地下水污染风险区划方法研究

第31卷第4期2010年4月

环境科学ENVIRONMENTALSCIENCE

Vol.31，No.4

2010Apr.，

地下水污染风险区划方法研究

申利娜，李广贺

*

（清华大学环境科学与工程系，环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京100084）

摘要：针对地下水易污性评价未考虑污染源要素，缺乏系统有效的地下水污染风险区划方法与参数体系等问题，基于对污染地下水的系统结构分析，污染源解析，构建了地下水脆弱性与污染源综合评价耦合模型，提出了针对地下水污染源的多指标形成了地下水污染风险区划的多因素综合评价方法，建立了系统的地下水污染风险评价的参数体系.利用构建的评价方法，

多因素耦合评价方法，以我国北方某大型岩溶地下水源地作为案例进行了污染风险区划，确定了主要污染风险区域.结果表明，风险源与地下水易污性的共同作用决定了地下水高污染风险区分布.地下水污染风险区划方法的建立为地下水污染有效监管提供了必要的方法支撑.

关键词：风险区划；地下水脆弱性；污染源；耦合模型；叠层分析

中图分类号：X523

文献标识码：A

3301（2010）04-0918-06文章编号：0250-

GroundwaterPollutionRiskMappingMethod

SHENLi-na，LIGuang-he

（StateKeyJointLaboratoryforEnvironmentalSimulationandPollutionControl，DepartmentofEnvironmentalScience＆Technology，TsinghuaUniversity，Beijing

100084，China）

Abstract：Basedonmethodsforgroundwatervulnerabilityassessmentnotinvolvingincontaminationsourceelements，andlackofthe

systemicandeffectivetechniquesandparametersystemongroundwaterpollutionriskmappinginpresent，throughanalyzingthestructureofgroundwatersystemandcharacteristicsofcontaminantsources，andcouplinggroundwaterintrinsicvulnerabilitywithcontaminantsources，theintegratedmulti-indexmodelsweredevelopedtoevaluatetherisksourcesofgroundwatercontaminantandformthegroundwaterpollutionriskmappinginthispaper.Themodelshadbeenusedtoalarge-scalekarstgroundwatersourceofnorthernChinaasacasestudy.Theresultsindicatedthatvulnerabilityassessmentoverlaidriskpollutionsourcesofgroundwatercouldeffectivelyconfirmthehighriskregionsofgroundwaterpollution，andthemethodsmightprovidenecessarysupportforthesupervisionofgroundwaterpollution.

Keywords：riskmapping；groundwatervulnerability；contaminantsource；couplingmodel；overlayanalysis

［1］

［22～25］

地下水是我国城市供水的重要水源地，据对要素的评价.但总体上，缺乏系统的地下水污

97%的城市地下水全国195个城市监测结果表明，

［2～4］

.受到不同程度污染，其中40%污染不断加剧

同时对地下水污染源染风险区划方法与参数体系，的作用与影响考虑不足.

本研究以浅层地下水为评价对象，通过对地下水系统结构、污染源解析，构建地下水脆弱性和污染源综合评价耦合模型，研究建立针对地下水污染源的多指标评价方法，形成了地下水污染风险区划的多因素综合评价方法和参数体系.方法的建立为不同污染类型、不同地质条件的地下水区域的风险识别及重点防控区的确定提供决策支持.11.1

方法的构建

地下水污染风险影响因素分析

由于地下水流动缓慢，交替程度较弱，自净能力低，一旦受到污染难以有效恢复

［5～8］

.因此，地下水污染

预防与有效监管显得尤为重要.由于地下水分布广泛，地面环境状况复杂，因此地下水污染风险区划对于地下水污染防治与污染监控具有十分重要的意义

［9，10］

.地下水污染风险区划是指根据地下水不同

［11，12］

空间易污性、叠加污染源空间分布划分地下水污染风险等级的过程

.目前，地下水污染风险区划

［13～16］

的主要方法是基于地下水脆弱性评价.已有研

究结果表明，地下水脆弱性仅反映了地层对地下水保护性的强弱，没有考虑到外界环境因素（如污染源分布、污染物特性等）的影响，难以准确反映地下水系统的污染风险水平

［17～21］

.近年来，研究人员逐

，06-06；修订日期：2009-08-25收稿日期：2009-：“”基金项目十一五国家科技支撑计划项目（2007BAC16B06）；国家

公益性行业项目（200909038）

作者简介：申利娜（1984～），女，硕士研究生，主要研究方向为地下

E-mail：shenlina02@mail.tsinghua.水污染控制与治理，

*通讯联系人，E-mail：ligh@http://wendang.chazidian.com

利用过程分析方法，研究和确定地下水污染风险影响因素.地下水污染风险分析概念模型如图1所示

.

降解能力、是否被列在我国水中优先控制污染物性、

黑名单等因素，选取反映污染源主要特点的n种目标污染物.

（3）构建污染物多指标综合评价方法.基于GIS平台，采用公式（2）对目标污染物进行评价，得出污计算污染源综染物评价指数Si.然后利用公式（3），合评价指数S，并建立污染源综合评价图层.

Si=

m

Σ

krjkwj

（2）

j=1

m为目标污染物参数个数；krj为目标污染物式中，

参数分级值；kwj为目标污染物参数权重.

图1Fig.1

地下水污染风险分析

n

Groundwaterpollutionriskanalysis

S=

Σ

Si

（3）

i=1

n

从图1中可以看出，地下水污染风险主要由地下水污染源及地下水易污性2个要素决定.

地下水污染源是指可能向地下水系统中泄漏有毒有害物质、释放有害能量，对地下水正常功能构成包括生产装置、设备、地表水体及一定威胁的对象，

覆盖土壤等.污染源的性质特征、含量及存在形式等因素均影响地下水污染风险水平.

地下水易污性主要影响因素包括地层结构、水力条件、水位高低等，用地下水脆弱性进行衡量.地下水脆弱性越高，污染物越易侵入地下水系统，易污性越高.

因此，地下水污染源和地下水易污性构成地下水污染风险区划的主要考虑因素.1.2

多因素耦合综合评价方法

多因素耦合综合评价方法的前提是不考虑污染物在包气带中的水平扩散.其核心是通过分析地下——地层脆弱性提取主要的影响因素—水污染过程，

及地下水污染源，采用相应的方法对2个因素进行评价，然后建立各因素的空间图层，最后进行空间图确定地下水的风险图谱.方法的技术流程层的叠加，如下.

（1）基于GIS平台，选用DRASTIC方法进行地利用公式（1），计算DRASTIC指下水脆弱性评价，

数V，并绘制出地下水脆弱性图层.

V=Dr×Dw+Rr×Rw+Ar×Aw+Sr×Sw+

Tr×Tw+Ir×Iw+Cr×Cw

（1）

Dr、Rr、Ar、Sr、Tr、Ir、Cr分别为DRASTIC模型式中，

Rw、Aw、Sw、Tw、Iw、Cw分别为DRASTIC

参数评分；Dw、.

（2）综合虑染程性（4）利用GIS技术对地下水脆弱性图层与污染源综合评价图层进行叠层分析，计算地下水风险指数R，并建立地下水风险图谱，计算见公式（4）.根据不实现地下水风险区域划分.同区域的地下水风险值，

R=AVERAGE（V，S）

上述步骤的流程如图2所示.

（4）

图2Fig.2

地下水风险区划流程

Groundwaterriskmappingprocess

22.1

多因素耦合方法相关参数参数体系

本方法的参数体系分为2层，一层为地下水脆

弱性参数：地下水埋深（D）、净补给量（R）、含水层（S）、（T）（A）、

（C水

源参数：污染物赋存形式、污染负荷、污染物的迁移性能、污染物的衰减特征、污染物的毒性等.2.2

参数分级及权重（1）地层脆弱性参数

防污性地层脆弱性参数设计分值范围是1～10，

表1Table1

地下水埋深（D）/m0～1.5

净补给量（R）/mm

（1）

含水层岩性（A）块状页岩变质岩、火成岩

（2）（3）

最差的评分为10.具体评分标准能最好的评分为1，

见表1.传统上按参数对地下水脆弱性影响大小给予影响最大的权重值为5，最小的为1.为了使权重值，

地下水脆弱性指数与污染源综合指数的取值区间一将权重进行归一化，处理后的权重值如表2.致，

DRASTIC参数的评分1）DRASTICparametersrating土壤介质类型（S）薄层或缺失（10）砾石砂

（10）（9）

地形坡度（T）

包气带岩性（I）

/%0～22～6

（10）粉土/黏土（9）

页岩

变质岩、火成岩

（1）（3）（4）

含水层水力传导系数（C）/m·d－10.4～4.1

（1）

（10）0～50.8

1.5～4.6（9）4.6～9.1（7）9.1～15.2（5）15.2～22.9（3）22.9～30.5（2）>30.5

（1）

50.8～101.65（3）101.65～177.8（6）177.8～254>254

（8）（9）

4.1～12.2（2）12.2～28.5（4）28.5～40.7（6）40.7～81.5（8）>81.5

（10）

风华的变质岩、火成岩（4）薄层状砂岩、灰岩、页岩（6）块状砂岩块状灰岩砂砾岩玄武岩岩溶发育灰岩

（6）（6）（8）（9）（10）

6～12（5）12～18（3）>18

（1）

涨缩性黏土（7）砂质壤土壤土粉质壤土黏质壤土

（5）（5）（3）（2）

灰岩、砂岩、层状页岩、含

（6）

较多粉粒和黏粒的砂砾石砂砾石玄武岩岩溶发育灰岩

（8）（9）（10）

1）表中括号内为评分值，下同

表2Table2

参数权重

D0.22

R0.17

DRASTIC参数的权重DRASTICparametersweightA0.13

S0.09

T0.04

I0.22

C0.13

有机碳（含100%的碳）和水间的分配系数，它是污染物本身的性能参数.对不同的有机污染物在同一种土壤或含水层介质的迁移而言，油水分配系数决定了其在地下水中的迁移能力，数值越大，含水层介质的阻滞能力越强，有机物的迁移能力越弱.依据目慢性毒性指标及国际癌标污染物的急性毒性指标、

症研究所最新公布的对人致癌危险评价表，对污染物的毒性划分为5个等级.

采用模糊层次分析法对污染源参数的权重进行计算.设目标污染物的存在形式、目标污染物的衰减f2、f3、f4、特征、污染负荷、迁移特征及毒性分别为f1、f5，确立优先关系矩阵F.

0.5

0 F= 1

0 1 0.5 0.2 R= 0.8

0.2 0.8

10.510.510.80.51.10.51.1

000.500.50.2－0.10.5－0.10.5

10.510.510.80.51.10.51.1

0 0 0.5

0 0.5 0.2 －0.1

0.5

－0.1

0.5

（2）地下水污染源参数

选取对地下水污染风险影响较大的5个污染源性质参数，分别为存在形式、衰减特征、污染物的量、迁移性及毒性等.污染源参数设计的分值范围为1～10，对地下水威胁最大的评分为10，威胁最小的各参数的评分结果见表3，具体分级评分评分为1，方法如下.

目标污染物的存在形式分为密封、部分密封及暴露.污染物各个方位均有隔离措施时称其为密封；污染物下方有隔离措施但其它方位未与外界隔离时称其为部分密封；污染物下方未有隔离措施的均称其为暴露.污染物密封状态直接影响其与地下水系统的交互难易，密封性越差，对地下水的威胁性越大，其值越大.目标污染物的衰减特征根据半衰期评在土壤或沉积物分.通常在水中半衰期大于2个月、

中半衰期大于6个月的有机污染物称为持久性有机污染物.参考此标准，将半衰期分为6个等级，半衰期越长，污染物的危险性越大，数值越高.目标污染物的量依据检测及计算结果，对其划分为低、较低、中等、较高、高5个等级.目标污染物的迁移性依据其后，计算模糊一致矩阵R.

表3

Table3

存在形式密封

（1）

1515～60

部分密封（5）

半衰期/d

（1）（3）

较低（3）中等（5）较高（8）高

（10）

地下水污染源参数的评分

Parametersratingofgroundwatercontaminantsource

污染物的量低

（1）

油水分配系数<50<100100～500500～1000

（10）（8）（7）（5）

软弱（3）中等（5）较强（8）强

（10）毒性弱

（1）

60～180（7）180～360（8）

1000～5000（3）

暴露

（10）

360～720（9）>720

表4

Table4污染性质指标权重

（10）

5000～10000（2）>10000

（1）

地下水污染源参数的权重

331.0mm.区内坐落着某大型石化企业及大量小化对地下水产生了巨大威胁.长期监测结果表明研工，

究区地下水污染物构成复杂，有机污染明显，苯系物类、烷烃类、多环芳烃类等是主要的污染物类型，地下水污染严重区主要是西部水源地、东部河谷冲积平原部分地区及分散的小化工区.

首先，利用DRASTIC模型对研究区进行地下水脆弱性分析，结果如图4所示.评价结果表明，南部山区岩溶裸露区和东部河谷砂卵砾石层属于地下水高脆弱性区；北部平原区由于广泛分布第四系粘性地下水保护性能较高，属于低地下水脆弱区，土层，

地下水固有防护性能较高，易污性较低.

毒性0.

35

Parameterweightofgroundwatercontaminantsource存在

形式0.2

衰减特征0.05

污染物的量0.35

迁移特征0.05

3案例分析

研究区为北方某岩溶地下水源地，地势南高北

南部为低山丘陵河谷地形，北部为山前倾斜平低，

原，如图3所示.按其形态分为4种类型：构造剥蚀基岩溶低山丘陵地区的南部主要是石灰岩裸露区，地表本上没有土壤覆盖层；剥蚀堆积山麓坡地地区，土壤介质主要为坡积和洪积成因的黄土状亚黏土，含碎石黄土状亚砂土（轻亚黏土）；河谷冲积平原从中粗砂、卵砾石，部分地区卵外向内逐渐为亚黏土、

砾石裸露在外；山前冲洪积平原沉积物岩性为亚黏黏质砂土、砂卵砾石等.研究区主要由上下2个土、

主要的含水岩组构成：上部为第四系松散岩类孔隙含水岩组，下部为奥陶系中统碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组.全区多年平均降雨量为623.0mm，最大年降雨量为1107.2mm（1964年），最小降雨量为

图4Fig.4

地下水脆弱性分区评价

Groundwatervulnerabilitymapping

根据区内污染源的系统调查与分析，苯系物（BTEX）、多环芳烃（PAHs）、氯代烃为区内土壤和地下水的主要污染物.基于污染物选择原则，选取土、“三致”壤中污染物含量高效应明显的苯、三氯甲烷、四氯化碳、萘、菲及苯并芘6种污染物为地下水

Fig.3

标.，如图5所示.

3Dmodelofresearcharea

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4结论

（1）建立了地下水脆弱性评价及地下水污染源

评价相耦合的多因素评价方法及技术流程，构建了包括地下水脆弱性及污染源性质2个层次的地下水污染风险区划方法参数体系.

（2）建立了多指标评价模型，选择地下水污染源的5个性质指标作为参数，分别是目标污染物存污染物负荷、迁移特征、衰减特征和毒性.确在形式、

定了各个参数的取值依据，取值范围在1～10，利用模糊层次分析法计算了参数的权重，分别为0.2、0.35、0.05、0.05、0.35.

（3）采用构建的多因素耦合方法对北方某大型

图5

Fig.5

地下水污染源分区评价

水源地进行风险区划，结果表明风险高的地区，地下表明了地下水污染高水的水质相对其它区域较差，

风险水平，证实所建立的地下水污染风险区划方法与参数体系的合理与适用性.

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［10］ThapintaA，http://wendang.chazidian.comeofgeographicinformationsystemsfor

assessinggroundwaterpollutionpotentialbypesticidesinCentral

Contaminantsourceofgroundwatermapping

由图5可见，某大型石化西部厂区及东部河谷地区的污染物风险指数最高，污染影响明显；其次是该石化企业周边的小化工污染区.

将地下水污染源综合指数评价结果及地层脆弱得到地下水污染风险区性评价结果进行叠层分析，如图6所示

.划，

图6Fig.6

地下水污染风险分区评价

Thailand［J］.EnvironmentalInternational，2003，29（1）：87-93.

［11］张树军，张丽君，王学凤.基于综合方法的地下水污染脆弱性

Groundwaterpollutionriskmapping

从图6可以看出，地下水风险最高的为某大型石化西部厂区及河流污染区南部.其次是辛店电厂附近的小化工区和渗坑集中地带，河流污染区北部..

——以山东济宁市浅层地下水为例［J］.地质学报，评价—

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［12］吴登定，.谢振华，林健，等.地下水污染脆弱性评价方法［J］

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