杨昱，廉新颖，马志飞，安达，姜永海，袁志业，席北斗

中国环境科学研究院水环境系统工程研究室，北京 100012

再生水回灌地下水环境安全风险评价技术方法研究

杨昱，廉新颖，马志飞，安达，姜永海，袁志业，席北斗*

中国环境科学研究院水环境系统工程研究室，北京 100012

再生水回灌是水资源管理的一条有效途径, 也是污水再生利用的重要发展方向。然而，当再生水以农灌、土壤含水层处理(SAT)、河湖入渗和井灌等方式进行地下水回灌时，不可避免的会在回补地下水的过程中造成对地下水环境的污染风险。针对不同回灌方式建立适用于我国的再生水回灌地下水环境安全风险评价技术体系至关重要。借鉴国内外地下水污染风险评价方法，综合分析再生水回灌对地下水产生风险的关键环节，采用层析分析法，从回灌水特征污染物特性、回灌区地下水固有脆弱性以及回灌工程布设方式3个方面，针对地表灌溉、河湖入渗和井灌3种回灌方式，建立了包含污染物浓度水平、分配系数、溶解度、半衰期、半致死剂量、地下水埋深、降雨入渗补给量、地形坡度、土壤介质、包气带介质、含水层介质、含水层厚度、回灌强度、回灌周期、回灌水停留时间以及取水点与回灌点水平距离16个指标在内的风险评价指标体系。在此基础上，结合地下水使用功能，以20个典型再生水回灌场地调研结果和160种再生水回灌地下水污染风险因子物化特性为数据基础，对各指标进行了风险水平的划分，基于聚类分析法，采用各指标风险指数相乘的风险表征方法计算总风险指数，构建了再生水回灌地下水环境安全风险评价技术方法。该方法有效的避免了指标权重计算的主观性，并且能够直观的找出导致风险的主要因素。结果表明：利用建立的风险评价技术方法可将我国再生水回灌地下水环境安全风险划分为3级，风险值＜5为一级，风险值在5～15之间为二级，风险值＞15为三级。在某再生水回灌场地的应用表明，该回灌区地下水环境安全风险为二级，同时得出回灌水特征污染物特性指标是造成该回灌区地下水环境风险的主要因素。

再生水；回灌；地下水；指标体系；风险评价

随着人口的增长和国民经济的发展，水资源供需矛盾日益突出，尤其是以地下水作为供水水源的北方城市，长期超采地下水，形成大面积地下水降落漏斗（何星海和马世豪，2004）。再生水回灌因其能够缓解地下水位下降、防止地面沉降和海水入侵、改善城市生态环境等综合效益，被视为是水资源管理的一条有效途径，也是污水再生利用的重要发展方向（皮运正和云桂春，2002；陈卫平等，2012；皮运正等，2002）。然而，当再生水以农灌、土壤含水层处理（SAT）、河湖入渗和井灌等方式进行地下水回灌时，不可避免的会在回补地下水的过程中造成对地下水环境的污染风险（赵庆良等，2007；薛爽等，2007；杨军等，2011）。

目前，国内外关于地下水污染风险的评价方法大致分为风险指数法、过程模拟法和统计分析法。风险指数法是通过构建表征风险的指标体系，按照特定的评分原则得到评价对象的风险指数（任常兴和吴宗之，2006；Singh等，2009；Elisa等，2014；Angelika等，2014；Metcalf和Wallace，2013；Colombo等，2011）。如加拿大国家污染场地分级系统（NCSCS），该系统考虑污染物特征、污染物迁移能力和暴露途径3个方面，建立全面系统的风险评价指标体系，根据特定的风险值计算方法对污染场地地下水污染风险进行评价（Canadian Council of Ministers of the Environment, 2008）。这种方法虽然操作简单，但在风险值的获取过程中主观性较强。过程模拟是在掌握场地基本信息的基础上，利用成熟的污染物迁移模型和风险评价模型对污染物运移规律进行模拟并对其风险进行评价（Victor等，2014；Maria等，2014；Slack等，2007；Singh等，2010）。RBCA和3MRA风险评价模型是目前利用过程模拟法来评价污染场地地下水污染风险的典型模型（US Environmental Protection Agency, 1999）。该方法科学、客观，但是其计算过程繁琐并且需要获取大量模型参数（David等，2013）。统计分析法主要是利用聚类分析法这一特定的数值分析方法，把数据分成若干个类别，使得类别内部的差异尽可能的小，类别间的差异尽量的大（任智刚等，2006）。聚类分析广泛的应用于许多行业和领域的风险评价工作中（牛伟等，2008；Elangasinghe等，2014；Malley等，2014；Alex等，2014）。虽然该方法同样需要大量基础数据，但其操作较过程模拟法简便，同时由于运用了科学的数值分析方法，从而降低了风险评价过程中的主观性。

该研究在综合了风险指数法和聚类分析法的基础上，在保持风险评价过程易操作的前提下，基于大量的基础数据，采用聚类分析这一科学的数值分析方法对风险级别及其相应限值进行划定，建立了适用于我国的再生水回灌地下水环境安全风险评价技术体系，对地表灌溉、河湖入渗和井灌3种回灌方式地下水污染风险进行风险评价，为我国再生水回灌地下水环境安全风险管理提供理论依据。

1　再生水回灌地下水环境安全风险评价指标体系

对再生水回灌地下水环境安全风险进行评价，首先应建立其风险评价指标体系。遵循科学性、相对独立性以及定量化的原则，分析影响再生水回灌对地下水造成污染风险的关键因素，该研究确定再生水回灌地下水环境安全风险评价指标体系包括回灌水特征污染物特性、回灌区地下水固有脆弱性和回灌工程布设方式3个方面。

再生水回灌所要达到的目的随着地下水使用功能的不同而不同，其回灌水水质及回灌过程中造成地下水污染风险的指标和风险控制水平也有所不同，该研究针对河湖入渗，地表回灌及井灌三种不同回灌方式，分别建立我国再生水回灌地下水环境安全风险评价指标体系，见表1。

2　再生水回灌地下水环境安全风险评价技术体系构建

该研究借鉴风险指数法的思想，利用聚类分析的方法确定风险评价界限，结合建立的再生水回灌地下水环境安全风险评价指标体系，建立了我国再生水回灌地下水环境安全风险评价技术方法。

2.1地下水污染风险初筛

对再生水回灌区回灌水进行监测，参照GB/T 19772—2005《城市污水再生利用地下水回灌水质》(中华人民共和国建设部，2005)中对与地表回灌和井灌用水各项指标的限定，若水质指标超过相应限值，则将污染风险划分为一级，进行重点监管；如果水质指标未超过相应限值，则对回灌区地下水进行监测，按照地下水使用功能对风险级别进行判定：

表1　再生水回灌地下水环境安全风险评价指标体系Table 1　The risk assessment index system for the reclaimed water injection

当地下水作为饮用水源时，判断地下水特征污染物中是否超过GB 14848—1993《地下水质量标准》(中华人民共和国地质矿产部，1993)中III类水标准，若超标，则直接将其地下水污染风险划分为一级，进行重点监管；

当地下水作为农业和部分工业用水时，判断地下水特征污染物中是否超过GB 14848—1993《地下水质量标准》中IV类水标准，若超标，则直接将其地下水污染风险划分为一级，进行重点监管；

如果上述判断均不符合，则进行下一步评价程序。

2.2再生水回灌地下水环境安全风险评价指标量化

在进行了再生水回灌区地下水污染风险初筛的基础上，通过基础资料收集和现场调研的方式对回灌区的基础资料进行收集整理，对各项指标进行量化。回灌水特征污染物特性指标包括污染物质量浓度/(mg·L-1)，分配系数/(lg Koc)，溶解度/(mg·L-1，20 ℃)，半衰期/h和半致死剂量(LD50)/(mg·kg-1)；回灌区地下水固有脆弱性指标包括地下水埋深/m，降雨入渗补给量/mm，含水层介质，土壤介质，地形坡度/%，包气带介质，含水层厚度/m和是否直接从回灌层取水；回灌工程布设方式包括回灌强度/(104t·d-1)，回灌周期/(次·月-1)，回灌水停留时间/月和取水点与回灌点水平距离/m。

2.3再生水回灌地下水环境安全风险指数表征

根据收集的基础资料，利用聚类分析法对每个指标进行分析，结合每个指标的数值与风险值之间的关系，对其造成的风险进行评价并给出相应限值。在此基础上利用风险值相乘的方法对再生水回灌地下水环境安全风险进行综合评价。

2.3.1污染物特性

对回灌区地下水进行监测，根据地下水使用功能，按照表2对由污染物浓度水平造成的风险水平进行评价，一级风险代表高风险，二级风险代表中等风险，三级风险代表低风险。

表2　污染物浓度水平评价Table 2　The evaluation of the pollutant concentration level

其中F为回灌区地下水水质综合评分值，其计算方法参见GB 14848—1993《地下水质量标准》(中华人民共和国地质矿产部，1993)。

采用EPI suite对课题组结合GB/T 19772—2005《城市污水再生利用地下水回灌水质》(中华人民共和国建设部，2005) 标准中涉及的污染物类型以及20个典型再生水回灌场地中再生水与回灌区地下水水质全分析数据筛选出的160种再生水回灌地下水污染风险因子的分配系数、溶解度、半衰期和半致死剂量进行数据收集（表3），采用聚类分析法，并结合各指标与地下水污染风险之间的关系对其进行风险评价，结果见表4。

将污染物特性风险表示为：Ra=R(污染物浓度水平)×R(分配系数)×R(溶解度)×R(半衰期)×R(半致死剂量)，第n级的风险Rn=n(n=1～3)，这种风险表征方法既可以避免指标权重计算的主观性，又可以通过计算过程得到影响风险值的关键因素。将所有可能的风险值进行聚类，得到污染物特性风险分级结果，见表5。

2.3.2回灌区地层脆弱性

参照美国环境保护署提出的DRASTIC模型（Neshat等，2014；Leone等，2009；Atiqur，2008）对回灌区地层脆弱性进行评价，各种回灌方式对应的指标详见表1，各指标对应的评分范围，见表6。

该研究针对不同回灌方式所涉及的每个参数给定了相对权重值，对地下水污染最具影响的参数权重为5，影响程度最小的参数的权重为1。地表回灌、河湖入渗以及井灌所对应的回灌区地层脆弱性计算公式如下：

地表回灌：回灌区地层脆弱性= 5×D + 4×R + 3×A + 2×S+1×T + 5×I+ 3×H

河湖入渗：回灌区地层脆弱性= 5×D + 4×R + 3×A + 1×T + 5×I+ 3×H

井灌：回灌区地层脆弱性= 3×A + 3×H+5×L式中：D为地下水埋深，m；R为降雨入渗补给量，mm；T为地形（河道）坡度，%；S为土壤介质；I为包气带介质；A为含水层介质；H为含水层厚度，m；L为取水的含水层。

根据课题组前期研究成果，基于地表灌溉、河湖入渗及井灌考虑的地层脆弱性指标有所区别，同时考虑回灌区地下水具有不同的使用功能，回灌区地层脆弱性风险评估结果，见表7。

2.3.3回灌工程布置

回灌工程布设方式主要包括回灌强度、回灌周期、回灌水停留时间以及取水点与回灌点水平距离。该研究结合不同回灌场地调研结果，对其进行风险分级，见表8。

将回灌工程布置造成的风险表示为：Rc=R（回灌强度）×R（回灌周期）×R（回灌水停留时间）×R（取水点与回灌点水平距离），第n级的风险Rn=n（n=1～3），将所有可能的风险值进行聚类，得到回灌工程布置风险分级结果，见表9。

2.3.4再生水回灌地下水环境安全风险表征

将再生水回灌地下水环境安全风险表示为R总=Ra×Rb×Rc，式中，Ra、Rb、Rc分别代表污染物特性风险指标、回灌区地层脆弱性指标和回灌工程布置造成的风险。

2.4再生水回灌地下水环境安全风险评价

根据2.3.4中R总计算公式得到R总所有可能得到的数值，利用聚类分析的方法对再生水回灌地下水环境安全风险综合评分进行分析，从而对再生水回灌地下水环境安全风险进行界定，结果见表10。

3　案例分析

该研究以某再生水地表回灌场地为例，利用建立的风险评价技术方法对其造成的地下水环境安全风险进行评价。

1）地下水污染风险初筛。该回灌区再生水及地下水水质长期监测数据表明，再生水水质符合GB/T 19772—2005对地表回灌用水各项指标的标准限值，同时该地区地下水主要为农业用水，地下水水质满足GB 14848—1993中IV类水标准限值。因此不能将其直接归为一级风险。

表3　风险因子物化特性数据Table 3　Data of the physical and chemical characteristics of the risk factors

续表3Continued 3

表4　风险因子物化特性风险评价结果Table 4　The evaluation of the physical and chemical characteristics of the risk factors

表5　污染物特性风险分级结果Table 5　The risk ranking result of the pollutant characteristics

2）风险评价指标量化。该回灌区地下水特征污染物为氨氮，浓度为0.025 mg·L-1，分配系数为0.23，溶解度为1.0×106mg·L-1，半衰期＞1000 h，半致死剂量＞5000 mg·kg-1。该回灌区地下水埋深为2 m，降雨入渗补给量为213.2 mm，土壤介质为粘土质亚粘土，包气带介质为粉砂，含水层介质为粉细砂，地形坡度为2%，含水层厚度为6 m，再生水利用方式为从回灌层下层取水用于农业用水。再生水回灌强度为3×104t·d-1，回灌周期为1次·月-1，再生水停留时间为4个月，取水点与回灌点水平距离为2500 m。

3）风险指数表征。回灌水特征污染物特性风险Ra：参照GB 14848—1993中对地下水水质综合评分值F的计算方法，得到F=4.27。由于该回灌区地下水主要用于农业用水，因此，R(污染物浓度水平)=2；根据回灌区基础资料，根据表4得到，R(分配系数)=1，R(溶解度)=1，R(半衰期)=1，R(半致死剂量)=3。因此，Ra=R(污染物浓度水平)×R(分配系数)×R(溶解度)×R(半衰期)×R(半致死剂量)=2×1×1×1×3=6，为一级风险。

回灌区地下水固有脆弱性风险Rb：根据回灌区基础资料，按照地表回灌方式下回灌区地下水固有脆弱性计算公式得到，Rb=5×D+4×R+3×A+2×S+1×T+5×I+3×H=5×9+4×8+ 3×4+2×3+1×9+5×3+3×2=125，由表7判断回灌区地下水固有脆弱性为二级风险。

回灌工程布设方式风险Rc：根据回灌区回灌工程布设方式资料，Rc=R(回灌强度)×R(回灌周期)×R(回灌水停留时间)×R(取水点与回灌点水平距离)=2×3×2×3=36，为三级风险。

再生水回灌地下水环境安全风险R总：R总=Ra×Rb×Rc=1×2×3=6。

表6　回灌区地层脆弱性各指标评分Table 6　The evaluation scores of the indicators of the groundwater vulnerability of the injection field

表7　回灌区地层脆弱性评分表Table 7 The evaluation scores of the inherent vulnerability of groundwater

表8　回灌工程布置级别划分Table 8　The level of the recharge project layout

表9　回灌工程布置风险分级结果Table 9　The risk ranking result of the recharge project layout

表10　再生水回灌地下水环境安全风险评价结果Table 10　The result of the groundwater environment safety risk assessment of reclaimed water injection

4）再生水回灌地下水环境安全风险评价。根据文中2.4研究结果，该回灌区地下水环境安全风险为二级，属中等风险水平。从风险评价过程中可以看出，造成该回灌区地下水环境风险的主要因素为回灌水特征污染物特性指标，因此，降低该回灌区地下水环境风险的关键技术手段在于对回灌水中特征污染物的深度净化。

4　结论

1）该研究采用层析分析法，从回灌水特征污染物特性、回灌区地下水固有脆弱性以及回灌工程布设方式3个方面，针对地表灌溉、河湖入渗和井灌3种回灌方式，建立了由污染物浓度水平、分配系数、溶解度、半衰期、半致死剂量、地下水埋深、降雨入渗补给量、地形坡度、土壤介质、包气带介质、含水层介质、含水层厚度、回灌强度、回灌周期、回灌水停留时间以及取水点与回灌点水平距离16个指标构成的风险评价指标体系。

2）该研究基于聚类分析法，结合地下水使用功能，构建了再生水回灌地下水环境安全风险评价技术方法，将我国再生水回灌地下水环境安全风险共划分为3级，其风险值为一级＜5，二级5～15，三级＞15。

3）该研究建立的风险评价技术方法，能够明确造成回灌区地下水环境风险的主要因素，可在一定程度上为环境管理部门提供理论依据和技术支撑。

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Risk Assessment Technology Method on Groundwater Environment Safety of Reclaimed Water Injection

YANG Yu, LIAN Xinying, MA Zhifei, AN Da, JIANG Yonghai, YUAN Zhiye, XI Beidou*

Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

Groundwater recharge using reclaimed wastewater is an important aspect of water resource management. Nevertheless, when reclaimed wastewater percolates to groundwater via agricultural irrigation, the soil aquifer treatment (SAT), infiltration of lakes and well irrigation, it will inevitably carry pollutants to groundwater which increases the risk of groundwater pollution. Therefore, it is vital to establish risk assessment guidelines for reclaimed wastewater recharge by various injection methods to protect groundwater quality in China. This study developed a risk assessment index system through comprehensive analysis of risk assessment methodology and the key processes of reclaimed water injection. The system was established based on three aspects including the characteristics of pollutants in recharge water, the inherent vulnerability of groundwater in the irrigation area, and the layout of the recharge engineering by applying analytic hierarchy process. The risk assessment index system consists of 16 indicators, including the pollutant concentration level, distribution coefficient, solubility, half-life, half lethal dose, groundwater table, rainfall infiltration recharge, the land surface slope, top soil medium, vadose medium, aquifer medium, thickness of aquifer, recharge intensity, recharge cycle, residence time of reclaimed wastewater, and horizontal distance between the water intake point and inject point. The system can be used to protect groundwater environment when reclaimed wastewater is injected through surface irrigation, infiltration of lakes, and well injection. Based on the survey on 20 typical reclaimed wastewater injection fields and the physical and chemical properties of 160 groundwater pollution risk factors, combined with the groundwater function, the level of risk for each indicator was ranked. The total risk index was calculated by multiplying the individual risk indicators, and the method of groundwater environment safety risk assessment was established by applying the clustering analysis. The method can effectively avoid the subjectivity of index weight calculation, and identify the main factors that lead to the risk. Our results showed that in China the risk of groundwater environment safety due to reclaimed water injection could be divided into 3 levels from high to low: the risk values of Level 1 were less than 5, of Level 2 were between 5 and 15, and of Level 3 were greater than 15. We applied this risk assessment system in a test reclaimed water injection field, and it showed that this operation had a potential risk of Level 2, and the characteristic of the pollutants in the reclaimed wastewater was the main factor that caused the relatively high groundwater environmental risk.

reclaimed water; recharge; groundwater; index system; risk assessment

X824

A

1674-5906（2014）11-1806-08

杨昱，廉新颖，马志飞，安达，姜永海，袁志业，席北斗. 再生水回灌地下水环境安全风险评价技术方法研究[J].生态环境学报, 2014, 23(11): 1806-1813.

YANG Yu, LIAN Xinying, MA Zhifei, AN Da, JIANG Yonghai, YUAN Zhiye, XI Beidou. Risk Assessment Technology Method on Groundwater Environment Safety of Reclaimed Water Injection [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(11): 1806-1813.

国家环保公益性行业科研专项（201209053）

杨昱（1983年生），女，助理研究员，硕士，主要从事地下水污染风险评价研究。E-mail: yangyugirl@126.com

*责任作者：席北斗（1969年生），男，研究员，博士，主要从事地下水污染控制技术与管理研究。E-mail: xibeidou@263.net

2014-08-24