是有效，特别是并非所有使用者都合法登记或严格遵守许可要求。所以，执行这些法律法规，是撒哈拉以南非洲地区国家所要应对的挑战之一。

2.3 保护分区

这一策略包括划定水资源附近的区域，以便进行差异化的保护(见图2)。从外部保护区到井口作业区，土地使用的限制越来越严格。通过在重要水源地形成保护区，可以控制土地使用给地下水资源带来的负面影响。在事先确定的条件下，某些土地使用开发活动可以获准进行，然而其开发强度受到限制，且将要进行开发使用的土地位置具体标示出来。

图2 水资源附近保护区示意

井口作业区是首要保护区域，这可以给钻孔周围区域提供保护。可以根据最小安全距离的概念确定保护距离。水力坡降和流向决定了保护区的形状和大小。在南非，根据含水层地质特性的差异，最小距离在15 m到50 m不等。在理想状况下，除了提取水样、岩样等活动之外，不允许任何其他人为活动。对这一区域，需要执行严格控制以防止污染物进入水源地。内部保护区的确定是基于微生物污染物在地表下层水平输移所需的时间。非饱和区的自然消解过程可以过滤掉地表下层的微生物病原体。污染物输移时间取决于其生命周期，一般在10 d到400 d之间不等。从经济和安全方面考虑，50 d的输移时间是合理的。外部保护区是对水资源进行含水层层面的保护。应长期对含水层回灌区进行保护，以防止水质受到污染物污染。这些污染物很难被降解，而且会长期存在于次表层环境中。乔利等学者于1993年提出，南非的污染物输移时间为500 d。但是，可以根据含水层的保护需要和其脆弱性，对这一时间进行适当调整。

3 发达国家和发展中国家情况对比

在一项由联合国环境规划署-联合国教科文组织(UNEP-UNESO)牵头的项目中，共有11个非洲国家参与评估了其主要含水供水层的污染脆弱性，确定了多个导致非洲含水层面临越来越大压力的因素。这些因素包括:

(1)农村人口为追求更高生活水平大量向城市迁移，导致城市人口快速增长，而城市基础设施建设设计并未考虑容纳如此大量人口。

(2)对污染排放设施地点和就地卫生处理选址无章可循，微生物污染是水资源面临的首要威胁。

(3)不合理的钻孔和钻井建设也给含水层带来污染，在很多情况下，并没有采取保护措施来防止被污染的地表水流入井中。

(4)人口密度和社会经济格局也被认为是造成污染的因素。低收入居民聚居区面临大量大肠杆菌的侵袭。

(5)其实，最大威胁在于缺乏管理和保护策略与框架来减少和防止将来的污染。

近年来，出现了一种发展中国家全套照搬经济较发达国家保护管理措施的倾向。尽管这种主动应对的意识值得鼓励，但一些专家也提醒，不要将发达国家的措施直接移植到发展中国家并加以实施。

非洲国家缺乏明晰的法律制度框架。同时，大多数非洲国家都没有专门的监测网络，不能提供数据来量化地下水受到影响的程度。即使那些具有专门监测网络的国家，也很少把微生物污染作为一项标准监测内容进行常规分析。同时，即便监测网络存在，这些网络也是维护不足，缺乏资金，而且缺乏监测重点。

数据的收集和管理十分关键，其构成了对任何资源实施更高级别保护和管理的基础。撒哈拉以南非洲地区很多国家都缺乏足够的数据，这就解释了它们当中几乎没有哪个国家建立了适合自身状况的水质方针，更谈不上实施进一步的保护措施。相对于监测项目或执行水质标准，这些发展中国家优先考虑的是提供各种资源利用方面的服务，导致缺乏连续可靠的数据来量化地下水资源被微生物污染的程度，因此也阻碍了对这些资源的有效管理。

发展中国家与水有关的疾病发生率很高，这说明地下水资源已经在某种程度上被微生物污染。《人类发展报告》显示，在发展中国家，每年报告有50亿例儿童腹泻。该报告还估计，每年有180万儿童死于不清洁水带来的各种疾病。在一项针对2001年某些南部非洲国家由霍乱爆发而引起的死亡率的研究中，马拉维、津巴布韦、斯威士兰、津巴布韦和莫桑比克报告的死亡率超过20%～50%。这些惊人的数据表明，很多非洲国家迫切需要一定程度的水资源保护，即使只是最基础的保护，例如最小安全距离和重视钻井工程施工方法，都可以给资源提供一定程度的及时保护。尽管众多法规政策框架并不到位，但是即使是十分简单的保护也好过完全没有任何保护。

保护策略首先需要对土地使用活动进行限制，尤其是那些对资源产生损害的土地开发活动。然而，为了评估哪些水资源需要保护以及需要何种程度的保护，这些国家需要像前文提到的那样进行分级。

4 南非水资源分区保护

4.1 情景评估

南非采用差异化方法保护地下水资源，包括3个层次:第1层为基础保护标准，提供一些指南，例如公共厕所的选址等，以减少点源污染在全国范围内的影响;第2层为通过分级、绘图和教育等方法，有计划地对资源实施保护，在区域范围内对点源和分散污染源进行控制;第3层也就是最后一层是资源保护分区，第3层是对地下水资源进行更高级别的保护，这也被认为是长期的目标。为了实施分区，需要一些具体的信息，包括土地使用现状、水文地质特征和地下水源。

在建立和采用政策法规来保护地下水资源，特别是分区保护方面，在撒哈拉以南非洲地区的各个国家中，南非都处于领先地位。南非政府意识到，只有在地方、地区和国家范围内对资源进行有效管理，才能保证可持续的地下水资源。在编制“水务部2010国家地下水战略”中，将保护分区策略作为可采用的可持续地下水资源管理的方案之一。该文件同时指出，尽管分区保护策略并未在南非广泛应用，但强调这一策略在经济和环境方面都十分重要。

2005年，国家水务部启动了引进这一策略的可行性研究项目。在完成保护立法和对全国含水层进行分类的基础工作后，南非正准备实施差异化的分区保护策略。目前该项目处于可行性研究阶段。

4.2 实施

针对分区保护的可行性研究确定了一些具体的实施步骤，包括技术性很强的措施、各种社会问题的处理，以及区域划分之后的监测和评估。具体如下:

(1)利益相关各方的参与和公共意识;

(2)含水层特征描述;

(3)分区描述;

(4)数据管理;

(5)区域划分之后的监测与评估。

尽管南非政府已经意识到这一政策的重要性，这项工程至今仍处于可行性研究阶段。

4.3 阻碍因素

南非研究了实施分区的策略，针对4.2所述的各项影响因素的处理如下:

(1)社会经济影响。对水资源周围活动进行限制，并进行社会经济影响评估。在划分保护区时，需要在资源保护和社会经济发展之间寻求平衡。如果对大量的土地开发加以限制，很可能会导致相关社区民众的抵制，因为对土地收入损失的担心会取代对获取安全水源重要性的关注。对由分区保护而产生的农业生产损失，可以采取货币形式进行补偿，从而消除抵制。

(2)利益相关者的通力协作。在实施这一策略之前，公众的广泛参与和相关教育培训活动十分重要。利益相关者的支持对于分区策略的实施十分关键，因为实施分区实际上限制了将来的土地使用，并且需要目前的土地使用者/所有者承担大量的责任。

(3)技术能力的不足。非洲大陆对当地缺乏足够的了解，技术知识不足，且并未完全认清污染物在破碎岩石含水层的输移活动，这些都对地下水保护分区策略的实施产生阻碍。在撒哈拉以南非洲地区进行能力建设，培养技术熟练的地下水专业人士十分必要。

(4)数据缺乏。撒哈拉以南非洲地区地下水方面的相关数据严重缺乏，而这些数据和实施风险评估、脆弱性地区的图绘以及区域划分关系密切。

(5)地下水开发范围。许多对于社会生活十分重要的含水层一般都是低产量的单井，而不是高产量的井田。而正是这些农村地区的低产量单井同时又是重要的社会生活资源供给单位，因此需要更高级别的保护。而这需要耗费更多的时间，且实施难度更大。

(6)法律框架发展的水平。总的来说，在非洲撒哈拉以南大部分国家里，没有相关的法律法规来促进这一策略的实施。虽然南非已经进入了政策制定阶段，他们仍然对实施这些法律的底线存在争议。这也可能是人员配备不足，技术力量匮乏、制度框架不健全以及资金缺乏的后果。NWA引入了很多发达国家的立法，然而，要加强本国的法律法规可能仍然十分困难，因为南非还属于发展中国家。在南非，尽管相关立法已经到位，但实施地下水资源保护的政策总体上滞后于立法框架。

(7)缺乏部门整合。另一个严重阻碍因素是整个非洲大陆水资源管理，包括地下水管理部门之间缺乏一体化。这种现象十分明显，尽管提出了一些倡议，如建立流域组织、湖泊组织等等。随着非洲水资源部长会议(AMCOW)下属的非洲地下水委员会的建立，这一状况将会得到改善，使地下水成为保证非洲广大农村地区用水安全的基础。

5 取得的进展

为了提供可靠、清洁、安全的水资源，非洲地下水从业者需要解决如下几个问题。

首先，地下水开发者应该保证地下水资源有合适的清洁密封和井口保护机制，并将井眼布置在点源污染的水力坡度之上。应该勘查深层含水层，建设质量好的钻井(套管长度适中并且清洁密封)。从UNEP-UNESCO牵头的项目可以看出，较容易开发的浅层含水层已经受到污染，需要通过勘查找出替代资源。

在非洲的大部分国家，对地下水状况的认识十分有限。需要进行全面的勘查和水利普查，得出各种现有设施(地下水使用、打井、污染问题、水资源潜力)的基础技术数据，以确定含水层污染脆弱性和次表层污染荷载。在进行这些评估期间，可以优先开展和启动保护措施。

很多国家都有必要更加关注地下水监测项目，获取定性和定量数据，特别是开展微生物的定性监测。这将有助于获得更为清晰的水资源状况的认识，帮助保护措施的规划。

因此，需要针对那些对社会生活重要而且产量高的井田，制定适宜的管理计划。一个管理规范的常规系统可以帮助及时发现问题，以避免情况进一步恶化。

目前，非洲大陆岩土工程技术力量严重不足，这一问题也急需解决。就污染输移的研究来看，非洲的硬岩含水层十分复杂。为了充分了解地下水和污染物在双孔隙系统中的输移，需要通过复杂的设计与合理的试验进行研究。这一研究花费很大且需要技术过硬的人员进行操作。

由UNEP-UNESCO牵头的项目结果表明，分区保护对土地使用的限制，其合理性可以从技术方面得到论证，但也要求精确划分出高含量微生物污染源的区域。研究同时指出，需要对土地使用规划和岩土工程绘图进行整合，以便在城市日益扩张的情况下减小污染，更好地保护地下水资源。

最后，也是最高级层面上的，在水资源周围实施土地使用限制必须与公众参与计划相结合，从而增强当地社区水质意识。同时还需要考虑对社区的社会经济、环境、健康和服务提供等的影响。

6 结语

很显然，由于人口快速增长，农业集约化程度提高和土地使用活动改变，浅层地下水正面临着很大的污染风险。

分区保护可以提供技术上讲更为精确、置信水平更高、污染物防范范围更广的保护，但是，从撒哈拉以南非洲地区当前的社会、经济和制度现状来看，分区保护可能并不是当前寻求和实施地下水保护的最可行方案。最小安全距离的理念仍然是现如今最可行的方法，可以为紧邻地下水源的区域建设立第1道防线。当然，实施这种策略不应该停止建立更高级别的保护策略，如分区保护，以便于远期实施和取得长远效益。

联合国相关部门和其他机构进行的研究对了解非洲地下水资源状况很有益，并有助于确定含水层差异化保护策略，包括分区保护策略等。尽管如此，必须高度重视撒哈拉以南非洲地区地下水管理中存在的差距，并在不远的将来予以研究处理。只有这些问题都得到妥善解决，地下水资源管理的目标才能得以实现，包括成功实施地下水的差异化管理。