王英剛, 魏 銘, 宗 芳, 李 研

(沈陽大學(xué) 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點實驗室, 遼寧 沈陽 110044)

水源地作為地下水資源的保護區(qū),正在受到不同程度的破壞,而且一些地域的含水層分布具有復(fù)雜性和隱蔽性的特點,一旦被污染就很難控制.因此,研究和建立科學(xué)的地下水污染風(fēng)險評價方法、地下水污染風(fēng)險管理體系和區(qū)域地下水保護策略是解決問題的根本途徑.脆弱性評價和污染風(fēng)險評價是保護地下水的重要方法.本文以遼寧省燈塔市野老灘水源地為研究對象,對研究區(qū)的地下水污染進行風(fēng)險評價,并對水資源的合理利用提出建議,為遼寧省持續(xù)開展集中式地下飲用水水源補給區(qū)環(huán)境風(fēng)險評價提供參考,對改善地下水環(huán)境質(zhì)量、保護地下飲用水源地、建立安全供水保障體系具有重要意義[1].

1 研究區(qū)基礎(chǔ)環(huán)境狀況及風(fēng)險指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 地理位置

野老灘水源地(N 41°21′00″,E 123°11′24″)位于遼寧省遼陽市燈塔城區(qū)西南側(cè)13 km處的西馬峰鎮(zhèn),北距沈陽市區(qū)56 km,南距遼陽市區(qū)10 km、距鞍山市區(qū)40 km,長大鐵路位于水源地東側(cè).

1.2 區(qū)域水文地質(zhì)條件

根據(jù)野老灘水源地地下水水文地質(zhì)調(diào)查分析可知,其地下水埋藏較淺并具承壓性.地下水動態(tài)屬氣侯型,每年5月水位開始上升,9月下旬水位開始下降,年變幅約1.5～2.0 m,地下水流向為從東北方向流向西南方向,水力坡降為0.5%～0.8%.地下水大部分依賴上游鄰區(qū)地下徑流補給,小部分由大氣降水滲透補給,在太子河沿岸局部地區(qū)洪水期還受河水補給.區(qū)域構(gòu)造形跡以東西向構(gòu)造和新華夏系構(gòu)造為主體構(gòu)成了地質(zhì)構(gòu)造骨架.但由于不同構(gòu)造彼此間相互干擾,歷經(jīng)多次構(gòu)造運動使得該區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造更趨復(fù)雜化.總的來說,燈塔市野老灘水源地水文地質(zhì)條件良好,變化不大,水量較為豐富.

1.3 水源地補給區(qū)劃定

按照國家地下水水源地補給區(qū)劃定原則,野老灘水源地補給區(qū)在2009年被劃定為水源地保護區(qū),總面積為12.488 km2,見圖1.

圖1 補給區(qū)范圍Fig.1 Scope of supply area

1.4 區(qū)域工業(yè)企業(yè)污染源

研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)有工業(yè)污染源為佳美化工、沈陽焦煤股份有限公司西馬煤礦、遼河加油站、遼陽新特園區(qū)、罕王湖農(nóng)業(yè)生態(tài)園、百盛儲運有限公司、秸高秸稈儲運有限公司等7家企業(yè),企業(yè)基本情況見表1.

表1 保護區(qū)內(nèi)企業(yè)基本情況Table 1 Basic situation of enterprises in the protected area

1.5 研究內(nèi)容及風(fēng)險指標(biāo)體系構(gòu)建

按照當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件和污染排放調(diào)查情況,針對野老灘水源地補給區(qū)進行了地下水污染風(fēng)險評價工作,主要內(nèi)容如下.

1) 根據(jù)研究區(qū)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資料并結(jié)合實際情況,選取以7個評價因子為基礎(chǔ)的DRASTIC評價指標(biāo)體系,并利用ArcGIS軟件的數(shù)據(jù)分析和出圖功能對研究區(qū)進行地下水脆弱性評價[2].

2) 結(jié)合研究區(qū)的實際情況, 以地下水脆弱性分析為基本框架, 選取工業(yè)企業(yè)及其他污染源(根據(jù)調(diào)查, 該區(qū)域被劃定為水源地之前, 地下已經(jīng)存在輸油管道,將其列為高風(fēng)險區(qū)域)、土地利用情況作為評價指標(biāo)體系, 借助ArcGIS軟件的疊加分析和制圖功能, 得到野老灘水源地補給區(qū)污染風(fēng)險評價結(jié)果.

3) 利用ArcGIS軟件將風(fēng)險評價結(jié)果導(dǎo)出,將風(fēng)險評價結(jié)果制成扇形圖,更直觀地對該區(qū)域的污染進行評估,并結(jié)合研究區(qū)的實際情況,對地下水污染風(fēng)險管理提出合理建議,圖2為風(fēng)險評價指標(biāo)體系[3].

圖2 風(fēng)險評價指標(biāo)體系Fig.2 Risk evaluation index system

2 研究區(qū)地下水脆弱性評價及污染風(fēng)險評價

2.1 DRASTIC脆弱性評價方法

本文選取的DRASTIC評價法是一種以7個評價因子為基礎(chǔ)的地下水脆弱性評價方法,綜合考慮了其對地下水的較大影響、強流控制和污染物在水體中的遷移[4].這7個決定性因子分別為:地下水位埋深(D)、凈補給量(R)、含水層介質(zhì)類型(A)、土壤介質(zhì)類型(S)、地形坡度(T)、包氣帶介質(zhì)(I)和滲透系數(shù)(C).DRASTIC評價指數(shù)一般由3部分疊加計算組成,分別為權(quán)重、范圍及分值,用評價指數(shù)的大小表示地下水脆弱性的嚴重程度[5].

將這7個評價因子進行等級劃分,設(shè)置評分數(shù)值為1～10,并結(jié)合實際情況和專家意見,依據(jù)DRASTIC評分標(biāo)準(zhǔn)對其進行打分.遵循的原則是:地下水水位埋深越大,得分越低;凈補給量越小,得分越低;含水層介質(zhì)類型越緊密,得分越低;土壤介質(zhì)顆粒越細,得分越低;包氣帶介質(zhì)越緊密,得分越低,地形坡度越陡,得分越低;含水層滲透系數(shù)越小,得分越低.DRASTIC評分標(biāo)準(zhǔn)見表2.

表2 DRASTIC評分標(biāo)準(zhǔn)表Table 2 DRASTIC scoring standard table

DRASTIC評價方法具有經(jīng)驗性,它是1987年由美國環(huán)境保護局提出的.DRASTIC模型[6]將每一個對地下水脆弱性有影響的評價指標(biāo)都賦予一定的權(quán)重,權(quán)重范圍為1～5.對地下水脆弱性影響程度最大的權(quán)重因子值為5,對地下水脆弱性影響程度最小的權(quán)重因子值為1,權(quán)重為不可改變的定值,具體權(quán)重值見表3.

表3 地下水脆弱性評價指標(biāo)權(quán)重

地下水脆弱性是相對的,是指一個地區(qū)相對于另一個地區(qū)更脆弱,同時脆弱性分區(qū)受當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件影響,在正常情況下DRASTIC評價指數(shù)=5D+4R+3A+2S+T+5I+3C,最小值為23,最大值為230,計算出的DRASTIC評價指數(shù)越小,說明該區(qū)域越不容易被污染,即該地區(qū)地下水脆弱性較弱,反之則較強.本文將最大值230折算成100,最小值23折算成10,這樣既方便計算又利于評分,同時將地下水系統(tǒng)綜合指數(shù)劃分成5個級別,見表4.

表4 地下水脆弱性評價等級劃分Table 4 Classification of groundwater vulnerability assessment degree

2.2 脆弱性評價

脆弱性評價利用ArcGIS平臺進行評價.通過對野老灘水源地補給區(qū)的調(diào)查并結(jié)合已有資料獲取評價方法中7個參數(shù)的空間分布情況,再利用ArcGIS的空間分析功能對7參數(shù)進行空間圖層疊加,獲得最終的評價結(jié)果.

1) 地下水位埋深(D). 遼寧省地下水埋深最大不超過20 m,大部分地區(qū)埋深在5～10 m.其中,遼河、渾河、太子河、繞陽河、大、小凌河沖洪積扇的地下水埋深在3～5 m,包括大凌河支流河谷及階地以上的坡洪沖積扇群.由于野老灘水源地位于太子河流域,且評價區(qū)域較小,地下水埋深為4 m,評分為9.

2) 地下水凈補給量(R). 根據(jù)遼寧省水文資料查得遼寧省大部分地區(qū)的凈補給量在50～100 mm范圍內(nèi),阜新市、本溪市、錦州市、營口市、遼陽市、盤錦市的地下水補給量小于50 mm,野老灘地區(qū)屬于遼陽市范圍內(nèi),其凈補給量在0～51 mm,評分值為1.

3) 含水層介質(zhì)(A). 野老灘水源地位于太子河流域,砂礫石是該區(qū)域含水層組成最多的介質(zhì).由于砂礫石的滲透性比較大,污染物在遷移的過程中很難被消解,含水層介質(zhì)本身的抗污染能力很弱,評分為9.

4) 土壤介質(zhì)類型(S). 根據(jù)資料查明,確定整個野老灘區(qū)域的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)基本一致,土壤表面自上而下10 m為黏土、亞黏土,評分為5.

5) 地形(T). 利用野老灘區(qū)域的DEM圖,在ArcGIS中將坡度的空間分布情況轉(zhuǎn)化為柵格,呈現(xiàn)出坡度的柵格圖,同時利用ArcGIS重分類功能進行評分,如圖3所示.從圖中可以看到,坡度評分最高的區(qū)域主要分布在平原區(qū),這些區(qū)域地勢平緩,不利于地表污染物的流動,污染物在地表可能會長時間停留,這就給污染物的下滲創(chuàng)造了更多的機會,故防污性能較差;隨著坡度的增大,污染物流速增大,入滲到地下含水層的機會降低,防污性能也隨之增強.根據(jù)表2,結(jié)合坡度分區(qū)圖綜合打分.

圖3 地形坡度分區(qū)Fig.3 Topographic slope zone map

6) 包氣帶介質(zhì)類型(I). 根據(jù)當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)勘察資料,可以看出評價區(qū)包氣帶介質(zhì)主要為少量細沙,其余為黏土夾亞砂土和有機黏土,滲透性較差,防污性能較好,評分為3.

7) 滲透系數(shù)(C). 根據(jù)研究區(qū)范圍內(nèi)的地質(zhì)調(diào)查和對水文地質(zhì)鉆孔進行抽水實驗等相關(guān)資料得到研究區(qū)的滲透系數(shù),其大小及分布范圍見圖4.在搜集到的水文地質(zhì)資料中,獲得研究區(qū)滲透系數(shù)的分區(qū)情況,再結(jié)合野外調(diào)查作出適當(dāng)調(diào)整.

圖4 滲透系數(shù)分區(qū)Fig.4 Permeability coefficient zone map

將前面所得評價圖與打分結(jié)果在ArcGIS中賦權(quán)疊加,運用地下水脆弱性評價方法[7],得到研究區(qū)脆弱性評價結(jié)果,見圖5.

圖5 脆弱性評價結(jié)果Fig.5 Vulnerability assessment results

① 利用ArcGIS的賦權(quán)疊加功能對野老灘水源地補給區(qū)進行分析,可知該研究區(qū)主要分為2個脆弱等級,其中Ⅳ級脆弱性占大多數(shù),Ⅲ級脆弱性占小部分,說明該區(qū)域極易受到污染.

② 脆弱性Ⅳ級區(qū)域,具有較強的滲透性,為污染物創(chuàng)造了更好的向地下水運移的條件;地形坡度較緩,污染物流動性差,給污染物的下滲創(chuàng)造了更多的機會.因此該研究區(qū)的水文地質(zhì)條件有助于污染物質(zhì)的遷移和滲透.

③ 脆弱性Ⅲ級區(qū)域,滲透性中等,土壤類型主要為亞黏土、黏土;地形坡度較大,污染物在地表流速較快,但仍會有少部分滲入到地下含水層.因此,本區(qū)域地下水自我防護能力一般,易受到污染.

2.3 污染風(fēng)險評價

將野老灘水源地補給區(qū)內(nèi)的工廠企業(yè)、地下管線和土地利用類型考慮進污染源項,進行地下水綜合污染風(fēng)險評價.

區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有7家企業(yè),除遼河加油站、燈塔市秸高秸稈儲運有限公司、西馬煤礦和新特園區(qū),其余3家企業(yè)均處于關(guān)閉狀態(tài).野老灘水源地地下存在一條在建輸氣管線、一條正在使用的輸油管線和一條備用輸油管線,且距離水井距離較近,一旦某條管線發(fā)生泄漏就會存在污染地下水的風(fēng)險,故將管線泄漏作為風(fēng)險源對其進行賦值.賦予管道污染范圍的特征值為3,賦予遼河加油站、燈塔市秸高秸稈儲運有限公司、西馬煤礦和新特園區(qū)均為2.污染源影響范圍等級見圖6.

圖6 污染源影響范圍等級Fig.6 Pollution source impact range level map

根據(jù)該區(qū)域的土地利用類型,將耕地特征值賦為3,林地和草地的特征值賦為1,將城鎮(zhèn)和村莊的特征值賦為4.根據(jù)研究區(qū)內(nèi)土地的利用率和污染概率對不同土地類型賦值,工業(yè)用地或者是人口密集的居住區(qū)對地下水造成污染的概率較大,則特征值較大;人口稀少且很少被開發(fā)利用的地區(qū)對地下水造成污染的概率較小,則特征值較小.研究區(qū)面積最大的是耕種區(qū),其次是村莊和城鎮(zhèn),林地和草地所占面積最小.土地利用類型見圖7.

圖7 土地利用類型Fig.7 Land use zone map

2.4 綜合風(fēng)險評價

運用脆弱性評價結(jié)果(圖5)、污染源影響范圍等級(圖6)和土地利用類型(圖7)分析結(jié)果進行賦權(quán)疊加的方法,得到研究區(qū)綜合風(fēng)險評價結(jié)果,見圖8.

圖8 綜合風(fēng)險評價結(jié)果Fig.8 Comprehensive risk assessment result map

根據(jù)圖8,借助具有導(dǎo)出功能的ArcGIS軟件,分析和統(tǒng)計各污染風(fēng)險區(qū),并對4個等級的風(fēng)險指數(shù)和其所占的面積百分比進行分析,得到地下水污染風(fēng)險屬性統(tǒng)計結(jié)果,如圖9所示.

圖9 地下水污染風(fēng)險屬性統(tǒng)計結(jié)果Fig.9 Statistical results of groundwater pollution risk attributes

從圖8、圖9可以看出,野老灘水源地補給區(qū)地下水污染風(fēng)險從高到低分為高、較高、中、低4個等級,污染風(fēng)險等級越低,說明該區(qū)域的地下水自我防護能力越強,反之則越弱,研究區(qū)地下水風(fēng)險評價結(jié)果分析如下.

1) 地下水污染中等風(fēng)險區(qū)占比最大,占總面積的50%;低風(fēng)險區(qū)占比第二,占總面積32%;較高風(fēng)險區(qū)占比第三,占總面積的10%;高風(fēng)險區(qū)占比最小,占總面積的8%.

2) 埋有輸油或輸氣管道地區(qū)的污染風(fēng)險最高,其主要原因是這些管道存在的泄漏風(fēng)險容易對地下水造成較大污染;遼河加油站、新特園區(qū)、西馬煤礦和燈塔市秸高秸稈儲運有限公司等污染企業(yè)周邊的污染風(fēng)險也較高,主要考慮其生產(chǎn)加工過程產(chǎn)生的污染物對周邊環(huán)境的污染;鄉(xiāng)村和城鎮(zhèn)區(qū)域人口密集、生活排污量大,生活污水和固體廢棄物可能會對地下水造成一定污染,且該區(qū)域大部分脆弱性較高,對污染物質(zhì)下滲的防護能力有限,為中等風(fēng)險區(qū);林地和耕地地區(qū)很少有人類活動,受污染的可能性小,是低風(fēng)險區(qū).

3 結(jié) 論

本文建立了野老灘水源地地下水補給區(qū)風(fēng)險評估的框架及其指標(biāo)體系,在傳統(tǒng)DRASTIC模型基礎(chǔ)上選取了研究區(qū)特殊污染源項和當(dāng)?shù)赝恋乩妙愋陀肁rcGIS軟件進行疊加分析,結(jié)合脆弱性評價結(jié)果,進一步得出了更符合當(dāng)?shù)貙嶋H情況的地下水污染風(fēng)險評價結(jié)果.該研究區(qū)地下水污染風(fēng)險主要為中等風(fēng)險和低風(fēng)險,中等風(fēng)險區(qū)占總面積的50%,低風(fēng)險區(qū)占總面積的32%.而較高風(fēng)險區(qū)和高風(fēng)險區(qū)占比較小,分別占總面積的10%和8%.

研究區(qū)污染風(fēng)險評價結(jié)果表明,水源地地下布有輸氣管道、輸油管道和備用輸油管道的地區(qū)污染風(fēng)險最高.由于研究區(qū)整體脆弱性偏高,同時輸油和輸氣管道泄漏會對地下水具有潛在的危險性,應(yīng)優(yōu)先治理該區(qū)域的污染源.加油站、燈塔市秸高秸稈儲運有限公司、西馬煤礦和新特園區(qū)等污染源周圍的污染風(fēng)險較高,應(yīng)加強對這些企業(yè)的污染監(jiān)管;人口密集的鄉(xiāng)村和城鎮(zhèn)地區(qū)土地利用較頻繁,生活污水和固體廢棄物排放量大,污染物滲入地下會對地下水產(chǎn)生潛在風(fēng)險,應(yīng)加強對廢水、廢棄物排放的正確引導(dǎo);林地耕地或人類活動較少的區(qū)域人口密度小,遠離污染源,地下水自我防護能力強,應(yīng)加強保護,防止被破壞.