一種巖溶地下水污染風險的源徑標值評價方法

劉長禮, 王秀艷, 趙悅文, 王帥偉, 李宏釗, 邸 賀, 孫偉超

中國地質科學院水文地質環境地質研究所, 自然資源部地下水科學與工程重點實驗室, 河北石家莊 050061

我國是世界上巖溶最發育的國家之一, 裸露巖溶面積約 346×104km2, 占全球裸露巖溶面積的15.73%(盧耀如等, 2006), 主要分布在南方地區, 是世界上最大的裸露巖溶區。我國巖溶分布廣泛, 類型較多, 天然巖溶水資源總量為2 039.67×104m3/a,占全國地下水資源總量的 23.39%。我國南方的貴州、廣西、云南、湖南、湖北、四川、重慶、江西、廣東等 8省區廣泛發育分布碳酸鹽巖石地層, 面積約80萬km2(盧耀如等, 2006), 發育分布了3620個巖溶地下水系統(裴建國等, 2008), 賦存了1806×108m3/a巖溶水資源。南方巖溶地下水為 69個地級城市約5000萬城市居民及8000多萬農村人口提供了生活、生產與生態環境涵養水源(裴建國等,2008), 對社會經濟可持續發展與生態文明建設發揮著巨大的作用。但是, 隨著巖溶地區社會經濟與生態文明建設的發展, 對水資源的需求越來越高。脆弱的生態環境所形成的干旱缺水日益嚴重, 巖溶地下水污染加劇了巖溶地區水資源供需矛盾。開展巖溶斷陷盆地巖溶水污染風險評價, 提出污染風險防控技術方法, 對于高效利用巖溶地下水有十分重要意義。

但是, 由于巖溶山區的地下水具有循環和轉換(地表地下相互轉換)快、分布不均、極易受污染等特點, 既不同于一般非巖溶山區地下水, 更與第四系孔隙地下水大相徑庭, 因此, 巖溶地下水污染風險評價不能簡單套用非巖溶地下水的評價方法。對巖溶地下水污染風險評價, 國外許多學者做了不少工作, 如 Doerfliger et al.(1999)、Daly et al.(2002)、Barrocu et al.(2007)、Van Beynen et al.(2012)、Hodapanah(2017)采用 DRASTIC法或將 DRASTIC改進后形成的EPIK法、GOD法、DIV ERSITY法和“European approach”法等, 對意大利、法國、美國等國家巖溶地下水的防污性能進行評價, 并在此基礎上進行污染風險評價與區劃, 依據防污性能提出污染防控措施。

我國是世界上巖溶面積最大、巖溶地下水最豐富的國家, 巖溶地下水污染防控自然受到高度重視。郭永麗等(2013)、劉長禮等(2017)將巖溶地下水污染風險定義為“在特定區域與給定時間內某一地下水污染事件發生的概率及事件發生后所造成的危害或損失期望值”, 前者利用 DRWM 模型和DRWMLPE模型對我國北方某一典型巖溶水污染風險進行了評價, 后者則在對巖溶水的循環規律、防污性能、污染途徑和污染物遷移等特征做全面分析, 且通過觀測、實驗求取相關參數后, 計算了巖溶地下水污染概率及其造成的危害。崔亞豐等(2016)基于歐洲模式(European approach), 在對廣西地蘇地下河系流域的地下水防污性能進行評價后, 基于GIS空間疊加分析耦合防污性能與污染負荷, 實現對巖溶地下水污染風險評價。原若溪等(楊貴芳等,2012; 李蕓等, 2016; 原若溪等, 2018; 呂文凱等,2021)則將DRASTIC、GOD、DPSIR等方法用于區域性巖溶地下水脆弱性評價。

縱觀國內外研究成果, 都有一個特點, 即巖溶地下水污染風險評價理論方法與指標體系的建立,大多數都是基于地下水脆弱性評價的理論方法, 是在對巖溶地區流域范圍內大面積的脆弱性評價基礎上, 進行巖溶水污染危險性分區, 然后以此分區為依據, 提出巖溶水污染風險防控措施。這種針對區域性大范圍的地下水危險性評價與防控方法, 對第四系松散沉積物孔隙水是有效的, 但對于管道型、裂隙型或地下暗河型的巖溶地下水針對性較差, 據此提出的巖溶水源地污染風險防控效果則不會好。

巖溶水源地污染風險的“源-徑-標-值”評價與防控方法, 就是針對巖溶水的特點而首次提出的,其基本思路是, 巖溶地下水發生的概率, 可以通過研究污染源、污染途徑與地下水三者之間的關系來評估。地下水是受污目標, 污染源是地下水污染的施加者, 污染途徑則為污染源與受污目標之間的通道, 污染源通過污染途徑引起地下水污染。如果地下水與污染源之間沒有污染途徑, 則地下水污染概率為零, 反之, 則存在污染的可能性。污染可能性大小由污染源、污染途徑與地下水之間關系即污染物通過污染途徑進入地下水的可能性決定。本文提出的巖溶水源地污染風險的“源-徑-標-值”評價方法, 解決了以往巖溶水污染風險評價與防控方法針對性差、效果不好的問題; 并以云南瀘西巖溶水源地污染風險評價與防控為實例, 說明了評價過程,達到了應有效果。

1 研究方法

采用資料收集分析、實地調查、遙感解譯與現場與室內實驗相結合的研究方法。

資料收集分析: 主要收集閱讀國內外巖溶地下水污染風險評估與防控方面文獻與資料, 把握國內外研究現狀、存在的不足與發展趨勢。

實地調查: 開展中國南方貴州、云南、廣西、重慶、四川、湖南、江西、廣東等巖溶地區水文地質實地調查, 結合資料分析研究, 分析巖溶地區地形地貌、巖溶流域、巖溶發育、水循環、巖溶地下水源、污染源、污染途徑、污染防護等特點及其與人類活動的關系, 總結巖溶地下水的污染模式等。

室內實驗研究: 在全面總結我國南方巖溶地下水污染模式基礎上, 針對各類巖溶地下水源、污染源類型、污染物特征、污染途徑等, 對不同污染途徑污染物凈化能力、滲透性能與防污性能等進行現場實驗、觀測與室內試驗相結合的方法, 求取風險評價涉及到的相關參數, 建立風險評價指標體系。

現場取樣送實驗室化驗: 對整個小江流域典型的巖溶水(水庫、河流、巖溶泉、地下河)、代表性地段的土壤、污水或垃圾場等污染源進行了137個樣品采集送實驗室測試分析, 分析評價了污染源、污染途徑與巖溶水之間的關系。

巖溶水排泄口(泉或地下河出口)與補給處(河水、水庫或水塘等)之間的聯系確定則利用相關文獻(王宇, 2006)或 1:5萬水文地質調查資料(包括示蹤試驗結果)(云南地質調查院, 2006)。

遙感解譯: 主要利用云南省地質調查院提供的云南瀘西小江流域遙感解譯資料(云南地質調查院,2006), 結合實地調查, 準確把握云南瀘西小江流域地形地貌、巖溶發育分布、土地利用類型、土層分布等特征, 以及巖溶水源、城鎮、污染源和污染途徑(巖溶洼地及落水洞、豎井或塌陷坑)分布及其相互關系。

2 巖溶水源-徑-標-值(SPTV)污染風險評價方法與指標體系

2.1 源-徑-標-值(SPTV)評價思路

2.1.1 巖溶地下水污染風險定義

把巖溶水污染風險定義(劉長禮等, 2006)為:“巖溶水污染的風險(R)=在一定區域與給定的時間內, 巖溶水污染發生的概率(P)及其造成危害或損失的期望值(U)”。

巖溶水污染造成危害或損失的期望值(U)=巖溶水的價值×污染指數

2.1.2 源-徑-標-值(SPTV)評價思路

巖溶地下水發生的概率, 可以通過研究污染源、污染途徑與地下水三者之間的關系來評估。地下水污染是由于污染物經過某種環境介質運移進入地下水使水質發生劣變的過程或現象。地下水是受污目標, 污染源是地下水污染的施加者, 污染途徑則為污染源與受污目標之間的通道, 污染源通過污染途徑引起地下水污染。如果地下水與污染源之間沒有污染途徑, 則地下水污染概率為零, 反之, 則存在污染的可能性。污染可能性大小由污染源、污染途徑與地下水之間關系即污染物通過污染途徑進入地下水的可能性決定。而地下水的價值損失(期望值) 則由地下水價值大小與可能的污染程度的乘積來評估。評價思路見圖1。

圖1 巖溶地下水污染評價思路圖Fig. 1 Technical route of karst groundwater pollution assessment

2.2 基于源-徑-標-值思路的巖溶水污染風險評價方法與指標體系

2.2.1 巖溶地下水污染風險影響因素

巖溶地下水污染風險影響因素, 包括污染源、污染途徑、被污染水源等, 其相互關系如表1。

表1 巖溶地下水污染風險影響因素Table 1 Influence factors of karst groundwater pollution risk

2.2.2 巖溶水污染發生概率評估指標體系

巖溶水污染發生概率評估包括: 表層巖溶水, 地表水庫和深部巖溶水三部分污染概率評估指標體系。

(1)表層巖溶水污染的概率評估

表層巖溶水包括表層泉水、覆蓋型巖溶水(表層帶富水塊段巖溶水、飽和帶富水塊段巖溶水)。巖溶地區耕地絕大多數耕作時間在 20年以上, 由于面污染源(施用化肥、農藥等)每年都有發生, 降雨年年有, 累計起來, 污染源的作用與降雨時間都足夠長,因此對表層巖溶帶巖溶水污染概率與地形坡度關系不大, 決定于表層土的防護能力, 在一個水文年污染發生概率可按照表2及表3方法估算。

表2 表層巖溶泉水的污染概率評價指標Table 2 Evaluation indices of pollution probability of epikarst spring

通過大量野外研究與室內模擬試驗, 結合相關研究成果(王宇, 2006; 云南地質調查院, 2006; 劉長禮等, 2006, 2016, 2017; 姜建梅等, 2010; 龐雅婕等,2013), 可總結得到污染物在各類土層防護能力(用1年里運移的距離表示), 見表3。

表3 巖溶地區包氣帶土層污染防護能力與污染概率計算方法Table 3 Calculation methods of pollution probability of vadose zone to groundwater in karst area

(2)深部巖溶水水污染的概率評估

深部巖溶水包括: 巖溶地下河、伏流或運移較遠較深的巖溶大泉。

對深部巖溶水的污染可通過污染表層巖溶水后進入深部巖溶水, 也可通過產生大面積地表徑流后從天窗、豎井或漏斗等進入地下河污染巖溶水,即通過匯流集中灌入污染巖溶水。

如果降雨足夠大, 降雨浸泡耕地土層產生地表徑流, 通過匯流集中灌入方式污染巖溶水的概率幾乎為100%。

假設與深部巖溶水聯通的巖層裂隙對污水沒有凈化能力, 則面污染源在水的作用下通過污染表層巖溶水后進入深部巖溶水的概率受到表層土的防護能力影響, 概率可用表1中h/H估算。假設表層土層厚度為零, 巖層裂隙與深部巖溶水有聯通通道,則面污染源通過污染表層巖溶水后進入深部巖溶水的概率為100%。

若地表污染源與深部巖溶水之間沒有聯系通道, 深部巖溶水污染的概率為0。

(3)地表水庫污染發生概率評估

地表水庫污染發生概率則相對容易判斷。地表水庫都位于巖溶洼地或巖溶流域的下游。

①如果在水庫的匯水區域內存在耕地、村鎮、城鎮、礦山、工廠區等面源污染物, 在降雨形成的地表徑流作用下都將往低處流, 若未采取凈化措施,則進入水庫污染水庫, 即污染概率為100%。

②如果垃圾場、污水排放點、加油站等點污染源未采取防滲或堵截措施, 污染物也會在流水攜帶下進入污染水庫, 即污染概率為100%。

③如果巖溶地區水庫匯水范圍內沒有污染物,植被茂盛, 地下也無與巖溶地下水相連的途徑或相連的地下巖溶水未受污染, 則污染概率為零。

④如果水庫匯水范圍內沒有污染物, 植被茂盛,地表徑流不能污染水庫, 但水庫的地下有與巖溶地下水相連的途徑, 則水庫被污染的概率決定于進入水庫的地下巖溶水的污染概率。

2.2.3 巖溶水價值及其污染造成的風險期望值評估

(1)巖溶水價值評估

表層巖溶泉水的價值(U)=出露的泉 1年流量×飲用水的價格

表層帶富水塊段、飽水帶富水塊段、深部巖溶水等的價值(U)=水儲量或可開采量×飲用水的價格

(2)巖溶水污染造成風險期望值估算

巖溶泉水污染造成風險期望值(E)=溶泉水的價值(U)×污染指數(PI)

據此, 巖溶水污染風險由巖溶水的價值、污染發生的概率、污染源的污染物荷載或可能的污染程度等構成。巖溶水污染風險定量估算方法如下:

式(1)中,R、g、Q、P、PI分別代表巖溶水污染風險值、污染概率、巖溶地下水資源量、巖溶水價格、污染指數(姜建梅等, 2010; 劉長禮等, 2017)。污染指數PI以《地下水質量標準》(GB/T14848)中的三級水質標準為對照值, 按照下式(2)、(3)進行計算:

式(2)、(3)中,I為各單項化學組分評分值,為各單項化學組分的評分平均值,Imax為各單項化學組分評分值最大值,n為所測試的化學組分項數。

2.2.4 巖溶水污染風險評判

巖溶水污染風險評判, 主要在兩方面:

一是當污染事件發生后(即污染發生的概率為100%時)所造成的巖溶水價值損失值, 可以分為低風險、中風險、較高風險、高風險等四級(劉長禮等,2017), 風險等級劃分標準如下表4。

表4 地下水污染風險等級劃分標準Table 4 Risk classification standard of groundwater pollution

二是在完成風險構成要素估算后, 還需評判巖溶水使用者(風險承受者)對風險的接受或忍受程度,這叫巖溶水污染風險接受等級評判, 一般分為“低風險、可接受風險、不可接受風險”三個級別。風險級別除與風險值大小有關外, 更與風險承受者對風險承受能力有關, 與當地對水資源的需求程度有關。

3 以云南瀘西小江流域巖溶水源污染風險評價為例

3.1 小江流域水文地質條件

3.1.1 地理位置與地形地貌

云南瀘西小江流域在我國南方巖溶地區具有非常典型的代表性。瀘西小江流域地處滇東南高原邊緣斜坡地帶, 地理位置為東經 103°30′—104°05′,北緯 24°10′—24°45′, 總面積 1 009.28 km2, 巖溶面積占 75.2%。地勢起伏較大, 地勢東部高、西南低,最高點在東山梁子老佐墳箐, 海拔2459 m; 最低點在南盤江小河口, 海拔820 m, 高差達1639 m。縣城海拔1710 m。地處低緯度高原, 熱量的垂直分布差異明顯, 屬北亞熱帶季風氣候區(云南地質調查院, 2006)。

3.1.2 水文地質條件

(1)巖溶發育特征

小江流域內巖溶十分發育, 地表巖溶的發育在平面上總體顯示出不均一性, 其巖溶形態規模大的表現為峰叢、洼地、溶丘、臺地、巖溶槽谷、巖溶盆地、殘丘等; 規模小的表現為溶槽、溶溝、落水洞、漏斗、豎井等。漏斗、豎井、落水洞等垂向巖溶空隙一般與地下巖溶管道相通, 是地表水集中轉入地下循環的主要途徑。地下巖溶發育程度在垂向上表現為自上而下漸次減弱的特征: 上部巖溶強烈發育, 以落水洞、漏斗、豎井、大型溶隙等垂直形態和巖溶洞管為主, 中部巖溶發育強烈, 相對較均勻, 以溶隙為主要形態, 溶洞較少; 下部為巖溶弱發育帶, 溶孔及小型溶隙是其常見形態, 在盆地、槽谷中見圖2(云南地質調查院, 2006)。

圖2 瀘西小江流域垂直巖溶發育分帶圖Fig. 2 Vertical karst zoning map of Xiaojiang River Basin in Luxi

(2)巖溶水補-徑-排關系

瀘西盆地外圍巖溶中山區、盆底周邊巖溶峰叢洼地區是小江流域巖溶水系統的主要補給區。大氣降水大多沿洼地底部發育的漏斗、落水洞以集中灌入的方式直接補給巖溶地下水。地下水獲得補給后向槽谷、盆地徑流排泄, 水動力條件較好, 循環交替迅速, 上層徑流于槽谷、盆地邊緣以泉、暗河的形式出露, 下層徑流側向補給覆蓋區的巖溶含水層。巖溶水徑流路線見圖3(云南地質調查院, 2006)。

圖3 瀘西小江流域巖溶水徑流路線圖Fig. 3 Runoff route of karst water in Xiaojiang basin of Luxi

3.2 小江流域巖溶水源地污染風險的源-徑-標-值評價

包括巖溶泉水、地下暗河、飽水帶巖溶水、地表水庫等在內, 小江流域巖溶水源地有 40多個, 這里僅以白水塘水庫和皮家寨大泉為例來說明評價過程。

3.2.1 白水塘水庫和皮家寨大泉

(1)白水塘水庫

白水塘水庫位于盆底周邊巖溶峰叢洼地區, 作用是引洪蓄水灌溉兼防洪, 為一中型水庫, 也是流域內最大的水庫, 總庫容 3550萬 m3, 死庫容 200萬m3, 有效庫容約3350萬m3, 允許開采量約1.65萬 m3/d, 多年平均供水量約 600.98萬 m3。其匯水區域面積約60.2 km2, 區域內有大興安村、小興安村等共13處自然村, 其中白水塘水庫北側還坐落有一處瀘西縣中小微企業產業園, 區域內生活村鎮人口約23 000余人, 農田耕種面積約29.38 km2(圖4)。

圖4 白水塘水庫集水范圍Fig. 4 The catchment area of Baishuitang reservoir

白水塘水庫由 5個大的串珠狀巖溶洼地形成,其中最大者長軸2500 m, 短軸1400 m, 內有落水洞,與地下巖溶管道相通。

(2)皮家寨大泉

皮家寨大泉位于瀘西盆地東北邊緣皮家寨村北,補給面積115 km2, 在瀘西盆地底部山前出口(圖5)。大氣降水、地表水經洼地、漏斗底部的落水洞、豎井以集中灌入式補給地下水, 通過巖溶管道向皮家寨方向排泄, 水力坡度為14.3%, 流速為176.45 m/h,流量1 093.4～2170 L/s, 枯雨季流量變幅較小, 動態較穩態。該大泉解決了下游旱地的農灌、生產與生活用水。

圖5 瀘西皮家寨大泉補給范圍邊界Fig. 5 The catchment boundary of Pijiazhai spring

3.2.2 白水塘水庫和皮家寨大泉地下水污染風險評估

(1)污染源、污染途徑確定與污染概率估算

通過實地調查和相關資料(云南地質調查院,2006)分析, 查明了白水塘水庫、皮家寨大泉之間的相互關系, 以及它們的污染源、污染途徑等, 并按照前述方法評估了污染概率, 結果見表5。

表5 水源地的污染源、污染途徑與污染概率表Table 5 Pollution source, pollution way and pollution probability of water source

(2)巖溶水源地污染風險估算

結合瀘西1:5萬水文地質調查資料(云南地質調查院, 2006)及有關水土樣品測試結果, 按照前述式(2)和(3)計算方法, 計算得到皮家寨大泉和白水塘水庫污染概率g、巖溶地下水資源量Q、巖溶水價格P、污染指數PI如表6。

表6 巖溶水污染風險評價結果表Table 6 Risk assessment results of karst water pollution

將表 6中相應參數值帶入(1), 即R=g·Q·P·PI,計算出皮家寨大泉污染風險值R為52.94～96.60萬元/a、白水塘水庫污染風險值R為8 711.81萬元/a。換句話說, 按照目前狀況不采取任何防控措施的話,皮家寨大泉與白水塘水庫污染分別造成每年52.94～96.60萬元、8711.81萬元的經濟損失。按照表 4所示的水污染風險等級劃分標準, 皮家寨大泉污染為低風險等級, 而白水塘水庫則為高污染風險等級。

(3)巖溶水源地污染風險接受程度評判

小江流域水資源總體缺乏, 水環境脆弱, 城鎮發展、生產與生活、生態環境建設等用水需求日益增大, 水資源供需矛盾極其突出。白水塘水庫和皮家寨大泉均為瀘西縣最重要的水資源, 具有不可替代的作用。依據污染概率、污染所造成的危害或損失、水資源需求程度及水資源可替代性等綜合衡量,白水塘水庫和皮家寨大泉的污染風險均處于不可接受程度。

3.3 污染風險防控措施

針對白水塘水庫、皮家寨大泉的水文地質條件、污染源、污染途徑等具體情況, 提出污染防控措施為:

(1)白水塘水庫: 該水庫的污染主要為流域內村鎮垃圾、污水或農業肥料、農藥與放牧產生的糞便等, 在雨水徑流的作用下匯入水庫上游九里河而進入水庫造成。因此, 水庫污染防控措施, 一是要對村鎮垃圾、污水集中處理, 嚴禁水源地周圍放牧、散養牲畜等, 切斷污染源與水庫的聯系; 二是控制好上游九里河水質, 在地表徑流進入水庫處, 建設簡易濕地, 對將進入水庫的地表徑流進行濕地處理,達標后才進入水庫。

(2)皮家寨大泉: 地下水聯通示蹤試驗結果(云南地質調查院, 2006)表明, 皮家寨泉水主要來源于白水塘水庫。因此, 采取白水塘水庫的保護措施控制好上游白水塘水庫的水質, 是保證該泉水不被污染的主要措施; 同時, 進一步開展水文地質調查,落實皮家寨大泉是否還存在其他污染通道, 若發現有, 應針對性地采取措施進行處理。

4 結論與認識

(1)我國南方巖溶水不僅是 69個大中城市供水水源, 還為8000多萬農村人口供水, 但都普遍存在巖溶水污染問題, 針對巖溶水源進行水污染風險評價與防控, 將產生巨大的社會經濟效益, 意義重大。

(2)我國南方巖溶水以地下暗河、巖溶管道水、巖溶裂隙水或巖溶水庫形式存在, 與非巖溶地區的第四系孔隙水賦存形式差別很大。以往巖溶水污染風險評價方法大都是以地下水脆弱性評價方法為基礎提出, 是針對大區域大范圍的巖溶水的, 對于具體巖溶水源的污染風險評價與防控針對性較差。本文提出的巖溶地區水源地污染風險的“源-徑-標-值”評價與防控方法, 就是以巖溶水源地為目標,以分析污染源、污染途徑和污染目標(水源)之間的關系為基礎, 考慮污染造成的損失值, 結合風險承受者的承受力等進行綜合評價; 而污染防控措施則是從控制污染源、切斷污染途徑、保護污染目標(水源)等角度提出的, 針對性、可操作性等很強。

(3)云南瀘西典型巖溶水源地白水塘水庫和皮家寨巖溶大泉的污染風險評價結果表明, 評價方法可行, 評價結果可靠可信, 提出的污染防控措施針對性強, 具有較好的推廣應用前景。

Acknowledgements:

This study was supported by National Key Research and Development Program of China (No.2016YFC0502502).