Question

地下水水质脆弱性评价方法研究的目的和意义

Answer 1

一、概　述 对可作为饮用水源的地下水进行研究的结果表明，地下水不仅是一种有用的天然资源，而且也是环境的重要组成部分。因此，环境的变化（降水、河流径流等）会造成地下水状态、水质和水量的变化；相应地，地下水平衡的变化也会造成环境的变化。由于对水资源需求的增长，造成了安全抽取地下水和人类用水需求之间的矛盾日益增加，因此保护地下水以防污染就显得非常重要。此外，这一问题与环境保护中普遍存在的问题密切相关。天然的和人为的污染物可以通过不同途径进入到地下水。在地表蓄水时，污染物会穿透土壤和包气带到达含水层。如果污染物总量较小，或不能全部分解，则污染物会在土壤和包气带中积累，随后可能会造成二次污染。目前已有许多评价地下水脆弱性的方法，一般是针对特定的污染物进行的。包括定性评价方法（叠加法、野外采样法等）和定量评价方法（数字仿真和数值模拟方法）等。在实际工作中，判断污染物到达地下水水位所需的时间非常重要；当然，只有当包气带和含水层的吸附特征和污染物迁移参数有效，才能通过详细的研究确定污染物到达含水层的运移时间和迁移速度。选择了两个地区分析问题，一个是俄罗斯典型的山麓区，另一个是意大利的沿海地区。针对地下水易污染的脆弱性问题，用两种不同的方法进行了计算。二、研究区概况 在俄罗斯选择高加索地区作为研究对象，这是一个典型的山麓区，南部和西南部地形切割严重，而北部和东北部则是平原区，在平原中部为岛山和岩盖发育良好的罕见火山岩区。水系由三条大河组成：Kuma河（北部）、Podkumok（南部）和Surkul河（西北）。河水的主要来源是大气降水，Kuma河和Podkumok河的补给来源还有上游雪山的融雪水。上新世和中新世的含水层系统是当地居民的饮用水源。由于第四纪气候的急剧变化，含水岩层的水力传导性质也明显不同。该区以砂砾为主要组成部分，但细粒物（如粘土、亚粘土和壤砂土）的含量有所不同。含水层的厚度在0.5～15m之间，含水层主要是接受大气降水（年降水量约为600mm）和该区无数支流的地表水入渗补给。需要指出的是，该区的主要供水水源地位于大河流域。在意大利，选择的研究区是台伯河下游伊特鲁里亚海岸的天然公园，这是典型的沿海区。该区的地形特征如下：是Malafede河流域的一部分、地势平坦，有两条山脊线的海岸带。山脊将该区分为西北和东南两个部分。西北地区位于Castelporciano地区以北，是台伯河左侧支流Malafede河形成的冲积平原；东南地区是由海侵形成的海滩和古沙丘经固结形成的沿海高地组成。该区所有的含水层都是由不同起源的砂沉积物组成，可以识别出其中的两个主要地层。其中一个是沿海沙丘的古海相和现代海相沉积物，由中粗砂组成；另一个是由变质为河流－湖泊和海洋沉积物的早更新世砂沉积物组成。钻孔和电测探资料表明，沙丘层直接覆盖在粘土层上。在内部地貌沿海山脉上部，砂沉积物变质为与河流－湖泊沉积物同期形成的火山凝灰岩，是这些地区的主要岩石，这一地层规模不大，厚度较小（只有几米）。西部的一些地区，砂层下伏于非常不均匀的三角洲沉积物上（粘土层、粉砂、泥岩和砾石）。非承压含水层的厚度小于14m，但是有望到南部地区的西南边界（Castelfusano）增加到40m。在该区的东北部，含水层厚度减小至15m，这是由隔水底板抬升造成的。整个地区的不透水层由粘土、砂粘土和晚更新世的大陆成因和海相成因灰岩组成。该地区的地下水流向：向北流入台伯河和Malafede河，向南流入西部边界（Infernetto和Castelfusano）和海洋。在海拔较高的平原区，凝灰岩沉积物上覆于砂层上，具有一定的渗透性，因此，它被认为是这一区域主要的饮用水源。Castelfusano地区从Malafede河口到海洋，所有地下水的物理化学组成都是一致的，都依靠大气降水的补给。三、地下水脆弱性的评价方法 （一）采用计分制评价地下水脆弱性在Castelfusano地区，通过DRASTIC方法（D是地下水埋深，R是补给，A是含水层岩性，S是土壤层结构，T是地形，I是渗流区影响，C是水力传导系数）来评价地下水的脆弱性。这一方法基于以下假定：污染物随大气降水从地表进入地下水，其迁移速度与降雨入渗速度一致；应用DASTIC方法进行评价的地区，面积不得小于100公顷（即是在区域范围内进行评价）。根据现场研究和抽水试验结果对上述特征进行分析，用获取的数据来编制一系列图件。每一特征都用相应的值和权重（转换因子）来反映其重要性。对获取的值求和就是DRASTIC指数，用这一指数来反映该区的脆弱性。该区的脆弱性指数在26～256之间。根据计算结果编制含水层脆弱性分布图，研究结果表明，最脆弱的地区是Malafede河流域，Castelporziano整个地区含水层的脆弱性表现为中等偏高。（二）根据污染物的穿透时间评价地下水脆弱性根据下式通过污染物到达含水层所需的时间评价地下水脆弱性：
</FONT></SPAN></SPAN></p>其中，t是运移时间，m是渗流区厚度，n是有效孔隙度，Kd是分配系数，是容重，W是渗透补给率。编制含水层易污染的脆弱性分布图，需要建立脆弱性评价标准，这就需要计算污染物浓度达到可接受水平所需的时间t*：
</SPAN></p>其中，是半衰期，C0是污染物的起始浓度，C*是最大容许浓度（MAC）。根据这些计算结果编制图件，可以定量地评价地下水易污染的脆弱性，同时也指出了需要采取防护措施的地区。（三）组合法以上两种方法有各自的优缺点。应当强调的是，DRASTIC方法主要是进行初步评价，不能精确地预测污染物的行为，但是根据脆弱性差异，可以对地区进行分类。另外，与其它定量方法结合，这一方法的优点可以充分体现出来。尽管有以上的优点，但是也存在着一定的缺点。DRASTIC方法需要假定污染物从地表入渗到含水层，然而，一些特殊情况妨碍了污染物从地表的入渗，这些污染物甚至是从用作废水贮存的深部含水层进入的。在这种情况下，根据这一方法不能得到准确的结论。另外，不能根据DRASTIC方法确定承压和非承压含水层中决定地下水是否受保护的因素。在所有地区，都可以只根据系统的地质特征和水文特征判断地下水的脆弱性，然而，没有考虑参数值的空间变化和人类活动对环境的影响。例如，根据这一方法判断一个含水层为中等脆弱性或低脆弱性，但这一含水层可能是在城市附近，这一判断结果实际上增加了含水层受污染的风险。对于含水层只作饮用水源的地区，这一点特别重要。地下水的定量评价也有其优缺点。最重要的优点之一是采用了分布系数，这可以近似地判断地下水－岩石－污染物之间发生的物理化学反应过程。此外，从数学的角度提供了一种用以确定由人类活动造成的不同程度污染的区域的可靠标准。当引用文献中的资料时，可以根据这一方法得到合理的结果。在采用这一方法时，即使污水是泵入到地下水，也可以对地下水的脆弱性进行评价。这一方法的局限性是不易计算一组污染物的行为，而在实际工作中，这一现象非常普遍，这就需要通过现场测量来确定某些参数。另外，当污染物随渗透流穿过保护层渗透到地下水中时，可以采用这一方法。因此，污染物穿过土壤和渗流区的迁移速度理论上等于地表水的入渗速度。这一简单的假定可以避免复杂的计算量，而且可以得到污染物通过障碍区的速度。事实上，在保护区，有许多水力、水文和地质因素都会影响污染物的迁移速度。考虑到两种方法各自的优缺点，有必要建立一种综合的地下水的脆弱性评价方法，综合方法的基础是DRASTIC方法。采用一些定量特征，根据污染物到达地下水位的运移时间划分不同的污染区和脆弱程度标准，对脆弱性进行评价。渗流区厚度是确定地下水埋深和污染物迁移岩层厚度的参数。另外，当污染物迁移到含水层时，一些反应（首先是氧化反应）只是在上部时才会发生，因此，这一参数对于该区发生的不同物理化学过程有一定的影响。根据下式可以获得入渗补给率：W＝P－（E＋Y）。其中，P是降水量；E是蒸发蒸腾量；Y是径流量。可以对观测周期较长的气象资料取平均值获得降水量值，根据现有数据进行半经验计算获得E和Y。根据岩性组成和饱水岩石的性质描述含水层特征，由于不同沉积物的吸附容量有所不同，因此，Kd是一个特征值（specific characteristic）。然而，在野外很难确定Kd，只能通过室内实验或查阅特定的参考文献才能获得。土壤是指地壳上部1米到几米以内的耕作层，主要由岩石的风化物和有机质组成。土壤的水力传导系数会影响大多数的物理化学过程（如吸附、沉积和微生物分解作用等），以及污染物到达地下水水位的速率，因此，这一参数对于评价地下水水质相当重要。可以根据下式得出无吸附性的惰性污染物（示踪剂）通过土壤层的运移时间：ts=ms/v。其中，ms是土壤层厚度，v是污染物通过土壤层的迁移速度，等于水的入渗速度。由于污染物运动受不同物理化学过程的影响，因此，有下式： 。其中，ti是第i个物理化学过程影响下污染物的运移时间。考虑到在实际工作中，不可能顾及土壤层中的所有物理化学过程，因此假定污染物迁移主要是受吸附作用的影响。此时可以根据下式进行计算：，</SPAN></p>其中，R是延迟系数，FC是田间含水量，W是地下水补给（或入渗）率，是污染物在土壤中的分布系数。主要是根据地表坡度来描述地形，另外，地形与R紧密相关，因此也与W紧密相关。渗流区域和土壤层对污染物的影响作用对于评价地下水脆弱性非常重要，这是由于某些污染物不能被土壤中的有机质完全吸附，其中的一部分会随降水入渗穿透渗流区，从而到达地下水水位。确定污染物通过渗流区的迁移时间tvz主要取决于体积含水率。因此，污染物到达上部含水层的运移时间可以通过下式计算：
其中，mvz是渗流区厚度。由于与通过与含水层的地质条件和水文条件有关，因此，计算tvz比较复杂。这样，可以通过下式来计算污染物的穿透时间：。其中n是孔隙度。获得的tvz表示了污染物穿透渗流区到达含水层的迁移时间，因此，可以更准确地来预测含水层受污染的可能性。将水力传导系数和其它一些特征（污染物毒性和浓度等）相结合，就可以评价污染物到达某一特定点（如取水建筑物）的可能性，可以通过下式进行计算：</A>其中， 是污染源和抽水点的距离，k是水力传导系数，是水头差。四、结　论 评价脆弱性的方法有各自的优缺点，组合方法无论是在区域还是局部研究中都比较适合；根据这一方法可以预测地下水保护区（土壤层和渗流区）中污染物的行为，评价污染物到达地下水水位的可能性，此外，当污染源不仅位于地表，而且具有一定深度时，也可以根据该方法从定性和定量两个方面对地下水的脆弱性进行评价。