王英刚, 魏 铭, 宗 芳, 李 研

(沈阳大学 区域污染环境生态修复教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110044)

水源地作为地下水资源的保护区,正在受到不同程度的破坏,而且一些地域的含水层分布具有复杂性和隐蔽性的特点,一旦被污染就很难控制.因此,研究和建立科学的地下水污染风险评价方法、地下水污染风险管理体系和区域地下水保护策略是解决问题的根本途径.脆弱性评价和污染风险评价是保护地下水的重要方法.本文以辽宁省灯塔市野老滩水源地为研究对象,对研究区的地下水污染进行风险评价,并对水资源的合理利用提出建议,为辽宁省持续开展集中式地下饮用水水源补给区环境风险评价提供参考,对改善地下水环境质量、保护地下饮用水源地、建立安全供水保障体系具有重要意义[1].

1 研究区基础环境状况及风险指标体系构建

1.1 地理位置

野老滩水源地(N 41°21′00″,E 123°11′24″)位于辽宁省辽阳市灯塔城区西南侧13 km处的西马峰镇,北距沈阳市区56 km,南距辽阳市区10 km、距鞍山市区40 km,长大铁路位于水源地东侧.

1.2 区域水文地质条件

根据野老滩水源地地下水水文地质调查分析可知,其地下水埋藏较浅并具承压性.地下水动态属气侯型,每年5月水位开始上升,9月下旬水位开始下降,年变幅约1.5～2.0 m,地下水流向为从东北方向流向西南方向,水力坡降为0.5%～0.8%.地下水大部分依赖上游邻区地下径流补给,小部分由大气降水渗透补给,在太子河沿岸局部地区洪水期还受河水补给.区域构造形迹以东西向构造和新华夏系构造为主体构成了地质构造骨架.但由于不同构造彼此间相互干扰,历经多次构造运动使得该区域内地质构造更趋复杂化.总的来说,灯塔市野老滩水源地水文地质条件良好,变化不大,水量较为丰富.

1.3 水源地补给区划定

按照国家地下水水源地补给区划定原则,野老滩水源地补给区在2009年被划定为水源地保护区,总面积为12.488 km2,见图1.

图1 补给区范围Fig.1 Scope of supply area

1.4 区域工业企业污染源

研究区内现有工业污染源为佳美化工、沈阳焦煤股份有限公司西马煤矿、辽河加油站、辽阳新特园区、罕王湖农业生态园、百盛储运有限公司、秸高秸秆储运有限公司等7家企业,企业基本情况见表1.

表1 保护区内企业基本情况Table 1 Basic situation of enterprises in the protected area

1.5 研究内容及风险指标体系构建

按照当地的水文地质条件和污染排放调查情况,针对野老滩水源地补给区进行了地下水污染风险评价工作,主要内容如下.

1) 根据研究区现有的数据资料并结合实际情况,选取以7个评价因子为基础的DRASTIC评价指标体系,并利用ArcGIS软件的数据分析和出图功能对研究区进行地下水脆弱性评价[2].

2) 结合研究区的实际情况, 以地下水脆弱性分析为基本框架, 选取工业企业及其他污染源(根据调查, 该区域被划定为水源地之前, 地下已经存在输油管道,将其列为高风险区域)、土地利用情况作为评价指标体系, 借助ArcGIS软件的叠加分析和制图功能, 得到野老滩水源地补给区污染风险评价结果.

3) 利用ArcGIS软件将风险评价结果导出,将风险评价结果制成扇形图,更直观地对该区域的污染进行评估,并结合研究区的实际情况,对地下水污染风险管理提出合理建议,图2为风险评价指标体系[3].

图2 风险评价指标体系Fig.2 Risk evaluation index system

2 研究区地下水脆弱性评价及污染风险评价

2.1 DRASTIC脆弱性评价方法

本文选取的DRASTIC评价法是一种以7个评价因子为基础的地下水脆弱性评价方法,综合考虑了其对地下水的较大影响、强流控制和污染物在水体中的迁移[4].这7个决定性因子分别为:地下水位埋深(D)、净补给量(R)、含水层介质类型(A)、土壤介质类型(S)、地形坡度(T)、包气带介质(I)和渗透系数(C).DRASTIC评价指数一般由3部分叠加计算组成,分别为权重、范围及分值,用评价指数的大小表示地下水脆弱性的严重程度[5].

将这7个评价因子进行等级划分,设置评分数值为1～10,并结合实际情况和专家意见,依据DRASTIC评分标准对其进行打分.遵循的原则是:地下水水位埋深越大,得分越低;净补给量越小,得分越低;含水层介质类型越紧密,得分越低;土壤介质颗粒越细,得分越低;包气带介质越紧密,得分越低,地形坡度越陡,得分越低;含水层渗透系数越小,得分越低.DRASTIC评分标准见表2.

表2 DRASTIC评分标准表Table 2 DRASTIC scoring standard table

DRASTIC评价方法具有经验性,它是1987年由美国环境保护局提出的.DRASTIC模型[6]将每一个对地下水脆弱性有影响的评价指标都赋予一定的权重,权重范围为1～5.对地下水脆弱性影响程度最大的权重因子值为5,对地下水脆弱性影响程度最小的权重因子值为1,权重为不可改变的定值,具体权重值见表3.

表3 地下水脆弱性评价指标权重

地下水脆弱性是相对的,是指一个地区相对于另一个地区更脆弱,同时脆弱性分区受当地水文地质条件影响,在正常情况下DRASTIC评价指数=5D+4R+3A+2S+T+5I+3C,最小值为23,最大值为230,计算出的DRASTIC评价指数越小,说明该区域越不容易被污染,即该地区地下水脆弱性较弱,反之则较强.本文将最大值230折算成100,最小值23折算成10,这样既方便计算又利于评分,同时将地下水系统综合指数划分成5个级别,见表4.

表4 地下水脆弱性评价等级划分Table 4 Classification of groundwater vulnerability assessment degree

2.2 脆弱性评价

脆弱性评价利用ArcGIS平台进行评价.通过对野老滩水源地补给区的调查并结合已有资料获取评价方法中7个参数的空间分布情况,再利用ArcGIS的空间分析功能对7参数进行空间图层叠加,获得最终的评价结果.

1) 地下水位埋深(D). 辽宁省地下水埋深最大不超过20 m,大部分地区埋深在5～10 m.其中,辽河、浑河、太子河、绕阳河、大、小凌河冲洪积扇的地下水埋深在3～5 m,包括大凌河支流河谷及阶地以上的坡洪冲积扇群.由于野老滩水源地位于太子河流域,且评价区域较小,地下水埋深为4 m,评分为9.

2) 地下水净补给量(R). 根据辽宁省水文资料查得辽宁省大部分地区的净补给量在50～100 mm范围内,阜新市、本溪市、锦州市、营口市、辽阳市、盘锦市的地下水补给量小于50 mm,野老滩地区属于辽阳市范围内,其净补给量在0～51 mm,评分值为1.

3) 含水层介质(A). 野老滩水源地位于太子河流域,砂砾石是该区域含水层组成最多的介质.由于砂砾石的渗透性比较大,污染物在迁移的过程中很难被消解,含水层介质本身的抗污染能力很弱,评分为9.

4) 土壤介质类型(S). 根据资料查明,确定整个野老滩区域的水文地质结构基本一致,土壤表面自上而下10 m为黏土、亚黏土,评分为5.

5) 地形(T). 利用野老滩区域的DEM图,在ArcGIS中将坡度的空间分布情况转化为栅格,呈现出坡度的栅格图,同时利用ArcGIS重分类功能进行评分,如图3所示.从图中可以看到,坡度评分最高的区域主要分布在平原区,这些区域地势平缓,不利于地表污染物的流动,污染物在地表可能会长时间停留,这就给污染物的下渗创造了更多的机会,故防污性能较差;随着坡度的增大,污染物流速增大,入渗到地下含水层的机会降低,防污性能也随之增强.根据表2,结合坡度分区图综合打分.

图3 地形坡度分区Fig.3 Topographic slope zone map

6) 包气带介质类型(I). 根据当地水文地质勘察资料,可以看出评价区包气带介质主要为少量细沙,其余为黏土夹亚砂土和有机黏土,渗透性较差,防污性能较好,评分为3.

7) 渗透系数(C). 根据研究区范围内的地质调查和对水文地质钻孔进行抽水实验等相关资料得到研究区的渗透系数,其大小及分布范围见图4.在搜集到的水文地质资料中,获得研究区渗透系数的分区情况,再结合野外调查作出适当调整.

图4 渗透系数分区Fig.4 Permeability coefficient zone map

将前面所得评价图与打分结果在ArcGIS中赋权叠加,运用地下水脆弱性评价方法[7],得到研究区脆弱性评价结果,见图5.

图5 脆弱性评价结果Fig.5 Vulnerability assessment results

① 利用ArcGIS的赋权叠加功能对野老滩水源地补给区进行分析,可知该研究区主要分为2个脆弱等级,其中Ⅳ级脆弱性占大多数,Ⅲ级脆弱性占小部分,说明该区域极易受到污染.

② 脆弱性Ⅳ级区域,具有较强的渗透性,为污染物创造了更好的向地下水运移的条件;地形坡度较缓,污染物流动性差,给污染物的下渗创造了更多的机会.因此该研究区的水文地质条件有助于污染物质的迁移和渗透.

③ 脆弱性Ⅲ级区域,渗透性中等,土壤类型主要为亚黏土、黏土;地形坡度较大,污染物在地表流速较快,但仍会有少部分渗入到地下含水层.因此,本区域地下水自我防护能力一般,易受到污染.

2.3 污染风险评价

将野老滩水源地补给区内的工厂企业、地下管线和土地利用类型考虑进污染源项,进行地下水综合污染风险评价.

区域内现有7家企业,除辽河加油站、灯塔市秸高秸秆储运有限公司、西马煤矿和新特园区,其余3家企业均处于关闭状态.野老滩水源地地下存在一条在建输气管线、一条正在使用的输油管线和一条备用输油管线,且距离水井距离较近,一旦某条管线发生泄漏就会存在污染地下水的风险,故将管线泄漏作为风险源对其进行赋值.赋予管道污染范围的特征值为3,赋予辽河加油站、灯塔市秸高秸秆储运有限公司、西马煤矿和新特园区均为2.污染源影响范围等级见图6.

图6 污染源影响范围等级Fig.6 Pollution source impact range level map

根据该区域的土地利用类型,将耕地特征值赋为3,林地和草地的特征值赋为1,将城镇和村庄的特征值赋为4.根据研究区内土地的利用率和污染概率对不同土地类型赋值,工业用地或者是人口密集的居住区对地下水造成污染的概率较大,则特征值较大;人口稀少且很少被开发利用的地区对地下水造成污染的概率较小,则特征值较小.研究区面积最大的是耕种区,其次是村庄和城镇,林地和草地所占面积最小.土地利用类型见图7.

图7 土地利用类型Fig.7 Land use zone map

2.4 综合风险评价

运用脆弱性评价结果(图5)、污染源影响范围等级(图6)和土地利用类型(图7)分析结果进行赋权叠加的方法,得到研究区综合风险评价结果,见图8.

图8 综合风险评价结果Fig.8 Comprehensive risk assessment result map

根据图8,借助具有导出功能的ArcGIS软件,分析和统计各污染风险区,并对4个等级的风险指数和其所占的面积百分比进行分析,得到地下水污染风险属性统计结果,如图9所示.

图9 地下水污染风险属性统计结果Fig.9 Statistical results of groundwater pollution risk attributes

从图8、图9可以看出,野老滩水源地补给区地下水污染风险从高到低分为高、较高、中、低4个等级,污染风险等级越低,说明该区域的地下水自我防护能力越强,反之则越弱,研究区地下水风险评价结果分析如下.

1) 地下水污染中等风险区占比最大,占总面积的50%;低风险区占比第二,占总面积32%;较高风险区占比第三,占总面积的10%;高风险区占比最小,占总面积的8%.

2) 埋有输油或输气管道地区的污染风险最高,其主要原因是这些管道存在的泄漏风险容易对地下水造成较大污染;辽河加油站、新特园区、西马煤矿和灯塔市秸高秸秆储运有限公司等污染企业周边的污染风险也较高,主要考虑其生产加工过程产生的污染物对周边环境的污染;乡村和城镇区域人口密集、生活排污量大,生活污水和固体废弃物可能会对地下水造成一定污染,且该区域大部分脆弱性较高,对污染物质下渗的防护能力有限,为中等风险区;林地和耕地地区很少有人类活动,受污染的可能性小,是低风险区.

3 结 论

本文建立了野老滩水源地地下水补给区风险评估的框架及其指标体系,在传统DRASTIC模型基础上选取了研究区特殊污染源项和当地土地利用类型用ArcGIS软件进行叠加分析,结合脆弱性评价结果,进一步得出了更符合当地实际情况的地下水污染风险评价结果.该研究区地下水污染风险主要为中等风险和低风险,中等风险区占总面积的50%,低风险区占总面积的32%.而较高风险区和高风险区占比较小,分别占总面积的10%和8%.

研究区污染风险评价结果表明,水源地地下布有输气管道、输油管道和备用输油管道的地区污染风险最高.由于研究区整体脆弱性偏高,同时输油和输气管道泄漏会对地下水具有潜在的危险性,应优先治理该区域的污染源.加油站、灯塔市秸高秸秆储运有限公司、西马煤矿和新特园区等污染源周围的污染风险较高,应加强对这些企业的污染监管;人口密集的乡村和城镇地区土地利用较频繁,生活污水和固体废弃物排放量大,污染物渗入地下会对地下水产生潜在风险,应加强对废水、废弃物排放的正确引导;林地耕地或人类活动较少的区域人口密度小,远离污染源,地下水自我防护能力强,应加强保护,防止被破坏.