地下水环境风险评价指标体系的探讨与应用（李绍飞,冯平,林超）

关键词:指标体系;地下水;水量;水质;海河流域

中图分类号: X824 　文献标识码: A

地下水资源具有季节性的调蓄能力、温度稳定、遭受污染程度相对较低,并且水井工程工期短、投资少、开采方便,已成为人们优先考虑的重要水源而广泛加以开发利用。20世纪80年代至今,我国北方地区由于多年干旱,地下水天然存储量减少,随着经济的发展,用水需求又增长迅速,导致超采严重。长期过量无序地开采地下水,大量消耗了地下水储量,使得静态储存量及补给条件均发生了变化,并出现地下水位下降、平原地区降落漏斗逐年扩大、地面沉降、海水倒灌等环境地质问题;同时,由于水量减少,地下水中原有的化学、物理成分以及污染物质运移和扩散速度减慢,水体的自净能力减弱,从而水质变差,导致整个地下水环境恶化。由于地下水体交换周期很长,一旦水源恶化或枯竭,对其进行恢复和治理是极其困难的,目前已引起了多方人士的关注[ 1 - 3 ] 。为了合理地开采地下水,同时尽量避免和减少各种负效应,地下水环境风险评价研究就显得十分重要。地下水环境风险评价不仅对区域地下水环境状况从整体层面上有所定量的评价,还为区域间的地下水环境质量提供了可比性,更为水资源管理部门制定合理的开发政策提供依据,是防止地下水污染、保护地下水环境,实现地下水资源可持续开发利用的重要技术措施。

进行地下水环境风险评价时,指标体系的选取十分重要。只有从动态的角度、在系统全面分析地下水环境的基础上,选取合理的指标体系、准确提取各指标的性状参数并赋予其科学的评价标准,才能使评价结果真实客观。地下水水体由水质和水量两要素构成,这两方面互为依存,共同反映了地下水环境质量及其可利用性,进行风险分析时须将二者很好地结合起来。但是由于目前水质已具有较完整的国际标准和国家标准,而水量方面,各地供需相异性较大,目前还没有统一的评价标准。因此,国内外许多学者进行区域水资源评价时大多单考虑水资源储量,或是单就水质分析,没有很好地将二者综合起来[ 4 - 5 ] ,这样的评价结果导致所得结论不全面,使得人们无法知道某一区域不同类别(不同等级、满足不同用途) 的水量到底有多少,分布在什么地方。这给水资源的规划设计、开发利用、管理与保护带来了极大的不便[ 6 ] 。为解决上述问题,本文分别对地下水资源存储量和水质评价指标体系进行深入的探讨和分析,并将其应用于海河流域地下水环境风险评价中。

1 海河流域地下水系统自然环境特征

海河流域地处温带半干旱季风气候区,多年平均降水量539mm,是我国东部沿海降水量最少的地区,地下水承担着全流域近60%的供水需求量。海河流域地下水资源可以分为两个主要水文地质单元:山区和平原区(图1) 。山区地带由于人工开采程度不高,地下水环境较好。目前,地下水环境问题最为严重、最急于恢复和加强管理的为山前地带和中东部平原浅层地下水分区。本文着重研究后者。

1. 1 水文地质条件

第四纪以来,海河流域平原区地壳处于持续下降过程中,古地理环境受第三纪构造运动的影响,地形呈波状起伏,自山前平原至现今滨海平原形成明显的分带性规律。初步形成了山前平原冲洪积相、中东部平原河湖相为主的古地理环境。到晚更新世至全新世,山前的冲洪积平原分布面积逐渐缩小,中部平原及现今滨海平原的地势低而平缓,微向渤海倾斜,形成了海河流域平原区的现代地貌特征。

平原区沉积了巨厚的第三系、第四系冲洪积物,构成复杂的多个含水层组。根据地下水埋藏特征,以水文地质要素为依据,将第四系含水岩组划分为浅层地下水系统和深层地下水系统,分布面积分别为12. 9和8. 6万km2 ,海河流域浅层地下水主要赋存于第四系含水岩层第Ⅰ含水岩组,地下水系统地界一般在40—60m。在山前平原,由于人为沟通、混合开采,浅层地下水系统实际已经延伸到120—150m。深层地下水系统在山前平原包括第Ⅲ和第Ⅳ含水岩组,中东部平原包括第Ⅱ岩组下部和第Ⅲ含水岩组。深层地下水属于承压水,与浅层地下水之间除主要冲洪积扇顶部以弱透水层相隔外,其余大部分地区以粘土相隔,与浅层地下水水力联系较差。

地下水系统的主要补给来源是大气降水入渗补给,河流沿岸和渠灌区也有相当数量的地表水补给。包气带岩性及厚度在空间上有较大的差异,按照岩性组合的类型,可分为砂类土、砂性土、粘性土三大类。近年来,地下水位大幅下降,包气带的厚度普遍增大,对地下水入渗条件产生较大影响。在天然条件下,地下水的排泄主要以泉水溢出、潜水蒸发和侧向径流为主,近20年来人工开采已成为一种新的重要排泄方式。

1. 2 地下水化学类型

地下水的化学成分是地下水与环境- 自然地理、地质背景及人类活动- 相互作用的产物。地下水化学类型大部分属于重碳酸盐类水,约占总面积的3 /4,主要分布在山区和山前平原,中东部平原的大部分地区。其次是氯化物类水,约占1 /5,主要分布在滨海平原。硫酸盐类水主要分布在重碳酸盐类水和氯化物类水之间以及遭受污染的山前平原的局部地区,所占比例不足1%。

在重碳酸盐类水中,主要是重碳酸钙型水和重碳酸钠型水,山区和山前平原均为重碳酸钙型水,而中东部平原大部分地区属重碳酸钠型水,重碳酸镁型水所占比例很小。氯化物类水中,主要是氯化物钠型水为主,约占该类水的95%。硫酸盐类水中主要为硫酸盐钠型水。

在山前冲洪积平原地区,浅层地下水直接受降水与地表水的入渗补给,水质矿化度低,水化学类型比较单一。中部冲湖积平原和滨海平原有咸水分布地区的浅层淡水,赋存于富含有机质的地层内及古河道之中,接受降水与河、渠水的补给,是咸水经过古河道带淡水长期径流和冲洪积扇前缘洼地长期接受降水、河水渗入交替的产物,水化学特征较为复杂。

2 海河流域地下水环境风险评价指标体系的构建

地下水系统环境构成因子众多(有些受到社会因素的影响) 、涵盖领域广泛、各影响因素间相互作用复杂,并且有些指标目前尚没有明确统一的评价标准,难以量化、易受人为主观因素的影响,从而使得评价指标体系过于复杂,难以操作。

本文结合海河流域地下水系统特征及近几十年的环境演变过程,遵照评价指标体系的建立原则,借鉴国内外环境质量评价综合指标体系确定方面的研究成果[ 7 - 8 ] ,分别从水质和水量两方面构建了评价指标体系。这样,既解决了指标体系庞杂紊乱,难操作的问题,又能够较全面地反映了区域地下水系统环境的整体现状和变化趋势。

水量指标体系(图1)涵概了静态存储量、补给排泄条件、含水层岩性、人为超采程度及其引起的地质环境灾害等诸多方面,描述了地下水系统在自然和社会两方面因素的影响下,地下水资源量的现状和变化趋势。地下水质指标体系(图2)包涵了反映原生水质水化学组成的理化指标、区域性特定污染元素及有机污染物质。

3 地下水环境风险的评价方法

3. 1 地下水量评价方法

地下水资源存贮量的评价属于多准则、多层次的综合评价问题,所涉及的范围广,评价因子项目繁多,并且环境质量评价本身还充满了随机性、模糊性和不确定性。因此,经典的模式和方法往往很难得到合理可信的效果[ 9 ] 。随着模糊理论的完善和发展,其已被广泛应用于环境质量评价的领域,为环境风险综合评价开辟了更科学的途径。

3. 1. 1 确定指标权重

权重是单项评价指标重要性的数量化表示,可以根据指标的重要性赋予不同的值。实际中可采用三标度分两步的层次分析法来确定评价模型中各个目标的权系数[ 10 ] ,该方法克服了传统层次分析法(AHP) 当评价因子甚多时,两两比较难以掌握标度值的缺点,更适用于这种指标繁多的地下水系统环境风险评价问题。

3. 1. 2 建立评价矩阵

设选取某区域各典型单元区域组成评价区域集:

D = ( d1 , d2 , …, dj ) (1)

式中, d为选取的典型评价单元区域, j为评价单元区域总数。各单元区域的地下水环境质量状况由以上给出的评价因素集(指标体系)来衡量,以典型评价单元区域为行向量、评价因素集为列向量建立评价矩阵。

有些指标为正向,有些为负向,须对各区域所有指标值规范化处理成同向性的评价因素集。

3. 1. 3 单因素模糊评价

分别对B1、B2、B3层指标,建立单项指标五级分级标准,取其评语集合为:

U = { Ⅰ级(μ1 ) , Ⅱ级(μ2 ) , … , Ⅴ级(μ5 ) } (2)

它们分别代表了“好,较好,一般,较差,差”等五个等级。

采用二重等差级数建立分级标准[ 11 ]的方法,计算各指标的分级标准值,具体如下:

对于B1、B2层指标: μj1 =minCji , μj5 =maxCji

μji =μj, i + 1 +〔1 + ( i - 1) ·q〕·△, i = 4, 3, 2 (3)

其中, △ = (μj5 -μj1 ) / (4 + 15q)

式中q: (0. 1) ,它的引进主要根据“宽严相济”原则[ 12 ] ,保证只有在主要指标上具有较强优势的评价地区,其评价等级才能占优。

对于B3层指标,有超采就属较差状态, μ1、μ2、μ3均取值为0, 　μj5 =maxCji根据分级标准,利用各评价单元区域的指标值,将单因素评价表达为评语集合上的模糊子集:

Rj = {0, 0, …, x, 1 - x, …, 0}

其中, x表示第L分量, 1 - x表示第L + 1分量。设zj为评价单元区域Dj的Cj指标值,要求zj正好介于μji与μj, i + 1之间, x由如下方程式确定:

μji ·x +μj, i + 1 ·(1 - x) = zj (4)

对评价单元区域Di ,按下式得出单因素评价等级:

rji =Rj ·CT j = 1, 2,…, n, i = 1, 2, …, s (5)

式中, C = (5, 4, 3, 2, 1)为评价等级矩阵; CT为C的转置矩阵。

3. 1. 4 准则层指标的综合评价

首先,分别建立准则层指标Bi的综合评价矩阵

然后,通过对指标层进行加权平均,便可按下面公式计算出准则层指标的评价等级值。

3. 1. 5 计算单元区域地下水环境风险综合评价值

最后,将准则层指标加权,就得出单元区域地下水环境风险综合评价值。

3. 2 地下水水质评价方法

3. 2. 1 单因素模糊评价

设地下水质量因素集合为U = { u1 , u2 , …, um } ,地下水质量评价集合为V = { v1 , v2 , …, vn }其中, v1 , v2 , …, vn为与ui相应的评价标准的集合,这里取评价等级为《地下水环境质量标准》( GB /T14848 - 93) 。U和V给定后,可以确定出因素论域与评语论域之间模糊关系矩阵R,其元素rij表示第i种污染物被评为第j级环境质量的可能性,即i对j的隶属程度。

3. 2. 2 指标权重的确定

为突出地下水水质成分的主要因子,这里采用指数超标法计算各因子的权重,计算公式为:

wi =Xi /Coi

式中:wi —第i个因子的权重; Xi —第i个因子的实测浓度; Coi —第i个因子各级水质标准的平均值。

然后,利用下式对权重进行归一化处理,得出权重向量A = ( ai , a2 , …, am ) 。

3. 2. 3 地下水质模糊综合评价

由于评价因子较多,为了不丢失数据信息,这里将各影响因素的评价等级加权平均来确定地下水质综合评价结果。

4 实例应用

根据海河流域地下水系统环境区域划分的研究结果,海河流域地下水系统首先可以划分为山区、山前地带和中东部平原三个大的地下水环境分区。山区地带由于人工开采程度不高,地下水环境较好。目前地下水环境问题最为严重、最急于恢复和加强管理的为山前地带和中东部平原浅层地下水分区。这里分别选取山前地带的石家庄市(代表太行山前)和唐山市(代表燕山前) 、中部平原地带的沧州市和衡水市、东部滨海地带的天津市为典型地区,进行地下水环境风险分析,这些典型地区地下水环境问题的研究,对整个流域地下水环境的恢复与管理具有重要的启示和示范意义。根据有关文献资料[ 13 - 14 ] ,各评价单元区域的指标值(表1) 。给出单元区域的地下水环境指标值后,便可按前述环境风险评价方法给出具体的风险评价结果(表2) 。

从表2的分析结果来看,在地下水资源量方面,石家庄所代表的太行山山前地带为3. 44级,是五个评价区域中储量最丰富的。该地区水文地质条件较好,含水层赋水能力强,但是浅层水超采严重( 4. 28级,属较差等级) ,需引起重视。唐山所代表的燕山山前地带为3. 96级,属较差水平。该地区含水层岩性一般,补给排泄条件较差,超采很严重。天津所代表的东部沿海平原为3. 92级,属较差水平。沧州和衡水所代表的中部平原分别为4. 28和4. 13级,该地区地下水补给条件差,且超采很严重,是几个评价地区中水资源储量最差的。

从地下水水质状况来看,石家庄地区为Ⅱ级水,水质良好,主要反应地下水水化学组分的天然背景含量,适合各种用途,是理想的供水水源。天津地区为3. 09级,大部分地区地下水环境不错,接近Ⅲ级水,以人体健康基准值为依据,适用于集中式生活饮用水源及工、农业用水,但局部近海地区水质矿化度过高,属咸水和微咸水,不能直接利用。唐山地区属3. 14级(比Ⅲ级水质稍差) ,大部分地区地下水水质尚可,但局部滨海地区矿化度较高,还有少部地区污染硝酸盐氮含量超标,受到污染。沧州和衡水所代表的中东部平原评价等级分别为3. 68和3. 64级,将接近Ⅳ级水,属接近较差状态,除用于农业和部分工业用水外,适当处理后可做生活饮用水。

综上,石家庄地区水质优良,储量较为丰富,但有局部地区浅层水超采严重,地下水总的环境状况比一般稍好些。天津及唐山地区水质尚可,水资源存储量较差,地下水总的环境状况接近较差程度,不容乐观。沧州和衡水地区地下水质劣于一般程度,存储量较差,且超采现象很严重,有关部门须引起高度重视加以改善。以上得出的评价结论与相关资料显示的内容相吻合,与实际情况基本相一致[15-16] 。

5 结论

地下水作为一种客观存在的物质资源,其水体由水量和水质两方面构成,存在状态受到自然条件和人类活动的影响。本文从动态的角度,分别构建了水量评价指标体系和水质评价指标体系,并将其与模糊数学结合起来应用到海河流域的几个典型区域——石家庄、唐山、沧州、衡水和天津(分别代表了太行山前平原、燕山山前平原、中部冲洪积平原和东部滨海平原)等地的地下水资源量和水质评价中,最后将二者结合起来,对这些典型区域的地下水环境综合状况作出了评价,计算结果表明海河流域的地下水环境状况形势比较严峻,无论是水质,还是水量均不容乐观。

在地下水环境风险综合评价中,水量和水质评价指标体系的选取和建立是非常关键的,尤其是地下水资源量评价指标体系其影响因素多且层次复杂,而本文对典型区域的评价结果与相关资料显示的各区域地下水系统实际环境情况基本吻合,这验证了海河流域地下水系统风险综合评价指标体系选取的合理性,可为其它区域的地下水环境质量综合评价提供参考。

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作者简介: 作者简介:李绍飞(1979—) ,女,黑龙江人,在读博士。

来源：《干旱区资源与环境》2007.1