基于评分指数法的地下水污染风险评价——以甘肃省嘉峪关市的平原区为例*

王 潇 马宝强 汤 超 张伟涛 宋 蓉 王彩彩

(甘肃省生态环境科学设计研究院，甘肃 兰州 730000)

地下水是水资源的重要组成部分，在支撑经济社会发展和保障居民饮水安全方面发挥着巨大作用。然而，分析2017—2019年的中国生态环境状况公报发现，全国1万多个国家级地下水监测点位中超过60%的点位属于《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)的Ⅳ至Ⅴ类水，水质状况堪忧。通常地下水污染治理成本高，而且还可能会造成二次污染[1]，美国等发达国家已经从地下水污染治理战略转为地下水污染防治战略[2]。我国为应对形势严峻的地下水污染问题[3]，生态环境部等5部门于2019年3月联合印发了《全国地下水污染防治实施方案》(以下简称《方案》)，全面推进地下水污染防治工作。《方案》提出地下水污染防治的一个重要工作思路是“分区管理”，而地下水污染风险评价分区是地下水分区管理的重要基础工作和技术依据。

地下水污染风险评价主要是对地下水受人为活动污染的可能性和可能造成的损失程度进行评价[4]1141。然而，目前地下水污染风险评价方法仍然以定性为主[5-6]，缺乏定量化的评价方法。本研究在参考郭高轩等[7]、耿艺成等[8]215和文一等[9]的指标体系基础上，构建了基于地下水脆弱性、地下水污染源荷载和地下水利用价值3个方面的指标体系，并基于评分指数法[10]2761提出了地下水污染风险评价的定量化方法。

嘉峪关市位于甘肃省西北部，常年干旱少雨，地表水资源匮乏，年平均降雨量仅为85 mm，长期依赖地下水作为生活和工农业用水水源，而嘉峪关市又是工业型城市，污染源众多，加上地理环境复杂，地下水污染风险较大。为保护嘉峪关市地下水资源与环境，本研究利用建立的定量化评价方法对嘉峪关市的平原区地下水污染风险进行了评价，并按风险等级进行分区，而且评价结果得到了地下水中的硝酸盐数据的验证。

1 研究区概况

由于嘉峪关市地下水主要分布在南北两山之间的广大第四系冲洪积平原区，因此本研究的评价范围聚焦在平原区(即不包括黑山和文殊山两个基岩山区)，评价面积达930 km2。南部的北大河是区内最大的地表河流，在区内的干流长为35 km。区内出露的地层岩性由老到新主要是奥陶系板岩、火山岩(O)，白垩系黏土岩、砾岩(K)，第四系的各类岩石等，其中第四系的各类岩石在区内分布最为广泛。嘉峪关断裂(F1)贯穿中部，将研究区分成酒泉西盆地和酒泉东盆地两个水文地质单元(见图1)。F1为第四系逆断层，由于上下盘的相对运动导致地下水位在下盘(酒泉东盆地)出现明显变化，形成一个跌水陡坎。

图1 研究区地质图

区内地下水类型包括基岩裂隙水和孔隙潜水，无承压水，基岩裂隙水主要分布在黑山、文殊山一带的基岩山区，富水性较差；孔隙潜水主要分布在广大平原区，属于第四系松散岩类孔隙潜水，含水层岩性为第四系中、晚更新统砾石、砂岩，厚度为40～250 m，富水性好，是研究区内最主要的地下水类型，也是当地居民生活和工农业用水的主要水源，水位埋深在酒泉西盆地、酒泉东盆地均呈自西向东逐渐变浅趋势，主要在5～150 m之间变化，其中F1西侧附近区域和东北部的新城镇是地下水的溢出带，但由于嘉峪关市城区地下水的超采导致F1西侧的水位持续下降，已无法自然溢出地表。由于嘉峪关市干旱少雨，水资源匮乏，蒸发强烈，大气降水对地下水的补给非常有限[11]，因此研究区内地下水补给主要依赖于北大河的河道渗漏与侧向补给或通过农田灌溉水补给。

2 评价方法

2.1 地下水脆弱性评价

目前，DRASTIC模型是最普遍用于地下水脆弱性评价的评分指数法[12-16]，通过计算地下水脆弱性综合指数(见式(1))进行评价。

DI=DW×Dg+RW×Rg+AW×Ag+SW×Sg+TW×Tg+IW×Ig+CW×Cg

(1)

式中：DI为地下水脆弱性综合指数；Dg、Rg、Ag、Sg、Tg、Ig、Cg分别为地下水位埋深、地下水净补给量、含水层厚度、土壤介质类别、地形坡度、包气带介质类别和含水层渗透系数的评分，每个指标依据《地下水污染防治分区划分工作指南》(环办土壤函〔2019〕770号)(以下简称《指南》)进行评分，分值为1～10；DW、RW、AW、SW、TW、IW、CW分别为Dg、Rg、Ag、Sg、Tg、Ig、Cg的权重，依据《指南》分别赋予5、4、3、2、1、5、3。

地下水脆弱性综合指数越小，则地下水的脆弱性越低，反之，则地下水的脆弱性越高。根据《指南》，地下水脆弱性可按照表1划分为5个等级。

表1 地下水脆弱性等级划分

2.2 地下水污染源荷载评价

地下水污染源荷载评分指数法主要考虑污染源的污染物释放可能性、污染物可能释放量和污染物毒性3个方面，根据式(2)计算地下水污染源荷载综合指数。

PI=∑Ti×Li×Qi×Wi

(2)

式中：PI为地下水污染源荷载综合指数；Ti为污染源i的污染物毒性评分；Li为污染源i的污染物释放可能性评分；Qi为污染源i的污染物可能释放量评分；Wi为污染源i的荷载权重。Wi的赋值采用《指南》中的推荐值(见表2)，Ti、Li、Qi的取值参考《指南》中的方法确定。

表2 不同污染源荷载的权重

由于《指南》中的地下水污染源荷载等级划分标准对研究区内的污染源荷载评价等级整体偏低，因此本研究参考朱飞[17]在上海市地下水污染风险评价时使用的地下水污染源荷载等级划分方法，分成5个等级(见表3)。

表3 地下水污染源荷载等级划分

2.3 地下水利用价值评价

地下水利用价值由开采价值和原位价值两部分组成[18]，本研究通过评分指数法量化地下水水质[4]1143和水量[8]218来反映原位价值和开采价值，由此地下水利用价值综合指数按式(3)计算。

VI=VV×VQ

(3)

式中：VI为地下水利用价值综合指数；VV、VQ分别为地下水水量和水质的评分。根据《区域地下水污染调查评价规范》(DZ/T 0288—2015)将地下水水量划分成唯一源含水层系统、主要含水层系统、次要含水层系统和贫乏含水层系统4类，分别赋予分值为10、8、5、2；地下水水质按照GB/T 14848—2017的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类划分，分别赋予分值为10、9、8、2、1。

最后根据DZ/T 0288—2015将地下水利用价值划分为高、中、低3个等级(见表4)。

表4 地下水利用价值等级划分

2.4 地下水污染风险评价

地下水污染风险可以认为是地下水遭受污染的概率与污染造成的后果的乘积[19-21]。地下水脆弱性综合指数与地下水污染源荷载综合指数的乘积代表了地下水遭受污染的概率，地下水利用价值综合指数代表了污染造成的后果，因此地下水污染风险可通过式(4)计算[8]218。

R=DI×PI×V

(4)

式中：R为地下水污染风险。

DZ/T 0288—2015中地下水污染风险等级分为低、中、高3个等级[8]218，现在也有分为低、较低、中等、较高和高5个等级的[10]2757,[22]。为与相关行业规范保持一致，本研究采用3个等级的分法，结果基于ArcGIS平台采用等间距法将R划分为低、中、高3个等级。

3 数据与资料的获取

地下水脆弱性评价涉及的地下水位埋深通过地下水位测绳实测得到；地下水净补给量、含水层厚度、土壤介质类别、包气带介质类别和含水层渗透系数来源于甘肃省地质矿产勘查开发局水文地质工程地质勘察院的《嘉峪关市幅1∶5万水文地质调查成果报告》；地形坡度基于中国科学院计算机网络信息中心的地理空间云网站(http://www.gscloud.cn/home)获取数字高程数据(DEM)后分析得到。地下水污染源荷载评价涉及的污染源信息主要来自于第二次(2017年)全国污染源普查成果，本研究对研究区内涉及的重点污染源又进行了核实和补充调查。地下水利用价值评价涉及的水质数据利用了甘肃省生态环境科学设计研究院承担的2019年度甘肃省地下水基础环境状况调查评价项目中关于嘉峪关市的175个浅层地下水采样点的分析结果，由甘肃地质工程实验室测定，分析指标包括了GB/T 14848—2017中的39项常规指标。

4 结果与讨论

4.1 地下水脆弱性评价结果

由图2可知，嘉峪关市的平原区地下水脆弱性等级有较高、中等和较低3级，相应的分布面积分别为237、360、333 km2。地下水脆弱性较高区主要分布在东北部新城镇一带地下水位埋深较浅的地段、F1附近和北大河沿岸地表水/地下水转化活跃地段，与实际情况基本符合。东北部新城镇横沟村、长城村至泥沟村一带是地下水的溢出带，部分地段地下水埋深不到5 m，特别容易遭受人类活动的污染影响；F1属于第四系活动断裂[23-24]，北大河沿岸是地下水与地表水最为活跃的地段，因此地表污染物容易在F1附近和北大河沿岸进入到地下含水层中。

图2 地下水脆弱性评价分区

4.2 地下水污染源荷载评价结果

嘉峪关市属于工业型城市，研究区内分布的污染源类型及数量众多，本研究共调查了重点污染源77个，工业污染源、矿山开采区、垃圾填埋场、危险废物处置场、加油站、农业污染源等均有涉及。根据《指南》，工业污染源、矿山开采区、危险废物处置场、垃圾填埋场和农业污染源的缓冲区半径为1.0 km，加油站缓冲区半径为1.5 km，基于ArcGIS自然间断分类法得到不同污染源的缓冲区分布(见图3)。嘉峪关市的平原区地下水污染源荷载等级高、较高、中等、较低和低都有分布，等级中等至高的区域主要分布在嘉峪关市主城区北部的工业园区。

注：圆圈大小表示污染源缓冲区范围。

4.3 地下水利用价值评价结果

研究区内地下水属于第四系松散岩类孔隙潜水，水质状况总体为GB/T 14848—2017的Ⅲ类，地下水利用价值综合指数为8～64，因此根据地下水利用价值等级划分标准(见表4)可将研究区地下水利用价值划分为中、低两个等级，结果见图4。大部分地区的地下水利用价值等级为中，分布面积达到98.3%，只有少部分地区地下水利用价值等级为低。

图4 地下水利用价值评价分区

4.4 地下水污染风险评价结果

由图5可见，高风险区主要分布在东北部新城镇横沟村至泥沟村一带的地下水溢出带和北大河沿岸地段，分布面积为212 km2，占研究区总面积的22.8%；中风险区分布面积为393 km2，占研究区总面积的42.3%；低风险区分布面积为325 km2，占研究区总面积的34.9%。可以看到，嘉峪关市的平原区地下水污染防治压力较大，建议高风险区应作为优先防控区或优先治理区，中风险区应作为重点防控区或重点治理区，低风险区作为一般防控区或一般治理区，进行分区管理。

4.5 结果验证

由于地下水污染风险评价涉及的指标太复杂导致其结果往往与实际水文地质特征和具体污染状况不符[25]，这也是目前地下水污染风险评价方法仍然以定性为主，缺乏定量化评价方法的主要原因。

由于硝酸盐在水中的迁移性强，在全国浅层地下水中普遍存在硝酸盐污染[26]，因此这里利用研究区的地下水硝酸盐数据对地下水污染风险评价分区结果进行验证。GB/T 14848—2017的Ⅰ～Ⅲ类均可以作为集中式生活饮用水源，可以认为是低风险，Ⅳ、Ⅴ类分别可以认为中风险和高风险，因此分别以硝酸盐质量浓度为≤20、>20～30、>30 mg/L对应地下水污染低风险、中风险、高风险进行结果验证，结果见图6，与地下水污染风险评价分区(见图5)具有相似性。硝酸盐质量浓度>30 mg/L的区域与新城镇地下水污染高风险比较一致，但是北大河沿岸地下水硝酸盐含量与其地下水污染风险存在差异，这可能是因为东北部新城镇一带是研究区内主要的农业活动区，加之该区域为地下水的溢出带，地下水位埋深浅，因此其污染物主要就是硝酸盐，而北大河沿岸的主要污染物不一定是硝酸盐。

图5 地下水污染风险评价分区

图6 地下水硝酸盐质量浓度分布

本研究构建的基于评分指数法的地下水污染风险评价方法涉及地下水脆弱性、地下水污染源荷载和地下水利用价值3个方面共12个评价指标。这些指标的获取都需要大量地下水基础环境调查，获取难度大，数据存在较大不确定性。地质灾害危险性评估在建设项目及规划项目的灾害评估方面已有相关评估规范[27]，方法易操作、结果较可靠，对地下水污染风险评价具有借鉴意义，如集中式地下水水源地污染造成的价值损害评估。在今后进一步完善地下水污染风险评价方法时更应该考虑对居民饮水安全、身体健康及社会稳定的影响，应适当突出地下水水源地的功能需求。

5 总 结

(1) 基于评分指数法，结合地下水脆弱性、地下水污染源荷载和地下水利用价值评价结果，将甘肃省嘉峪关市的平原区划分出地下水污染风险低、中、高3个风险区，分布面积分别为325、393、212 km2，高风险区主要分布在东北部新城镇横沟村至泥沟村一带的地下水溢出带和北大河沿岸地段。

(2) 基于评分指数法的地下水污染风险评价属于固定模型，但由于不同地区水文地质条件和污染状况存在差异，因此会存在评价结果与实际有偏差的情况，所以一般需要对结果进行验证。而且由于地下水污染风险会随着水文地质条件的改变(如地下水位埋深、水质等变化)或地下水污染防治措施的完善而变化，因此评价结果只可为中短期地下水污染防治提供技术依据。本研究用地下水硝酸盐数据对地下水污染风险评价分区结果进行验证有效。

(3) 地下水污染风险评价是地下水污染防治的重要依据，但是目前相关评价指标及方法还不完善。评分指数法涉及的水文地质基础数据多，评价过程难度大，而且有些指标还是难以准确定量，因此评价方法还有待进一步优化或改进。