李 翔, 汪 洋, 鹿豪杰, 洪 慧, 肖 超, 李 娟, 席北斗*

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，國(guó)家環(huán)境保護(hù)地下水污染模擬與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012 2.生態(tài)環(huán)境部土壤與農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境監(jiān)管技術(shù)中心，北京 100012

在京津冀地區(qū)，75%以上城鎮(zhèn)生活飲用水均來(lái)自地下水，地下水環(huán)境質(zhì)量是京津冀地區(qū)的飲水安全與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障[1]. 隨著對(duì)地下水的持續(xù)開(kāi)采，京津冀局部地區(qū)地下水位持續(xù)下降，由此引發(fā)的各種環(huán)境問(wèn)題日益突顯. 由于地下水系統(tǒng)的復(fù)雜性與隱蔽性，地下水污染問(wèn)題難以發(fā)現(xiàn)，且一旦污染很難治理[2]. 因此，通過(guò)開(kāi)展地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法研究，尋求適合京津冀地區(qū)的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，識(shí)別地下水易遭受污染的區(qū)域，以分區(qū)域、分級(jí)別防范地下水污染，可為管理者合理利用地下水資源、有針對(duì)性地制定地下水保護(hù)措施提供理論支撐.

地下水污染風(fēng)險(xiǎn)也被稱為“地下水的易污性”“地下水系統(tǒng)防污性能”“地下水污染潛力”等[3-4]. 地下水污染風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題最早由法國(guó)水文地質(zhì)學(xué)家Margat于1968年提出[5]，提出伊始，人們僅關(guān)注到土壤-含水層系統(tǒng)本身，即僅研究自然因素對(duì)地下水脆弱性大小的影響，認(rèn)為地下水脆弱性為一種含水層內(nèi)在的屬性，主要與包氣帶的保護(hù)能力及飽和帶的凈化能力有關(guān). 1987年在“土壤與地下水脆弱性國(guó)際會(huì)議”上，首次提出地下水的脆弱性與人為因素有關(guān)，認(rèn)為不同的污染源，地下含水層對(duì)其敏感性大小也不同，因此其地下水污染風(fēng)險(xiǎn)也不同[6]. 目前國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的方法主要有迭置指數(shù)法、過(guò)程模擬法、統(tǒng)計(jì)方法和模糊數(shù)學(xué)方法等[7].

迭置指數(shù)法由于具有評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)單、評(píng)價(jià)參數(shù)易于獲取等優(yōu)點(diǎn)，是目前最簡(jiǎn)單且應(yīng)用最廣泛的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法. 但是由于因子的評(píng)分和權(quán)重體系多基于經(jīng)驗(yàn)方法獲取，客觀性和科學(xué)性較差. 典型的評(píng)價(jià)模型有DRASTIC、GOD、SINTACS等[8-14]，其中DRASTIC模型的使用較為普遍[15]. 統(tǒng)計(jì)方法雖然能夠客觀地篩選出地下水污染的主要影響因素，并通過(guò)回歸方程給出適當(dāng)?shù)臋?quán)重值，避免了專家評(píng)判的主觀性，但其沒(méi)有涉及污染發(fā)生的基本過(guò)程并且評(píng)價(jià)時(shí)需要大量的監(jiān)測(cè)資料和相關(guān)信息作為基礎(chǔ)，應(yīng)用有限[16]. 常用的統(tǒng)計(jì)方法有地理統(tǒng)計(jì)法、線性回歸分析法、邏輯回歸分析法和實(shí)證權(quán)重法等[17-18]. 過(guò)程模擬方法是利用成熟的污染物遷移轉(zhuǎn)化模型，模擬污染物在包氣帶和飽水帶中遷移、轉(zhuǎn)化的過(guò)程，結(jié)合地下水脆弱性評(píng)價(jià)公式計(jì)算地下水脆弱性綜合指數(shù). 過(guò)程模擬法既能模擬地下水污染物的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，又可以預(yù)測(cè)污染物的時(shí)空分布情況，且污染物遷移時(shí)間、污染物濃度及污染面積等模擬結(jié)果均可進(jìn)行量化. 由于評(píng)價(jià)過(guò)程中沒(méi)有主觀因素的影響，評(píng)價(jià)結(jié)果科學(xué)性和可信度較強(qiáng)，近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注. 目前，常用的污染過(guò)程模擬軟件和模型主要有FEFLOW、FEMWATER、GMS、Visual MODFLOW、MT3D和RT3D、HYDRUS等[19-22].

HYDRUS-2D是一款模擬飽和-非飽和區(qū)水分、熱及溶質(zhì)運(yùn)移的軟件，具有輸入數(shù)據(jù)相對(duì)較少、模擬結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)，在包氣帶土壤水分及溶質(zhì)運(yùn)移模擬研究中被廣泛應(yīng)用[23-25]. 因此，該研究以京津冀地區(qū)某典型污染區(qū)域?yàn)槔捎肏YDRUS-2D軟件，通過(guò)模擬污染物在不同包氣帶結(jié)構(gòu)下的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，對(duì)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)研究. 研究成果可為管理者合理利用地下水資源，有針對(duì)性地制定地下水保護(hù)措施提供理論支撐.

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于京津冀平原區(qū)內(nèi)，面積約為909.72 km2，地形由北向南傾斜，平均坡度為0.1%～0.2%. 氣候類型屬于典型暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，春季干旱多風(fēng)，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷干燥.

研究區(qū)第四系沉積物廣泛分布于平原和山間溝谷，沉積層的特征為北薄南厚、東薄西厚. 根據(jù)松散層的沉積規(guī)律和埋藏條件，研究區(qū)含水層由上到下可分為潛水含水層、淺層承壓含水層和深層承壓含水層組. 潛水含水層廣泛分布于研究區(qū)，該層巖石顆粒大、滲透性強(qiáng)，直接接受大氣降水和地表水入滲補(bǔ)給，為研究區(qū)農(nóng)業(yè)用水的主要取水段；淺層承壓含水層為多層含水層分布區(qū)，含水層埋深范圍為50～120 m，其巖性均一、透水性強(qiáng)、富水性好，是當(dāng)?shù)厮淳⒆詡渚闹饕_(kāi)采層. 地下水補(bǔ)給主要為大氣降水入滲補(bǔ)給、側(cè)向徑流補(bǔ)給、水庫(kù)滲漏、河流入滲補(bǔ)給以及灌溉回滲補(bǔ)給，其中大氣降水入滲補(bǔ)給是研究區(qū)內(nèi)地下水最主要的補(bǔ)給來(lái)源. 天然條件下，地下水徑流方向與地形地貌變化一致，即由山前向平原，由北西向南東流動(dòng). 現(xiàn)狀條件下，由于地下水的集中開(kāi)采，局部地區(qū)流向發(fā)生改變，在開(kāi)采量較大的地區(qū)，形成區(qū)域性降落漏斗. 研究區(qū)地下水的排泄方式主要有兩種：①自然排泄，主要是指地下水的溢出、蒸發(fā)及流向下游的側(cè)向流出；②人工開(kāi)采，包括應(yīng)急水源地、區(qū)縣水源地及工農(nóng)業(yè)自備井開(kāi)采. 天然條件下，地下水的排泄方式主要為蒸發(fā)排泄; 現(xiàn)狀條件下，人工開(kāi)采已成為地下水主要排泄方式.

2 地下水污染荷載評(píng)價(jià)

基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，研究區(qū)地下水污染源主要包括工業(yè)源、農(nóng)業(yè)面源、居民區(qū)、垃圾填埋場(chǎng)和地表水體5種類型，污染源分布情況見(jiàn)圖1. 根據(jù)各類型污染源的污染物排放方式，以硝酸鹽為特征污染物計(jì)算污染荷載.

2.1 工業(yè)源

結(jié)合環(huán)統(tǒng)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研資料，通過(guò)式(1)進(jìn)行工業(yè)源污染荷載評(píng)價(jià).

Qn=q×Qi×λ/Si

(1)

式中：Qn為單個(gè)工業(yè)源污染荷載值，mg/(m2·a)；q為特征污染物硝酸鹽排放濃度，mg/L；Qi為污染源i的污水排放量，L/a；λ為地表入滲系數(shù)；Si為污染源i的面積，m2.

由于缺乏工業(yè)源的污水排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，參考各類型工業(yè)源排放標(biāo)準(zhǔn)中的最大允許硝酸鹽排放濃度代替硝酸鹽的實(shí)際排放濃度. 工業(yè)源的影響范圍參照《地下水污染防治分區(qū)劃分工作指南》中各類污染源緩沖區(qū)半徑設(shè)定，如表1所示.

2.2 居民區(qū)

城鎮(zhèn)居民區(qū)用水主要包括生活用水、公共服務(wù)用水、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)用水等，假設(shè)城鎮(zhèn)居民區(qū)的用水全部為生活用水，其供應(yīng)的水全部轉(zhuǎn)化為城市污水，供水的

表1 工業(yè)源緩沖區(qū)半徑的設(shè)定

損失量全部滲漏進(jìn)入地下，則生活污水的入滲系數(shù)計(jì)算公式：

(2)

式中：λr為生活污水入滲系數(shù)；Q1為居民區(qū)供水量，m3/a；Q2為居民區(qū)廢水排放量，m3/a；Q3為多年平均降雨量，m/a；S為居民區(qū)面積，m2；μ為降雨徑流系數(shù).

該地區(qū)2018年水資源公報(bào)顯示，2018年該地區(qū)總供水量為39.3×108m3，污水排放總量為20.4×108m3，耗水量為18.9×108m3，計(jì)算出該地區(qū)生活污水入滲系數(shù)(λr)為0.77. 根據(jù)《全國(guó)水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》，一般城市人均產(chǎn)污系數(shù)約為6 g/d，由此計(jì)算出居民區(qū)硝酸鹽污染荷載(見(jiàn)表2).

表2 居民區(qū)硝酸鹽污染荷載計(jì)算結(jié)果

2.3 農(nóng)業(yè)面源

研究區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染物的排放濃度根據(jù)《全國(guó)水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》確定. 《全國(guó)水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》中規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田源強(qiáng)系數(shù)COD為15 t/(km2·a)、氨氮為3 t/(km2·a). 研究區(qū)主要為平原區(qū)，表層土為黏粉和粉黏，其年均降雨量為567 mm，經(jīng)過(guò)研究區(qū)實(shí)際情況修正后，硝酸鹽源強(qiáng)系數(shù)為2.64 g/(m2·a).

2.4 垃圾填埋場(chǎng)

垃圾填埋場(chǎng)的硝酸鹽污染荷載，主要根據(jù)垃圾填埋場(chǎng)滲濾液產(chǎn)生量及滲濾液中硝酸鹽濃度確定. 假定填埋場(chǎng)中填埋的垃圾水分含量為零，其滲濾液的產(chǎn)生量?jī)H與年降雨量有關(guān)，根據(jù)式(3)可估算垃圾滲濾液產(chǎn)生量[26].

Qf=K×I×A×10-3

(3)

式中：Qf為垃圾填埋場(chǎng)滲濾液流量，m3/d；K為滲出系數(shù)；I為最大年降水量的日換算值，mm/d；A為垃圾填埋場(chǎng)面積，m2.

由于缺乏垃圾填埋場(chǎng)滲濾液檢測(cè)數(shù)據(jù)，參考GB 16889—2008《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》中現(xiàn)有和新建生活垃圾填埋場(chǎng)水污染物排放質(zhì)量濃度限值，計(jì)算硝酸鹽污染荷載，結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 垃圾填埋場(chǎng)硝酸鹽污染荷載計(jì)算結(jié)果

2.5 地表水體

地表水體硝酸鹽污染荷載主要與河道水質(zhì)、水量及底泥的滲透性有關(guān)，由于河道的面積難以確定，通過(guò)其河道的長(zhǎng)和寬確定河道的水量. 河道硝酸鹽污染荷載計(jì)算公式：

Qw=L×W×Km×C

(4)

式中：Qw為河道硝酸鹽污染荷載，t/a；L為河道的長(zhǎng)度，m；W為河道的寬度，m；Km為底泥入滲速率，參考淤泥質(zhì)土的入滲速率，取值為1.5×10-9m/s；C為河道中硝酸鹽濃度，mg/L.

由于研究區(qū)內(nèi)的河道多為再生水排放河道，因此根據(jù)GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》確定河道的硝酸鹽濃度限值，計(jì)算各河道硝酸鹽污染荷載.

圖2 研究區(qū)硝酸鹽污染荷載空間分布Fig.2 Spatial distribution of nitrate pollution load in the study area

2.6 污染荷載疊加計(jì)算

根據(jù)以上5類污染源的污染荷載量化計(jì)算結(jié)果，基于ArcGIS 10.2軟件中的柵格疊加功能將不同污染源的硝酸鹽污染荷載計(jì)算結(jié)果進(jìn)行疊加，得到研究區(qū)內(nèi)各類污染源硝酸鹽污染荷載空間分布(見(jiàn)圖2). 由圖2可見(jiàn)，研究區(qū)硝酸鹽污染荷載主要受垃圾填埋場(chǎng)及工業(yè)源分布的影響. 其中1號(hào)垃圾填埋場(chǎng)為2019年研究區(qū)重點(diǎn)排污單位名錄中固體廢物重點(diǎn)監(jiān)管單位，垃圾滲濾液中的氨氮含量較高，造成較高的污染荷載. 2號(hào)垃圾填埋場(chǎng)建設(shè)時(shí)間較早，隨著垃圾量的增多，出現(xiàn)了超負(fù)荷運(yùn)營(yíng)的情況，目前該垃圾填埋場(chǎng)已封場(chǎng)，但場(chǎng)地地下水依舊存在較高的潛在污染風(fēng)險(xiǎn).

3 包氣帶污染過(guò)程模擬

地表污染物隨著下滲水進(jìn)入包氣帶運(yùn)移過(guò)程中，可在包氣帶介質(zhì)發(fā)生各種衰減作用[27-29]. 將流出包氣帶介質(zhì)的污染物質(zhì)量與進(jìn)入包氣帶介質(zhì)的污染物質(zhì)量之比定義為包氣帶折減系數(shù)，用其來(lái)表征污染物在包氣帶介質(zhì)中遷移轉(zhuǎn)化的過(guò)程. 基于研究區(qū)鉆孔資料對(duì)包氣帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行概化分區(qū)，通過(guò)HYDRUS-2D軟件模擬硝酸鹽從地表到地下的過(guò)程，進(jìn)而計(jì)算得到每個(gè)包氣帶介質(zhì)分區(qū)下的折減系數(shù).

3.1 包氣帶結(jié)構(gòu)概化分區(qū)

包氣帶中硝酸鹽的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程與包氣帶介質(zhì)的巖性、厚度、結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[30-31]，而實(shí)際環(huán)境中包氣帶結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了便于計(jì)算，對(duì)其進(jìn)行概化分區(qū). 通過(guò)對(duì)研究區(qū)鉆孔資料、水文地質(zhì)圖等資料的收集分析，將研究區(qū)概化為8個(gè)不同包氣帶結(jié)構(gòu)分區(qū)，如圖3所示. 各分區(qū)下的包氣帶結(jié)構(gòu)概化結(jié)果見(jiàn)圖4.

圖3 研究區(qū)包氣帶結(jié)構(gòu)概化分區(qū)Fig.3 Partition diagram of vadose zone in the study area

圖4 研究區(qū)包氣帶結(jié)構(gòu)概化結(jié)果Fig.4 Lithology generalization diagram of vadose zone structure

3.2 污染物包氣帶運(yùn)移模擬

通過(guò)HYDRUS-2D軟件，模擬硝酸鹽在每種包氣帶結(jié)構(gòu)下的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，并基于模擬結(jié)果計(jì)算包氣帶折減系數(shù). 硝酸鹽在不同包氣帶結(jié)構(gòu)下的折減系數(shù)根據(jù)式(5)計(jì)算.

Rj=Cj/C0

(5)

式中：Rj為包氣帶結(jié)構(gòu)分區(qū)j下的硝酸鹽折減系數(shù)；Cj為硝酸鹽穿過(guò)包氣帶到達(dá)地下水面時(shí)的濃度，mg/L；C0為硝酸鹽進(jìn)入包氣帶時(shí)的初始濃度值，mg/L.

3.2.1不同初始濃度模擬計(jì)算結(jié)果

為探究硝酸鹽初始濃度(C0)是否對(duì)包氣帶結(jié)構(gòu)分區(qū)中硝酸鹽折減系數(shù)(Rj)有影響，以1區(qū)為例，在包氣帶結(jié)構(gòu)不變的情況下，設(shè)置5種情景模式，模擬不同污染荷載條件下，硝酸鹽穿過(guò)包氣帶到達(dá)含水層的濃度(Cj). 5種情景模式的硝酸鹽初始濃度(C0)分別為5、10、15、20、50 mg/L，其初始條件、邊界條件等不變. 通過(guò)模擬得到10年后硝酸鹽到達(dá)含水層的濃度(Cj)，根據(jù)式(5)計(jì)算出硝酸鹽折減系數(shù)，其結(jié)果見(jiàn)圖5.

圖5 1區(qū)不同硝酸鹽污染荷載下垂向遷移的模擬結(jié)果Fig.5 The vertical migration simulation results of different pollution loads of nitrate in zone 1

從模擬結(jié)果來(lái)看，在同一包氣帶結(jié)構(gòu)下，情景1～情況5進(jìn)入地下水面中的硝酸鹽濃度分別為3、6、9、12、30 mg/L，硝酸鹽折減系數(shù)均為0.6. 模擬結(jié)果表明，同一包氣帶結(jié)構(gòu)下，不同硝酸鹽初始濃度僅影響到達(dá)地下水面的硝酸鹽濃度，并不會(huì)改變垂向折減系數(shù).

3.2.2不同包氣帶結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算結(jié)果

假設(shè)硝酸鹽的初始濃度為20 mg/L，即不改動(dòng)模擬環(huán)境中的水分邊界，將溶質(zhì)邊界設(shè)定為20 mg/L. 通過(guò)HYDRUS-2D軟件分別模擬硝酸鹽在研究區(qū)各包氣帶結(jié)構(gòu)分區(qū)下的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，并計(jì)算各包氣帶結(jié)構(gòu)分區(qū)下的硝酸鹽折減系數(shù)，如圖6所示. 模擬結(jié)果表明，不同包氣帶結(jié)構(gòu)分區(qū)下其硝酸鹽折減系數(shù)不同，按照從大到小的順序分別為R4

圖6 不同包氣帶結(jié)構(gòu)分區(qū)的硝酸鹽折減系數(shù)Fig.6 The reduction coefficient diagram of nitrate in different vadose zone

4 地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

基于研究區(qū)地表硝酸鹽污染荷載計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)圖2)和各包氣帶結(jié)構(gòu)分區(qū)下的硝酸鹽折減系數(shù)計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)圖6)，通過(guò)ArcGIS 10.2軟件中的柵格計(jì)算功能，將地表硝酸鹽荷載量與折減系數(shù)相乘，計(jì)算硝酸鹽穿過(guò)包氣帶介質(zhì)后到達(dá)地下水面的總量，來(lái)表征研究區(qū)地下水硝酸鹽污染風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖7. 由圖7可見(jiàn)，地下水硝酸鹽污染風(fēng)險(xiǎn)高的區(qū)域呈現(xiàn)零星的分布趨勢(shì)，主要受垃圾填埋場(chǎng)和工業(yè)園區(qū)的分布影響，此外由于研究區(qū)內(nèi)地表水體多為再生水排放河道，河道周邊地區(qū)地下水硝酸鹽污染風(fēng)險(xiǎn)也相對(duì)較高.

圖7 研究區(qū)地下水硝酸鹽污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.7 Risk assessment chart of groundwater nitrate contamination in the study area

5 結(jié)論

a) 研究區(qū)硝酸鹽污染荷載按從大至小的順序分別為垃圾填埋場(chǎng)、工業(yè)源、農(nóng)業(yè)面源、地表水體、居民區(qū).

b) HYDRUS-2D軟件模擬結(jié)果表明，包氣帶結(jié)構(gòu)不變的情況下，污染源荷載的變化只會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入含水層中的污染物濃度不同，不會(huì)改變包氣帶硝酸鹽折減系數(shù).

c) 污染源類型、包氣帶介質(zhì)巖性及厚度是造成研究區(qū)內(nèi)地下水硝酸鹽污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)存在差異的主要原因.