王嘉瑜，蒲生彥，胡 玥，李博文

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/成都理工大學(xué)，四川 成都 610059；2.國(guó)家環(huán)境保護(hù)水土污染協(xié)同控制與聯(lián)合修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/成都理工大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610059)

我國(guó)社會(huì)生產(chǎn)生活用水近20%來(lái)自地下水[1-2]，約有70%的主要飲用水源為地下水，約40%的耕地使用地下水灌溉[3]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)地下水資源的需求日益增長(zhǎng)，地下水污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。地下水污染具有隱蔽性和滯后性[4]，須從“先污染，后治理”向“預(yù)防為主，防治結(jié)合”轉(zhuǎn)變[5-6]。地下水污染風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警就是將“預(yù)警”的原理運(yùn)用在污染防治中，通過(guò)建立風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制，辨識(shí)水資源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中出現(xiàn)的非持續(xù)利用征兆的人類(lèi)行為，分析地下水質(zhì)量和系統(tǒng)逆化、退化和惡化的程度，預(yù)測(cè)其變化趨勢(shì)，并及時(shí)做出預(yù)警和應(yīng)對(duì)措施[7-11]。

地下水污染風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的核心是預(yù)警等級(jí)和閾值的確定。風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)及閾值確定時(shí)，既要?jiǎng)澐炙w受影響的程度——警度，又要確定警情不同嚴(yán)重性的分界線——警限。為了使預(yù)警系統(tǒng)能夠全面準(zhǔn)確預(yù)報(bào)、合理評(píng)估地下水水質(zhì)現(xiàn)狀和變化趨勢(shì)[12-13]，在劃分預(yù)警等級(jí)和劃定閾值時(shí)應(yīng)根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，充分考慮地下水循環(huán)模式、供水對(duì)象分布、生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等因素，準(zhǔn)確定量地劃定污染閾值[14-15]。閾值通常是指預(yù)警系統(tǒng)的界限值，當(dāng)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地下水化學(xué)組分、物理性質(zhì)和生物學(xué)特性產(chǎn)生的影響超過(guò)這個(gè)界限值時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致不同程度的污染[10-11]。

地下水風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)及閾值劃定都處于探索階段，尚未形成完善的理論方法體系[16]。本文通過(guò)大量文獻(xiàn)調(diào)研，較系統(tǒng)地歸納和總結(jié)了地下水污染風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)及閾值確定方法研究現(xiàn)狀，并評(píng)析了不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，以期為地下水環(huán)境保護(hù)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理提供參考。

1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法是以現(xiàn)有地下水國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)以及典型行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)及限值為依據(jù)，結(jié)合研究區(qū)生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、水文地質(zhì)條件及污染源分布等因素，確定預(yù)警等級(jí)和閾值的方法[17-18]。國(guó)內(nèi)常用標(biāo)準(zhǔn)有《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》、《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》和《國(guó)家突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急預(yù)案》等，國(guó)外常用標(biāo)準(zhǔn)有《飲用水水質(zhì)準(zhǔn)則》(WHO)、《歐盟水框架》(EWFD)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法開(kāi)展了卓有成效的研究工作。董志穎等在研究吉林西部地下水水質(zhì)預(yù)警體系時(shí)，根據(jù)研究區(qū)降水量遠(yuǎn)小于蒸發(fā)量，潛水溶解性總固體、硬度較高的特點(diǎn)，參照當(dāng)時(shí)國(guó)家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 14848—93)，劃分預(yù)警等級(jí)劃定閾值[19-20]。呂曉立等以新疆塔城盆地為研究區(qū)，由于區(qū)內(nèi)多為農(nóng)牧區(qū)，地下水防污性能較差，受人類(lèi)活動(dòng)影響大，所以將地下水中“三氮”作為預(yù)警因子，以《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848—2017)作為依據(jù)確定預(yù)警閾值[20-21]。Douagui等在對(duì)阿比讓第四系地下水大腸桿菌和硝酸鹽污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分研究中，結(jié)合當(dāng)?shù)氐叵滤饕鳛樯钣盟疑罾葷B瀝液處理不當(dāng)?shù)膶?shí)際情況，根據(jù)世界衛(wèi)生組織基于人體健康影響而設(shè)定的第四版《飲用水水質(zhì)準(zhǔn)則》，劃定地下水中硝酸鹽污染預(yù)警閾值[22-23]。Mario等在對(duì)西班牙格拉納達(dá)地區(qū)的地下水污染進(jìn)行研究時(shí)，為了保護(hù)水質(zhì)不受農(nóng)業(yè)污染源的污染，根據(jù)《歐盟水框架指令》(EWFD)中對(duì)地下水硝酸鹽含量的閾值設(shè)定，將研究區(qū)地下水水質(zhì)進(jìn)行了分級(jí)[24-25]。Bhutiani等以印度北部工業(yè)城市赫爾德瓦爾為研究區(qū)，將當(dāng)?shù)毓I(yè)廢水中的重金屬元素作為預(yù)警因子，WHO《飲用水水質(zhì)準(zhǔn)則》為標(biāo)準(zhǔn)確定了警限與警度[23,26-27]。基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)及閾值的代表性研究見(jiàn)表1。

由于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)，以地下水形成背景為基礎(chǔ)，已經(jīng)考慮了地下水使用功能、地下水的自?xún)裟芰臀廴疚镄再|(zhì)等因素，因此相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法具有普適性、通用性、簡(jiǎn)潔易行和標(biāo)準(zhǔn)明確的特點(diǎn)，適用于大空間尺度范圍的區(qū)域預(yù)警等級(jí)及閾值確定[6]。但是，地下水環(huán)境狀況是個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，水量、水質(zhì)和可持續(xù)發(fā)展程度均受到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、自然等諸多要素的相互作用，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)可能在一定程度上存在著滯后性。因此，在特殊地質(zhì)條件或特殊行業(yè)存在的地區(qū)，該方法應(yīng)用時(shí)會(huì)存在準(zhǔn)確度較低、針對(duì)性不強(qiáng)的缺點(diǎn)。

表1 基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法、臨界值法和綜合評(píng)判法的預(yù)警等級(jí)及閾值劃定研究Table 1 Summary of the warning level threshold classification based on the established criteria, threshold setting and Comprehensive evaluation

續(xù)表

2 臨界值法

基于臨界值法的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)及閾值劃定方法是在分析研究區(qū)地下水水質(zhì)狀況、地下水污染風(fēng)險(xiǎn)，將設(shè)定預(yù)警因子不同污染等級(jí)的濃度臨界值與風(fēng)險(xiǎn)臨界值相耦合，或者將設(shè)定預(yù)警因子的濃度乘以不同的系數(shù)來(lái)確定閾值，并進(jìn)行預(yù)警等級(jí)劃分[28]。對(duì)臨界值的確定有通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型、基于污染物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、結(jié)合污染物不同濃度對(duì)生物體的毒性反應(yīng)調(diào)查等方法[29]。

基于臨界值法的研究較多，如洪梅等在地下水水質(zhì)預(yù)警信息系統(tǒng)的研究中根據(jù)吉林省西部平原區(qū)10余年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，以每5年為一個(gè)時(shí)段，以水質(zhì)變化速率為預(yù)警指標(biāo)，設(shè)定了5個(gè)臨界值作為閾值劃分趨勢(shì)預(yù)警等級(jí)[30]。鄭丙輝等在研究水污染事件污染物安全閾值時(shí)，考慮了污染物無(wú)不良反應(yīng)濃度、暴露人群體重、日均飲水量等參數(shù)，針對(duì)氰化鈉、鎘、甲醛、氨氮、甲苯、硝基苯、微囊藻毒素-LR這7種特征污染物，給出了污染物暴露的安全閾值及計(jì)算公式[31]。趙娟等在研究吉林西部地區(qū)高砷地下水砷的閾值時(shí)，根據(jù)研究區(qū)砷中毒病情調(diào)查結(jié)果、地下水采樣分析的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)在研究區(qū)范圍內(nèi)，砷的質(zhì)量濃度小于0.05 mg/L的地段未發(fā)現(xiàn)有砷中毒病情，當(dāng)砷的質(zhì)量濃度大于0.05 mg/L時(shí)有砷中毒發(fā)生，從而確定了研究區(qū)地下水中砷總質(zhì)量濃度的安全閾值(0.05 mg/L)[32]。黨學(xué)亞等利用柴達(dá)木盆地的生態(tài)植被生長(zhǎng)情況與地下水溶解性總固體含量(TDS)、水位埋深之間的關(guān)系，設(shè)定不同生長(zhǎng)情況下的TDS與水位埋深數(shù)值為臨界值，劃分了柴達(dá)木盆地生態(tài)植被生長(zhǎng)情況下的地下水閾值[34]?；谙嚓P(guān)臨界值法的預(yù)警等級(jí)及閾值劃定代表性研究見(jiàn)表1。

基于臨界值法劃分等級(jí)確定污染預(yù)警等級(jí)及閾值，方法簡(jiǎn)單明了、針對(duì)性強(qiáng)。但主要適用于特定事件分析，本方法的關(guān)鍵在于相關(guān)臨界值的合理設(shè)定。

3 綜合評(píng)判法

綜合評(píng)判法是將一些邊界不清，不易定量的因素利用數(shù)學(xué)方法轉(zhuǎn)化為相似系數(shù)、關(guān)聯(lián)度等，定量化或賦值后進(jìn)行判定，或者將定性與定量分析相結(jié)合的多準(zhǔn)則評(píng)判法。在地下水污染風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)及閾值劃定的研究中，通常需要將一些定性的因素進(jìn)行數(shù)學(xué)模型處理，或賦予權(quán)重，然后進(jìn)行計(jì)算以劃定閾值[35]。

綜合評(píng)價(jià)法主要包括層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、專(zhuān)家評(píng)價(jià)法等。張偉紅等在區(qū)域地下水污染預(yù)警研究中從地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的“脆弱度”、“危險(xiǎn)度”、“危害度”三個(gè)方面，構(gòu)成地下水污染風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，確定2級(jí)警度為警戒線[5]。周超等以北京平原區(qū)為研究區(qū)，由于研究區(qū)較大，進(jìn)行脆弱性評(píng)價(jià)時(shí)需要綜合考慮地下水位埋深、凈補(bǔ)給量、介質(zhì)類(lèi)型等多個(gè)指標(biāo)，利用數(shù)值模型改進(jìn)的DRASTIC法得出評(píng)價(jià)結(jié)果[36]。趙文榮等對(duì)南通市通州區(qū)建立了水污染事故預(yù)警系統(tǒng)，篩選預(yù)警指標(biāo)，利用層次分析法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重并分級(jí)閾值指標(biāo)[37]。姚麗利等在渾河沖洪積扇飲用水水源地的研究應(yīng)用中，綜合考慮研究區(qū)污染源荷載風(fēng)險(xiǎn)和污染危害性計(jì)算污染風(fēng)險(xiǎn)值，以地下水水質(zhì)綜合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的級(jí)別為水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)值，并賦予污染風(fēng)險(xiǎn)和水質(zhì)現(xiàn)狀兩個(gè)定性因素相同的權(quán)重?cái)?shù)值，計(jì)算了污染預(yù)警值[38]。Rosli等在研究Salak河水質(zhì)狀況時(shí)，根據(jù)馬來(lái)西亞國(guó)家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(NWQS)和水質(zhì)指數(shù)(WQI)確定河流水質(zhì)等級(jí)和劃分閾值[39]。ener等以貝伊-埃爾湖流域地下水潛力圖為研究對(duì)象，利用GIS和模糊層次分析法，評(píng)價(jià)了巖性、線形、排水密度、土地利用、坡度、土壤類(lèi)型和降雨7個(gè)參數(shù)，確定各參數(shù)的評(píng)價(jià)系數(shù)和權(quán)重，并計(jì)算地下水潛力指數(shù)，采用分位數(shù)分類(lèi)法確定地下水潛力等級(jí)[40]。基于綜合評(píng)判法的預(yù)警等級(jí)及閾值劃定代表性研究，見(jiàn)表1。

綜合評(píng)價(jià)法可以有效地吸收定性分析的結(jié)果，發(fā)揮定量分析的準(zhǔn)確性，很好地解決了判斷的模糊性和不確定性問(wèn)題。但是將定性和定量相結(jié)合的多準(zhǔn)則評(píng)判方法方面的研究還需進(jìn)一步探索和加強(qiáng)。

4 其他方法

在許多時(shí)候，由于研究區(qū)的條件比較復(fù)雜，帶有一定的自身特殊性，預(yù)警等級(jí)及閾值劃定中則需要采用上述方法的幾種或者結(jié)合研究區(qū)背景特點(diǎn)采用了其他方法，在分析研究地下水水質(zhì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了污染預(yù)警等級(jí)及閾值的確定。

比如，Ding和Arnold利用研究區(qū)豐富的硝酸鹽歷史水樣數(shù)據(jù)，以地下水中硝酸鹽濃度背景值為基準(zhǔn)，研究影響井中硝酸鹽濃度變化，并結(jié)合世界衛(wèi)生組織基于人體健康影響設(shè)定的飲用水標(biāo)準(zhǔn)值作為閾值[41]。Lee等比較評(píng)估年的觀察值和評(píng)估年之前的歷史值，并以此為基準(zhǔn)，結(jié)合參數(shù)和非參數(shù)的趨勢(shì)測(cè)試結(jié)果，劃定了水位和導(dǎo)電性不同數(shù)值下的等級(jí)[42]。RAN Al-Adamat等在評(píng)價(jià)約旦阿茲拉克盆地玄武巖含水層脆弱性時(shí)，由于缺少研究區(qū)的部分資料，故剔除了DRASTIC模型中的水力傳導(dǎo)系數(shù)(C)，劃分了中度與低脆弱區(qū)[43]。TK Boateng等在對(duì)埃塞蘇-朱巴市地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)，利用美國(guó)環(huán)境保護(hù)局風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型計(jì)算地下水中不同重金屬含量下人體健康風(fēng)險(xiǎn)值，確定了地下水中Cd，F(xiàn)e，Cu，Pb，Zn，Mn含量的風(fēng)險(xiǎn)閾值[44-45]。饒志等在鄱陽(yáng)湖平原研究地下水重金屬污染狀況時(shí)，利用美國(guó)環(huán)境保護(hù)署的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，對(duì)研究區(qū)地下水中的目標(biāo)污染物Cu、Pb、Cd、Cr、As、Hg六種重金屬元素進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[46]。這些方法在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)及閾值的劃定中考慮研究區(qū)特殊情況，結(jié)合了幾種方法，或運(yùn)用了地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，可有針對(duì)性地確定風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的等級(jí)和閾值。

5 不同方法的適用性

不同的預(yù)警等級(jí)及閾值確定方法在應(yīng)用時(shí)各有優(yōu)劣。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法適用于區(qū)域或者流域尺度下地下水污染風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)及閾值的劃定，在宏觀的區(qū)域中該方法可以發(fā)揮其通用性，較其他方法具有簡(jiǎn)單易行、可靠明確的優(yōu)點(diǎn)。但是在面對(duì)一些特殊水文地質(zhì)環(huán)境時(shí)，該方法的靈活性和針對(duì)性較為欠缺。

相比于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法，臨界值法具有較強(qiáng)的針對(duì)性和準(zhǔn)確性，在預(yù)警因子的確定上有更大的選擇空間，運(yùn)用起來(lái)更加靈活，適用于特定事件的分析。對(duì)于預(yù)警因子臨界值的設(shè)定，需要借助模型分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方法，因此臨界值法的運(yùn)用比較依賴(lài)充足且準(zhǔn)確的基礎(chǔ)資料，較適用于資料完善的研究區(qū)域。

與臨界值法相比，綜合評(píng)判法則對(duì)于定量數(shù)據(jù)信息的要求較少，通過(guò)數(shù)學(xué)分析處理多個(gè)變量之間的關(guān)系，能夠?qū)Χㄐ砸蛩刈龀鲚^為貼近實(shí)際的量化評(píng)價(jià)，因此該方法多應(yīng)用于一些變量較多或者不易定量因素存在的研究區(qū)。但是在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，綜合評(píng)判法的數(shù)學(xué)計(jì)算較為復(fù)雜，多個(gè)變量之間的權(quán)重確定存在著一定的主觀性。

6 結(jié)論與展望

隨著地下水資源需求的日益增長(zhǎng)，污染風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警體系的建設(shè)越來(lái)越受到重視，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)及閾值的確定方法也提出了越來(lái)越高的要求。由于研究區(qū)水文地球化學(xué)、地質(zhì)環(huán)境等條件的多樣性，預(yù)警等級(jí)和閾值的確定出現(xiàn)各種各樣的方法，不同方法的準(zhǔn)確性和適用性參差不齊。為完善我國(guó)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)和閾值的研究，進(jìn)一步研究中需關(guān)注：

(1)需要借助多方法研究成果的交叉運(yùn)用。例如在運(yùn)用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法時(shí)，可以通過(guò)分析研究區(qū)水文地質(zhì)化學(xué)條件、區(qū)域?qū)傩?，在局部區(qū)域使用設(shè)定臨界值法、綜合評(píng)判法或其他方法，彌補(bǔ)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的不足，分層面確定警度和閾值。

(2)與系統(tǒng)分析理論、物理化學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等學(xué)科研究成果交互應(yīng)用。運(yùn)用綜合評(píng)判法劃定閾值時(shí)可以結(jié)合熵權(quán)法等其他方法，降低人為因素對(duì)權(quán)重的影響等。加強(qiáng)與地下水污染相關(guān)的水文地質(zhì)調(diào)查及監(jiān)測(cè)工作，不斷提高地下水污染調(diào)查研究深度，充分考慮水文地質(zhì)基礎(chǔ)資料的完整性和實(shí)際預(yù)警過(guò)程中的不確定因素。

(3)綜合考慮不同因素的影響，提高預(yù)警的精度和準(zhǔn)確度。影響地下水污染的因素有很多，包括污染源特征、包氣帶、含水層巖性及厚度、地下水動(dòng)力學(xué)特征等。應(yīng)充分綜合考慮地質(zhì)條件、污染源、地下水價(jià)值、地下水動(dòng)態(tài)等因素，并結(jié)合實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)、3S技術(shù)等手段，以提高預(yù)警的準(zhǔn)確度。