李 翔, 李妍穎, 李紹康, 楊津津, 任耀宗, 李 娟, 席北斗*

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院, 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室, 北京 100012 2.中國環(huán)境科學(xué)研究院, 國家環(huán)境保護(hù)地下水污染模擬與控制重點實驗室, 北京 100012 3.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院, 四川 成都 610059 4.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

地下水是我國重要供水水源，對人類生存及社會發(fā)展具有重要意義[1-2]. 隨著社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們對地下水的需求和使用日益增加[3]. 近年來，由于地下水開采等人類活動，外界因素將對地下水環(huán)境造成一定程度影響，并將通過不同污染源對地下水產(chǎn)生環(huán)境污染問題[4-6]，因此為保護(hù)地下水資源免受污染，污染源危害性評價將尤為重要[7]. 20世紀(jì)80年代WHO提出了地下水風(fēng)險評價方法，該方法指出地下水污染風(fēng)險由污染源危害性與地下水含水系統(tǒng)的脆弱性共同作用而成[8-10]，其中地下水危害性評價是地下水污染風(fēng)險評價的重要技術(shù)手段[11-12]. 地下水污染源危害性是指各種潛在污染源對地下水產(chǎn)生污染的可能性[13-14]，目前通常通過污染物毒性、污染源釋放可能性、可能釋放污染物的量和緩沖區(qū)半徑等指標(biāo)建立危害性評價模型[15-17]. 近年來隨著GIS (geographic information system)技術(shù)的運用，新的地下水危害性評價方法不斷產(chǎn)生[18]，如Andreo等[19]選取危害性類型、污染物毒性、遷移性和可溶性等指標(biāo)建立了地下水危害性評價模型；趙鵬等[20]通過評分指數(shù)法和定量指數(shù)法對污染源荷載進(jìn)行量化，以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位對滹沱河沖洪積扇區(qū)進(jìn)行了地下水污染源危害性評價；陸燕等[21-22]綜合考慮了污染物的毒性、遷移性和降解性，構(gòu)建了基于污染物的特征表征和污染物排放量的評價模型，對北京市進(jìn)行了地下水污染源識別與分級評價；王甜甜[23]將行政區(qū)污染源的數(shù)量考慮在內(nèi)，對吉林省中部地區(qū)進(jìn)行了地下水污染危害性評價. 然而，現(xiàn)有的評價方法多以單個行政區(qū)為評價單位，均化了不同點源之間復(fù)合污染強(qiáng)度的影響，且已有指標(biāo)不足以代表不同環(huán)境數(shù)量的點源污染對于區(qū)域內(nèi)地下水環(huán)境的污染強(qiáng)度.

基于此，該研究在傳統(tǒng)評價方法基礎(chǔ)上，增加點源污染的復(fù)合強(qiáng)度，構(gòu)建基于污染源種類、污染物排放量、污染源釋放可能性、緩沖區(qū)半徑和污染復(fù)合強(qiáng)度的綜合評價模型. 選取滄州市為調(diào)查對象，對以點源污染、線源污染和面源污染為主的六大類污染源進(jìn)行了地下水潛在污染源危害性分級評價. 該研究將為區(qū)域地下水污染源識別與危害性評價方法提供參考和技術(shù)支撐.

1 研究方法

1.1 評價模型

地下水潛在污染源荷載危害性評價將從污染源的類型考慮，基于污染源-路徑作用關(guān)系，將污染源分為點源、線源和面源污染，構(gòu)建以污染源種類(K)、污染物排放量(Q)、污染源釋放可能性(L)、緩沖區(qū)半徑(λ1)和污染復(fù)合強(qiáng)度(λ2)為主的評估模型，并進(jìn)行潛在污染源荷載危害性評價，評價流程見圖1. 根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查與資料收集結(jié)果，點源污染包括工業(yè)源、農(nóng)業(yè)源畜禽養(yǎng)殖、加油站和垃圾場，線源污染包括地表排污河，面源污染包括農(nóng)業(yè)源化肥使用和生活源. 評價模型：

P=K×Q×L×λi

(1)

式中：P為單個潛在污染源荷載危害性指數(shù)；K為污染源種類，以不同等級的分值表示；Q為污染物排放量，以不同等級的分值表示；L為污染源釋放可能性，以不同等級的分值表示；若為線源污染λi為緩沖區(qū)半徑λ1，若為點源污染λi為污染復(fù)合強(qiáng)度λ2，均以不同等級的分值表示，若為面源污染λi不予考慮，取值為1.

圖1 地下水潛在污染源荷載危害性評價流程Fig.1 Hazard assessment process of the load harmfulness of groundwater

1.2 危害性評價指標(biāo)

a) 污染源種類(K). 污染源種類(K)由污染物所對應(yīng)的毒性、降解性和遷移性確定. 若毒性強(qiáng)、難降解和遷移性高，則K值所對應(yīng)的評分越大. 其分級評分參照已有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行取值[15,22].

b) 污染物排放量(Q). 污染物排放量(Q)僅代表人類活動產(chǎn)生污染物的量，未考慮進(jìn)入地下污染物的量[16,22]. 工業(yè)源污染物排放量將考慮不同行業(yè)類型，對應(yīng)評分根據(jù)廢水排放量確定，取值參照已有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗標(biāo)準(zhǔn)[15,20-22]；農(nóng)業(yè)源畜禽養(yǎng)殖場的污染物排放量由養(yǎng)殖場每年CODCr排放量確定，依據(jù)GB 18596—2001《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，養(yǎng)殖場規(guī)模最大牲畜存欄量所產(chǎn)生CODCr排放量所對應(yīng)的評分定為高值10，將研究區(qū)最低CODCr排放量對應(yīng)的評分定為低值1，將研究區(qū)平均CODCr排放量對應(yīng)的評分定為中間值，在此基礎(chǔ)上將評分分為6個等級，畜禽類CODCr排放量換算標(biāo)準(zhǔn)為每只豬36 kg、每頭奶牛 1 065 kg、每頭肉牛712 kg、每只蛋雞3.32 kg和每只肉雞0.99 kg；農(nóng)業(yè)源化肥使用的污染物排放量分級評分，將化肥使用量的國際安全上限2.25×10-2kg/m2對應(yīng)的評分定為中間值[15]，將研究區(qū)最小化肥使用量評分定為低值1，最大使用量評分定為高值10，在此基礎(chǔ)上將評分分為6個等級. 加油站污染物排放量(Q)評分為1[15]. 垃圾場污染物排放量(Q)由垃圾填埋量確定，將最小填埋量對應(yīng)的評分評定為低值1，將最大填埋量對應(yīng)的評分定為高值10，并均分為6個等級. 地表排污河污染物排放量(Q)由河流徑流量確定，取值參照已有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗標(biāo)準(zhǔn)[15,20-22]；生活污水排放量按照區(qū)縣人口密度劃分，將研究區(qū)最小人口密度評分定為1，最大人口密度評分定為10，并均分為6個等級.

c) 污染源釋放可能性(L). 污染源釋放可能性(L)通常將處于暴露狀態(tài)及沒有防護(hù)措施情況的污染源釋放可能性定為最大值1，取值范圍為0～1[17]. 具體分級評分由污染物類型、年份及防護(hù)措施確定，并參照已有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗標(biāo)準(zhǔn)[15,20-22]進(jìn)行取值. 建設(shè)年限越近，防護(hù)措施越完善，沒有遇到過污染事故等污染源，其污染源釋放可能性(L)的取值越小[23].

d) 緩沖區(qū)半徑(λ1). 緩沖區(qū)半徑(λ1)指污染物可能遷移擴(kuò)散的范圍，與污染物類型有關(guān). 主要針對線源污染、污染源數(shù)量較少及分布較為分散的點源污染，參照已有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗標(biāo)準(zhǔn)[15,22]進(jìn)行取值.

e) 污染復(fù)合強(qiáng)度(λ2). 污染復(fù)合強(qiáng)度(λ2)表示不同區(qū)域內(nèi)不同數(shù)量及空間密度的點源污染對于環(huán)境的污染強(qiáng)度，主要針對點源污染. 當(dāng)污染源數(shù)量較大時，緩沖區(qū)半徑這一指標(biāo)不足以代表多個點源污染疊加而成的復(fù)合污染源強(qiáng)度，因此對污染復(fù)合強(qiáng)度(λ2)進(jìn)行評分，將研究區(qū)每100 km2內(nèi)點源污染數(shù)量最小值所對應(yīng)的評分定為低值1，最大值所對應(yīng)的評分定為高值2，并均分為6個等級.

1.3 危害性計算與表征

1.3.1權(quán)重的確定

不同種類的污染源具有不同的屬性和重要程度，合理地確定不同污染源在綜合評估中的權(quán)重尤為重要. 層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)是將與決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法，是一種定性與定量相結(jié)合的方法[24]，與其他評價方法相比具有較強(qiáng)的邏輯性、實用性、系統(tǒng)性和準(zhǔn)確性[25]，具體過程為建立層次模型、構(gòu)建判斷矩陣、層次單排序及其一致性檢驗[26-27]. 綜合污染源荷載的權(quán)重將對工業(yè)源、農(nóng)業(yè)源、生活源、垃圾場、加油站和地表排污河進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)建判斷矩陣，判斷矩陣評分見表1.

表1 層次分析法指標(biāo)含義

通過式(2)(3)判斷矩陣的一致性[28]：

CI=CI/RI

(2)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(3)

式中：CR為隨機(jī)一致性比率，當(dāng)CR<0.10時，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則應(yīng)該對判斷矩陣做適當(dāng)修正；CI為度量判斷矩陣偏離的一致性指標(biāo)；λmax為判斷矩陣的最大特征根；n為判斷矩陣的階數(shù)；RI為修正因子，對不同階數(shù)的矩陣有不同取值(見表2).

表2 層次分析法中修正因子(RI)取值

1.3.2危害性表征

綜合潛在污染源荷載評估即綜合考慮六類污染源荷載危害性，根據(jù)六大類污染源權(quán)重將單個潛在污染源荷載危害性評分進(jìn)行疊加，得到綜合危害性評價結(jié)果，并通過ArcGIS 10.2軟件中的自然間斷點分級法將評價結(jié)果分為Ⅰ～Ⅴ級.

(4)

式中，Cj為綜合污染源荷載危害性評分，Pj為單個潛在污染源荷載危害性指數(shù)，Wj為單個潛在污染源權(quán)重，j為工業(yè)源、垃圾場、加油站、農(nóng)業(yè)源、生活源和地表排污河六類污染源.

2 案例研究

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省滄州市，地處河北省東南部，地理位置為115°43′E～117°58′E、37°28′N～38°57′N，2019年全市年末戶籍人口共計783.13×104人. 該市為平原地區(qū)，地勢平坦，巖性以第四系沉積物為主，地下水主要賦存于新生界第四系松散地層，以孔隙水為主[29]. 滄州市為半干旱地區(qū)，受緯度與地形控制，表現(xiàn)為典型的暖溫帶大陸季風(fēng)型氣候，年均降雨量445.80 mm. 該市工業(yè)企業(yè)分布較多，是北方重要的石油化工基地和陸海交通樞紐，其主導(dǎo)行業(yè)為石油加工業(yè)、石油及天然氣開采業(yè)、金屬制品業(yè)、化學(xué)原料及化學(xué)制品制造業(yè)、汽車制造業(yè)等[30].

2.2 危害性評價指標(biāo)

2.2.1點源污染

點源污染包括垃圾場、工業(yè)源、畜禽養(yǎng)殖場和加油站. 滄州市重點工業(yè)企業(yè)共計302個，包括有色金屬冶煉業(yè)、石油加工業(yè)、煉焦行業(yè)、化學(xué)原料及化學(xué)制品制造業(yè)、黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè)、金屬制品業(yè)、石油開采業(yè)、紡織業(yè)、皮革制品業(yè)、水泥業(yè)、化纖業(yè)、氯堿業(yè)和電鍍業(yè)；畜禽養(yǎng)殖場共計421個，包括羊豬場、養(yǎng)牛場和養(yǎng)雞場等；地表加油站共計223個；垃圾場共計11個，污染源分布情況如圖2所示. 其中垃圾場污染源數(shù)量較少且較為分散，考慮緩沖區(qū)半徑(λ1)，選擇模型P=K×Q×L×λ1進(jìn)行分級評分；滄州市工業(yè)源、畜禽養(yǎng)殖場與加油站污染源數(shù)量較大，緩沖區(qū)半徑這一指標(biāo)不足以代表多個點源污染疊加而成的復(fù)合污染源強(qiáng)度，考慮污染復(fù)合強(qiáng)度(λ2)，選擇模型P=K×Q×L×λ2進(jìn)行分級評分[17-18], 各指標(biāo)及分級評分見表3. 在畜禽養(yǎng)殖場排放量中，根據(jù)GB 18596—2001中集約化畜禽養(yǎng)殖區(qū)的適用規(guī)模Ⅱ級規(guī)模計算，CODCr排放量為346.4 t/a，將其對應(yīng)的評分定為高值10；滄州市畜禽養(yǎng)殖平均CODCr排放量為38 t/a，將其作為中值4. 點源污染分級評分見表3.

圖2 點源污染分布Fig.2 Spot pollutant source distribution

2.2.2線源污染

線源污染包括GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》劣Ⅴ類地表排污河，分別為北排河、滄浪渠、青靜黃排水渠、子牙新河和宣惠河[30]，其多年平均徑流量分別為3.1×108、7.3×108、6.3×108、2.2×109、2.7×108m3. 選擇模型P=K×Q×L×λ1進(jìn)行分級評分[22-23]. 線源污染分級評分見表4.

表4 線源污染分級評分

2.2.3面源污染

面源污染包括農(nóng)業(yè)源化肥使用和生活源，根據(jù)評價模型P=K×Q×L進(jìn)行分級評分. 滄州市化肥使用量最小為6.1×10-3kg/m2(黃驊市)，將其對應(yīng)的評分作為低值1，化肥使用量最大為5.0×10-2kg/m2(滄州市)，將其對應(yīng)的評分作為高值10. 我國平均人口密度為130.0人/km2[17]，滄州市平均人口密度約為 580.9人/km2，相比全國平均人口總體偏高. 為保證生活污染源評分符合滄州市人口分布特征，該研究將 130.0人/km2作為低值1，人口密度最高區(qū)為任丘市為 804.8人/km2，將其作為評分高值10. 面源污染分級評分見表5.

2.3 潛在污染源荷載危害性評價

2.3.1單一污染源荷載危害性評價

表5 面源污染分級評分

注：化肥使用污染物排放量(Q)單位為kg/m2；生活源污染物排放量(Q)單位為人/km2.

圖3 單個潛在污染源荷載危害性評價結(jié)果Fig.3 Hazard assessment of single potential pollution source load

利用模型P=K×Q×L×λi對滄州市進(jìn)行單個潛在污染源荷載危害性分析，并對點源、線源、面源污染分別進(jìn)行賦值. 采用ArcGIS 10.2軟件中的自然間斷點分級法，可將評價分為3～5類，各污染源危害性分區(qū)及評分情況如圖3所示. 結(jié)果表明，滄州市工業(yè)源總體評分最高，為5.2～12.9分，危害性較高區(qū)集中位于研究區(qū)西北部與中部，得分為10.4～12.9分，占工業(yè)源總危害性的15.9%；農(nóng)業(yè)源中，化肥使用總體評分中等，為0～7.4分，危害性較高區(qū)集中位于研究區(qū)西部，得分為3.1～7.4分，占化肥施用總危害性的3.2%，畜禽養(yǎng)殖總體評分較低，為1.0～2.0分，危害性較高區(qū)集中位于研究區(qū)東部，得分為1.7～2.0分，占畜禽養(yǎng)殖總危害性的25.0%；地表排污河總體評分中等，為0～7.0分，危害性最高的河流為子牙新河，得分為5.3～6.3分，占地表排污河總危害性的20.5%；垃圾場總體評分中等，為0～6.3分，危害性較高區(qū)位于滄州市南部，得分為5.3～6.3分，占垃圾場總危害性的9.1%. 加油站總體評分較低，為1.2～1.8分，危害性較高區(qū)集中位于研究區(qū)中部，得分為1.7～1.8 分，占加油站總危害性的10.7%；生活源總體評分較低，為3.0～7.0分，危害性較高區(qū)集中位于研究區(qū)西部及西北部，得分為5.0～7.0分，占生活源總危害性的30.4%；據(jù)資料顯示，工業(yè)污染源多分布于滄州市中南部和東北部地區(qū)、農(nóng)業(yè)污染源多分布于中東部地區(qū)，且滄州市中部和東北部地區(qū)加油站密度較大，評價結(jié)果顯示上述地區(qū)污染源危害性評分較高，表明評價結(jié)果與實際較為相符. 相較于傳統(tǒng)評價方法，點源污染、線源污染和面源污染通常均以行政區(qū)為單位進(jìn)行危害性分級評分，在一定程度上受行政區(qū)面積、邊界等因素影響. 而對點源引入污染復(fù)合強(qiáng)度這一指標(biāo)，能夠得出每一個點源污染的危害性評分，進(jìn)而更準(zhǔn)確地反映出區(qū)域地下水潛在污染源危害性情況.

2.3.2綜合潛在污染源荷載危害性評價

2.3.2.1權(quán)重確定

結(jié)合表1對滄州市六大類污染源進(jìn)行評分排序. 據(jù)資料顯示，滄州市是北方重要的石油化工基地，其第二產(chǎn)業(yè)工業(yè)發(fā)展最為迅速，因此其重點工業(yè)源的潛在污染物產(chǎn)生可能性在六大類源中最高，相對其余潛在污染源荷載更為重要. 農(nóng)業(yè)源、加油站、垃圾場三類污染源為點源污染，總體分布較多，且污染源種類毒性稍高，因此上述三類污染源重要性稍高. 假設(shè)生活源中供水全部轉(zhuǎn)化為城市污水，且城市污水與地表排污河的污染物毒性相對其他來源較小，因此重要程度較低，判斷矩陣見表6.

通過計算可以得出，工業(yè)源、垃圾場、加油站、農(nóng)業(yè)源、生活源和地表排污河的權(quán)重分別為31.06%、17.02%、17.02%、17.02%、8.94%和8.94%，對其進(jìn)行一致性檢驗，CI=0.002 8，CR=0.002 0，均小于0.1，通過一致性檢驗. 根據(jù)六大類污染源的權(quán)重，將單個潛在污染源荷載危害性評分結(jié)果進(jìn)行疊加，根據(jù)式(4)得到綜合地下水潛在污染源荷載危害性評價分級結(jié)果，分級區(qū)間如下：Ⅰ級(0.1～3.1)、Ⅱ級(3.1～3.8)、Ⅲ級(3.8～4.3)、Ⅳ級(4.3～5.0)、Ⅴ級(5.0～6.3).

表6 地下水潛在污染源荷載判斷矩陣

2.3.2.2綜合潛在污染源荷載危害性評價結(jié)果

由綜合潛在污染源荷載危害性評價結(jié)果(見圖4)可知，滄州市危害性Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級區(qū)域占比分別為9.8%、15.4%、33.2%、25.5%和16.1%. 其中Ⅳ、Ⅴ級風(fēng)險區(qū)面積為 5 560.0 km2，占總面積的41.6%、主要位于滄州市中部、北部地區(qū). Ⅰ、Ⅱ級風(fēng)險區(qū)面積為 3 303.4 km2，占總面積的25.2%、主要位于滄州市東部地區(qū). Ⅴ級風(fēng)險區(qū)為最高危害性區(qū)，主要分布于任丘市、河間市西北部、孟村回族自治縣和滄縣東部地區(qū). 根據(jù)單個污染源得分，計算出Ⅴ級風(fēng)險區(qū)工業(yè)源、農(nóng)業(yè)源、垃圾場、加油站、地表排污河、生活源的得分占比分別為64.4%、20.8%、0.5%、5.1%、0.3%和8.8%，表明工業(yè)源的危害性影響程度最大. 據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料顯示，滄州市是北方重要的石油化工基地和陸海交通樞紐，其中任丘市分布較多的石油化工企業(yè)，河間市分布較多的紡織、印染和皮革工場，孟村回族自治縣分布較多的管件加工及制造工廠，滄縣分布較多的畜禽養(yǎng)殖場及加油站，上述地區(qū)點源污染源復(fù)合強(qiáng)度較大，對地下水污染源荷載危害性較大. 因此基于污染源種類(K)、污染物排放量(Q)、污染源釋放可能性(L)、緩沖區(qū)半徑(λ1)、污染復(fù)合強(qiáng)度(λ2)的評價方法能夠較為合理地反映區(qū)域內(nèi)各類不同污染源的危害性及危害性情況，對于將來加強(qiáng)地下水潛在污染源荷載危害性較高區(qū)的管控與劃分具有一定的意義.

圖4 綜合潛在污染源荷載危害性評價結(jié)果Fig.4 Comprehensive load harmfulness assessment of potential pollution sources

3 結(jié)論

a) 該研究增加點源污染的污染復(fù)合強(qiáng)度指標(biāo)，建立了以污染源種類(K)、污染物排放量(Q)、污染源釋放可能性(L)、緩沖區(qū)半徑(λ1)和污染復(fù)合強(qiáng)度(λ2)為主的評估模型，該模型可應(yīng)用于滄州市地下水潛在污染源危害性評價.

b) 任丘市、河間市西北部、孟村回族自治縣和滄縣東部地區(qū)對地下水安全危害性最高，為V級評價區(qū)，且地下水危害性受工業(yè)源影響最大，占64.4%，這與實際情況較為符合. 該研究通過增加污染復(fù)合強(qiáng)度指標(biāo)可對多點源的復(fù)加污染進(jìn)行危害性評分，這不僅解決了傳統(tǒng)評價方法中因行政區(qū)面積及邊界限制影響評價結(jié)果的問題，也為地下水污染源強(qiáng)精準(zhǔn)識別與風(fēng)險評估提供技術(shù)支撐.