傍河水源地地下水污染风险评价

郑 尚，刘国东，王 亮，邱云翔，胡立春

(1.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065；2.四川大学水利水电学院，成都 610065)

傍河水源地是指建立在常年性河流旁侧，主要依靠河流入渗补给的地下水水源地。傍河水源地具有水量充足、水质良好和便于集中开采等优点，在水资源紧缺地区具有较大的开发潜力[1]。我国目前大约有300个傍河水源地[2]，可见傍河开采地下水已经成为一种重要的地下水开发模式。但由于河流沿途可能接受到农业、生活以及工业污染源的影响，河流在为地下水水源地提供充足水量的同时也成为了傍河水源地的污染源。该类水源地具有补给充足、水质优良和供水量稳定等优点[3]，因此难以在短时间内被替代，而水源地一旦发生污染，将危及人们的健康，可能造成较大的社会影响。运用风险理论进行地下水污染风险评价是一种有效的地下水环境管理手段，许多学者在地下水污染风险方面进行了研究。如李如忠[4]利用模糊集理论对城市水源健康风险进行评价，史良胜[5]等利用随机配点法评价地下水污染风险，但针对傍河水源地为对象的地下水污染风险的研究很少。因此为了更好管理傍河水源地，研究傍河水源地地下水污染风险评价方法十分必要。

1 傍河水源地地下水污染风险评价概念模型

根据傍河区地下水的埋藏特点和风险灾害理论，构建傍河水源地地下水污染风险评价概念模型，确定源地价值。概念模型综合考虑了污染源、污染物传播途径及污染受体，同时考虑了水源地的自然属性(傍河水源地地下水污染风险主要受4个方面影响：河流危险性、地下水脆弱性、地下水水质容量指数和水地下水脆弱性、水质指标环境容量)以及社会属性(社会价值)，比仅考虑“脆弱性”及“污染物危害性”为基础的风险评价模型更为合理。概念模型结构见图1。

1.1 河流危险性H

由于傍河水源地主要受河流入渗补给这一特殊性质，所以河流往往成为水源地地下水污染风险的来源，上游接受的污染物可能随着河流迁移至水源地附近，并通过下渗的河水污染水源地，可见河水水质越差、河流与水源地联系越密切，水源地存在的风险越大，因此选择地下水源地河流补给系数、上游工农业发展程度、河流水质现状、河流年均流量及水源井与河流平均距离共5个因子作为河流危险性的评价依据。其中，地下水源地河流补给系数反映了河流对地下水的影响程度，用河流补给量占地下水开采量的比例表示，分配权重0.3；上游区工农业发展程度反映河流受到污染的概率和污染物的毒性；河流水质现状、河流年均流量及水源井与河流平均距离3个因子反映河流承受污染事件的能力和水源地的响应时间。指标分级详见表1。河流危险性H计算方式如下：

(1)

式中：αi为指标i权重；hi为指标i评分值；m为指标因子个数。

层次分析法是目前应用较为广泛的权重确定方法，具系统性、简洁性、实用性及灵活性等特点，具体步骤参见文献[6]，因此本文采用层次分析法进行河流危险性指标的权重分配。

1.2 地下水脆弱性V

地下水脆弱性是指人类活动产生的污染物进入地下水含水层，由于含水层自然保护能力的差异，一些地区比其他地区易遭受污染的特性[7]。地下水脆弱性的评价方法较多，如DRASTIC、GOD、PI和VULK等，其中DRASTIC方法应用最为广泛。但由于DRASTIC模型忽略了各指标之间的关联性等问题，不能反映傍河水源地的防污特性，因此本文以DRASTIC模型为基础进行一定的修正，以用于傍河地下水水源地脆弱性评价。首先，傍河水源地主要接受河流入渗补给，所以可以忽略土壤介质的影响；其次，由于傍河地下水水源地含水层孔隙度较大，连通性较好，水力传导系数均较大，因此也可忽略其影响；最后，水源地以开采地下水为目的，而开采系数是表征在保证可持续开采的基础上，地下水开采量占可开采量比例的指标，因此需增加地下水开采系数指标。综上，构建的DRATIG模型包含：地下水埋深D、含水层净补给R、含水层岩性A、地形坡度T、包气带介质I以及地下水开采系数G6项指标，其中地下水埋深及地形坡度采用DRASTIC模型的分级指标，其余指标根据傍河水源地的特点进行分级并赋值，详见表2。地下水脆弱性V利用式(1)计算，各因子权重采用层次分析法计算。

图1 傍河水源地地下水污染风险评价模型Fig.1 Groundwater pollution risk assessment model in riverside water source

地下水源地河流补给系数/%上游工农业发展程度河流水质现状河流年均流量/(m3·s-1)水源井与河流平均距离/m分值0～20农业不发达、工业不发达Ⅰ>100>200120～40工业不发达、农业较发达Ⅱ100～50100～200240～60工业较发达、农业较发达Ⅲ50～2050～100360～80工业较发达、农业发达Ⅳ20～520～50480～100工业发达Ⅴ5～00～205

1.3 地下水水质容量指数C

水源地主要以供水为目的，因此主要以《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)所规定的各类指标限值为标准，用每个监测指标的标准值与现状值之差占标准值的比例作为各指标的水质容量指数qi[8,9]。指标的水质容量指数越大，表明在不影响地下水使用价值的条件下该指标可接受的污染程度越大，计算方法见式(2)，当某一指标值超出标准值时，该指标的容量指数取为0。将各指标的容量指数综合后得到地下水水质容量指数C，计算方法见式(3)。

qi=(Cis-Cic)/Cis

(2)

(3)

式中：Cis为指标i的标准值；Cic为指标i的现状监测值；qi为指标i的容量指数，当待计算指标为pH时，qi=min{|Cic-6.5|,|Cic-8.5|}；当仅有一个监测点时C′i=qi，当有多个监测点时，C′i为指标i计算结果qi的最小值；C为地下水水质容量指数，显然，C的取值范围在0到1之间，因此以0.2为间隔，将C划分为5个等级，对应的地下水水质容量依次为低(0～0.2)、较低(0.2～0.4)、中(0.4～0.6)、较高(0.6～0.8)及高(0.8～1.0)，相应分值依次为1、2、3、4、5。

1.4 水源地价值W

水源地的价值主要体现在供水人口和供水地区的人均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严重。将水源地的供水人数和供水地区人均GDP划分5个等级，同样采用式(1)进行水源地价值计算。依据各指标重要性进行权重赋值，确定供水人口权重、供水地区人均GDP权重依次为0.7、0.3。地下水水源地价值分级及评分见表3。

1.5 地下水污染风险指数R计算

由前所述，河流危险性和地下水脆弱性得分越高，水源地污染风险越大；水源地价值评分值越高，水源地遭受污染后损失越大；相反，地下水水质容量指数C越大，所能容纳的污染物越多，地下水污染风险越小。因此，傍河水源地地下水污染风险指数R可用下式表达：

(4)

式中：H为河流危险性，H∈(1，5)；V为地下水脆弱性，V∈(1，10)；C为地下水水质容量指数，C∈(1，5)；W为水源地价值，W∈(1，5)。

将风险指数R分为5个等级，其风险程度依次为低(0～0.5)、较低(0.5～1.3)、中(1.3～2.5)、较高(2.5～4.0)、高(4.0～6.3)。

2 实例分析

2.1 研究区概况

西窑水源地位于晋中榆次区，属于潇河河漫滩及1级阶地，目前共有供水井18眼，日供水量约34 344 m3，其中潜水井11口，日开采量约21 822 m3，水源地傍河取水区水位埋深0.5～1.5 m，是典型的傍河取水水源地。潇河发源于昔阳县沾尚马道岭，全长130 km，其中水源地以上长80 km，流域面积2 700 km2，水源地上游主要流经昔阳和寿阳，多年平均流量为4.03 m3/s，最大洪水流量为788 m3/s，最小流量为0.27 m3/s[9]。潇河流域区内普遍干旱缺水，多年平均降水量为483 mm，其中汛期降水量约占全年的70%。

2.2 西窑水源地地下水污染风险评价

(1)河流危险性分析。西窑水源地上游段主河道村庄分布，农业发达，无城市发展，其支流白马河穿越寿阳县，寿阳县工业园位于白马河东侧，最近距离小于1 km，极可能产生工业污染源；根据水质监测结果，潇河主河道水质达到Ⅲ类水标准；西窑水源地11口潜水井与河流平均距离为47.4 m；河流入渗补给量约14 630 m3，占水源地开采量的42.6%。利用公式层次分析法，地下水源地河流补给系数、上游工农业发展程度、河流水质现状、河流年均流量及水源井与河流平均距离权重依次为0.35、0.17、0.15、0.06、0.27，利用式(1)进行计算，得西窑水源地地下水危险性H=3.56。

(2)地下水脆弱性分析。依据构建的地下水脆弱性DRATIG评价方法，结合西窑水源地实际情况，西窑水源地脆弱性V=8.074，具体特性见表4。

(3) 地下水水质容量指数C计算。2015年6月，对西窑水源地井群中2口供水井取样进行水质调查，结果显示除挥发酚类(以苯酚计)与《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)中标准相等，其余指标均未超出标准，地下水水质监测结果见表5。利用式(2)和(3)计算，得地下水水质容量指数C=2。

(4)水源地价值W分析。根据晋中市2014年国民经济和社会发展统计公报，2014年晋中市人均GDP为31434元。西窑水源地是榆次区三大供地下水水源地之一，供水人口约8.5万。利用式(1)计算得W=3.7。

(5)西窑水源地地下水污染风险R。根据各项风险指标计算得到西窑水源地地下水污染风险值R=2.05，因此该水源地地下水污染风险程度“中”。

3 结 语

(1)根据傍河水源地特殊的地理位置与环境，建立傍河水源地地下水风险评价概念模型，构建以河流危险性、地下水脆弱性、地下水水质容量指数及水源地价值为评价因子的傍河水源地地下水污染风险评价体系，并确定了各因子的计算方法、权重及分值，定义了傍河水源地地下水污染风险计算模型，具有一定的应用价值。

表4 西窑水源地脆弱性计算Tab.4 Calculating table of vulnerability in Xiyao water resource

表5 地下水现状监测结果Tab.5 Result of groundwater quality monitoring

(2)以潇河傍河区榆次西窑水源地为研究对象，利用构建的评价体系进行风险评价结果表明地下水污染风险程度为“中”。潇河为山区河流，潜在污染源较少，且现状水质较好，水质容量指标较高，同时西窑水源松散岩类含水层下伏二马营组砂岩含水层，地下水越流补给和侧向补给强烈，因此西窑水源地地下水污染风险等级为“中”符合实际情况。

(3)本文构建的风险模型能很好的确定傍河水源地地下水污染风险等级，对于地下水水源地风险等级不高的水源地，仍然需要考虑河流的极易受污染这一特性，针对可能的突发情况，如工业偷排、非正常工况或事故工况下污水泄漏等导致河流污染后进一步导致水源地污染，使水源地失去饮用功能的情况，傍河水源地应做好提前预警和定期水质监测，在上游发生突发环境事件的情况下，应提前关闭水源地抽水井，才能更有效的防止水源地地下水污染。

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

[2] 刘佩贵,束龙仓.傍河水源地地下水水流数值模拟的不确定性[J].吉林大学学报(地球科学版), 2008,38(4):639-643.

[3] 刘国东,丁 晶.傍河水源地地下水资源评价方法述评[J]. 水科学进展, 1998,9(3):289-295.

[4] 李如忠.基于不确定信息的城市水源水环境健康风险评价[J].水利学报,2007,38(8):895-900.

[5] 史良胜,唐云卿,杨金忠.基于随机配点法的地下水污染风险评价[J].水科学进展, 2012,23(4): 529-538.

[6] 程 远,刘志彬,刘松玉,等.基于层次分析法的大跨浅埋公路隧道施工风险识别[J].岩土工程学报, 2011,33(增刊1):191-195.

[7] 孙才志,朱 静.下辽河平原浅层地下水环境风险评价及空间关联特征[J].地理科学进展, 2014,33(2):270-279.

[8] 李小牛,周长松,周孝德,等.污灌区浅层地下水污染风险评价研究[J].水利学报, 2008,45(3):326-342.

[9] 曹留昆,孙 伟,蒋学林.榆次西窑水源地三叠系刘家沟组裂隙水分析[J].科技情报开发与经济, 2004,14(5):152-153.