蔡五田

(中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北保定 071051)

環(huán)境部公益行業(yè)科研項目“地下水污染源強評價、分類及防控技術(shù)研究”提出，通過分析我國地下水污染源類型、分布、污染物構(gòu)成、污染途徑、水文地質(zhì)條件及環(huán)境影響因素，構(gòu)建我國地下水污染源強定量、半定量評價方法、評價指標體系及主控因子識別方法，提出基于地下水污染源強評價的分類防控技術(shù)，為我國地下水污染環(huán)境管理提供科技支撐的目標任務(wù)。作為項目參加人員，作者從2012年立項開始，就不斷思考“地下水污染源強”這一新概念的寓意。基于多年來對國內(nèi)外土壤和地下水污染理論、調(diào)查技術(shù)、風(fēng)險評價文獻資料跟蹤，以及對國內(nèi)不同類型污染場地調(diào)查實踐與認識，提出了地下水污染源強的定義、分類、識別方法與量化表征方法，旨在拋磚引玉，與環(huán)保部的同行共同探討地下水污染科學(xué)問題，趨同認識。

1 幾個概念的界定

在論述地下水污染源強之前，首先要對地下水、污染源、地下水污染源、污染源強這幾個術(shù)語進行界定，這是論述的基礎(chǔ)，否則容易引起歧義和論述混亂。

1.1 地下水

目前，主要有兩種定義，一是將賦存于地面以下飽水帶中的重力水定義為地下水。這一定義包括飽水帶中的潛水和承壓水，地下水的潛水面或第一個承壓含水層的頂板面為地下水的上界面。這是數(shù)十年前，從地下水開發(fā)利用的角度提出的一個定義。這一定義不僅是我國水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)教科書中給出的傳統(tǒng)地下水的定義［1］，也是美國、加拿大、聯(lián)合國教科文組織經(jīng)典教科書、地下水污染調(diào)查技術(shù)手冊等給出的定義［2～5］。二是將賦存于地面以下的水定義為地下水。這一定義包括土壤水、包氣帶水、上層滯水、飽水帶重力水(潛水和承壓水)。這是近十年來，從自然界面(地面)，特別是生態(tài)需水的角度提出的一個定義。這一定義涵蓋的土壤水和包氣帶水是我國現(xiàn)代水文地質(zhì)學(xué)研究的對象［1］，國際標準化組織、澳大利亞等國使用了這一定義［6～9］。作者傾向于采用第一種定義，理由有二:一是，國外經(jīng)典的教科書與國際水文地質(zhì)學(xué)術(shù)交流對地下水的表述與第一種定義相同，應(yīng)該與國際接軌，保持一致;二是，從目前我國開發(fā)地下水的經(jīng)濟技術(shù)條件以及公眾對地下水認知程度來看，地下水的表現(xiàn)形式就是水井中的水及泉水，其他形式的地下水如第二種定義中的土壤水、包氣帶水等，在我國現(xiàn)狀經(jīng)濟技術(shù)條件下，尚難以大規(guī)模開發(fā)利用。

1.2 污染源

污染源是污染物發(fā)生源，通常是指產(chǎn)生或向環(huán)境排放、釋放有害物質(zhì)的場所、過程、人類活動、設(shè)施、裝置、環(huán)境介質(zhì)等［5，10］。

污染源可按照不同的屬性劃分。按污染源的幾何展布形狀分為點狀、線狀、面狀污染源。按污染源發(fā)生位置至上而下分為空中污染源(如煙筒、大氣塵埃等)、地面污染源(如路面、生產(chǎn)車間、污水塘、污染的表層土壤等)、包氣帶污染源(如地下漏油罐、污染的深部土壤)、飽水帶污染源(如 LNAPLs、DNAPLs、污染的含水層介質(zhì)等)。按污染源中污染物的化學(xué)類別分為有機物污染源、無機物污染源、混合物污染源。按污染源是否具有放射性物質(zhì)分為放射性污染源與非放射性污染源。按污染源釋放污染物的作用方式，分為脈沖或間歇式污染源(如受降雨入滲控制的固體廢渣堆)和連續(xù)式污染源(如污水渠)。按污染源產(chǎn)業(yè)來源分為工業(yè)污染源、農(nóng)業(yè)污染源、軍工污染源、商業(yè)污染源、生活污染源等。

從地下水污染防控角度考慮，作者建議按照污染源發(fā)生位置和污染物物理化學(xué)性質(zhì)組合方式來劃分污染源。如地表存在的重金屬污染源，包氣帶存在的揮發(fā)性有機物污染源，地下水潛水面存在的LNAPLs污染源，包氣帶及飽水帶存在的DNAPLs污染源。

1.3 地下水污染源

污染物通過不同途徑和方式進入或可能進入地下水的污染源稱為地下水污染源，即與地下水有物質(zhì)或能量交換的污染源才是地下水污染源。

污染物進入地下水的途徑和方式有:入滲途徑如降雨入滲、地面水體入滲等;對流-彌散途徑如包氣帶VOCs擴散、飽水帶抽水混合等;溶解方式如LNAPLs與DNAPLs中可溶性污染物溶解進入地下水等;解吸方式如由于地下水潛水面的波動，吸附在土壤中污染物解吸進入地下水中。

一個污染源是否為地下水的污染源，一般要通過辨析方法進行識別和分析。辨析方法一般有途徑調(diào)查法、動態(tài)監(jiān)測法、同位素源解析法等。

1.4 污染源強

污染源強是對污染物發(fā)生源強度的度量。目前，在我國建設(shè)項目環(huán)境影響評價中廣泛采用單位時間向環(huán)境排放污染物的量來表示污染源強的大小［11］。作者贊同并采用這一度量方法來表示地下水污染源強。

2 地下水污染源強的定義

依據(jù)地下水、污染源、污染源強的概念，作者給出地下水污染源強的定義:單位時間內(nèi)污染源向地下水中排放、排泄或遷移轉(zhuǎn)化污染物的質(zhì)量。同其他物理量一樣，地下水污染源強是一個隨時間和空間變化的量。地下水污染源強，既可由單個的地下水污染源構(gòu)成，也可以由多個地下水污染源構(gòu)成。

由于污染源與地下水之間的聯(lián)系途徑和方式不同，地下水污染源強，既可以小于污染源本身的強度，如地面污染源及包氣帶污染源向下滲入過程中污染物濃度的衰減，也可以等于污染源本身的強度，如飽水帶污染源中污染物直接擴散到地下水中、地面污染源通過巖溶區(qū)豎井傾瀉到地下水中的情況。

3 地下水污染源強的分類

地下水污染源強的分類，原則上與污染源屬性分類一致，幾種常用分類方法是:

按地下水污染源分布位置分類，可分為地面地下水污染源強、包氣帶地下水污染源強和飽水帶地下水污染源強。

按地下水污染源的相態(tài)分類，可分為氣態(tài)地下水污染源強、液態(tài)地下水污染源強、固態(tài)地下水污染源強，其中液態(tài)地下水污染源強又分為水相地下水污染源強和非水相(NAPLs)地下水污染源強。

按地下水污染源強度變化趨勢分類，可分為衰減型地下水污染源強、增強型地下水污染源強和平穩(wěn)型地下水污染源強。

4 地下水污染源及源強識別

可采用資料信息收集、現(xiàn)場調(diào)查、動態(tài)監(jiān)測、模擬試驗等手段識別地下水污染源及源強特征。

4.1 資料信息收集

主要收集污染物生產(chǎn)、傳輸、儲存、處置等源流過程，了解代表性污染物的物理、化學(xué)及其在土水環(huán)境中的行為性質(zhì)(吸附、降解等)，收集類似污染場地調(diào)查案例資料。

4.2 現(xiàn)場調(diào)查

采用地面、現(xiàn)場快檢、遙感、地球物理勘查、鉆探取樣、微觀分析等調(diào)查技術(shù)手段，調(diào)查地面及可見污染源的位置、幾何展布形狀、規(guī)模，污染物排放方式、排放量，識別污染源區(qū)包氣帶、飽水帶巖性、結(jié)構(gòu)、分布特征，采集污染源、巖土及地下水樣品，分析并確定污染物主要組分及其分布特征。

4.3 動態(tài)監(jiān)測

監(jiān)測大氣、地面、淺地表可見污染源在規(guī)模、分布形式、強度等時空變化，監(jiān)測土壤、深部土層及地下水中主要污染物組分種類、濃度及其分布的時空變化，從總體上把握地下水污染源強強度及性質(zhì)的變化。

4.4 模擬試驗

在資料收集、現(xiàn)場調(diào)查、動態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，選擇符合場地條件的數(shù)值模擬軟件，或設(shè)計符合場地條件的柱/箱體模擬試驗，分析地下水污染源從地面或包氣帶傳遞到地下水的過程，與現(xiàn)場調(diào)查、監(jiān)測結(jié)果對比，識別地下水污染源強的主控因子，以及地下水污染源強的狀態(tài)特征。

5 地下水污染源強的量化方法

依據(jù)地下水污染源強定義，可以用單位時間內(nèi)某種污染物進入地下水的質(zhì)量表示，也可以根據(jù)質(zhì)量守恒定律，用單位時間內(nèi)地下水中污染物質(zhì)量變化表示。

地下水污染源強有氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)三種相態(tài)，其中液態(tài)中又存在非水相液體(NAPLs)。無論氣態(tài)還是固態(tài)，最終轉(zhuǎn)化為水溶態(tài)物質(zhì)，才會對地下水產(chǎn)生不良影響。此外，地下水污染源處于不同的位置，有的通過包氣帶間接對地下水產(chǎn)生影響如地面污染源，有的直接對地下水產(chǎn)生影響，如漂浮于潛水面上的LNAPLs污染源。依據(jù)地下水污染源強的相態(tài)和分布位置可以組合成多種方式。在此，僅就3種組合方式給出地下水污染源強的量化方法。

5.1 地面及包氣帶水相地下水污染源強

這類污染源主要是存在于地面或近地表排污系統(tǒng)的污水、廢水、污染的池塘水、污灌渠水等。這類污染源中的污染物需要經(jīng)過兩個過程才能進入地下水，首先是污染源泄漏污染物到包氣帶中，然后是污染物經(jīng)過包氣帶巖土進入到地下水中。

單位時間內(nèi)泄漏到包氣帶中污染物的質(zhì)量，可通過兩種方法計算。一是根據(jù)污染源的展布情況，以點強度(單位時間、單點污染物的排泄量)、線強度(單位時間、單位長度污染物的排泄量)、面強度(單位時間、單位面積污染物的排泄量)與點、線、面的數(shù)量乘積計算。二是根據(jù)污染源區(qū)污染水中污染物的濃度與單位時間污染水入滲量乘積計算。污染源區(qū)污水中污染物的濃度，采用實測法測量。單位時間污染水入滲量，既可用污染源區(qū)污水體積與污水入滲系數(shù)(用降水入滲系數(shù)近似代替)乘積計算，也可用單環(huán)或雙環(huán)滲水試驗確定［12］。

單位時間內(nèi)污染物經(jīng)包氣帶巖土進入到地下水中的質(zhì)量，受污染水入滲量、污染物環(huán)境行為性質(zhì)(污染物吸附性、生物降解性)、包氣帶巖土性質(zhì)及結(jié)構(gòu)、地下水埋深等多種因素的影響。要量化這一物理量，可采用兩個方法:一是定量數(shù)值模擬方法。依據(jù)文獻資料、場地污染調(diào)查與現(xiàn)場試驗結(jié)果，建立污染場地概念模型，確定降水入滲系數(shù)、污染物水土分配系數(shù)(Kd)、污染物降解速率、包氣帶巖土的滲透系數(shù)(K)等，運用與概念模型相匹配的數(shù)值模擬軟件如美國的HYDRUS［13～14］，英國的ConSim［15］等模擬輸出污染物到達地下水面的濃度。二是半定量賦值打分法。采用一個無量綱的調(diào)整系數(shù)，與單位時間內(nèi)地面及包氣帶水相污染源排泄污染物的質(zhì)量相乘，得到地面及包氣帶水相污染源強。即:

式中:SIw——地面及包氣帶水相地下水污染源強/(kg·a-1);

Mw——單位時間內(nèi)地面及包氣帶水相污染源排泄污染物質(zhì)量/(kg·a-1);

Dw——調(diào)整系數(shù)(0≤Dw≤1)。

調(diào)整系數(shù)(Dw)與場地污染水入滲量、污染物在包氣帶環(huán)境的行為(污染物吸附性、生物降解性)、包氣帶巖土性質(zhì)及結(jié)構(gòu)、地下水埋深等因素有關(guān)?？筛鶕?jù)我國不同地區(qū)場地污染條件，首先采用單因素變化情況或值域變化范圍打分賦值，再考慮各因素權(quán)重及相互作用方式，以數(shù)學(xué)表達式計算出一個調(diào)整系數(shù)值。污染水入滲量，按不同場地年污水入滲量劃分，并賦值打分。污染物吸附性，可按污染物水土分配系數(shù)(Kd)值劃分并賦值打分。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)劃分，并賦值打分。包氣帶巖土性質(zhì)及結(jié)構(gòu)，首先根據(jù)我國包氣帶巖土介質(zhì)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)分類(如孔隙區(qū)、裂隙區(qū)、巖溶區(qū))，然后再依據(jù)不同區(qū)巖性組合特征(如黏性土層、黏性土-砂土層二元結(jié)構(gòu)層、黏性土與砂土層混合層、砂土層，裸露巖溶層、黏性土-巖溶層、砂土-巖溶層、裸露裂隙層、黏性土-裂隙層、砂土-裂隙層、裂隙-巖溶層等)賦值打分。地下水埋深，可根據(jù)我國潛水埋深值賦值打分。

5.2 地面或近地表固相污染源強

這類污染源主要是堆積在地面或近地表的固體廢渣、污染的表層土壤等。在這類污染源中，污染物主要經(jīng)過包氣帶巖土進入到地下水中。這類地下水污染源強可用式(2)表征:

式中:SIs——地面或近地表固相污染源強/(kg·a-1);

Ls——單位時間內(nèi)固相污染源轉(zhuǎn)化為水相污染物質(zhì)量/(kg·a-1);

Ds——調(diào)整系數(shù)(0≤Ds≤1)。

式(2)中Ds的量化方法與式(1)中Dw相同。式(2)中Ls可用污染源區(qū)土壤水中污染物的平均濃度與年降水入滲補給量乘積計算得出。污染源區(qū)土壤水中污染物的平均濃度，可采用實測法(如實測垃圾濾液污染物的濃度)或可通過固體廢物毒性浸出實驗獲得［16］，也可通過污染物水土分配濃度計算式［17］近似得出，即:

式中:Ms——污染源區(qū)土壤水中污染物的平均濃度/(mg·L-1);

Ss——污染源區(qū)土壤中污染物的平均濃度/(mg·kg-1);

Kd——平衡時污染物在水土中的分配系數(shù)/(L·kg-1)，與污染物性質(zhì)、土壤性質(zhì)有關(guān)。

5.3 非水相液態(tài)污染源強

這類污染源為溶解在非水相液態(tài)溶劑中的污染物如LNAPLs、DNAPLs。這類地下水污染源強用式(4)表征，即:

式中:SINW——非水相液態(tài)污染源強/(kg·a-1);

MNw——非水相液態(tài)污染物釋放到地下水的質(zhì)量/kg;

t——污染時間/a。

式(4)中MNw，由受非水相液態(tài)污染源污染的地下水的體積與污染組分在水溶液中的濃度乘積計算得出。受污染的地下水的體積，可近似用非水相液態(tài)污染源的體積代替。污染時間t，可依據(jù)污染事件發(fā)生年份至評估年份確定。污染組分在水溶液中的濃度，可采用簡化的饒氏定律(Raoult’s Law)［18］計算，即:

式中:Ci——非水相液態(tài)混合物中某有機污染組分i平衡時摩爾濃度/(mol·L-1);

Si——某有機污染組分i純態(tài)時在水溶液中的溶解度/(mol·L-1);

Xi——某污染組分i在有機相中的摩爾分數(shù)(無量綱)。

6 結(jié)論

地下水污染源強是單位時間內(nèi)污染源向地下水中排放、排泄或遷移轉(zhuǎn)化污染物的質(zhì)量，是一個隨時間和空間變化的一個物理量。

地下水污染源強與污染源在分類上具有相似性，可根據(jù)幾何展布形狀、分布位置、物理化學(xué)性質(zhì)、釋放方式、產(chǎn)生來源、強度變化等進行分類。其中，按照分布位置、相態(tài)分類是最常用的分類方法。

地下水污染源強及其特征可通過資料信息收集、現(xiàn)場調(diào)查、動態(tài)監(jiān)測、模擬試驗等手段進行識別。

地下水污染源強，既可以采用數(shù)學(xué)公式及模擬手段定量表征，也可以采用半定量或簡化方法表征，這取決于地下水污染監(jiān)管和控制要求和場地資料的精度。

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