浅论地下水污染源强

蔡五田

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定 071051)

环境部公益行业科研项目“地下水污染源强评价、分类及防控技术研究”提出，通过分析我国地下水污染源类型、分布、污染物构成、污染途径、水文地质条件及环境影响因素，构建我国地下水污染源强定量、半定量评价方法、评价指标体系及主控因子识别方法，提出基于地下水污染源强评价的分类防控技术，为我国地下水污染环境管理提供科技支撑的目标任务。作为项目参加人员，作者从2012年立项开始，就不断思考“地下水污染源强”这一新概念的寓意。基于多年来对国内外土壤和地下水污染理论、调查技术、风险评价文献资料跟踪，以及对国内不同类型污染场地调查实践与认识，提出了地下水污染源强的定义、分类、识别方法与量化表征方法，旨在抛砖引玉，与环保部的同行共同探讨地下水污染科学问题，趋同认识。

1 几个概念的界定

在论述地下水污染源强之前，首先要对地下水、污染源、地下水污染源、污染源强这几个术语进行界定，这是论述的基础，否则容易引起歧义和论述混乱。

1.1 地下水

目前，主要有两种定义，一是将赋存于地面以下饱水带中的重力水定义为地下水。这一定义包括饱水带中的潜水和承压水，地下水的潜水面或第一个承压含水层的顶板面为地下水的上界面。这是数十年前，从地下水开发利用的角度提出的一个定义。这一定义不仅是我国水文地质学基础教科书中给出的传统地下水的定义［1］，也是美国、加拿大、联合国教科文组织经典教科书、地下水污染调查技术手册等给出的定义［2～5］。二是将赋存于地面以下的水定义为地下水。这一定义包括土壤水、包气带水、上层滞水、饱水带重力水(潜水和承压水)。这是近十年来，从自然界面(地面)，特别是生态需水的角度提出的一个定义。这一定义涵盖的土壤水和包气带水是我国现代水文地质学研究的对象［1］，国际标准化组织、澳大利亚等国使用了这一定义［6～9］。作者倾向于采用第一种定义，理由有二:一是，国外经典的教科书与国际水文地质学术交流对地下水的表述与第一种定义相同，应该与国际接轨，保持一致;二是，从目前我国开发地下水的经济技术条件以及公众对地下水认知程度来看，地下水的表现形式就是水井中的水及泉水，其他形式的地下水如第二种定义中的土壤水、包气带水等，在我国现状经济技术条件下，尚难以大规模开发利用。

1.2 污染源

污染源是污染物发生源，通常是指产生或向环境排放、释放有害物质的场所、过程、人类活动、设施、装置、环境介质等［5，10］。

污染源可按照不同的属性划分。按污染源的几何展布形状分为点状、线状、面状污染源。按污染源发生位置至上而下分为空中污染源(如烟筒、大气尘埃等)、地面污染源(如路面、生产车间、污水塘、污染的表层土壤等)、包气带污染源(如地下漏油罐、污染的深部土壤)、饱水带污染源(如 LNAPLs、DNAPLs、污染的含水层介质等)。按污染源中污染物的化学类别分为有机物污染源、无机物污染源、混合物污染源。按污染源是否具有放射性物质分为放射性污染源与非放射性污染源。按污染源释放污染物的作用方式，分为脉冲或间歇式污染源(如受降雨入渗控制的固体废渣堆)和连续式污染源(如污水渠)。按污染源产业来源分为工业污染源、农业污染源、军工污染源、商业污染源、生活污染源等。

从地下水污染防控角度考虑，作者建议按照污染源发生位置和污染物物理化学性质组合方式来划分污染源。如地表存在的重金属污染源，包气带存在的挥发性有机物污染源，地下水潜水面存在的LNAPLs污染源，包气带及饱水带存在的DNAPLs污染源。

1.3 地下水污染源

污染物通过不同途径和方式进入或可能进入地下水的污染源称为地下水污染源，即与地下水有物质或能量交换的污染源才是地下水污染源。

污染物进入地下水的途径和方式有:入渗途径如降雨入渗、地面水体入渗等;对流-弥散途径如包气带VOCs扩散、饱水带抽水混合等;溶解方式如LNAPLs与DNAPLs中可溶性污染物溶解进入地下水等;解吸方式如由于地下水潜水面的波动，吸附在土壤中污染物解吸进入地下水中。

一个污染源是否为地下水的污染源，一般要通过辨析方法进行识别和分析。辨析方法一般有途径调查法、动态监测法、同位素源解析法等。

1.4 污染源强

污染源强是对污染物发生源强度的度量。目前，在我国建设项目环境影响评价中广泛采用单位时间向环境排放污染物的量来表示污染源强的大小［11］。作者赞同并采用这一度量方法来表示地下水污染源强。

2 地下水污染源强的定义

依据地下水、污染源、污染源强的概念，作者给出地下水污染源强的定义:单位时间内污染源向地下水中排放、排泄或迁移转化污染物的质量。同其他物理量一样，地下水污染源强是一个随时间和空间变化的量。地下水污染源强，既可由单个的地下水污染源构成，也可以由多个地下水污染源构成。

由于污染源与地下水之间的联系途径和方式不同，地下水污染源强，既可以小于污染源本身的强度，如地面污染源及包气带污染源向下渗入过程中污染物浓度的衰减，也可以等于污染源本身的强度，如饱水带污染源中污染物直接扩散到地下水中、地面污染源通过岩溶区竖井倾泻到地下水中的情况。

3 地下水污染源强的分类

地下水污染源强的分类，原则上与污染源属性分类一致，几种常用分类方法是:

按地下水污染源分布位置分类，可分为地面地下水污染源强、包气带地下水污染源强和饱水带地下水污染源强。

按地下水污染源的相态分类，可分为气态地下水污染源强、液态地下水污染源强、固态地下水污染源强，其中液态地下水污染源强又分为水相地下水污染源强和非水相(NAPLs)地下水污染源强。

按地下水污染源强度变化趋势分类，可分为衰减型地下水污染源强、增强型地下水污染源强和平稳型地下水污染源强。

4 地下水污染源及源强识别

可采用资料信息收集、现场调查、动态监测、模拟试验等手段识别地下水污染源及源强特征。

4.1 资料信息收集

主要收集污染物生产、传输、储存、处置等源流过程，了解代表性污染物的物理、化学及其在土水环境中的行为性质(吸附、降解等)，收集类似污染场地调查案例资料。

4.2 现场调查

采用地面、现场快检、遥感、地球物理勘查、钻探取样、微观分析等调查技术手段，调查地面及可见污染源的位置、几何展布形状、规模，污染物排放方式、排放量，识别污染源区包气带、饱水带岩性、结构、分布特征，采集污染源、岩土及地下水样品，分析并确定污染物主要组分及其分布特征。

4.3 动态监测

监测大气、地面、浅地表可见污染源在规模、分布形式、强度等时空变化，监测土壤、深部土层及地下水中主要污染物组分种类、浓度及其分布的时空变化，从总体上把握地下水污染源强强度及性质的变化。

4.4 模拟试验

在资料收集、现场调查、动态监测的基础上，选择符合场地条件的数值模拟软件，或设计符合场地条件的柱/箱体模拟试验，分析地下水污染源从地面或包气带传递到地下水的过程，与现场调查、监测结果对比，识别地下水污染源强的主控因子，以及地下水污染源强的状态特征。

5 地下水污染源强的量化方法

依据地下水污染源强定义，可以用单位时间内某种污染物进入地下水的质量表示，也可以根据质量守恒定律，用单位时间内地下水中污染物质量变化表示。

地下水污染源强有气态、液态、固态三种相态，其中液态中又存在非水相液体(NAPLs)。无论气态还是固态，最终转化为水溶态物质，才会对地下水产生不良影响。此外，地下水污染源处于不同的位置，有的通过包气带间接对地下水产生影响如地面污染源，有的直接对地下水产生影响，如漂浮于潜水面上的LNAPLs污染源。依据地下水污染源强的相态和分布位置可以组合成多种方式。在此，仅就3种组合方式给出地下水污染源强的量化方法。

5.1 地面及包气带水相地下水污染源强

这类污染源主要是存在于地面或近地表排污系统的污水、废水、污染的池塘水、污灌渠水等。这类污染源中的污染物需要经过两个过程才能进入地下水，首先是污染源泄漏污染物到包气带中，然后是污染物经过包气带岩土进入到地下水中。

单位时间内泄漏到包气带中污染物的质量，可通过两种方法计算。一是根据污染源的展布情况，以点强度(单位时间、单点污染物的排泄量)、线强度(单位时间、单位长度污染物的排泄量)、面强度(单位时间、单位面积污染物的排泄量)与点、线、面的数量乘积计算。二是根据污染源区污染水中污染物的浓度与单位时间污染水入渗量乘积计算。污染源区污水中污染物的浓度，采用实测法测量。单位时间污染水入渗量，既可用污染源区污水体积与污水入渗系数(用降水入渗系数近似代替)乘积计算，也可用单环或双环渗水试验确定［12］。

单位时间内污染物经包气带岩土进入到地下水中的质量，受污染水入渗量、污染物环境行为性质(污染物吸附性、生物降解性)、包气带岩土性质及结构、地下水埋深等多种因素的影响。要量化这一物理量，可采用两个方法:一是定量数值模拟方法。依据文献资料、场地污染调查与现场试验结果，建立污染场地概念模型，确定降水入渗系数、污染物水土分配系数(Kd)、污染物降解速率、包气带岩土的渗透系数(K)等，运用与概念模型相匹配的数值模拟软件如美国的HYDRUS［13～14］，英国的ConSim［15］等模拟输出污染物到达地下水面的浓度。二是半定量赋值打分法。采用一个无量纲的调整系数，与单位时间内地面及包气带水相污染源排泄污染物的质量相乘，得到地面及包气带水相污染源强。即:

式中:SIw——地面及包气带水相地下水污染源强/(kg·a-1);

Mw——单位时间内地面及包气带水相污染源排泄污染物质量/(kg·a-1);

Dw——调整系数(0≤Dw≤1)。

调整系数(Dw)与场地污染水入渗量、污染物在包气带环境的行为(污染物吸附性、生物降解性)、包气带岩土性质及结构、地下水埋深等因素有关。可根据我国不同地区场地污染条件，首先采用单因素变化情况或值域变化范围打分赋值，再考虑各因素权重及相互作用方式，以数学表达式计算出一个调整系数值。污染水入渗量，按不同场地年污水入渗量划分，并赋值打分。污染物吸附性，可按污染物水土分配系数(Kd)值划分并赋值打分。污染物生物降解性，可按污染物在土壤中降解速率(d-1)或半衰期(d)划分，并赋值打分。包气带岩土性质及结构，首先根据我国包气带岩土介质性质及结构分类(如孔隙区、裂隙区、岩溶区)，然后再依据不同区岩性组合特征(如黏性土层、黏性土-砂土层二元结构层、黏性土与砂土层混合层、砂土层，裸露岩溶层、黏性土-岩溶层、砂土-岩溶层、裸露裂隙层、黏性土-裂隙层、砂土-裂隙层、裂隙-岩溶层等)赋值打分。地下水埋深，可根据我国潜水埋深值赋值打分。

5.2 地面或近地表固相污染源强

这类污染源主要是堆积在地面或近地表的固体废渣、污染的表层土壤等。在这类污染源中，污染物主要经过包气带岩土进入到地下水中。这类地下水污染源强可用式(2)表征:

式中:SIs——地面或近地表固相污染源强/(kg·a-1);

Ls——单位时间内固相污染源转化为水相污染物质量/(kg·a-1);

Ds——调整系数(0≤Ds≤1)。

式(2)中Ds的量化方法与式(1)中Dw相同。式(2)中Ls可用污染源区土壤水中污染物的平均浓度与年降水入渗补给量乘积计算得出。污染源区土壤水中污染物的平均浓度，可采用实测法(如实测垃圾滤液污染物的浓度)或可通过固体废物毒性浸出实验获得［16］，也可通过污染物水土分配浓度计算式［17］近似得出，即:

式中:Ms——污染源区土壤水中污染物的平均浓度/(mg·L-1);

Ss——污染源区土壤中污染物的平均浓度/(mg·kg-1);

Kd——平衡时污染物在水土中的分配系数/(L·kg-1)，与污染物性质、土壤性质有关。

5.3 非水相液态污染源强

这类污染源为溶解在非水相液态溶剂中的污染物如LNAPLs、DNAPLs。这类地下水污染源强用式(4)表征，即:

式中:SINW——非水相液态污染源强/(kg·a-1);

MNw——非水相液态污染物释放到地下水的质量/kg;

t——污染时间/a。

式(4)中MNw，由受非水相液态污染源污染的地下水的体积与污染组分在水溶液中的浓度乘积计算得出。受污染的地下水的体积，可近似用非水相液态污染源的体积代替。污染时间t，可依据污染事件发生年份至评估年份确定。污染组分在水溶液中的浓度，可采用简化的饶氏定律(Raoult’s Law)［18］计算，即:

式中:Ci——非水相液态混合物中某有机污染组分i平衡时摩尔浓度/(mol·L-1);

Si——某有机污染组分i纯态时在水溶液中的溶解度/(mol·L-1);

Xi——某污染组分i在有机相中的摩尔分数(无量纲)。

6 结论

地下水污染源强是单位时间内污染源向地下水中排放、排泄或迁移转化污染物的质量，是一个随时间和空间变化的一个物理量。

地下水污染源强与污染源在分类上具有相似性，可根据几何展布形状、分布位置、物理化学性质、释放方式、产生来源、强度变化等进行分类。其中，按照分布位置、相态分类是最常用的分类方法。

地下水污染源强及其特征可通过资料信息收集、现场调查、动态监测、模拟试验等手段进行识别。

地下水污染源强，既可以采用数学公式及模拟手段定量表征，也可以采用半定量或简化方法表征，这取决于地下水污染监管和控制要求和场地资料的精度。

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