基于危害性分级的地下水污染源分类识别方法

唐军，李娟*，席北斗，杨洋,3，王月，赵传军,4

1.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院，北京 100012 2.中国环境科学研究院国家环境保护地下水污染过程模拟与控制重点实验室，北京 100012 3.北京师范大学环境学院，北京 100875 4.河北农业大学城乡建设学院，河北 保定 071000

基于危害性分级的地下水污染源分类识别方法

唐军1,2，李娟1,2*，席北斗1,2，杨洋1,2,3，王月1,2，赵传军1,2,4

1.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院，北京 100012 2.中国环境科学研究院国家环境保护地下水污染过程模拟与控制重点实验室，北京 100012 3.北京师范大学环境学院，北京 100875 4.河北农业大学城乡建设学院，河北 保定 071000

地下水污染源分类识别是有序开展地下水污染防控工作的前提。以典型地下水污染源为研究对象，建立综合考虑优控污染物、污染源特征的地下水重点污染源识别指标体系，以污染源危害性评价结果作为重点污染源的判别依据。将哈斯(Hasee)图解法与综合评分法相结合，用于地下水优控污染物识别，同时引入修正的内梅罗综合污染指数法，对多组分的地下水优控污染物开展综合评价，并选择3个典型地下水污染源进行分类识别方法实地验证。结果表明：污染源S1、S2和S3的危害性等级分别为Ⅲ、Ⅲ、Ⅱ。在区域地下水污染分类防控与分级管理中，应对危害性等级较高的污染源S1和S2加以重点关注。

地下水；污染源；优控污染物；危害性评价；分类识别

地下水作为我国重要的饮用水源之一被大量开发。但受到城市液体污染物，长期堆积的固体废物，农业生产大量使用的农药和化肥，渗漏的矿淋滤液及矿石加工厂污水大量排放[1-2]等的影响，导致地下水污染日益严重。地下水一旦污染很难恢复，其治理和修复费用极为昂贵，地下水污染的后果会影响几代人的健康。

识别地下水重点污染源是有序开展地下水污染防控工作的前提。地下水污染源(污染物)种类繁多、性质复杂，对人体健康和生态环境的危害程度亦有所不同，在实际工作中，很难对进入地下水中的各种污染源(污染物)开展有效监测和控制，因此需从中识别出一些危害性较大的污染源(污染物)作为重点控制对象，即“地下水重点污染源和优控污染物”[2-4]。我国已在地下水污染源识别方面进行了一些研究：如在场地尺度方面，王晓红等[5]运用溶质运移模型反演法，结合单体碳同位素技术，辨识出典型场地污染源位置和浓度；江思珉等[6]运用卡尔曼滤波技术、模糊集合理论等，利用单一污染物浓度，反演出污染源的位置和强度，但由于未考虑其他污染源基本特征，不能综合体现污染源的危害性，仅能识别出需要重点关注的污染源。在区域尺度方面，陆燕等[7]对北京平原区地下水污染源进行了识别与危害性分级；刘博等[8]对吉林市城区浅层地下水污染源进行了识别，确定了重点污染区域或重点污染行业，但未辨识出具体的重点污染源。截至目前，识别地下水重点污染源的方法尚未形成。

识别地下水优控污染物是识别地下水重点污染源的基础。国内外学者在优控污染物识别方面做出了大量研究工作[3,9-10]：如美国较早就开展了污染物优先监测和筛选，在对有毒有害污染物进行了大量研究的基础上，以污染物毒性为依据，结合污染物的产生量、检出频率等因素进行综合评价，最终得到65类129种重点优先控制的污染物名单；欧盟依据大量监测数据，将数据计算和模型模拟的污染物暴露得分与毒性效应得分组合计算总得分，基于风险排序和专家评判最终筛选出水环境优先污染物；我国于1990年提出了符合我国国情的68种水中优先控制污染物黑名单[4]，该名单以污染物排放调查和环境监测数据为基础，结合污染物的毒性和排放量，通过专家评审的方式，并综合考虑检测技术和经济发展水平等因素而得出，其为优控污染物的控制和监测提供了依据，但该名单主要针对地表水环境。

目前已报道的地表水优控污染物识别技术包括潜在危害指数法、模糊综合评判法、综合评分法、密切值法、哈斯(Hasee)图解法等[2]，而针对地下水环境优控污染物的识别方法尚未形成。笔者基于已有的研究成果，针对地下水环境特征，建立了基于危害性分级的地下水污染源分类识别方法，以期为开展地下水资源保护和地下水污染防治的科学管理工作提供技术支撑。

1 地下水重点污染源分类识别

1.1流程

第一步，开展地下水污染源环境调查。主要进行污染源相关资料的收集与分析，对污染源特征包括优控污染物、排放源强、排放位置、污染路径、影响面积、防渗措施和存在时间等进行分析；通过地下水污染源环境调查，确定典型污染源对应的地下水污染物清单，选用哈斯图解法[11]、综合评分法[12-15]相结合识别典型污染源地下水优控污染物。第二步，根据分析结果建立地下水重点污染源识别指标体系。第三步，利用修正的内梅罗综合污染指数法、层次分析法、迭置指数法等方法，进行地下水污染源危害性评价，依据分级结果识别出地下水重点污染源。地下水重点污染源识别流程如图1所示。

图1 地下水污染源分类识别流程Fig.1 Flow chart of groundwater pollution sources dentification

1.2方法

1.2.1哈斯图解法

哈斯图解法是将污染物的危害性用向量表示为{毒性，迁移性，降解性}，指标通过实际数值或定性评价来表示[9]。其中，毒性以GB/T14848—93《地下水质量标准》[16]中各级浓度标准限值为基准，对比污染物实际浓度，划分水质标准，数值越大危害性越大；迁移性以吸附系数(Kd)作为对比标准，数值越小危害性越大；降解性以易降解、可降解和不可降解作为对比标准，其危害程度为不可降解>可降解>易降解。

假设用哈斯图解法对污染物1和2进行对比，将会出现4种可能性：1)污染物1和2各指标的数值均相等时，则污染物1和2的位置重合〔图2(a)〕；2)污染物1中各指标的数值均大于污染物2时，则污染物1和2之间由带箭头的直线相连，并由污染物1指向2〔图2(b)〕；3)污染物1各指标的数值均小于污染物2时，则污染物1和2之间由带箭头的直线相连，由污染物2指向1〔图2(c)〕；4)如果污染物1中的某个指标数值大于污染物2中的该指标数值，同时污染物2中的另一个指标数值大于污染物1中的该指标数值，则2个污染物指标间存在矛盾，在污染物1和2之间没有直线连接〔图2(d)〕[11]。

注：图中1和2表示污染物1和污染物2。图2 哈斯图解法排序示意Fig.2 Schematic diagram of ordering of Hasse graphical method

哈斯图解法可以直观反映地下水污染物的相对危害性及是否存在矛盾，正是由于矛盾污染物的存在，使得部分污染物并不能完全呈现危害性的相对大小，因此，对于存在矛盾污染物的污染源，需要将哈斯图解法与综合评分法相结合，进一步明确相应的优控污染物。

1.2.2综合评分法

综合评分法可以解决哈斯图解法中存在矛盾性的污染物的危害性。该方法基于水环境优控污染物筛选的相关研究基础[12-13]，确定污染物单项指标权重，根据其重要性和可靠性划分指标权重，重要性大、可靠性高的指标相应的权重也高。参考李沫蕊等[14]的方法对各指标的权重进行分级，通过迭置指数法进行最后评价总分的计算，污染物的分值越高，排序越靠前，危害性越大[15]。地下水优控污染物识别指标权重与评分如表1所示。

表1 典型地下水污染源优控污染物识别指标评分[14，17-20]

注：Ci为第i种污染物浓度，Ci(Ⅰ)、Ci(Ⅱ)、Ci(Ⅲ)、Ci(Ⅳ)、Ci(Ⅴ)分别为GB/T 14848—93《地下水质量标准》中第i种污染物的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级浓度限值；Kd为吸附系数；T1/2为污染物半衰期，≤20 d为易降解，20～50 d为可降解，>50 d为不可降解。

优控污染物危害性指数(A)计算公式为：

A=5×T+25×M+10×D

(1)

式中：T为毒性评分；M为迁移性评分；D为降解性评分。A数值越大，危害性越大。

根据哈斯图解法和综合评分法的结果，筛选出地下水污染源对应的优控污染物。

1.3污染源特征分析

1.3.1地下水优控污染物综合评价指数

通过引入修正的内梅罗综合污染指数法，对同一质量级别的不同污染因子加以区别对待，将优控污染物识别排序结果引入传统的内梅罗污染指数[21]，增加了计算过程中的权重因素，一方面凸显极值，另一方面可以更加科学地表现不同污染物对地下水影响的贡献量。具体步骤如下。

(1)依据GB/T14848—93中各单项污染物的评分值，将某污染物的浓度与标准限值进行对比，依据表2确定该污染物的评分值(Li)。

表2 地下水污染物质量评分

(2)污染物的特征属性[17]包括浓度、毒性、迁移性、降解性等，修正的内梅罗综合污染指数法是以地下水优控污染物识别结果为基础，在计算过程中引入各污染物的权重排序，利用L加权平均代替Liave(n种污染物评分的平均值)。L加权平均计算公式为：

(2)

式中ai为第i种污染物的权重，其值由该污染物在地下水优控污染物识别后的排序位置而定。

将各污染物的地下水危害性排序表示为li，则污染物权重的计算公式为：

(3)

(3)修正的内梅罗综合污染指数(L综)，即地下水优控污染物综合评价指数(B1)的计算公式为：

(4)

1.3.2排放源强

污染源排放源强是指单位时间内由污染源泄露点进入地质环境的废水(液)等的排放量；对于特征污染物而言，排放源强重点关注其排放浓度和质量。污染源排放源强主要受污染源类型、泄漏方式等因素的影响[22-23]，包括风险排放源强和跑、冒、滴、漏排放源强等，结合不同类别地下水污染源计算相应排放源强。

1.3.3排放位置

地下水污染源的排放位置决定着污染物进入地质环境后的运移转化路径，而排放位置与地下潜水含水层上表面之间的距离，决定了污染物垂向运移的最大污染厚度。地下水污染源的排放位置分为地表面、包气带、含水层3个位置，其对目标地下水可能造成的危害性呈递增趋势。

1.3.4污染路径

地下水的污染路径是指污染物从污染源进入到地下水中需要经过的路径。按照水力学[21]的特点，将地下水污染路径分为间歇入渗型、连续入渗型、越流及径流型三大类，间歇入渗型和连续入渗型主要污染的含水层为潜水，是研究的重点。间歇入渗型主要适用于垃圾填埋场、排土场和农业活动区；连续入渗型主要适用于受污染的地表水、渠、坑等污水的渗漏：后者的风险要大于前者。而越流及径流型污染，主要受人为开采、地质天窗和特殊通道的影响较大，地下水受到污染的风险也最高。

1.3.5影响面积

地下水污染源的影响面积依据其影响范围而定，一般通过影响面积比[19]的计算值来定量评价。影响面积比指污染源影响半径所覆盖的面积占总评价区面积的比例，污染源在评价区内所占面积越大，对地下水产生污染的风险越大。工业渣堆及农业面源的影响面积比可采用实际占用面积来计算；对于渗坑类、排污河等点、线状污染源，其影响面积比在实际调查中较难获取，可依据经验值来设定。

1.3.6防渗措施

按照地下水污染源防渗措施的可靠性，可将其分为密封、部分密封、暴露3种类型。防渗措施的密封效果越好，污染源越不容易发生泄漏，地下水受污染的风险就越小。

1.3.7存在时间

污染源存在时间的长短，对污染源可能发生的风险起着直接影响作用。例如，对工业储罐而言，单层无防腐蚀保护层的钢制储罐的平均渗漏年限约为25a[24]，10a内因腐蚀发生渗漏的概率较低，但随着时间的推移，渗漏风险急剧加大。同时，随着污染源存在时间的增长，污染源防渗措施发生泄漏的风险就会逐渐加大，地下水污染风险随之增加。

1.4识别指标体系构建

根据已有研究确定了7项地下水重点污染源识别指标[19,25-26]，分别为：反映污染物特征的浓度、毒性、迁移性和降解性的污染物综合评价指数；反映污染源特征的排放源强、排放位置、污染路径、影响面积、防渗措施及存在时间。地下水重点污染源识别指标体系如图3所示。

图3 地下水重点污染源识别指标体系Fig.3 Index system of groundwater pollution sources identification

1.5指标权重计算

各评价指标表征的是污染源输出污染的潜力。指标权重越大，说明该指标对地下水污染的风险相对越大。根据层次分析法[26]，构造9级标度判断矩阵[27]，计算评价指标权重，用于污染源危害性评价。通过专家咨询[16]，对比指标间的相对重要性，构造的判断矩阵如表3所示。

表3 指标权重判断矩阵[16]

按照层次分析法计算步骤，进行各指标权重计算，结果如表4所示。

表4 各指标权重计算结果

权重计算结果通过了一致性检验：λmax=7.26；CI=0.043；CR=0.032<0.10。

1.6确定指标评分

采用1～10分作为各指标评分的尺度。对可定量的评价指标，以数值作为评分依据；对于不易定量的评价指标，利用定性后评分的方法，进行标准量化，从而准确评价污染源的危害性。各指标评分如表5所示。

表5 各指标评分

注：B1依据GB/T 14848—93中地下水质量级别分级标准来判定；B2依据排放源强计算结果进行[19]；B3依据污染源在地质环境中所处的位置来判定[19]，对地下水污染风险：含水层>包气带>地表；B4依据污染物进入地下的路径来判定[28]，一般认为越流及径流型风险最大，间歇入渗型风险最小；B5依据污染源影响面积占评价区总面积的百分数来判定[19]，影响范围越大，危害性越大；B6依据污染源的防护方式来判定[29]，污染源各方位均有防护措施时，为密封状态，污染源下方有防护措施但其他方位未与外界隔离时，为部分密封状态，污染源不具备防护措施时，为暴露状态；B7依据污染源存在时间的长短来判定[30]，污染源存在时间越长，可能造成的环境风险越大[31]。

1.7污染源危害性分级

根据表4和表5，按照迭置指数法对地下水污染源危害性指数(B)进行计算：

B=0.22B1+0.17B2+0.16B3+0.1B4+
0.09B5+0.12B6+0.14B7

(5)

将式(2)～式(5)的计算结果采用非等间距法取值(0～10)，分成3个等级[32]：当B<4.0时，为Ⅰ级；当4.0≤B<7.0时，为Ⅱ级；当B≥7.0时，为Ⅲ级。B值越大，地下水污染源危害性越高。将Ⅲ级污染源定义为地下水重点污染源，Ⅱ级污染源定义为地下水普通污染源，Ⅰ级污染源定义为地下水一般污染源。

2 应用案例

选取北方某非正规垃圾填埋场的垃圾堆体(S1)、北方某化工厂的铬渣堆(S2)及北方某化工厂的排污渗坑(S3)为研究对象，分析地下水优控污染物与污染源危害性等级。

2.1污染源信息

S1：未做底部、侧部防渗层的设置，顶部覆盖层的防渗性能未达到卫生填埋的标准，垃圾渗滤液可直接进入包气带，污染路径为间歇入渗型。根据现场垃圾渗滤液监测报告，主要污染物有氨氮、Hg、Cr、Cd和As，其浓度分别为1810、1.57×10-3、3.8×10-2、0.5×10-3和4.44×10-2mg/L。

S2：存放量约2万t，常年露天堆放，基本无防渗措施，渣堆渗滤液直接进入包气带，污染路径为间歇入渗型。根据渗滤液监测结果，主要污染物有Cr、Pb、Zn和Cu，浓度分别为270、0.064、0.023和0.056mg/L。

S3：某化工厂搬迁后遗留的面积约25000m2的废水排放渗坑，污染路径为连续入渗型。该化工厂主要生产噻吩-2,5-二羧酸(OB酸)和碱性红。根据生产工艺，S3中可能涉及的特征污染物包括氯苯、1,4-二氯苯、1,2-二氯苯、邻苯二甲酸脂类等。根据现场坑塘监测结果，仅检出氯苯，浓度为138mg/L。

2.2优控污染物识别

2.2.1S1

依据地下水优控污染物筛选流程和污染源基本信息，确定氨氮、Hg、Cr、Cd和As为S1的主要污染物，通过哈斯图解法和综合评分法对优控污染物进行识别。

建立各污染物向量：氨氮{Ⅴ，1，易降解}(A)；Hg{Ⅲ，4，不可降解}(B)；Cr{Ⅰ，5，不可降解}(C)；Cd{Ⅰ，5，不可降解}(D)；As{Ⅲ，6，不可降解}(E)。S1特征污染物哈斯图解如图4所示。

图4 S1特征污染物哈斯图解Fig.4 Hasse graph of S1 characteristic contaminants

由图4可知，S1对应的多数特征污染物之间存在不可比的矛盾，因此，需要进一步采用综合评分法对污染物进行排序。

依据表1和式(1)进行指标评分，结果如表6所示。

表6 S1优控污染物综合评分结果

根据计算结果，选取综合评分前3位的氨氮，Hg和Cr作为S1地下水优控污染物，并用于污染源危害性评价计算。其中，氨氮是污染源S1需要重点关注的优控污染物。

2.2.2S2

依据地下水优控污染物筛选流程和污染源基本信息，确定Cr、Pb、Zn和Cu为S2的主要污染物，通过哈斯图解法对主要污染物进行排序。建立各污染物向量：Cr{Ⅴ,5,不可降解}(F)；Pb{Ⅳ,6,不可降解}(G)；Zn{Ⅰ,6,不可降解}(H)；Cu{Ⅲ,6,不可降解}(I)。S2特征污染物哈斯图解如图5所示。

图5 S2特征污染物哈斯图解
Fig.5 Hasse graph of S2 characteristic contaminants

由图5可知，选取Cr、Pb和Cu作为S2的地下水优控污染物，并用于污染源危害性评价计算。其中，重金属Cr是污染源S2需要重点关注的优控污染物。

2.2.3S3

根据生产工艺，确定S3的主要污染物有氯苯、1,4-二氯苯、1,2-二氯苯、邻苯二甲酸脂类，从现场坑塘监测资料可知，仅检出氯苯，因此，确定氯苯为S3的优控污染物，并将其用于污染源危害性评价计算。

2.3重点污染源识别

依据修正的内梅罗综合指数法进行评价，各污染源优控污染物综合评价结果如表7所示。

依据对各指标评分进行定量和定性，各污染源危害性评价指标评分结果如表8所示。

依据式(5)进行污染源危害性分级计算，结果如表9所示。由表9可知，S1、S2为重点污染源，在后续源强评价和分类防控对策的制定时需要重点加以关注。

表7 污染源优控污染物综合评价结果

表8 污染源危害性评价指标评分

表9 污染源危害性分级

3 结论

(1)建立了考虑污染源特征的地下水重点污染源识别指标体系，借助层次分析法和迭置指数法对地下水污染源危害性进行评价，以危害性评价结果作为重点污染源判别的依据，提出了识别地下水重点污染源的新方法。

(2)将哈斯图解法和综合评分法应用于地下水优控污染物的识别，为地下水优控污染物筛选提供技术方法。引入修正的内梅罗综合污染指数法对多组分的地下水优控污染物进行综合评价，在突出危害性最大的污染物同时，又综合考虑了危害性较低的污染物，从而提高了识别结果的准确性。

(3)选取北方某非正规垃圾填埋场的垃圾堆体(S1)、北方某化工厂的铬渣堆(S2)和北方某化工厂的排污渗坑(S3)作为地下水污染源的典型代表，分析地下水优控污染物与污染源危害性等级。结果表明：S1的地下水优控污染物为氨氮、Hg和Cr；S2为Cr、Pb和Cu；S3为氯苯；S1、S2和S3的污染源危害性等级分别为Ⅲ、Ⅲ和Ⅱ。说明S1和S2为地下水重点污染源，需要重点关注。

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Identificationandclassificationmethodsofgroundwaterpollutionsourcesbasedonhazardclassification

TANG Jun1,2, LI Juan1,2, XI Beidou1,2, YANG Yang1,2,3, WANG Yue1,2, ZHAO Chuanjun1,2,4

1.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012, China 2.State Environmental Protection Key Laboratory of Simulation and Control of Groundwater Pollution, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 3.School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China 4.Institute of Urban and Rural Construction, Agricultural University of Hebei Province, Baoding 071000, China

The classification and identification of groundwater pollution sources is essential for groundwater pollution prevention and control. The typical groundwater pollution sources were studied and the major groundwater pollution sources identifying index system established based on the priority control contaminants and pollution sources characteristics analysis results. The pollution sources hazards assessment results were regarded as the basis for the major groundwater pollution sources identification. The Hasse diagram method and comprehensive evaluation method were applied to identify priority control contaminants, and the revised Nemerow Pollution Index introduced to comprehensive assess the multicomponent priority control contaminants. Three typical groundwater sources were selected to verify the method. The results showed that the hazard level of S1, S2 and S3 was Ⅲ, Ⅲ and Ⅱ, respectively. Thus, in the management of regional groundwater pollution sources, more attention should be paid to the sources with high levels of hazard pollution, such as S1 and S2.

groundwater; pollution source; priority control contaminants; hazards assessment; classification and identification

唐军，李娟，席北斗,等.基于危害性分级的地下水污染源分类识别方法[J].环境工程技术学报,2017,7(6):676-683.

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2017-04-27

全国地下水基础环境状况调查评估项目(144130012110302)

唐军(1987—)，女，工程师，主要从事地下水污染防控与评价研究，tj_y88@126.com

*责任作者：李娟(1981—)，女，副研究员，博士，主要从事地下水污染防控与评价研究，lijuan@craes.org.cn

X523

1674-991X(2017)06-0676-08

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.06.093