北京密懷順地區(qū)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法探究
中國(guó)污水處理工程網(wǎng) 時(shí)間：2018-7-28 9:26:57
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1 引言(Introduction)
地下水是我國(guó)城市供水的重要水源, 也是重要的飲用水源之一.隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大、人口的不斷增加和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 我國(guó)的地下水資源正面著臨嚴(yán)重的問(wèn)題.地下水污染的隱蔽性和難以治理的特點(diǎn)要求人們應(yīng)采取“以防為主, 防治結(jié)合”的方針加以保護(hù)(趙勇勝, 2015; 吳登定等, 2005; 張偉紅, 2007).
地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)可利用一定量的數(shù)據(jù)來(lái)確定地下水污染風(fēng)險(xiǎn)的大小, 并根據(jù)污染風(fēng)險(xiǎn)的大小選取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)決策方案, 這不僅有利于地下水資源保護(hù)與污染防治, 更是地下水污染防控的重要環(huán)節(jié)(趙勇勝, 2007; 孫才志等, 2015).同時(shí), 大多數(shù)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估一般僅以地下水固有脆弱性為依據(jù), 而忽視了污染源的危害性.
在同一地區(qū)對(duì)同一個(gè)數(shù)據(jù)使用不同的方法進(jìn)行分析, 所得到的地圖結(jié)果也會(huì)有所不同, 有時(shí)甚至?xí)嗷ッ?北京市地下水開采量占全市供水量的2/3左右, 是國(guó)際上為數(shù)不多的以地下水作為供水水源的大都市之一(郇環(huán)等, 2011).北京密懷順(密云-懷柔-順義)地區(qū)包括懷柔應(yīng)急水源地和水源八廠水源地, 主要為北京城區(qū)提供地下水資源, 開展更準(zhǔn)確的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)可為合理開發(fā)利用地下水資源和改善水質(zhì)提供科學(xué)依據(jù).故本文以北京密懷順地區(qū)作為示例, 選取3種最常用的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法(相加法、矩陣法和計(jì)算法), 通過(guò)硝酸鹽濃度分布進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證, 旨在為研究區(qū)選取最優(yōu)的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法, 以便幫助決策者和管理者制定地下水保護(hù)的管理措施.
2 研究區(qū)概況(Study area)
研究區(qū)位于北京市東北部, 研究范圍為北京市密云縣和懷柔區(qū)的平原區(qū)(圖 1), 面積約703 km2.研究區(qū)內(nèi)地形總的趨勢(shì)是北部狹窄、南部開闊, 地形由北向南傾斜.區(qū)內(nèi)海拔一般在50 m, 其東北、西北和北部三面環(huán)山, 南面地勢(shì)平坦.研究區(qū)多年平均降雨量為656.5 mm, 其中, 2004—2014年的年均降水量為565 mm.年內(nèi)降水主要集中在5—9月的汛期, 歷年平均汛期降水量占到年降水總量的72%~85%, 其中, 6—8月的降水量占到年總降水量的65%, 在7、8月常有暴雨出現(xiàn).
圖 1
圖 1研究區(qū)地理位置示意圖
研究區(qū)構(gòu)造線方向以北東及北東向?yàn)橹? 北西向次之.平原區(qū)屬于新華夏系北東向的新生代斷陷盆地, 為一地塹式盆地, 基底起伏與斷裂延伸方向一致, 為北東向.北部平原基底絕大部分為地震旦系片麻巖及燕山基期花崗閃長(zhǎng)巖所占據(jù).南部基底及四周山區(qū)則以震旦亞界古生界及中生界地層為主.
根據(jù)收集的研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)鉆孔資料, 對(duì)研究區(qū)的水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析, 建立了水文地質(zhì)概化結(jié)構(gòu)圖(圖 2).研究區(qū)含水層主要由砂、礫石、卵石組成, 從北向南介質(zhì)粒徑由粗變細(xì), 含水層由單一層過(guò)渡到多層, 巖層厚度由薄變厚.區(qū)域內(nèi)含水層結(jié)構(gòu)東西方向差異較大, 東部為潮白河主河道滾動(dòng)區(qū), 含水層厚, 層次少、粒徑大、孔隙大;西部為懷河、雁棲河、小中河滾動(dòng)區(qū), 含水層薄, 層次多、粒徑較小、透水性相對(duì)較差.
圖 2
圖 2研究區(qū)地下水系統(tǒng)聯(lián)合剖面圖
3 地下水污染風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)(Groundwater pollution risk index)
地下水污染是由含水層本身的脆弱性與人類活動(dòng)產(chǎn)生的污染負(fù)荷造成的.本文在考量地下水污染風(fēng)險(xiǎn)時(shí)主要考慮含水層固有脆弱性和污染源荷載兩個(gè)方面.
3.1 含水層固有脆弱性評(píng)價(jià)方法
含水層固有脆弱性是指在天然狀態(tài)下含水層對(duì)污染所表現(xiàn)的內(nèi)部固有的敏感屬性, 含水層固有脆弱性評(píng)價(jià)的主要目的是評(píng)價(jià)地下水受到污染的難易程度(Babiker et al., 2005; Aller et al., 1987).本文根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件, 選擇DRASTIC模型, 該模型主要適用于孔隙地下水固有脆弱性評(píng)價(jià).根據(jù)式(1)進(jìn)行疊加分析, 得到DRASTIC評(píng)價(jià)結(jié)果.
式中, D為地下水脆弱性指數(shù), rD為地下水埋深的分級(jí)值, wD為地下水埋深的權(quán)重值, rR為含水層凈補(bǔ)給的分級(jí)值, wR為含水層凈補(bǔ)給的權(quán)重值, rA為含水層介質(zhì)類型的分級(jí)值, wA為含水層介質(zhì)類型的權(quán)重值, rS為土壤類型的分級(jí)值, wS為土壤類型的權(quán)重值, rT為地形坡度的分級(jí)值, wT為地形坡度的權(quán)重值, rI為包氣帶介質(zhì)類型的分級(jí)值, wI為包氣帶介質(zhì)類型的權(quán)重值, rC為含水層滲透系數(shù)的分級(jí)值, wC為含水層滲透系數(shù)的權(quán)重值.
3.2 污染源荷載評(píng)價(jià)
污染源荷載評(píng)價(jià)需要收集、處理和分析大量的污染源及受體環(huán)境信息.污染源荷載評(píng)價(jià)主要為表征人類活動(dòng)和污染源對(duì)地下水造成的影響, 反映地下水系統(tǒng)中污染物的數(shù)量.從實(shí)用的角度出發(fā), 本文采用了涵蓋污染源種類K(包括毒性、衰減能力、遷移性等)、污染物產(chǎn)生量Q、污染物釋放的可能性L(有無(wú)防護(hù)措施、有無(wú)泄漏)3個(gè)指標(biāo)的污染源評(píng)價(jià)體系.構(gòu)建的評(píng)價(jià)模型(Harman et al., 2001; Wang et al., 2012)為：
式中, P為單個(gè)潛在污染源危害性指數(shù), K為潛在污染源類型的等級(jí), Q為污染物產(chǎn)生量, L為污染物釋放的可能性等級(jí), 以上變量均無(wú)量綱.其中, K按污染源類型取值范圍為1~9, Q按污染物產(chǎn)生量大、中、小依次取值3、2、1, L按防護(hù)性能強(qiáng)弱取值0~1.綜合考慮研究區(qū)內(nèi)所有污染源的荷載分險(xiǎn), 根據(jù)研究區(qū)地下水動(dòng)力場(chǎng)確定各污染源影響范圍, 然后應(yīng)用GIS的疊加分析綜合考慮研究區(qū)內(nèi)所有污染源的污染荷載.最后運(yùn)用Natural Breaks分級(jí)方法, 將評(píng)價(jià)結(jié)果重新分為5級(jí), 表示污染源荷載風(fēng)險(xiǎn)低、較低、中、較高、高5個(gè)等級(jí).
4 地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法及驗(yàn)證方法(Groundwater pollution risk evaluation method and validation method)
地下水污染風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度通常由污染物負(fù)荷與對(duì)應(yīng)地點(diǎn)的脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià).本文選擇相加法、矩陣法、計(jì)算法3種地下水風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià).
4.1 相加法
地下水污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)通過(guò)固有脆弱性等級(jí)和污染源荷載風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)相加得出, 地下水污染風(fēng)險(xiǎn)最高的地方是在高度脆弱地區(qū)和發(fā)生污染源荷載評(píng)價(jià)高的地方.因此, 本文根據(jù)Entezari等(2016)、Ravbar等(2007)和Nguyet等(2006)提出的計(jì)算地下水污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)公式進(jìn)行計(jì)算：
式中, H為地下水污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí), V為脆弱性等級(jí), P為污染源荷載等級(jí).
4.2 矩陣法
矩陣法也是常用的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的方法, 其特點(diǎn)是簡(jiǎn)明扼要、易于直觀表達(dá)(Zhang et al., 2016).矩陣法主要考慮了不同的水文地質(zhì)條件及能承受的污染源荷載等級(jí), 具有相同污染等級(jí)的地區(qū)可能具有不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)(Ducci et al., 2008), 具體如表 1所示, 值1、2、3、4和5分別代表低、較低、中等、較高、高的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)值.例如, 污染源荷載等級(jí)為高, DRASTIC等級(jí)為中等時(shí), 污染負(fù)荷等級(jí)為較高.
4.3 計(jì)算法
Morris和Foster(2000)將地下水污染風(fēng)險(xiǎn)定義為“含水層中的地下水將被地表上的活動(dòng)污染到不可接受的水平”.這種方法利用地下污染物負(fù)荷與其對(duì)應(yīng)地點(diǎn)的含水層污染脆弱性的相互作用來(lái)描述“風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度”(Dimitriou et al., 2008; Mimi et al., 2009; Zwahlen et al., 2000), 這種風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度常用風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度指數(shù)(式(4))來(lái)表示, 最終的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)根據(jù)得到的RI指數(shù)進(jìn)行分級(jí).
4.4 驗(yàn)證
硝酸鹽常被選為評(píng)估地下水脆弱性和污染風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)(Stigter et al., 2005; Assaf et al., 2009; McLay et al., 2001), 硝酸鹽濃度與地下水污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)之間的相關(guān)性可以用Pearson相關(guān)因子(r)或Spearman等級(jí)相關(guān)因子(ρ)來(lái)表征(Lake et al., 2003; Panagopoulos et al., 2006).其中, Pearson相關(guān)因子的應(yīng)用前提是假定硝酸鹽濃度服從正態(tài)分布, 而Spearman等級(jí)相關(guān)因子不受兩變量分布形式和樣本量的約束.故本文采用Spearman等級(jí)相關(guān)因子(式(5))來(lái)驗(yàn)證本研究中地下水污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)結(jié)果的有效性.
式中, N為樣品數(shù), d為污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與硝酸鹽濃度等級(jí)之間的差異.
5 結(jié)果與分析(Results and discussion)5.1 含水層脆弱性評(píng)價(jià)
將各指標(biāo)圖層在ArcGIS軟件中完成矢量化、數(shù)值化, 并依據(jù)權(quán)重進(jìn)行疊加計(jì)算.將各評(píng)價(jià)指標(biāo)的分類等級(jí)圖根據(jù)疊加公式進(jìn)行疊加分析, 結(jié)果重新劃分為4個(gè)等級(jí), 得到研究區(qū)地下水脆弱性等級(jí)分區(qū), 結(jié)果如圖 3所示.整個(gè)研究區(qū)有25.72%的地下水脆弱性等級(jí)為較低, 大部分位于研究區(qū)中部, 其中, 沙河、十里堡、西田各莊、王化水處理廠、梭草位于該區(qū)域, 地下水的防污性能最好.這是由于該區(qū)域地下水埋深較大, 土壤介質(zhì)、包氣帶介質(zhì)、含水層介質(zhì)類型抗污性良好.整個(gè)研究區(qū)有61.79%的地下水脆弱性等級(jí)為中等, 其中, 范各莊、東白巖、平頭位于該區(qū)域.整個(gè)研究區(qū)有10.94%的地下水脆弱性等級(jí)為較高, 位于研究區(qū)西南部、西北部小部分區(qū)域, 其中, 懷北莊、前辛莊、前橋梓村東、桃山位于該區(qū)域.相對(duì)而言, 整個(gè)研究區(qū)僅有1.56%的地下水脆弱性等級(jí)為高, 位于研究區(qū)西南部小部分區(qū)域的地下水脆弱性等級(jí)為最高, 防污性能最差.這是由于該區(qū)域地下水埋深較小, 埋深最小位置在1.5 m以下, 土壤介質(zhì)為粉礫質(zhì)亞粘土、包氣帶介質(zhì)為風(fēng)化巖或塊狀灰?guī)r, 含水層介質(zhì)類型較其他區(qū)域容易污染.
圖 3
圖 3含水層固有脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)
5.2 污染源荷載評(píng)價(jià)結(jié)果
研究區(qū)內(nèi)地下水污染類型以硝酸鹽氮超標(biāo)和揮發(fā)性酚類超標(biāo)為主, 個(gè)別井超標(biāo)組分為總硬度、總大腸菌群等, 近幾年水質(zhì)以Ⅱ類水和Ⅲ類水為主, 部分地區(qū)可達(dá)到飲用水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn).
根據(jù)調(diào)查結(jié)果, 研究區(qū)地下水負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)的主要來(lái)源是家禽養(yǎng)殖場(chǎng)、加油站、垃圾填埋場(chǎng)、工業(yè)污染源和污水處理廠.將各種類污染源圖層在ArcGIS軟件中完成矢量化、數(shù)值化后進(jìn)行疊加計(jì)算, 結(jié)果重新劃分為5個(gè)等級(jí), 得到研究區(qū)污染荷載評(píng)價(jià)等級(jí), 結(jié)果如圖 4所示.由圖 4可知, 污染載荷強(qiáng)的地區(qū)主要分布在研究區(qū)東部、東北部及西部零星地區(qū), 主要原因是受排污口的影響較大;污染載荷較強(qiáng)的地區(qū)主要分布在污染載荷強(qiáng)的地區(qū)周圍;污染載荷較弱、弱的地區(qū)主要分布在研究區(qū)的北部, 主要原因是該地區(qū)無(wú)工業(yè)污染源及排污口, 污染源較少.
圖 4
圖 4地下水污染荷載評(píng)價(jià)等級(jí)
5.3 地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)
根據(jù)上述3種方法, 將含水層固有脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)圖(圖 3)及污染荷載評(píng)價(jià)等級(jí)圖(圖 4)在GIS系統(tǒng)中進(jìn)行疊加分析.利用公式(3)得到地下水污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分區(qū)圖(相加法), 結(jié)果如圖 5a所示.利用表 1得到地下水污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分區(qū)圖(矩陣法), 結(jié)果如圖 5b所示.利用公式(4)得到地下水污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分區(qū)圖(計(jì)算法), 結(jié)果如圖 5c所示.
圖 5
圖 5地下水污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分區(qū)圖 (a.相加法, b.矩陣法, c.計(jì)算法)
以上3種方法均不同程度地顯示了地下水污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高的地區(qū)主要位于研究區(qū)西北部, 包括前辛莊、桃山及前橋梓村東一帶, 以及懷北莊、十里堡和東白巖等地區(qū);而地下水污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較低地區(qū)主要分布于研究區(qū)中部及北部, 主要由于該地污染源分布較少且脆弱性較低.具體聯(lián)系污水寶或參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
通過(guò)相加法、矩陣法和計(jì)算法上述3種方法, 均采用Natural Breaks方法來(lái)區(qū)分相對(duì)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí), 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積比較結(jié)果如圖 6所示.相加法和計(jì)算法得到的污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中等和較低的脆弱地區(qū)約占54%.另外, 脆弱性高的地區(qū)所占比例分別從相加法、計(jì)算法的5.23%、4.17%降低到矩陣法的1.56%, 表明相加法和計(jì)算法均高估了地下水脆弱性高的地區(qū)范圍.
圖 6
圖 6相加法、矩陣法和計(jì)算法地下水污染風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)比例
5.4 驗(yàn)證
本文選用潛水硝酸鹽濃度作為驗(yàn)證依據(jù), 這是因?yàn)榈叵滤邢跛猁}濃度背景值一般低于2 mg·L-1, 如果明顯高于背景值, 意味著人類活動(dòng)對(duì)于地下水產(chǎn)生了影響.一般情況下, 地下水污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高的地區(qū), 硝酸鹽濃度值相對(duì)較高.研究區(qū)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果的驗(yàn)證取決于2015年研究區(qū)內(nèi)14個(gè)淺層地下水樣品的污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與硝酸鹽濃度的相關(guān)性, 根據(jù)這14個(gè)地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)井的硝酸鹽濃度進(jìn)行插值分析, 根據(jù)Nature Breaks方法將研究區(qū)內(nèi)硝酸鹽濃度分為5個(gè)等級(jí), 其中, NO3--N的最小、最大和平均濃度分別為2.46、19.6和12.0 mg·L-1(圖 7).
圖 7
圖 7硝酸鹽濃度分區(qū)
通過(guò)研究區(qū)內(nèi)含水層固有脆弱性結(jié)果、污染荷載評(píng)價(jià)結(jié)果、3種方法得到的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果與硝酸鹽濃度分區(qū)進(jìn)行比較, 發(fā)現(xiàn)單獨(dú)考慮含水層固有脆弱性或者單獨(dú)考慮污染源荷載不足以描繪地下水污染風(fēng)險(xiǎn), 兩者疊加后的結(jié)果更符合實(shí)際.
將3種方法得到的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)結(jié)果與硝酸鹽濃度分布等級(jí)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比, 得到地下水污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與硝酸鹽等級(jí)差值計(jì)數(shù)(圖 8), 表 2為3種方法得到的等級(jí)差值所占比例.由圖 8及表 2可知, 矩陣法與相加法得到的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與硝酸鹽等級(jí)差值主要等級(jí)差的計(jì)數(shù)點(diǎn)均在0處取到最大, 等級(jí)差值為1次之;而計(jì)算法得到的等級(jí)差絕對(duì)值在1處取到最大.根據(jù)表 2可知, 矩陣法得到的99.2%計(jì)數(shù)點(diǎn)的污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與硝酸鹽等級(jí)差分布在0和1.反觀相加法和計(jì)算法, 其等級(jí)差值較大, 這主要是由于相加法與計(jì)算法均在某些地區(qū)突出了脆弱性等級(jí)和污染源荷載等級(jí)的極端情況.由此可知, 對(duì)于研究區(qū)來(lái)說(shuō), 矩陣法明顯優(yōu)于另兩種方法, 得到的結(jié)果更符合實(shí)際.
圖 8
圖 8地下水污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與硝酸鹽等級(jí)差值計(jì)數(shù)圖
根據(jù)公式(5)分別計(jì)算上述3種方法的相關(guān)因子(ρ), 根據(jù)Spearman等級(jí)相關(guān)因子, 對(duì)以上3種地下水污染風(fēng)險(xiǎn)方法計(jì)算了與硝酸鹽濃度的相關(guān)系數(shù)ρ, 得到矩陣法(ρ=93.19%)>計(jì)算法(ρ=90.33%)>相加法(ρ=89.23%).
根據(jù)以上兩種驗(yàn)證方法均得出, 研究區(qū)內(nèi)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法使用矩陣法得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確、更可行.
6 結(jié)論(Conclusions)
1) 地下水污染是由含水層本身的脆弱性(內(nèi)部因素)與人類活動(dòng)(外部因素)產(chǎn)生的污染負(fù)荷造成的, 僅考慮含水層固有脆弱性或者僅考慮污染源荷載不足以描繪地下水污染風(fēng)險(xiǎn), 將兩者進(jìn)行疊加得到的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)圖與硝酸鹽水質(zhì)分區(qū)基本吻合，說(shuō)明地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果更為合理.
2) 3種方法得到的硝酸鹽濃度與地下水污染風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)的Spearman等級(jí)相關(guān)因子顯示, 研究區(qū)內(nèi)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法使用矩陣法(ρ=93.19%)得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確、更合理.
3) 本文從含水層固有脆弱性、污染源荷載風(fēng)險(xiǎn)兩方面進(jìn)行地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià), 結(jié)果表明, 該研究區(qū)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)整體上相對(duì)較低, 大部分地區(qū)以低和中污染風(fēng)險(xiǎn)為主, 但在桃山、前辛莊、楊橋梓村東、十里堡及東白巖地區(qū), 由于人類活動(dòng)集中, 地下水污染風(fēng)險(xiǎn)高, 應(yīng)對(duì)這些地區(qū)制定嚴(yán)格的污染防控管理措施, 保護(hù)地下水資源.(來(lái)源：環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào) 作者：張佳文)
