2014, Vol.35 
2. 中国科学院大学地球科学学院, 北京 100049;
3. 北京市地质矿产勘查开发局, 北京 100195
2. College of Earth Science, University of Chinese Academy Sciences, Beijing 100049, China;
3. Beijing Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development, Beijing 100195, China
近年来，城市化进程的不断加快、 工农业经济粗放式的发展，致使许多地区地下水水质持续恶化、 地下水污染面积不断扩大、 深度不断加深、 污染组分更加复杂、 程度持续扩展呈蔓延之势. 地下水污染事故频发，生产生活供水安全受到了严重威胁，地区经济持续发展已受到严重制约[1, 2, 3].
在过去近10年间我国实施了一大批不同精度的地下水环境调查与评价项目，先后在华北平原、 长江三角洲平原、 珠江三江洲平原、 淮河流域、 下辽河平原、 安徽平原、 河南平原、 江苏平原、 山东平原、 银川盆地、 关中盆地等地开展了系统的无机有机地下水污染调查与评价项目[4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. 许多高等院校和科研院所也相继投入大量的人力、 财力以此为课题开展了相关实验、 场地尺度下的评价研究等工作[11, 12, 13, 14]. 这种产学研结合的模式使得我国起步相对较晚的地下水污染防控与修复工作取得了一定的进展. 不仅基本摸清了我国近55万km2范围内的地下水水质状况、 而且基本掌握了地下水污染的分布范围和污染特征，有的地区甚至开展了分层的监测和评价[15, 16, 17, 18]. 一些规范[19,20]、 污染防治规划[21]和防治工作方案[22]也相继颁布和出台. 然而令人遗憾的是，由于我国“多龙治水”局面的长期存在，至今许多部门仍然是谈地下水污染“色变”. 这在一定程度上限制了该领域的快速进展.
地下水污染具有极强的隐蔽性，一旦发生，其治理周期很长、 费用极高、 难度极大. 事实上，地下水污染风险性评价已在国外得到了广泛的应用[23, 24, 25]，成为了地下水污染调查、 评价、 修复和管理工作的有效手段. 其调查与科研成果也会在第一时间向公众公布，以获取环境保护的最大效益. 在大众关注度日益升高和网络讯息极度发达的今天，人们对地下水环境、 供水安全等领域的关注度之高前所未有，并且相比较摸清现状，大众更关注地下水环境的未来——未来应该首先在哪些污染风险较高的地区合理规划产业布局、 科学开展污染防控措施、 稳步实施治理污染措施等.
本文首先介绍地下水环境研究领域的几个基本概念，并阐述了其异同. 选取2007~2009年北京地区实施的地下水污染调查与评价项目的数据，选取一定的评价方法开展了北京地区地下水污染风险性评价，以期为不断变化发展的城乡一体化进程中，科学合理划分集中水源保护区、 地下水分质供水、 保障饮用水安全、 有侧重有步骤科学实施地下水污染防控工程提供基础支撑.
地下水作为许多地区重要的饮用水水源，不仅政府管理部门高度重视，广大群众的关注度也伴随着越来越多的地下水环境事件的涌现越来越高. 为使这个涉及多学科、 多部门相互交叉的系统工程被更多的人进一步深入了解，在此，对地下水环境调查与评价工作的部分概念及其差异进行简述.
地下水质量评价：根据水的用途、 确定一定的评价参数、 质量标准，采用合适的评价方法，对环境水域中的水质或水域的综合体的质量所进行的定性或定量的评价. 目前地下水最常用的是按照GB/T 14848-1993(新标准已于2007年上报待批)，选取一项指标或多项指标对地下水质量现状进行分级评价，方法通常有内梅罗指数法、 模糊数学、 灰色理论法等.
地下水污染评价：按照一定的评价规范，根据评价区特点选取一项或多项指标，对由于人类活动引起的地下水水质的恶化程度进行分级，用以评判研究地下水相比较其天然状态恶化的程度. 污染评价结果以污染程度区划图来体现，污染程度重的地区表明水质恶化“远离” 其天然状态越远.
地下水脆弱性评价：也有学者称为“地下水防污性能评价”. 通常依据评价区水文地质条件，选择合适的模型，有针对性地选取一定指标来评判研究区内地下水系统对人类活动和(或)自然的敏感性. 它作为地下水系统的固有属性，一般不考虑外界污染源种类、 输入强度、 毒性大小等因素的影响. 评价多采用DRASTIC模型[26]、 GOD模型[27]和SINATACS模型[28, 29]等，基本都是选择一定的评价因子，并赋以不同的权重值，进行计算. 评价结果表明天然地下水系统自身抵御外来污染能力高低. 脆弱性越高，顾名思义，越易遭受污染.
地下水污染风险评价：是指含水层中地下水由于人类活动而遭受污染到不可接受水平的可能性，是地下水脆弱性与人类活动造成的污染荷载之间相互作用的结果. 不仅需要考虑地下水系统本身阻止污染物进入系统的能力，还需要考虑污染活动存在的可能. 例如：一个地区含水层脆弱性很高，但是系统周边没有明显的污染物进入含水层从而无污染风险； 而另一个区域含水层脆弱性能很低(即防污性能很高)，但是其地表存有强度高、 毒性大的污染输入，从而导致其污染风险就有可能很大[30]. Foster[31]对二者的关系进行了比较明确的探讨(图 1).
 |
图 1地下水污染风险性评价与地下水脆弱性评价之关系Fig.1Relationship between contamination risk assessment and groundwater vulnerability assessment |
可以看出，地下水质量评价与污染评价截然不同，前者是为了评判地下水是否满足一定供水功能与用途，后者则表征的是过去人类活动和自然因素综合作用下，地下水系统对外界刺激的响应.
地下水污染风险性评价不同，它不仅考虑了地下水水质的现状、 污染的轻重，而且对外同时考虑了系统外部人为污染源输入的强度，它是一种从一开始就应该考虑并进行滚动并逐步深入的工作，其评价结果则更侧重未来，具有很强的综合性和先行性. 只有准确科学地评判地下水系统面临的污染风险，管理、 开发利用部门才能和大众一道，少走亡羊补牢的弯路，发挥地下水资源的最大效益.
北京平原区是典型的由永定河、 潮白河温榆河、 蓟运河、 大石河和拒马河等河流相互作用叠置塑造而成的山前缓倾斜冲洪积平原. 地势上西北高，东南低. 第四纪松散堆积物构成了巨大的孔隙水储水空间，其厚度自山前不足10 m到东南部逐渐增厚，最厚处达1000 m. 含水层也由山前单一的砂卵砾石层逐渐过渡到砾砂、 砂质黏土互层的多层结构含水层以埋藏深度基本可以划分为3层. 区域上地下水自西北、 北部流向东南，详细的地质、 水文地质条件描述已有多篇文献详述[32,33]，限于篇幅，在此不再重复. 历史悠久的北京城就坐落在永定河巨大的冲洪积扇之上，人类活动十分密集. 据不完全统计，北京地区河道内大部分已是再生水，各级垃圾场近500余处，大小加油站超过1000个、 各类经济技术开发区20余个.
自2003年以来，北京地区开展过多批次不同精度下有关地下水环境方面的工作. 文献[34, 35]的工作精度为1 ∶25万，工作区不包含延庆区. 文献[33]工作精度1 ∶10万，同样不包含延庆区. 2007~2009年，北京市政府实施了整个平原区(含延庆区)1 ∶5万精度的地下水污染调查与评价工作. 在浅、 中、 深层含水层中的共计1035眼水井中开展了丰、 枯水期(2007年枯水期一次，2008年丰、 枯期各一次)系统采样工作，共采集地下水水样3400余组，49项无机指标在北京市地质工程勘察院水质化验室完成，44项有机指标由中国地科院水文地质环境地质研究所水质分析中心完成测试. 本次污染评价所用数据为661件浅层地下水水样(图 2).
 |
图 2浅层地下水采样点及渗透系数分区图Fig.2Distribution of shallow groundwater samples and classification of hydraulic conductivity in Beijing Plain |
本文根据北京市地质、 水文地质条件、 污染源荷载分布，选取4项评价指标，进行地下水污染风险评价，以期为遏止地下水污染态势进一步加剧，科学合理的布置地下水污染防治工程提供科学支撑.
进行地下水污染风险评价时需要构建评价指标体系，在遵循指标全面性和独立性原则以及可操作的基础上，要尽量选择那些关键性的、 具有综合性和有代表性的指标，从而使得其物理含义明确，易于计算和分析.
针对北京地区的特点，本研究选取以下指标计算地下水系统污染风险综合指数R(图 3)：
 |
图 3北京市平原区地下水污染风险评价体系结构Fig.3Index system of groundwater pollution risk assessment in Beijing Plain |
地下水污染现状B1：与地下水质量现状评价不同，污染评价是依据地下水环境的背景值(或者对照值)进行的[17]. 事实上，不妨将地下水污染现状看作是地下水系统对人类在过去几十年(甚至上百年)里开展的一场多期次、 多种类物质输入的溶质运移实验的响应. 污染的程度愈重，就在一定程度上证明了其遭受污染的风险愈高，已遭受污染的劣质水向四周扩散的 “二次污染”所带来的风险也就愈大. 按照严重污染、 重度污染、 中度污染、 轻度污染和未污染依次评分为10、 7、 5、 4、 1.
污染源荷载评价B2：在污染源种类多，排放强度大、 毒性大危害大的地区自然其污染风险就越高. 污染源荷载的计算不仅涉及污染源种类、 毒性大小，而且与其输入强度密切相关[36]. 按照污染源荷载大、 较大、 中等、 一般、 较小依次打分为10、 7、 5、 4、 1.
地下水脆弱性评价B3：脆弱性越强的地方防污性能越差，越有利于污染物的输入，污染风险也就越高. 按照防污性能的差、 较差、 略差、 中等、 较好依次打分为10、 7、 5、 4、 1.
地下水现状质量评价B4：是反映地下水价值水平的重要因子，质量越好的地下水，其价值水平越高，污染后造成的损失也就越大，相应地其遭受污染的的风险就越高，这里主要体现了其作为供水水源的重要性，是一个体现水源价值水平的指标. 按照极差、 较差、 较好、 良好和优良依次打分为10、 7、 5、 4、 1.
本研究采用专家打分法确定各评价因子权重，分为了使评价结果更贴近实际，笔者通过Email、 电话、 研讨会等形式邀请来自科研院所、 生产单位和管理部门等78位从事水文地质、 环境地质研究工作的专家(职称均为高工、 副教授以上)对B1、 B2、 B3、 B4进行打分，保证了专家意见的独立性和客观性. 权重总分为100分，分数越高，代表该因子越重要，即带来的污染风险愈大. 图 4为78个样本的统计结果，经归一化处理，四因子的权重为[0.18，0.36，0.31，0.15]. 可以看出，无论是生产单位还是科研院所，基本都将“污染源”因子确定的权重最高，其次是地层的天然防护性能、 污染评价结果以及地下水质量评价结果.
 |
图 4地下水污染风险评价专家打分法权重Fig.4Weights for different factors in the risk assessment of groundwater based on the expert scoring method |
选择影响和控制北京地区地下水质量的主要指标总硬度、 溶解性总固体、 锰、 氨氮、 铁、 氟、 硝酸盐、 亚硝酸盐、 氯离子、 硫酸根离子10项作为评价因子[18]，以20世纪60年代左右浅层地下水水质作为对照值，采用文献[20]中的评价方法，得到平原区污染评价分区图(图 5). 图 6是在1000 m×1000 m网格上，按照工业、 农业、 城市生活、 固体废物和其它五大类别污染源，考虑了强度和危害性等因素的平原区污染源载荷分级[20]. 图 7则是利用广泛采用的DRASTIC模型，选取地下水埋深(D)、 含水层净补给(R)、 含水层介质(A)、 土壤类型(S)、 地形坡度(T)、 包气带岩性(I)、 渗透系数(C)这7个因子确定的平原区地下水防污性能评价结果. 图 8则是根据2008年在平原区所采集的661个浅层地下水水样进行的综合质量评价结果[21].
 |
图 5北京市平原区地下水污染评价结果Fig.5Assessment of shallow groundwater contamination in Beijing Plain |
 |
图 6北京市平原区污染源荷载评价结果Fig.6Load assessment of contamination source in Beijing Plain |
 |
图 7北京市平原区地下水防污性能Fig.7Assessment of groundwater vulnerability in Beijing Plain |
 |
图 8北京市平原区浅层地下水质量结果Fig.8Assessment of shallow groundwater quality in Beijing Plain |
在制作了4个指标要素层之后，在Arcgis系统中进行叠加计算(图 9)[18]. 统计分析结果可知平原区低和较低污染风险的面积分别为133.2km2和2644 km2，而较高和高污染风险区的面积分别为699.3 km2和1232.1 km2(表1).
 |
图 9北京市平原区地下水污染风险评价结果Fig.9Results of risk assessment of quaternary groundwater contamination in Beijing Plain area |
 | 表1 平原区地下水污染风险评价结果统计表 Table 1 Statistics of risk assessment of quaternary groundwater contamination in Beijing Plain |
图 9是本次平原区第四系地下水风险性评价结果. 从中可以看出平原区高污染风险区、 较高污染风险区主要有3处.
第一处位于城区及西郊一带，覆盖了永定河冲洪积扇约600 km2. 本区的西部地区是第四系地下水的补给区，多由较粗颗粒的砂卵砾石、 砂砾层组成，含水层系统的脆弱性高； 而中东部地区，在城区高人口密度引发的生活污染和污水灌溉的双重作用下，地表污染源荷载较重，从而使得本区的污染风险较高.
第二处污染风险较高的区域位于潮白河冲洪积扇的上游北房-河南寨一带，面积约70 km2. 本区的特点是地下水的天然防护性能较差，含水层上下水力联系较好，加之地下水污染程度较重，地下水现状质量评价级别较差，这些因素综合作用下造成了较高的污染风险.
第三处污染风险较高的区域位于拒马河、 大石河冲洪积扇的上游地区，面积约90 km2. 造成本区较高污染风险的因素主要是地下水污染程度较重，加之位于冲洪积扇的中上游，地层颗粒粗大，地下水上下贯通，水力联系密切致使地下水系统脆弱性较高. 此外，在各郊区县城的居民聚居区存在个别较高污染风险的区域，如平谷县城、 顺义县城、 昌平县城等,这主要是由于较高的污染载所致.
在平原区的东南部，由于地层结构主要由细颗粒的黏土、 砂质黏土和黏质砂土组成，厚度较大，含水层的天然防护性能较好，所以，除永定河冲洪积扇下游外，大部分都属于较低污染风险区. 永定河冲洪积扇的下部之所以风险较高，一方面是由于历史污水灌溉引起，另一方面本区域多处化工厂、 垃圾场使得污染源危险性较高，因此使得风险也较高. 中等污染风险区主要位于高污染风险区和低污染风险区之间，分布比较零散.
(1)地下水污染风险评价是依据当下现实状况为未来更好的进行地下水的开发、 保护与管理的一项带有预判性的工作. 我国近年来地下水污染态势进一步加剧：范围不断扩大，程度不断加深，污染组分更加复杂，诸多地区的供水安全已受到严重威胁，许多地区因此不得不花费巨资进行改水工程，教训极其惨痛. 因此，有侧重有针对性地开展地下水污染风险评价工作刻不容缓.
(2)本研究根据北京平原区的特点，选取了地下水污染现状、 地表污染源荷载、 地下水脆弱性评价及地下水现状质量4项指标，对其权重进行了探讨和对比，最终得到平原区污染风险高、 较高、 中等、 较低、 低污染风险区的面积分别分为1232.1、 699.3、 1951.4、 2644、 133.2 km2. 在平原区西部、 北部冲洪积扇的中上游地区，由于单一的粗颗粒的含水层结构使得其防护性能较低，局部地区较高的污染源荷载是造成当地地下水污染风险高的主要原因.
(3)专家打分确定因子权重的结果具有较好的一致性——无论是生产单位还是科研院所，各方面专家都给予了污染源荷载最高的权重，其次是地下水系统自身的防污性能. 这再次验证了对于污染治理的共识，即“去源”或者“除源”是首要对策，才是根本. 其次才是调整开采方案和加强防护等措施.
致谢： 本项工作历时三载，本单位许多同志为野外采样和数据分析付出了艰辛的汗水. 在专家打分确定评价因子权重时，本单位和其他单位的教授、 专家给予大力支持，在此一并表示衷心感谢.
| [1] | 全国地下水污染调查评价可行性研究报告通过专家论证[EB/OL]. http://www.cgs.gov.cn/cgjz/sgh/ywdongtai/17299. htm |
| [2] | 张新钰, 辛宝东, 王晓红, 等. 我国地下水污染研究进展[J]. 地球与环境, 2011, 39 (3): 415-422. |
| [3] | 薛禹群, 张幼宽. 地下水污染防治在我国水体污染控制与治理中的双重意义[J]. 环境科学学报, 2009, 29 (3): 74-481. |
| [4] | 中国地质科学院水文地质环境地质研究所. 华北平原区地下水污染调查评价报告[R]. 2009. |
| [5] | 江苏省地质调查研究院. 长江三角洲地区地下水污染调查评价[R]. 2009. |
| [6] | 中国地质科学院水文地质环境地质研究所. 珠江三角洲地区地下水污染调查评价[R]. 2009. |
| [7] | 南京地质矿产研究所. 淮河流域平原区地下水污染调查评价综合研究与专题研究[R]. 2010. |
| [8] | 沈阳地调中心. 下辽河平原区地下水污染调查评价综合研究与专题研究[R]. 2010. |
| [9] | 沈阳地调中心. 东北平原地下水污染调查评价综合研究及专题研究[R]. 2011. |
| [10] | 中国地质调查局. 全国地下水污染调查评价可行性研究报告[R]. 2012. |
| [11] | 王志强, 武强, 邹祖光, 等. 地下水石油污染曝气治理技术研究[J]. 环境科学, 2007, 28 (4): 754-760. |
| [12] | 杨乐巍. 土壤气相抽提(SVE)现场试验研究[D]. 天津: 天津大学, 2006. |
| [13] | 赵勇胜. 地下水污染场地污染的控制与修复[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2007, 37 (2): 303-310. |
| [14] | 吴永锋, 钟佐燊, 汪民, 等. 污水快速渗滤处理系统对某些微量有机污染物的净化[J]. 环境科学, 1996, 17 (6): 60-62. |
| [15] | 陈鸿汉, 何江涛, 刘菲, 等. 北京地下水有机污染调查报告[R]. 北京: 中国地质大学(北京) 地调院, 2003. 61. |
| [16] | 赵微, 林健, 郭高轩, 等. 北京市地下水环境分层监测和专项监控网的建立[J]. 南水北调与水利科技, 2012, 10 (2): 83-87. |
| [17] | 郭高轩. 北京市平原区地下水分层质量评价[J]. 中国地质, 2012, 39 (2): 518-523. |
| [18] | 辛宝东, 郭高轩, 陆海燕, 等. 北京市平原区地下水污染调查报告[R]. 2010. |
| [19] | 文冬光, 林良俊, 孙继朝, 等. 区域性地下水有机污染调查与评价方法[J]. 中国地质, 2008, 35 (5): 814-819. |
| [20] | 中国地质调查局. 地下水污染地质调查规范(DD2008-01)[S]. 2008. |
| [21] | 环境保护保部. 全国地下水污染防治规划[R]. 2011, 1-84. |
| [22] | 环境保护保部、国土资源部、水利部和住房和城乡建设部. 华北平原地下水污染防治工作方案[R]. 2013. 1-21. |
| [23] | Bruner, Brenda G. Use of geographic system technology to assess vulnerability to shallow groundw ater contamination[M]. Univ. Microfilms, Ann Arbor, M Z, U. S., 1996. |
| [24] | Squillace P J, Scott J C, Moran M J, et al. VOCs, Pesticides, nitrate, and their mixtures in groundwater used for drinking water in the united states[J]. Environmental Science & Technology, 2002, 36 (9): 62-73. |
| [25] | Worrall F, Besien T. The vulnerability of groundwater to pesticide contamination estimated directly from observations of presence or absence in wells[J]. Journal of Hydrology, 2005, 303 (1-4): 92-107. |
| [26] | Aller L, Bennett T, Lehr J H, et al. DRASTIC: a standardized system for evaluating ground water pollution potential using hydrogeologic settings[M]. U. S. Environmental Protection Agency, Ada, OK, EPA/600/2- 87-036, 1987. 445. |
| [27] | Gogu R C, Dassargues A. Current trends and future challenges in groundwater vulnerability assessment using overlay and index methods[J]. Environmental Geology, 2000, 39 (6): 549-559. |
| [28] | Nobre R C M, Filho O C R, Mansur W J, et al. Groundwater vulnerability and risk mapping using GIS, modeling and a fuzzy logic tool[J]. Journal of Contaminant Hydrology, 2007, 94 (3-4): 277-292. |
| [29] | 孙才志, 潘俊. 地下水脆弱性的概念、评价方法与研究前景[J]. 水科学进展, 1999, (4): 444-449. |
| [30] | 钟佐燊. 地下水防污性能评价方法探讨[J]. 地学前缘, 2005, 12 (S1): 3-11. |
| [31] | Foster S S D. Fundamental concepts in aquifer vulnerability, pollution risk and protection strategy[C]. TNO Hydrological Research, Delft, The Netherlands, Committee, 1987. 12-18. |
| [32] | 蔡向民, 栾英波, 郭高轩, 等. 北京平原第四系的三维地质结构[J]. 中国地质, 2009, 36 (5): 1021-1029. |
| [33] | 北京市地质矿产勘查开发局. 北京市平原区多参数立体地质调查报告[R]. 2008. |
| [34] | 林健, 王翊虹, 陈鸿汉, 等. 北京市平原区地下水环境调查报告[R]. 2006. |
| [35] | 林健, 陈忠荣, 赵薇, 等. 华北平原区地下水污染调查评价报告[R]. 2009. |
| [36] | 杨庆, 林健, 陈忠荣. 北京市地下水污染源荷载影响评价[J]. 环境监测管理与技术, 2012, 24 (4): 9-13. |