2023, Vol. 44
2. 新疆水文水资源工程技术研究中心, 乌鲁木齐 830052;
3. 新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室, 乌鲁木齐 830052;
4. 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心, 保定 071051
2. Xinjiang Hydrology and Water Resources Engineering Research Center, Urumqi 830052, China;
3. Xinjiang Key Laboratory of Water Conservancy Engineering Safety and Water Disaster Prevention, Urumqi 830052, China;
4. Center for Hydrogeology and Environmental Geology, China Geological Survey, Baoding 071051, China
地下水污染是城市化进程中普遍存在的问题[1].当地下水受到污染时, 将不可避免地影响人类的生存环境、危及人类健康和生态环境安全[2, 3].由于地下水系统的复杂性, 决定了地下水一旦受到污染将难以修复[4, 5]. 2021年10月国务院颁布了第一部国家层面的地下水专项法规《地下水管理条例》, 条例指出要根据本行政区域内地下水污染防治需要, 划定地下水污染防治重点区[6, 7].因此, 为了科学有效的防治地下水污染, 开展地下水污染风险评价具有重要现实意义.
地下水污染风险评价的概念是基于“来源-途径-目标”模型, “来源”指与源头危害相关的污染因子和污染物荷载的识别, “途径”与含水层固有的脆弱性有关, “目标”与污染事件产生的后果有关[8, 9].经过国内外学者的不断研究, 地下水污染风险评价通常由地下水污染荷载评价、地下水脆弱性评价和地下水功能价值评价这3个部分组成[10~13].地下水污染源荷载指污染源对地下水产生的影响程度, 取决于污染源的位置、类型以及污染物迁移转化规律等, 受到人类活动的影响较大, 在已有的地下水污染风险评价案例中基本都将“污染源荷载”的权重确定的最高[14~16].地下水脆弱性评价又称“地下水防污性能评价”, 指在一定的地质和水文地质条件下, 地下水天然抵御污染的能力, 体现的是自然属性, 目前国内外地下水脆弱性评价普遍使用的是1987年由美国保护署(USEPA)提出的DRASTIC模型, 如：北京市朝阳区[17]、天山北坡经济带东段[18]、上海市金山区[19]、下辽河平原[20]、宁夏卫宁平原[21]和贝宁的南部盆地[22]等都是采用DRASTIC模型或改进DRASTIC模型来评价区域地下水脆弱性的.地下水功能是指地下水质量和数量在时间和空间上的变化, 对生态环境和人类社会的影响, 地下水功能类型主要包括资源功能、生态功能和地质环境功能[23, 24].
吐鲁番盆地地处亚欧大陆腹地, 自然条件独特, 优越的光热条件和特殊的气候特征, 使这里盛产葡萄、哈密瓜等特色经济农作物, 是名副其实的“瓜果之乡”[25].同时吐鲁番盆地矿产资源丰富, 是我国重要的能源产业基地.根据最近一次(2019年)公布的《新疆水资源公报》显示, 吐鲁番市地下水供水量为6.3×108 m3, 占总供水量的49.6%, 地下水是当地水资源的重要组成[26].前人在吐鲁番地区有关地下水方面的研究多集中于地下水水化学特征[27, 28]、地下水水质评价[29, 30]和地下水资源量方面[31, 32], 少数地下水功能性及污染方面的研究, 对于地下水污染风险评价来说缺乏系统性和全面性.本文以吐鲁番南盆地平原区为研究区, 综合污染源荷载、地下水脆弱性和地下水功能价值这3个要素, 首次对研究区进行地下水污染风险评价, 评价结果对水行政部门划定地下水污染防治区具有实用意义.
1 研究区概况吐鲁番市位于新疆维吾尔自治区(新疆)的中部偏东, 属于天山南麓的山间盆地, 盆地东邻哈密市, 南与巴音郭楞蒙古自治州接壤, 北与乌鲁木齐市、昌吉回族自治州毗邻[33].吐鲁番市下辖高昌区、托克逊县和鄯善县.中部隆起的盐山和火焰山将盆地分为北盆地和南盆地两个地质单元, 呈现出“三山夹两盆”的地貌格局[34].本研究区位于南盆地, 地理坐标介于东经88°10′~90°00′, 北纬42°10′~43°00′, 总体地势四周高、中间低, 地理位置如图 1所示.研究区属大陆性暖温带荒漠气候, 年均气温13.95℃, 年降水量为16 mm, 蒸发量高达3 000 mm.
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图 1 研究区地理位置与地下水流场 Fig. 1 Geographical location and groundwater flow field of the study area |
研究区地下水类型以第四系孔隙水为主[29].第四系基底埋深一般在200~500 m, 最大为600 m, 基底埋深西部大于东部, 北部大于南部.研究区三面环山, 从山前到盆地中心艾丁湖, 地层岩性由卵砾石逐渐过渡到粗砂、中砂、细砂、粉土和黏土等(图 2).南盆地单一结构潜水含水层, 水量丰富区(单井涌水量1 000~5 000 m3 ·d-1)主要分布在喀拉乌成山东侧的阿拉沟沟谷、觉罗塔格山北侧的沟谷地区及南盆地山前冲洪积平原的大部分地区, 水量中等区(单井涌水量100~1 000 m3 ·d-1)呈片状和条带状分布于南盆地山前冲洪积平原的局部地区, 多层结构潜水-承压水区主要分布在盐山和火焰山南部的伊拉湖乡至托克逊县城一线, 并向东一直延伸到鄯善县的吐峪沟-鲁克沁-达浪坎-迪坎乡一带[35].托克逊县西部及南部山前区域以侧向补给为主, 南部平原区以火焰山北侧地下水流经构造缺口补给为主, 并以艾丁湖为中心汇集.地下水径流方向与地形坡度方向基本相同, 四周向盆地中心艾丁湖方向径流.研究区地下水排泄方式主要为潜水蒸发、人工开采和泉水排泄[36].
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改自文献[37] 图 2 水文地质剖面 Fig. 2 Hydrogeological profile |
本次评价所需的数据来源和处理方法如表 1所示.
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表 1 数据来源与处理方法 Table 1 Data sources and processing method |
为了方便因子评分和后续的加权叠加, 使用ArcGIS软件中的渔网工具将研究区划分成5 842个1 km×1 km的正方形网格, 以网格为评价单元利用空间连接工具将各因子的评分情况赋予网格.
2.2 评价方法 2.2.1 地下水污染风险评价地下水污染风险评价包括地下水污染源荷载评价、地下水脆弱性评价和地下水功能价值评价这3个部分.在考虑研究区的实际情况, 遵循全面性和独立性原则的基础上, 选取了以下具有代表性的因子[38], 如图 3所示.
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图 3 地下水污染风险评价模型框架 Fig. 3 Framework of groundwater contamination risk assessment model |
将地下水污染荷载(PI)、地下水脆弱性(DI)和地下水功能价值(VI)按如下公式叠加, 得到地下水污染风险指数RI, 公式如下：
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(1) |
式中, PI、DI和VI分别表示地下水污染源荷载指数、地下水脆弱性指数和地下水功能价值指数; RI表示地下水污染风险指数, RI值越大, 表明地下水污染风险越高.
RI、PI、DI和VI均采用自然间断分类, 分为“低”、“较低”、“中等”、“较高”和“高”这5个等级.
地下水污染源荷载评价因子采用专家打分法来确定权重.考虑到点源污染多为矿产、危险废物处理企业和垃圾填埋场等, 污染荷载高, 但整体分布面积较小.面源污染多为施用化肥的农田和居民用地等, 污染荷载相对较低, 但整体的分布面积较大.综合考虑将点源污染和面源污染的权重分别确定为0.600和0.400; 地下水脆弱性评价因子权重参考《地下水脆弱性评价技术要求》[39]中的推荐值, 将权重归一化, 结果如表 2所示; 《地下水污染防治区划分工作指南》[40]中的地下水功能价值等于地下水水质和富水性评分值的乘积, 未单独对地下水水质和富水性赋权, 本次评价与《地下水污染防治区划分工作指南》保持一致.
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表 2 各评价因子权重1) Table 2 Weights of each evaluation factor |
2.2.2 地下水污染源荷载评价
地下水污染源可分为点源污染和面源污染.点源污染包括工业污染、畜牧养殖及加油站和垃圾填埋场等潜在污染; 面源污染包括农业污染和生活污染.通过收集的调查资料来确定点源污染; 通过土地利用类型来确定旱地、农村用地、城镇用地和特殊用地等面源污染[41].地下水污染源荷载计算公式如下：
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(2) |
式中, P和NP分别表示点源污染和面源污染; r表示因子评分, w表示权重.PI表示地下水污染源荷载指数, PI值越大, 表明污染程度越高.
参考《地下水污染防治区划分工作指南》[40]将点源污染分为矿业、危险废物处理企业、加油站点、垃圾填埋场和养殖场这5类, 空间分布如图 4(a)所示.参考《土地利用现状分类》[42]将研究区土地利用类型划分为旱地、农村用地、城镇用地和特殊用地, 将4类面源污染以外的土地利用类型划分为未污染区域, 赋值0分, 空间分布如图 4(b)所示.具体的分类、评分和缓冲区半径值如表 3所示.
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图 4 点源污染与面源污染等级分区 Fig. 4 Classification of point and non-point source pollution levels |
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表 3 地下水污染源荷载分类标准1) Table 3 Classification standards of groundwater contamination source loads |
2.2.3 地下水脆弱性评价
1968年法国人Margat[43]首次提出“地下水脆弱性”这一概念.地下水脆弱性是指地下水环境对自然条件变化和人类活动影响的敏感程度, 它反映了地下水环境的自我防护能力[44].常见的地下水脆弱性评价方法有迭置指数法、模糊数学综合评价法和过程数值模拟法[45].其中DRASTIC模型是国内外广泛使用的一种地下水脆弱性评价方法, 模型由7个主要影响因素作为评价因子[46].本次采用多年平均地下水补给模数来表征净补给量这一参数, 其余参数保持不变.模型计算公式如下：
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(3) |
式中, D、R、A、S、T、I和C分别表示地下水埋深、净补给量、含水层介质类型、土壤介质类型、地形坡度、包气带介质类型和含水层渗透系数; r表示因子评分, w表示权重.DI表示地下水脆弱性指数, DI值越大, 表明地下水脆弱性越高.
参考《地下水脆弱性评价技术要求》的分类标准, 将DRASTIC模型中的地下水埋深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、包气带介质类型I和含水层渗透系数C按表 4进行分类和评分, 空间分布情况如图 5所示.
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表 4 DRASTIC模型评价因子分类标准1) Table 4 Classification standard of evaluation factors of DRASTIC model |
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图 5 DRASTIC模型各评价因子等级分区 Fig. 5 Grade division of each evaluation factor of DRASTIC model |
从水质和水量两个方面衡量地下水的功能价值.水质好的地下水使用量大, 价值较高; 水质差的地下水利用有限, 甚至无法利用, 价值较低[47].地下水水质参考《地下水质量标准》进行分类[48].地下水水量采用地下水富水性来表征.计算公式如下：
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(4) |
式中, Q和W分别表示地下水水质和地下水富水性; r表示因子评分. Ⅵ表示地下水功能价值指数, Ⅵ值越大, 表明地下水功能价值越高.
参考《地下水质量标准》[48]将研究区地下水水质分为可饮用、适当可饮用和不宜直接饮用这3类, 空间分布如图 6(a)所示; 将地下水富水性按单井涌水量大小分为>1 000、100~1 000、10~100和 < 10 m3 ·d-1这4类, 空间分布如图 6(b)所示.具体的分类和评分情况如表 5所示.
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图 6 地下水质量与富水性等级分区 Fig. 6 Classification of groundwater quality and water abundance |
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表 5 地下水功能价值分类标准1) Table 5 Classification standard of groundwater function value |
3 结果与讨论
图 7根据公式(1)~(4)加权叠加形成.“十三五”以来新疆高度重视环境保护工作, 不断推进水、土壤污染防治工作, 2016~2020年《新疆维吾尔自治区生态环境公报》显示(图 8), 废水主要污染物排放量逐年减少[49].由表 6和图 7(a)可以看出研究区地下水污染源荷载整体较低, 高污染荷载和较高污染荷载地区面积仅占研究区总面积的0.7%, 主要集中分布在托克逊县南部和高昌区的东部区域; 由表 6和图 7(b)可知研究区地下水脆弱性相对较高, 高脆弱性和较高脆弱性区域面积分别占研究区总面积的19.6%和24.1%, 主要分布在托克逊县和高昌区的中部和北部地区, 地下水脆弱性偏高的主要原因是该区域地下水埋深较小, 污染物运移距离短, 难以被稀释, 并且该区域包气带介质以粉细砂为主, 渗透性较好、吸附能力较差; 如图 7(c)和表 6可知研究区地下水功能价值整体较高, 高价值和较高价值区域面积占比分别为30.0%和40.8%, 吐鲁番市在2018~2022年新疆城市水环境质量排名中均位列第一, 并且由2019年《新疆水资源公报》显示, 吐鲁番市地下水供水量占总供水量的49.6%, 地下水是当地生产生活的重要供给, 从质量和数量上说明研究区地下水具有较高的功能价值.
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图 7 评价结果分区 Fig. 7 Evaluation result partition map |
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图 8 新疆2016~2020年废水主要污染物排放量 Fig. 8 Discharge of major wastewater pollutants in Xinjiang from 2016 to 2020 |
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表 6 评价结果统计 Table 6 Statistics of evaluation results |
由图 7(d)和表 6可以看出研究区地下水污染风险整体较低.高污染风险区和较高风险区面积占研究区总面积的15.5%, 高风险区和较高风险区主要分布在3处.第一处风险区(L1)主要位于托克逊县境内的郭勒布依乡至托克逊镇一带, 该区域在以工业生产为主的点源污染和以农业生产为主的面源污染的双重作用下, 使得污染源荷载偏高, 加之该地区地下水埋深相对较浅, 地下水天然防护能力较差, 地下水脆弱性较高, 高污染源荷载和高地下水脆弱性是该地区地下水污染风险偏高的主要原因; 第二处风险区(L2)主要位于高昌区的葡萄乡、亚尔乡和高昌街道, 该区域是吐鲁番的社会经济发展的核心区域, 高人口密度引发的生活污染, 增加了该区域的污染源荷载, 又因为该区域地下水功能价值高, 叠加作用下使得该区域地下水污染风险较高; 第三处风险区(L3)主要分布在鄯善县境内的鲁克沁镇和达浪坎乡, 高地下水功能价值和以农业活动为主的面源污染是该区域地下水污染风险偏高的主要原因, 地下水功能价值像一个放大镜来凸显地下水受到污染的后果.
4 结论(1) 研究区地下水污染风险整体偏低.低风险区、较低风险区和中风险区面积占研究区总面积的84.5%; 高风险区和较高风险区面积仅占研究区总面积的15.5%, 高风险区和较高风险区主要分布在研究区的L1、L2和L3处.
(2) L1主要分布在托克逊县境内的郭勒布依乡至托克逊镇一带, 该区域地下水污染风险偏高的主要原因是工业和农业生产活动使得地下水污染荷载偏高, 并且地下水埋深相对较浅, 天然防护能力较差.
(3) L2主要位于高昌区的葡萄乡、亚尔乡和高昌街道, 该区域是吐鲁番市社会经济发展的核心, 人口密度大、人类活动聚集增加了污染荷载, 又因为该区域的地下水水质和水量都具有很高的开采价值, 双重作用下使得地下水污染风险偏高.
(4) L3主要分布在鄯善县境内的鲁克沁镇和达浪坎乡, 高地下水功能价值和以农业活动为主的污染荷载是该区域地下水污染风险偏高的主要原因.
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