鄭 尚，劉國(guó)東，王 亮，邱云翔，胡立春

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065)

傍河水源地是指建立在常年性河流旁側(cè)，主要依靠河流入滲補(bǔ)給的地下水水源地。傍河水源地具有水量充足、水質(zhì)良好和便于集中開采等優(yōu)點(diǎn)，在水資源緊缺地區(qū)具有較大的開發(fā)潛力[1]。我國(guó)目前大約有300個(gè)傍河水源地[2]，可見(jiàn)傍河開采地下水已經(jīng)成為一種重要的地下水開發(fā)模式。但由于河流沿途可能接受到農(nóng)業(yè)、生活以及工業(yè)污染源的影響，河流在為地下水水源地提供充足水量的同時(shí)也成為了傍河水源地的污染源。該類水源地具有補(bǔ)給充足、水質(zhì)優(yōu)良和供水量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[3]，因此難以在短時(shí)間內(nèi)被替代，而水源地一旦發(fā)生污染，將危及人們的健康，可能造成較大的社會(huì)影響。運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)理論進(jìn)行地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是一種有效的地下水環(huán)境管理手段，許多學(xué)者在地下水污染風(fēng)險(xiǎn)方面進(jìn)行了研究。如李如忠[4]利用模糊集理論對(duì)城市水源健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，史良勝[5]等利用隨機(jī)配點(diǎn)法評(píng)價(jià)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)，但針對(duì)傍河水源地為對(duì)象的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)的研究很少。因此為了更好管理傍河水源地，研究傍河水源地地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法十分必要。

1 傍河水源地地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)概念模型

根據(jù)傍河區(qū)地下水的埋藏特點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害理論，構(gòu)建傍河水源地地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)概念模型，確定源地價(jià)值。概念模型綜合考慮了污染源、污染物傳播途徑及污染受體，同時(shí)考慮了水源地的自然屬性(傍河水源地地下水污染風(fēng)險(xiǎn)主要受4個(gè)方面影響：河流危險(xiǎn)性、地下水脆弱性、地下水水質(zhì)容量指數(shù)和水地下水脆弱性、水質(zhì)指標(biāo)環(huán)境容量)以及社會(huì)屬性(社會(huì)價(jià)值)，比僅考慮“脆弱性”及“污染物危害性”為基礎(chǔ)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型更為合理。概念模型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

1.1 河流危險(xiǎn)性H

由于傍河水源地主要受河流入滲補(bǔ)給這一特殊性質(zhì)，所以河流往往成為水源地地下水污染風(fēng)險(xiǎn)的來(lái)源，上游接受的污染物可能隨著河流遷移至水源地附近，并通過(guò)下滲的河水污染水源地，可見(jiàn)河水水質(zhì)越差、河流與水源地聯(lián)系越密切，水源地存在的風(fēng)險(xiǎn)越大，因此選擇地下水源地河流補(bǔ)給系數(shù)、上游工農(nóng)業(yè)發(fā)展程度、河流水質(zhì)現(xiàn)狀、河流年均流量及水源井與河流平均距離共5個(gè)因子作為河流危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)依據(jù)。其中，地下水源地河流補(bǔ)給系數(shù)反映了河流對(duì)地下水的影響程度，用河流補(bǔ)給量占地下水開采量的比例表示，分配權(quán)重0.3；上游區(qū)工農(nóng)業(yè)發(fā)展程度反映河流受到污染的概率和污染物的毒性；河流水質(zhì)現(xiàn)狀、河流年均流量及水源井與河流平均距離3個(gè)因子反映河流承受污染事件的能力和水源地的響應(yīng)時(shí)間。指標(biāo)分級(jí)詳見(jiàn)表1。河流危險(xiǎn)性H計(jì)算方式如下：

(1)

式中：αi為指標(biāo)i權(quán)重；hi為指標(biāo)i評(píng)分值；m為指標(biāo)因子個(gè)數(shù)。

層次分析法是目前應(yīng)用較為廣泛的權(quán)重確定方法，具系統(tǒng)性、簡(jiǎn)潔性、實(shí)用性及靈活性等特點(diǎn)，具體步驟參見(jiàn)文獻(xiàn)[6]，因此本文采用層次分析法進(jìn)行河流危險(xiǎn)性指標(biāo)的權(quán)重分配。

1.2 地下水脆弱性V

地下水脆弱性是指人類活動(dòng)產(chǎn)生的污染物進(jìn)入地下水含水層，由于含水層自然保護(hù)能力的差異，一些地區(qū)比其他地區(qū)易遭受污染的特性[7]。地下水脆弱性的評(píng)價(jià)方法較多，如DRASTIC、GOD、PI和VULK等，其中DRASTIC方法應(yīng)用最為廣泛。但由于DRASTIC模型忽略了各指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性等問(wèn)題，不能反映傍河水源地的防污特性，因此本文以DRASTIC模型為基礎(chǔ)進(jìn)行一定的修正，以用于傍河地下水水源地脆弱性評(píng)價(jià)。首先，傍河水源地主要接受河流入滲補(bǔ)給，所以可以忽略土壤介質(zhì)的影響；其次，由于傍河地下水水源地含水層孔隙度較大，連通性較好，水力傳導(dǎo)系數(shù)均較大，因此也可忽略其影響；最后，水源地以開采地下水為目的，而開采系數(shù)是表征在保證可持續(xù)開采的基礎(chǔ)上，地下水開采量占可開采量比例的指標(biāo)，因此需增加地下水開采系數(shù)指標(biāo)。綜上，構(gòu)建的DRATIG模型包含：地下水埋深D、含水層凈補(bǔ)給R、含水層巖性A、地形坡度T、包氣帶介質(zhì)I以及地下水開采系數(shù)G6項(xiàng)指標(biāo)，其中地下水埋深及地形坡度采用DRASTIC模型的分級(jí)指標(biāo)，其余指標(biāo)根據(jù)傍河水源地的特點(diǎn)進(jìn)行分級(jí)并賦值，詳見(jiàn)表2。地下水脆弱性V利用式(1)計(jì)算，各因子權(quán)重采用層次分析法計(jì)算。

圖1 傍河水源地地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型Fig.1 Groundwater pollution risk assessment model in riverside water source

地下水源地河流補(bǔ)給系數(shù)/%上游工農(nóng)業(yè)發(fā)展程度河流水質(zhì)現(xiàn)狀河流年均流量/(m3·s-1)水源井與河流平均距離/m分值0～20農(nóng)業(yè)不發(fā)達(dá)、工業(yè)不發(fā)達(dá)Ⅰ>100>200120～40工業(yè)不發(fā)達(dá)、農(nóng)業(yè)較發(fā)達(dá)Ⅱ100～50100～200240～60工業(yè)較發(fā)達(dá)、農(nóng)業(yè)較發(fā)達(dá)Ⅲ50～2050～100360～80工業(yè)較發(fā)達(dá)、農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)Ⅳ20～520～50480～100工業(yè)發(fā)達(dá)Ⅴ5～00～205

1.3 地下水水質(zhì)容量指數(shù)C

水源地主要以供水為目的，因此主要以《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)所規(guī)定的各類指標(biāo)限值為標(biāo)準(zhǔn)，用每個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值與現(xiàn)狀值之差占標(biāo)準(zhǔn)值的比例作為各指標(biāo)的水質(zhì)容量指數(shù)qi[8,9]。指標(biāo)的水質(zhì)容量指數(shù)越大，表明在不影響地下水使用價(jià)值的條件下該指標(biāo)可接受的污染程度越大，計(jì)算方法見(jiàn)式(2)，當(dāng)某一指標(biāo)值超出標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，該指標(biāo)的容量指數(shù)取為0。將各指標(biāo)的容量指數(shù)綜合后得到地下水水質(zhì)容量指數(shù)C，計(jì)算方法見(jiàn)式(3)。

qi=(Cis-Cic)/Cis

(2)

(3)

式中：Cis為指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)值；Cic為指標(biāo)i的現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)值；qi為指標(biāo)i的容量指數(shù)，當(dāng)待計(jì)算指標(biāo)為pH時(shí)，qi=min{|Cic-6.5|,|Cic-8.5|}；當(dāng)僅有一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)C′i=qi，當(dāng)有多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，C′i為指標(biāo)i計(jì)算結(jié)果qi的最小值；C為地下水水質(zhì)容量指數(shù)，顯然，C的取值范圍在0到1之間，因此以0.2為間隔，將C劃分為5個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)的地下水水質(zhì)容量依次為低(0～0.2)、較低(0.2～0.4)、中(0.4～0.6)、較高(0.6～0.8)及高(0.8～1.0)，相應(yīng)分值依次為1、2、3、4、5。

1.4 水源地價(jià)值W

水源地的價(jià)值主要體現(xiàn)在供水人口和供水地區(qū)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嚴(yán)重。將水源地的供水人數(shù)和供水地區(qū)人均GDP劃分5個(gè)等級(jí)，同樣采用式(1)進(jìn)行水源地價(jià)值計(jì)算。依據(jù)各指標(biāo)重要性進(jìn)行權(quán)重賦值，確定供水人口權(quán)重、供水地區(qū)人均GDP權(quán)重依次為0.7、0.3。地下水水源地價(jià)值分級(jí)及評(píng)分見(jiàn)表3。

1.5 地下水污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)R計(jì)算

由前所述，河流危險(xiǎn)性和地下水脆弱性得分越高，水源地污染風(fēng)險(xiǎn)越大；水源地價(jià)值評(píng)分值越高，水源地遭受污染后損失越大；相反，地下水水質(zhì)容量指數(shù)C越大，所能容納的污染物越多，地下水污染風(fēng)險(xiǎn)越小。因此，傍河水源地地下水污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)R可用下式表達(dá)：

(4)

式中：H為河流危險(xiǎn)性，H∈(1，5)；V為地下水脆弱性，V∈(1，10)；C為地下水水質(zhì)容量指數(shù)，C∈(1，5)；W為水源地價(jià)值，W∈(1，5)。

將風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)R分為5個(gè)等級(jí)，其風(fēng)險(xiǎn)程度依次為低(0～0.5)、較低(0.5～1.3)、中(1.3～2.5)、較高(2.5～4.0)、高(4.0～6.3)。

2 實(shí)例分析

2.1 研究區(qū)概況

西窯水源地位于晉中榆次區(qū)，屬于瀟河河漫灘及1級(jí)階地，目前共有供水井18眼，日供水量約34 344 m3，其中潛水井11口，日開采量約21 822 m3，水源地傍河取水區(qū)水位埋深0.5～1.5 m，是典型的傍河取水水源地。瀟河發(fā)源于昔陽(yáng)縣沾尚馬道嶺，全長(zhǎng)130 km，其中水源地以上長(zhǎng)80 km，流域面積2 700 km2，水源地上游主要流經(jīng)昔陽(yáng)和壽陽(yáng)，多年平均流量為4.03 m3/s，最大洪水流量為788 m3/s，最小流量為0.27 m3/s[9]。瀟河流域區(qū)內(nèi)普遍干旱缺水，多年平均降水量為483 mm，其中汛期降水量約占全年的70%。

2.2 西窯水源地地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

(1)河流危險(xiǎn)性分析。西窯水源地上游段主河道村莊分布，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，無(wú)城市發(fā)展，其支流白馬河穿越壽陽(yáng)縣，壽陽(yáng)縣工業(yè)園位于白馬河?xùn)|側(cè)，最近距離小于1 km，極可能產(chǎn)生工業(yè)污染源；根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，瀟河主河道水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)；西窯水源地11口潛水井與河流平均距離為47.4 m；河流入滲補(bǔ)給量約14 630 m3，占水源地開采量的42.6%。利用公式層次分析法，地下水源地河流補(bǔ)給系數(shù)、上游工農(nóng)業(yè)發(fā)展程度、河流水質(zhì)現(xiàn)狀、河流年均流量及水源井與河流平均距離權(quán)重依次為0.35、0.17、0.15、0.06、0.27，利用式(1)進(jìn)行計(jì)算，得西窯水源地地下水危險(xiǎn)性H=3.56。

(2)地下水脆弱性分析。依據(jù)構(gòu)建的地下水脆弱性DRATIG評(píng)價(jià)方法，結(jié)合西窯水源地實(shí)際情況，西窯水源地脆弱性V=8.074，具體特性見(jiàn)表4。

(3) 地下水水質(zhì)容量指數(shù)C計(jì)算。2015年6月，對(duì)西窯水源地井群中2口供水井取樣進(jìn)行水質(zhì)調(diào)查，結(jié)果顯示除揮發(fā)酚類(以苯酚計(jì))與《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)中標(biāo)準(zhǔn)相等，其余指標(biāo)均未超出標(biāo)準(zhǔn)，地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。利用式(2)和(3)計(jì)算，得地下水水質(zhì)容量指數(shù)C=2。

(4)水源地價(jià)值W分析。根據(jù)晉中市2014年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)，2014年晉中市人均GDP為31434元。西窯水源地是榆次區(qū)三大供地下水水源地之一，供水人口約8.5萬(wàn)。利用式(1)計(jì)算得W=3.7。

(5)西窯水源地地下水污染風(fēng)險(xiǎn)R。根據(jù)各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)計(jì)算得到西窯水源地地下水污染風(fēng)險(xiǎn)值R=2.05，因此該水源地地下水污染風(fēng)險(xiǎn)程度“中”。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)根據(jù)傍河水源地特殊的地理位置與環(huán)境，建立傍河水源地地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)概念模型，構(gòu)建以河流危險(xiǎn)性、地下水脆弱性、地下水水質(zhì)容量指數(shù)及水源地價(jià)值為評(píng)價(jià)因子的傍河水源地地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，并確定了各因子的計(jì)算方法、權(quán)重及分值，定義了傍河水源地地下水污染風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

表4 西窯水源地脆弱性計(jì)算Tab.4 Calculating table of vulnerability in Xiyao water resource

表5 地下水現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.5 Result of groundwater quality monitoring

(2)以瀟河傍河區(qū)榆次西窯水源地為研究對(duì)象，利用構(gòu)建的評(píng)價(jià)體系進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果表明地下水污染風(fēng)險(xiǎn)程度為“中”。瀟河為山區(qū)河流，潛在污染源較少，且現(xiàn)狀水質(zhì)較好，水質(zhì)容量指標(biāo)較高，同時(shí)西窯水源松散巖類含水層下伏二馬營(yíng)組砂巖含水層，地下水越流補(bǔ)給和側(cè)向補(bǔ)給強(qiáng)烈，因此西窯水源地地下水污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“中”符合實(shí)際情況。

(3)本文構(gòu)建的風(fēng)險(xiǎn)模型能很好的確定傍河水源地地下水污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，對(duì)于地下水水源地風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)不高的水源地，仍然需要考慮河流的極易受污染這一特性，針對(duì)可能的突發(fā)情況，如工業(yè)偷排、非正常工況或事故工況下污水泄漏等導(dǎo)致河流污染后進(jìn)一步導(dǎo)致水源地污染，使水源地失去飲用功能的情況，傍河水源地應(yīng)做好提前預(yù)警和定期水質(zhì)監(jiān)測(cè)，在上游發(fā)生突發(fā)環(huán)境事件的情況下，應(yīng)提前關(guān)閉水源地抽水井，才能更有效的防止水源地地下水污染。

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