地下水环境影响及评价方法

夏杰塬　姜北

摘 要：地下水水质评估是地下水资源评估的重要组成部分。一般来说可归纳为内梅罗水污染指数法、人工神经网络、模糊评价法、单因子污染指数法、灰色评价法、物元分析法等。这些评估方法各具特色，也有各自的适用范围和局限性。

关键词：地下水;水质评价;方法

中图分类号：S273.4

文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190715028

1 地下水概述

1.1 地下水在建设中的意义

储存在岩石和土壤空隙中的水称为地下水。由于岩层的过滤和地表岩土的保护作用，地下水在水质和卫生条件方面都较地表水优越，因此地下水是工农生产和人民日常生活的重要供水水源。尤其是华北、西北相对干旱的地区，地表水相对稀缺，地下水的开发利用就颇为重要。此外，地下水是一种天然的矿产资源;地下矿水还具有医疗价值，地下热水也是一项重要能源，观测地下水还可以预报地震，分析地下水还可作为找矿的标志。因此，地下水在发展国民经济发展中的地位非常重要。但地下水同时又具有潜蚀作用，是造成岩溶、塌陷、管涌、滑坡等特殊地貌或灾害的主要营力，也会危及地下工程和建筑物的安全。因此在開发利用地下水时不能不对其有害因素予以密切关注和了解，进行有效的防治，还要防止地下水的污染。研究地下水的目的是为了合理开发和利用地下水资源，防止污染和破坏。如果地下水被污染和破坏就很难治理和恢复，有的甚至不能再恢复，因此要十分重视保护地下水资源。

1.2 岩石的水理性质

岩石与水有关的特性被称为岩石的水理特性，主要有以下几点。

1.2.1 持水性

岩石能保持一定水量的特性称之为持水性。水量与岩石体积的比值称为持水度。一般细颗粒岩石能吸附较多的水，如黏土。

1.2.2 给水性

能够从饱和水的岩石中自由流出一定水量的特性称之为给水性。水量与岩石体积之比称为给水度。粗颗粒岩石给水度打，如粗砂岩。

1.2.3 透水性

岩石本身能使水透过的性能。大空隙、多空隙岩石是高透性的，如砾岩。黏土以及致密的块状岩石透水性最差，如玄武岩。

1.3 地下水的物理性质

1.3.1 温度

地下水的温度随地下水深度的变化而变化。由于温度的原因，地表附近的地下水温度呈周期性变化，但周年变化的深度一般不超过30m。在年常温层中，水温年变化较小，一般情况水文变化不会超过0.1℃。在常温层以下，随着深度的增加和地热的升温，水温也会逐渐升高。地热增温各地不同，一般为每33m升高1℃。在某些地址条件下，由于地球内部热能的影响，形成地下热水，地下热水通过某些通道上涌，可能形成地热田。

1.3.2 颜色

地下水通常是无色的，但有时会通过某种离子富集悬浮物或胶体物质，显示不同的颜色，例如，含亚铁离子或硫化氢气体的水为浅蓝绿色，含有三氧化二铁的水主要为棕红色等。

1.3.3 透明度

地下水的透明度取决于水中含有的盐、悬浮物、有机物和胶体的量。透明度分为4种类型：透明、半透明、微透明和不透明。

1.3.4 气味

通常地下水是无味的，当含有某种气体成分和有机物质时，会产生一定气味。如果含有硫化氢气体，气味像臭鸡蛋，若含有有机物质，地下水会有鱼腥味。

1.3.5 味感

地下水的味道由其化学成分决定，其与所含物质的关系见表1。

1.3.6 比重

地下水的比重取决于水的温度和溶解在水中的盐。盐越多多，比重越大。地下淡水的比重常接近于1。盐水的比重一般用波美度（°Be）表示。当1L水含有10g氯化钠时，其盐度可表示为1°Be。

1.4 地下水污染

地下水污染是指地下水在人类活动的影响下，与其“背景值”相比，地下水的发展趋势趋于恶化的现象。所谓“背景值”是指未受人类影响的地下水各种组分的天然含量，超过此值谓之污染。“背景值”在不同地区的数值不同，在地下水已遭受污染、天然地下水环境已遭破坏，很难取得该地区的背景值，应在自然条件类似，且与污染源邻近的地区取样。如有历史水质资料可借助谓参考。

地下水的污染与地表水污染不同，由于其流动缓慢，且污染物在包气带和含水层中产生各种作用，故污染过程相对缓慢，且难于发现。其自净能力亦差。因此地下水遭受污染，经治理或清除污染源后，需要相当长的时间才嫩恢复水质原状。

由于地下水与大气降水和地表水有直接或间接的水力联系，因此地下水的污染与其他自然环境质量密切相关。在城区，地下水的污染主要是工业废水和生活污水沿着土壤和岩石的空隙或裂隙下渗。下渗的途径是多方面的，如地下管道及排污沟渠、渗坑渗井、河水塘堰等地表水体的垂直下渗，遭污染的大气降水以及海水倒灌等。在城市郊区或广大农村不合理的污水灌溉，过量的使用化肥。农药，都有可能导致地下水的污染。地下水的污染可分为直接污染和间接污：直接污染是地下水的污染物直接来自污染源;间接污染是污染过程中地下水污染物缓慢形成，性质与污染源存在差异，难以查明。

2 地下水质量评价

2.1 评价工作的目的

地下水质量评估，是环境质量评估的重要组成部分。特别是城市和工矿区，随着地下水的大量开发利用，许多城市和地区的地下水已遭到不同程度的污染，有的已严重影响到城市的供水水质，从而影响人们的身体健康。

根据不同用途，对地下水的水质提出了不同的要求，根据地下水的物理性质和化学成分，正确评价地下水的水质，以满足这些要求是一项十分重要的工作。

2.2 评价工作的准备程序

地下水的水质评价是一项复杂而涉及面广的工作，一般要在对区内水文、工程地质条件、环境地质问题基本查清的情况下进行。另外还要对区内工农业生产状况、厂矿废水及生活污水的排放情况进行调查研究。对地下水进行评价之前，应进行以下工作。

2.2.1 环境水文地质资料的收集整理包括区域现有水文地质、工程地质、环境地质、矿产普查、地球化学等资料。此外，对地下水动态观测、水质分析、土壤分析、地下水开发利用现状、城市规划、污染源分布、污水排放等资料进行综合分析。

2.2.2 环境水地质调查如上述资料不充分，应对该地区水文地质开展调查。包括该区内上部含水层的水文地质条件、地下水的埋藏、补给和径流排放条件、土层的岩性厚度以及各种污染物的降解和自净条件。此外，有必要了解城市规划、地下水开发利用现状，以及地下水的开采引起的地下水位、水质的变化。调查该区内污染源及污染排放形式及其对地下水的污染情况等。

2.2.3 地下水的动态观测和水质监测这项工作是地下水质量评估的基础。除监测地下水外，还需要同时监测大气降水、河水、污水和土壤。通过地下水动态观测，可以了解该地区地下水的开采造成的水位下降，以及地下水、地表水和大气降水之间的互补关系。

地下水动态观测和水质监测网络的布局应根据当地水文地质特征和地下水污染性质。采取点、面结合的布置原则，对整个评价区适当控制。地下水水质监测的项目是根据评估目的确定的，但总体综合评价应符合生活饮用水标准要求。

2.2.4 环境水文地质勘探利用勘探钻孔了解含水层的厚度、结构、地下水的污染范围、污染程度、污染物迁移路径和扩散等。钻探网的布局取决于当地水文地质条件和评估目的。

2.2.5 环境水文地质模拟试验目的通过现场模拟试验、定位试验和实验室试验，以了解地下水污染机制和迁移变化规律、并取得定量评价的有关参数等。

3 地下水水质评价方法

3.1 内梅罗综合指数法

内梅罗指数法也广泛用于水质评价。例如，通过改进的内梅罗法评价地下水水质，分析黄河兰州坝段水质污染状况。

3.2 人工神经网络评价法

人工神经网络是自适应简单单元的广泛并行互联网络，其组织可以模拟生物神经系统与现实世界的相互作用。BP模型是最常用的水质评估人工神经网络。BP网络使用最陡坡降法来最小化误差函数，并将网络输出的误差逐层传播到输入层，同时分摊到各层，获得每层单元的参考误差，并調整人工神经网络的相应连接权，直到网络的误差最小化。近年来，人工神经网络研究愈发广泛。

3.3 模糊评价法

由于水体环境本身存在大量不确定性因素，目标分类和标准确定均具模糊性。因此，模糊数学在水质评价中得到了广泛应用。通过检测数据建立每个指标及其标准的隶属度数据集，形成隶属度矩阵，然后将因子权重集乘以隶属度矩阵，得到模糊集，得出综合评判集，表明各级水质与标准水质的从属程度，反映水质类别的模糊性。

模糊评价法主要包括模糊聚类法、模糊综合指数法、模糊贴近法、模糊距离法、模糊水质分类评价法、模糊相似度选择法、模糊综合评价级数法等。

3.4 单因子污染指数法

单因子污染指数法将评价因子与评价标准进行比较，确定各个评价因子的水质类别，并选择最差水质作为项目水体的水质类别。该方法可以确定水体中主要污染因子，是最广泛使用的水质评价方法，特别是在建设项目的环境影响评价中。该方法的特征值包括各评价因子的达标率、超标率以及超标倍数。

3.5 灰色评价法

水质监测数据是在有限的时间和空间内获得的，所以信息会出现不完整或者不准确的现象。因此，水环境系统可以被当做灰色系统，即，一些信息已知，部分信息未知或未知的系统。将该原理应用于水质综合评价中的基本思路是：计算每个因素在水质中的测量浓度与各水质标准之间的相关性，然后根据相关程度确定水质类别。通过与标准水体的差异程度，可评价水质的优劣程度。

灰色评价法主要包括灰色聚类法、灰色聚类关联法、灰色模式识别法、等斜率灰色聚类法、区域灰色决策法、加权灰色局势决策法、梯形灰色聚类法、灰色局势决策法等。

3.6 物元分析法

物元分析法物元分析理论在水环境质量评价领域中的应用。其思路是：通过各级水质标准建立经典域物元矩阵，根据各因子实测浓度建立节域物元矩阵，然后建立各污染指标对不同水质标准级别的关联函数，最后根据其值确定水质的级别。

4 地下水环境保护措施

进行地质详勘，探明涌水段具体位置，制定封堵施工方案;

坚持“以防为主、防堵结合，限量排放”的原则;

布置超前水平钻孔探测。

开展地质监测，发现问题及时解决;

制定突水应急措施，减少突水风险造成的损失;

设立补偿机制，因工程而断流的水井应另打井作为补偿，打井费用应列入基础设施补偿费中。

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作者简介：

夏杰塬，硕士研究生，研究方向：水文学及水资源。