平原河网区地下水污染风险评价体系及其应用

吴建强，王 敏，黄沈发，龚静香，郭晋川，陈建国，阮俊杰，蔡卓尔，鄢忠纯

(1.上海市环境科学研究院，上海 200233； 2.上海市城市建设工程学校(上海市园林学校)，上海 200232； 3.广西壮族自治区水利科学研究院广西水工程材料与结构重点实验室，广西 南宁 530023； 4.华东理工大学中德工学院，上海 200237)

我国有400多个城市以地下水为饮用水源[1]，然而随着工农业生产、社会经济和城市化的高度发展，地下水环境压力逐渐增大，污染形势日益严峻。据统计，我国80%的浅层地下水和30%的深层地下水已受到不同程度的污染[2]。由于地下含水介质的隐蔽性和埋藏分布的复杂性，要解决不断出现的地下水污染问题，很多国家采取“以防为主、防治结合、防重于治”的方针。地下水污染风险的识别及评价是预防地下水污染最有效的方法之一[3-4]。

目前地下水污染风险尚无统一、严格的定义，学者从不同的角度给出了地下水污染风险的概念。Hanen等[5]将地下水污染风险定义为地下水环境中污染发生的可能性；刘增超等[6]认为地下水污染风险是指含水层中地下水由于其上人类活动而遭受到不可接受水平的可能性，是含水层污染脆弱性与人类活动造成的污染负荷相互作用的结果；滕彦国等[7]将地下水污染风险定义为地下水污染概率与污染后果之乘积。然而，不管何种定义，都是将地下水作为受体，表征受体自身的敏感性与外来污染源共同作用的结果，其中自身敏感性即为含水层的脆弱性。1993年美国环保局(U.S. Environmental Protection Agency，EPA)和国际水文地质协会(International Association of Hydrology，IAH)将地下水脆弱性分为两类：一类是本质脆弱性，即只考虑水文地质内部固有因素的脆弱性；另一类是特殊脆弱性，即地下水对特定的污染物或人类活动所表现出的敏感性[8]。脆弱性评价方法主要有迭置指数法、过程数学模拟法、统计方法以及模糊数学方法等[9-11]。其中指数法中的DRASTIC模型应用较多，后常与GIS技术结合，被世界多国广泛使用[12-13]。然而DRASTIC模型的7个指标主要还是以固有水文地质条件为主，缺少对研究区域内影响水文地质条件特殊性的考虑，即地下水的特殊脆弱性，因而在实际应用中对于地下水脆弱性的评价不够全面，需要根据区域的特殊性质对其修正[14]。左海凤等[15]指出DRASTIC指标法在地下水脆弱性评价中缺乏人类活动影响的缺点并对其进行了改进，增加了土地利用变化影响等因素。罗婷等[16]对成都青白江地区的地下水脆弱性评价中，将三氮污染物及其来源作为特殊脆弱性因子进行评价。虽然脆弱性评价能反映地下水系统对污染物的敏感程度和抗污能力，但不能体现污染源对地下水的影响。随后更多学者考虑人为活动污染对地下水的影响，如英国在地下水污染风险评价中增加了污染载荷影响评价，包括人为污染源的类型、位置、规模以及污染物的迁移转化规律等[17-18]。卞建民等[19]在DRASTIC模型的基础上增加了地下水开采强度、土地利用等因素；刘香等[20]在DRASTIC基础上增加了污染源影响作为参考指标；江剑等[21]综合考虑含水层脆弱性及污染源灾害分级对北京市海淀区进行地下水污染风险评价。然而，这些研究中地下水抗污能力的评价都是基于DRASTIC模型，且其关于地表污染源的评价也较为简单，缺乏系统的地下水污染风险评价指标体系，不能全面反映区域地下水污染风险。

平原河网地区河流密布，城市化程度高。一方面地表水体水质较差，与地下水补给交换会影响浅层地下水水质；另一方面大量的地下工程会直接或间接地改变地下含水层特性及水文地质条件。常规的DRASTIC模型难以准确评价这些区域地下水的脆弱性，应综合考虑区域水文地质条件、地表水系、地下工程，并叠加地表污染源开展地下水污染风险评价，目前尚无相关研究报道。本文针对平原河网地区特征，建立包含地下水本质脆弱性、地表水系和地下工程特殊脆弱性以及污染源荷载的地下水污染风险评价体系，以期为区域地下水污染的有效防控提供参考。

1 地下水污染影响因素

地下水污染主要受地表污染源、土壤、包气带、含水层以及人类活动等影响，污染源通过降雨淋溶、水体交换、入渗等途径，经土壤、包气带后进入地下含水层，表现为自然因素和人为活动共同影响地下水的脆弱性和污染风险。具体影响因素及关键表征见表1[22-23]。

表1 地下水污染影响因素及其表征

2 平原河网地区地下水风险评价体系

2.1 指标体系构建

整个地下水污染风险评价体系分为地下水脆弱性评价和污染源荷载评价两部分(图1)。其中，脆弱性评价包括7个本质脆弱性指标(DRASTIC模型)和6个特殊脆弱性指标，特殊脆弱性指标重点考虑地表水系和地下工程。污染源荷载选取污染物毒性、污染源释放可能性和可能释放量3个指标来进行评价。

本质脆弱性综合指数由地下水埋深、净补给量、含水层厚度、土壤带介质、地形、包气带介质和水力传导系数的指标值加权求和得到。特殊脆弱性综合指数的计算方法与本质脆弱性方法相同，由河流水质、河网密度、河流等级、建设时间、建设深度、防渗等级的指标值加权求和得到。区域综合脆弱性指数由本质脆弱性综合指数和特殊脆弱性综合指数加权求和得到。单个污染源荷载指数为污染物毒性、污染源释放可能性和污染物可能释放量的乘积。综合污染源荷载指数由不同污染源荷载指数加权求和得到。叠加地下水综合脆弱性、综合污染源荷载指数得到地下水污染风险防控值，即地下水污染风险防控值等于区域综合脆弱性指数乘以综合污染源荷载指数。

2.2 指标等级划分和赋值方法及权重确定

本质、特殊脆弱性指标等级划分及赋值应根据评价区域水文地质条件确定。污染源载荷指标等级划分及赋值主要依据污染源类型及其生产规模确定，评价区主要的地下水污染源及指标评分见表2。

采用层次分析法结合专家打分法确定地下水脆弱性评价指标的权重值并进行归一化处理，得到地下水埋深、净补给量、含水层厚度、土壤带介质、地形、包气带介质和水力传导系数的本质脆弱性评价指标权重分别为0.217、0.174、0.131、0.087、0.043、0.217、0.131；地表水系河流水质、河网密度、河流等级、地下工程建设时间、建设深度、防渗等级的特殊脆弱性评价指标权重分别为0.485、0.333、0.182、0.292、0.184、0.524。重点污染源中工业、垃圾填埋场、石油销售、畜禽养殖场的指标权重分别为0.333、0.199、0.286、0.182。

3 应用

3.1 金山区概况

金山区位于上海南端、杭州湾北沿，陆地面积636.44 km2，全境地势低平，地面高程3.0～6.5 m(吴淞高程)。区内河网密布，工业企业和园区众多，尤其是杭州湾沿岸，集聚了上海市多个化工类工业园区。依据上海市水文地质分区，东侧小部为滨海平原和潮坪地貌Ⅰ区，中部大部为湖沼平原Ⅲ区，金山区西北角为湖沼平原Ⅳ区。Ⅰ区的浅部以粉性土、砂土为主，有利于污染物垂向、水平向迁移；Ⅲ区的浅部无粉性土、砂土分布，不利于污染物迁移；Ⅳ区的浅部有厚层硬黏性土分布，污染物无法向下穿越。

图1 地下水污染风险评价指标体系表2 不同污染源类型荷载评分

污染源类型内容T评分L评分Q评分工业石油、炼焦、金属冶炼及加工、皮革制品等0.2～3.0(依据原料及产品差异确定,毒性越高,分值越高)0.2～1.0(依据经营时间及有无防渗措施)0.1～1.2(依据废水排放量)垃圾填埋场生活垃圾、农业垃圾、建筑垃圾等1.50.1～1.0(依据建设时间及防护等级)0.4～0.9(依据填埋容量)石油销售加油站、储油库等2.50.1～1.0(依据建设时间及罐体类型)0.6(单个地下储油罐)畜禽养殖场鸡、牛、猪等规模化养殖场1.00.3～1.0(依据建设时间及有无防护措施)0.1～1.0(依据废水排放量)

注：T评分为污染物毒性指标赋值；L评分为污染源释放可能性指标赋值；Q评分为污染物可能释放量指标赋值。

3.2 金山区地下水脆弱性评价

3.2.1指标等级划分和赋值

结合文献[24]及指标数据分析，确定潜水含水层DRASTIC模型中地下水埋深、净补给量、含水层厚度、土壤带介质、地形坡度、包气带介质和水力传导系数7个本质脆弱性指标和地表水系、地下工程6个特殊脆弱性指标的等级划分，并给出相应评分值见表3和表4。

3.2.2脆弱性评价结果

根据计算结果，采用GIS软件自动分级划分，可得到评价区的本质脆弱性、地表水系和地下工程特殊脆弱性及综合脆弱性分区结果，分为“低”“较低”“中等”“较高”和“高”5级(图2)，并统计各等级脆弱性所占面积见表5。

表3 本质脆弱性评价指标等级划分和赋值

表4 特殊脆弱性指标分级和赋值

(a)本质脆弱性 (b)地表水系特殊脆弱性

(c)地下工程特殊脆弱性 (d)综合脆弱性

图2 评价区地下水脆弱性评价分区

由图2(a)和表5可知，金山区地下水本质脆弱性呈现明显的由西向东逐渐增加的趋势。西部以“低和较低”级别为主，面积分别为72.56 km2和70.76 km2，中部以“中”级别为主，面积达到196.43 km2；东部以“较高”和“高”级别为主，面积分别为197.79 km2和98.90 km2。脆弱性东高西低的特征与金山区自西向东由湖沼平原向滨海平原过度相关。整体而言，金山区地下水脆弱性较高，“中”级别以上占全区面积的77.48%。

从图2(b)和表5可看出，金山区地表水系特殊脆弱性主要是“高”级别，面积达到419.03 km2，其次是“较高”级别，面积为136.75 km2，其他级别面积都较小。对照金山区河网水系情况，水质较差，基本处于Ⅳ类～劣Ⅴ类；河网密度较高，大多处于3 km/km2以上，这些都是造成脆弱性较高的主要原因。而地下工程特殊脆弱性(图2(c))评价结果主要“低”级别，面积达到582.82 km2，“较高”和“高”级别面积均很小，分别为11.74 km2和5.09 km2，主要分布在东南部工业集聚区和西部零星区域。对照金山区地下工程情况，分布较少且集中，建设时间大多低于10年，防渗等级都处于Ⅱ级和Ⅰ级水平，使得区域地下工程特殊脆弱性较低。

由图2(d)和表5可知，整个评价区地下水脆弱性以“中”和“较高”为主。其中，“中”级别广泛分布于评价区中部、东部和西部局部区域，面积达到231.94 km2。其次为“较高”级别，主要分布于东部和中部等地表水系比较集中的地区域，面积为171.89 km2。“高”等级区域面积最小，仅为45.97 km2，主要分布在南部和中部零星区域，与这些区域地下工程和河流密布一致，说明这些区域在地下水埋深、含水层厚度、补给量、地表水系和地下工程等因素的综合作用下，已经直接且显著影响了地下水的脆弱性。

3.3 金山区地下水污染源荷载评价

3.3.1污染源荷载统计

梳理评价区4大类污染源信息，结合评价区水文地质背景及各类污染源特性设定影响半径(即以污染源场地边界向外延伸的距离)。得到评价区内拥有地埋式储油罐的石油销售共54个，推荐缓冲半径为1.5 km；国家级、市级工业园区共13个，以化工类为主，推荐缓冲半径为2.5 km；园区外工业企业类型主要包括石油、炼焦、金属冶炼及加工、皮革制品等，共223个，推荐缓冲半径为1.5 km；正规及200 t以上的非正规垃圾填埋场5个，推荐缓冲半径2.0 km；规模化养殖场40个，推荐缓冲半径1.0 km。

3.3.2污染源荷载评价结果

图3为评价区单项污染源荷载分布，表6为单项污染源荷载评分和各自所占面积。可见工业园区及企业广泛分布于整个评价区，其种污染荷载得分处于(3,4]的面积最大，占比为33.84%；其次为(4,6]，(0,2]面积最小。工业污染源荷载较高的区域主要在中部和东南部区域，这与金山区的工业集聚区分布密切相关。石油销售也广泛分布于评价区内，得分区间跨度较大，以(3,5]为主，占比为16.69%，其他得分区间面积均小于60 km2。(7,9]为所有荷载评价的最高分，主要分布在西北角和东南部，是因为该区域加油站分布集中且地下储油罐数量均在5个及以上，较高的污染源毒性和可能释放量综合叠加导致。评价区正规及非正规垃圾填埋场共5个，都位于金山区西部，荷载评分分为(0,2]和(2,4]两级，占比较小。畜禽养殖场主要分布在评价区中部，(3,4]得分区间所占面积最大，占比6.45%，(4,6]面积最小。整体而言，评价区内工业污染源分布最为广泛，荷载影响范围最大，评价分值也较高；加油站荷载评价受地下油罐数量的影响，其单个荷载评价得分最高。工业及加油站为评价区内地下水主要的潜在污染源，应重点防治。

图4为评价区综合污染源荷载分布。叠加单项污染源荷载得到综合荷载指数，采用GIS软件自动分级划分，分为“低”“较低”“中等”“较高”和“高”5级，其面积分别为274.84、150.00、130.60、70.63、10.38 km2，占评价区面积百分比分别为43.18%、23.57%、20.52%、11.10%、1.63%。可见评价区污染源荷载以“低”等级为主，其次是“较低”和“中”等级，“高”等级面积最小。从分布来看，“低”“较低”和“中”3个级别广泛分布于整个评价区，面积占整个评价区的87.27%，而“较高”和“高”级别区域主要分布在金山区的西北部和东南部，均是由工业、加油站、垃圾填埋场等污染源叠加而成。

(a)工业

(b)石油销售

(c)垃圾填埋场

(d)畜禽养殖场

图3 评价区单项污染源荷载分布

表6 评价区单项污染源荷载评价结果

图4 综合污染源荷载分布

3.4 金山区地下水污染风险评价

叠加地下水综合脆弱性、污染源荷载得到地下水污染风险防控值(R)。评价区网格共3 023行，1 900列，5 743 700个像元，利用GIS软件将每个栅格单元的污染风险自动分级，得到“低”“较低”“中等”“较高”和“高”5个分区，其面积分别为231.13 km2、183.02 km2、138.59 km2、77.14 km2、6.56 km2，占评价区面积百分比分别为36.31%、28.76%、21.78%、12.12%、1.03%。图5为评价区地下水污染风险分布。

图5 评价区地下水污染风险分布

由图5可见，评价区内地下水污染风险“低”级别分布范围最广， “较低”级别次之，“高”级别区域面积最小。“较高”以上级别主要分布在金山南部及中部、西北部等零星区域。“高”风险区集中在金山南部的化工类工业园区及周边区域，主要是由于该区域属于高脆弱性分布区，地下水防污性能较差，同时也是污染源密布、荷载较高、潜在风险较大的集中区，多因素叠加所致。总体而言，“低”、“较低”、“中”3个级别地下水污染风险分区在金山区内均有广泛分布，三者面积之和达553.38 km2，占比为86.95%，说明金山区地下水潜在的污染可能性较小。结合区域地下水环境质量调查结果，金山区的南部及西部边陲地下水污染问题较为突出，这与本次污染风险评价结果一致，说明构建的地下水污染风险评价体系能很好地应用于金山区及其他类似区域。

4 结 论

a. 构建了包含地下水本质脆弱性、地表水系和地下工程特殊脆弱性、地表污染源荷载的地下水污染风险评价体系，并以金山区为例进行评价，结果与该区域地下水环境现状相符。

b. 金山区地下水脆弱性较高，主要影响因素为本质脆弱性和地表水系特殊脆弱性。其中本质脆弱性以“中”和“较高”级别为主面积达493.12 km2，占比为77.48%；地表水系特殊脆弱性主要是“高”级别，面积达419.03 km2，而地下工程特殊脆弱性主要是“低”级别，面积达582.82 km2。

c. 金山区地下水污染源综合荷载以“低”级别为主，面积达274.84 km2，占比43.18%，“较高”和“高”级别主要分布在西北部和东南部的工业集聚区，化工类工业园区及加油站为评价区内地下水主要潜在污染源。

d. 金山区地下水污染风险整体较低，其潜在的污染可能性较小， “低”“较低”“中”3个级别面积之和为553.38 km2，占比达86.95%。