区域地下水污染综合评价研究现状与建议
摘 要: 区域地下水污染综合评价研究是一项总结区域地下水水质特征、评估地下水水质和污染状况、分析其驱动机制、研判其演化趋势的重要基础性工作,也是地下水污染防控以及水质改善的重要依据。受水文地质领域一些传统概念、观念以及技术方法的限制,在水质综合评价、污染评价、天然劣质水与污染的区分、人类活动影响等方面存在诸多问题和挑战,认知的科学性和可靠性不断受到质疑,给政府管理部门的应用和决策带来困惑。本研究通过梳理分析近年来区域地下水污染综合评价的研究现状,回顾总结了在水质综合评价、背景值、污染评价、劣质水和劣变水评估以及人类活动识别等方面存在的问题,提出了几点认识和建议:(1)“指标分类评价-组合表达”的水质及污染综合评价思路,可为解决现阶段水质及污染综合评估容易造成歧义和误导的问题提供新的方向;(2)视背景值的建立不仅能够解决传统概念背景值无法获取的问题,还能有效进行污染判定、劣质水和劣变水评估以及人类活动识别,是一项亟待全面开展的基础性工作;(3)劣质水和劣变水概念及评价思路的提出,对区分天然劣质水和污染水具有借鉴意义,在科学回答这两类水对我国地下水水质的影响、帮助决策者理解水质不安全成因等方面有重要意义,但是方法学方面需要进一步探讨;(4)对人类活动影响的识别和量化,进一步推动了对输入型污染、诱导型水质恶化以及水化学场变化所引起的各种水质问题的认识,进而对判断水质演化趋势、污染防控、分类解决水质问题具有重要的意义。
关键词: 地下水;水质评价;污染评价;视背景值;劣质水;人类活动
0 引言
地下水作为水资源的重要组成部分,在保障居民生活用水、支撑经济社会发展和生态环境平衡等方面具有重要的作用[1]。中国地质调查局开展的全国地下水污染调查评价成果显示,我国地下水存在“六高”,即高铁锰、高硬度、高硫酸盐、高TDS、高氟和高砷;“五化”,即盐化、硬化、硝化、酸化和多样化;和“三大类污染”的特征,即氮污染、重金属污染和微量有机污染,区域地下水水质引起了社会和国家管理部门的高度关注[2-3]。
区域地下水水质及污染综合评价是合理开发利用地下水资源以及制定地下水污染防治策略的重要依据。然而近年来,随着人们对地下水的不断探索和认知,地下水中越来越来越多的组分被检出[4],新修订的《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)中水质指标由39项增加至93项,新增了54项指标,其中47项为有机毒理学指标[5]。受大量新增有机指标的影响,原有的地下水水质综合研究成果受到巨大挑战。背景值作为污染评价的依据,对地下水污染判别、天然劣质水评估以及人类活动影响程度识别起到至关重要的作用[6]。然而,由于人类活动不可避免地影响着地下水水质,使得现阶段根本无法获取传统概念上的背景值,因而常用对照值进行地下水污染评价,导致当前评价结果中往往包含很多原生地质成因的天然劣质水,天然劣质水和污染水不能够有效被区分,从而夸大地下水污染程度[7]。在传统的水质评价和污染评价工作中,人类活动常常被简单地当作地下水水质恶化或者污染的原因,缺乏对其进一步的识别和量化。
囿于上述因素的制约,近年来对区域地下水污染综合评价研究所取得认识的科学性和可靠性不断受到质疑,这给政府管理部门的应用和决策带来了困扰。为此,本研究通过梳理分析区域地下水污染综合评价研究现状及存在的问题,包括水质综合评价、背景值、污染评价、劣质水和劣变水评价以及人类活动影响等,提出一些认识和建议,希望能够引起同行的关注、争论和探讨,进而推动相关工作深入展开,有效支撑地下水水质评价、污染评价以及污染防治工作。
1 区域地下水污染综合评价研究框架
区域地下水污染综合评价研究是一项总结区域地下水水质和水化学特征、评估地下水水质状况和污染状况、分析其驱动机制、研判其演化趋势的重要基础性工作。对此,梳理了相关工作的内在关系和流程,见图1。在这项工作中,背景值的确定至关重要,不仅可以用于污染判定,还能够指导劣质水和劣变水的评价以及识别人类活动对地下水水质演化的影响。劣质水和劣变水评价旨在区分天然劣质水和污染水。人类活动的识别不仅体现在识别人为污染源的输入,还在于识别无明显污染源的水质劣变问题。劣质水和劣变水评估以及人类活动影响程度识别不但能够深化对地下水污染状况的认识,而且对于深入分析地下水污染驱动机制及水质演化趋势也具有重要的意义,科学回答防和治的问题,是合理开发利用地下水资源以及污染防控的重要依据。
图1 区域地下水污染综合评价研究框架
Fig.1 Framework for the comprehensive evaluation of regional groundwater pollution
2 地下水水质综合评价研究
2.1 水质综合评价现状及存在问题
由于我国地下水水质状况引起了广泛关注,最新修订的《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)将水质指标由原来的39项增加至93项,新增了54项[5]。然而,在使用一些新增的水质综合评价指标时存在诸多不合理,例如,采用1993版国标中的指标“内梅罗指数法”评价的水质类别不符合地下水水质分布连续性的统计学特征,存在水质类别缺失和跳跃问题,因此,2017版国标将其修订为“单指标最高类别法”,即根据水质单指标分类的最高类别确定最终的水质综合评价结果,然而,近几年的实践表明,这种方法会夸大水质恶劣程度,尤其是一些对水质影响不大的感官性状指标超标时存在一票否决的现象,这使得评价结果的科学性和可靠性不断受到质疑。
考虑到国际上鲜有类似的水质综合评价,因此有关水质综合评价的废存问题备受争议。对我国来说,水质综合评价已经延续使用了20多年,存在很大的使用惯性。此外,水质综合评价也是政府部门和社会了解地下水水质最直接的方法,因此仍然备受青睐。然而,面对存在的问题,很多学者选择改进评价方法来提高评价结果的可靠性,如综合指数法、模糊综合评价法和灰色聚类法等[8-9]。采用这些改进的评价方法尽管有一定成效,但也发现存在一些普遍性问题:(1)多数仍适用于常规指标,评价结果难以全面反映地下水的综合质量,尤其是应对大量新增有机指标时不太适用;(2)评价结果会产生歧义或误导,出现夸大一般化学指标的危害,或者掩盖有毒、有机物等对人体健康危害较大的事实;(3)评价的水质类别不符合地下水水质分布连续性的统计学特征,存在水质类别缺失和跳跃的问题。由此可以看出,改进评价方法并不是解决问题的根本,只有认识水质综合评价的本质才是解决这一问题的关键。
2.2 水质综合评价存在问题的原因分析
针对地下水指标繁多、类型不一,尤其是新修订的地下水质量标准(GB 14848—2017)[5]纳入了大量有机毒理学指标的情况,从水质指标信息、评价过程和评价结果表达的全过程深入剖析了水质综合评价存在问题的本质。主要体现在:(1)不同类型指标具有不同的指示意义,如一般化学指标和毒理学指标,将其混合在一起进行评价存在问题;(2)性质危害完全不同的指标采用同种评价方法存在问题,例如,一般化学指标的V 类和毒理学指标的V 类,其对人体健康危害的差异显著,如果同等对待就会夸大一般化学指标的水质恶劣程度;(3)水质综合评价结果的表达是将n 个性质危害不同的指标最终变为1个类别等级,表达方式造成了大量信息丢失,最终引起歧义和误导。
2.3 地下水指标分类评价-组合表达的思考
为有效应对上述问题,提高水质综合评价结果的科学合理性和可靠性,通过深入思考,提出了“指标分类评价-组合表达”的思路(图2)。这一思路的关键是分类和组合表达,分类解决了不同性质和危害指标之间的差异性问题,组合表达是介于单指标评价和综合评价的折中表达方式。因此,分类评价组合表达的本质是折中,相对减少了信息丢失,简单又能较为准确地反映水质总体状况。早在2015年,《区域地下水污染调查评价规范》(DZ/T 0288—2015)针对地下水污染提出的层级阶梯评价法就充分体现了这一思想[10],首先对指标进行分类分级,而后进行阶梯评价,最后再综合集成表达。
图2 “指标分类评价-组合表达”思路
Fig.2 Framework of the “Indicator classification and evaluation-combination expression” approach
有研究基于这一思路进行了初步探讨[4],但仍有很大的提升空间,据此提出了一些原则。在指标分类评价过程中,对于一般化学指标的主要评价原则为:(1)评价方法应保证水质类别符合水质分布连续的统计学特征,不应存在水质类别缺失和跳跃的问题;(2)考虑这类指标危害性相对较小,所用方法不能随意夸大水质恶劣程度。而对于毒理学指标,考虑到其危害性较大,当评价结果中同时存在一个高风险指标和一个低风险指标时,叠加评价结果要尽可能维持就高不就低的原则,体现出高风险指标,这样就不容易掩盖其危害性。对于水质综合评价结果的表达方式,应采用联合表达的方式,减少信息过多丢失。例如以罗马数字表示一般化学指标结果,以阿拉伯数字表示毒理学指标评价结果,并将毒理学指标总健康风险以括弧表示,如Ⅲ-4(10-4)。
3 地下水背景值研究
3.1 背景值概念及研究现状
背景值是地下水污染评价的重要标尺,科学合理地确定不同地下水系统、单元的背景值,不仅能够有效进行污染判定,还能够指导劣质水和劣变水评价以及识别人类活动对地下水水质演化的影响[11]。自1975年美国人J.J.康纳率先提出“环境背景值”概念后,我国于20世纪90年代初也正式提出了“地下水环境背景值”的概念[12]。90年代中期,地下水背景值得到了快速的发展和应用,但由于概念和含义不够严格,在认识和方法上仍存在分歧[13]。对此,原国家环境保护部于2011年对地下水背景值的概念进行了明确和规范,最终指出:“地下水背景值是指自然条件下地下水中各个化学组分在未受污染情况下的含量” [14](图3)。然而,在当前社会环境下,人类活动对地下水水质演化的影响已经无法排除,这也造成了现阶段根本无法找出上述定义中所描述的严格意义上的背景值。受背景值概念的制约,有关背景值的研究在相当长一段时间内被搁置,但是不解决背景值的问题,就无法有效开展地下水污染评价[15]。对此,沈照理等[16]提出了采用对照值作为判别标准,即某一历史时期的水质参数或研究区内无明显污染来源的地下水水质参数。然而,多年实践表明,即便是对照值,也受该区域历史资料的有无和完整性、各类型指标数量、数据质量的制约。因此,只有在此基础上进一步优化改进和突破,方能从根本上解决这一问题。
图3 我国地下水背景值研究历程
Fig.3 Historical landmarks of research on natural background value for groundwater in China
针对这一问题,近年来有学者提出了“现状背景值”和“视背景值”的概念[17-19]。虽然文字表述不一致,但含义相同,即地下水在天然状态下叠加人类正常活动影响所形成的各种水化学组分特征含量、变化范围、比例关系等,它反映了地下水中各水化学要素随自然环境及人类正常活动影响条件下演化和发展的过程及特征[17-19]。视背景值概念的关键在于将人类正常活动对地下水水化学特征和水质的影响纳入背景值的范畴,而将那些对地下水水质影响异常的、突出的且不符合地下水污染防治策略以及法律法规的人类活动作为背景值范围之外的异常,即人类异常活动。
这样一来,不仅可以解决传统意义上背景值无法获取的问题,还能有效避开天然劣质水以及人类正常活动诱发形成的劣变水,从而有针对性地识别人类异常活动所造成的污染,深化了对地下水污染的认识,凸显了污染防治的意义,即对人类异常活动引起的污染采取防治措施,而对于天然劣质水和人类正常活动引起的水质劣变,从污染防控角度出发,防治难度大,意义不明显。与传统背景值不同,视背景值的确定应更加注重于:(1)必须在科学合理地划分不同水文地质单元的基础上获取;(2)充分考虑水化学组分之间的内在联系,认识地下水水化学本身和在人类正常活动影响下的演化规律及特征;(3)核查视背景值范畴之外异常值的成因,以用于污染评价。至此,得出的背景值方能够为污染判定及劣质水和劣变水评价等工作提供更加科学合理的依据。
3.2 背景值的确定及存在的问题
地下水背景值的确定是一项复杂的工作。在国际上,背景值确定方法主要有次序统计量回归模型法[20]、概率图法[21]、层次聚类分析法[22]以及预筛选法[23]等,基于这些方法得出来的结果进一步采用高百分位数计算地下水背景值。在国内,地下水背景值确定方法主要有平均值法、趋势面分析法、比拟法、剖面图法、等值线法及数理统计法等(表1)。无论哪种方法,在确定背景值之前,均先要识别与剔除地下水异常值,以排除人类异常活动的影响,获取自然条件或人类正常活动影响下地下水中各化学组分的含量。
表1 地下水背景值确定方法对比
Table 1 Method comparison for determination of natural background value for groundwater
目前,异常值识别和剔除的常用方法有模糊聚类法、多元统计法、格鲁布斯法、均值±两倍标准差迭代法以及箱型图等[24]。尽管国内、外针对背景值的确定均做了大量的研究工作,但是不管在国内还是国外,直到现在也依然没有一个规范统一的方法。除此之外,在运用现有方法确定背景值的过程中,对于异常值的识别和剔除主要以数理统计方法为主。尽管数理统计方法简单,容易操作,但纯粹的数学方法在一定程度上割裂了水化学组分的内在联系,存在对地下水水化学本身的内在演化规律及特征考虑不足的问题,因此,单纯根据各指标的异常程度得出的人类活动影响程度难以反映出真实情况。
3.3 背景值确定方法的优化理念
为解决上述问题,曾颖提出应在充分考虑天然及人为正常活动影响所形成的水化学特征基础上,再利用数理统计方法识别异常,即可有效避免纯粹数学方法割裂水化学组分内在联系的局限性,从而获取更加科学合理的背景值[17]。对此,配合我国地下水污染调查综合研究,曾颖[17]和廖磊[25]以柳江盆地为研究区,在划分水文地质单元的基础上,建立了区分主要组分、次要组分以及微量组分的水化学特征及数理统计的异常识别技术和背景值计算方法。该方法不仅能够实现传统上基于数理统计方法的异常识别,还能针对人类活动引起的水化学特征异常进行识别。
根据曾颖[17]提出的水化学图(Piper三线图、离子交换作用图以及离子比例关系图)耦合Grubbs法识别和剔除地下水异常值的方法,张小文等[26]进一步简化了该方法的应用,提出用Durov图替代水化学图进行地下水主要组分的异常识别,既保留了水化学识别异常的科学性,又大大简化了异常识别的计算过程。王磊等[27]则指出用信息筛选法替代水化学图法是适用于大尺度区域低精度条件的权宜之计。尽管这些成果在一定程度上均推进了地下水背景值的研究,但尚不能满足全面系统开展背景值建立工作的需要。因此,科学合理地开展背景值确定方法的研究,以及建立全国范围内各主要含水层系统单元的背景值是今后一项长期的重要基础工作。除此之外,背景值还是人类活动影响和水质演化趋势研究的起点,确定背景值宜早不宜晚。英国地质调查局早在1998年就完成了7个主要含水层的背景值确定工作,欧洲14 个国家也先后于2005—2007年运用不同的方法确定各国的地下水环境背景值,为全面进行地下水污染评价及人类活动识别等奠定了基础。因此,建议我国尽早全面系统地开展背景值建立这项基础性工作。
4 地下水污染识别与判定评估
4.1 污染评价现状与存在的问题
随着人类活动对地下水影响的不断加剧,地下水污染问题频发[28]。污染评价作为确定区域地下水污染程度及范围的重要手段,对地下水资源保护及污染防治起着重要的支撑作用。然而,全国地下水污染调查评价的实践表明,污染综合评价仍存在一些问题,主要体现在:(1)天然条件下的地下水水质差异巨大,“六高”特征地下水中广泛存在着天然劣质水,由于对背景值考虑不足,很大一部分劣质水被视为污染,高估了地下水污染程度及其严重性;(2)“三大类污染”特征地下水中大量的有机指标为人工组分,与天然组分性质差异显著,评价过程中未充分考虑指标的性质差异,混为一体导致评价结果产生歧义;(3)从评价目的及评价标准上来说,污染评价和水质评价没有明显的关系,然而,在很多人的观念里总将污染和水质混为一谈,认为一旦污染即会影响其功能,例如饮用。事实上,按照地下水污染的定义“凡是在人类活动影响下,地下水水质朝着恶化方向发展的现象”[16],污染水可能仍符合饮用水水质标准,而未污染水也可能已经超过了饮用水标准,这就容易引起歧义和误导。
4.2 污染综合评价的思考与探索
对于污染评价中存在的问题,《区域地下水污染调查评价规范》(DZ/T 0288—2015)中提出的“层级阶梯法”提供了良好的思路,即污染综合评价既要考虑区分天然和人为污染指标的组分信息,也要考虑不同性质指标的差异,这一思路对区分天然劣质水和污染水起到了至关重要的作用。除此之外,对于人们总是将污染和水质混为一谈的观念所带来的歧义和误导,倘若能够突破传统污染概念的束缚,将水质与污染评价有机结合,对消除这一误解可起到积极的作用。
根据上述综合思考,提出了“污染指标分类综合评价法”[29],在评价过程中将地下水指标分为天然组分和人工组分。所谓天然组分是指天然环境中存在的组分,有背景值;所谓人工组分是指天然环境中不存在,主要由人工合成的组分,背景值为零。天然组分评价主要基于背景值与水质标准的结合来划分天然高背景值和低背景值,进而判定是否为劣质指标以及参与污染评价,对于参评的低背景指标,依据指标浓度与背景值以及水质标准类别限值的关系划分污染级别。对于高背景劣质指标,暂不参评,直接划为疑似污染,这主要是由于它也可能来源于污染源的输入。人工组分主要对标目标检出限,小于目标检出限为未污染,从检出到一定范围确证其存在于地下水中视为疑似污染,超过水质标准到一定范围再依次划分为轻污染、中污染和重污染等。最后对天然组分和人工组分单指标评价结果再进行指标分类综合评价,评价结果采用联合方式进行表达(图4)。这一方法仍是提供了一些思路,对于同样受到污染的劣质指标该如何处理仍是需要探索的问题。
图4 污染指标分类综合评价思路(据文献[29])
Fig.4 Scheme for comprehensive evaluation and classification of pollution indicators.Adapted from [29].
5 劣质水和劣变水研究
5.1 劣质水和劣变水概念及意义
对于地下水中既有人为来源也有天然地质来源的污染物来说,除人为来源造成地下水污染外,天然地质因素形成的劣质水也是地下水水质较差的重要原因[3]。我国地下水“六高”特征反映出的劣质水的存在对地下水水质状况有着重要影响[30]。然而,如何科学合理地区分天然劣质水和污染水成为回答地下水水质成因的关键,这直接关系到地下水污染防控策略与治理措施的制定。
明确劣质水和劣变水的定义是区分天然劣质水和污染水的重要依据。基于水质安全类型将地下水尝试划分为4大类,包括优质水、劣质水、劣变水和污染水(图5)[15,31]。所谓优质水,是指无人为活动的显著影响,且天然地质环境下水质优良的水。劣质水是指天然地质环境条件下形成的水质不合格水。劣变水是指影响水质的物质是天然存在的,人类活动往往改变了其赋存状态,从而诱导其加速、过量进入地下水引起水质恶化,所形成的不合格水。污染水是指人类活动影响下,来源于人为污染源的物质输入到地下水中,所形成的水质不合格水。因此,劣质水、劣变水和污染水的指标存在明显差异,输入型污染所涉及的物质绝大多数是有毒有害的毒理学指标,如三氮、重金属和有机污染物等,而影响劣质、劣变地下水的物质有相当一部分是感官性状与一般化学指标,危害性较小,但也有一些毒理学指标,如高砷、高氟等。
图5 劣质水和劣变水基本特征及差异
Fig.5 Basic characteristics of groundwater quality types and corresponding pollution prevention and control measures
对于优质水,应进一步加强保护和预防。对于天然劣质水,解决水质不安全问题的措施主要在于分质供水、改水或加强给水处理等。对于劣变水,与“输入型”污染不同,由于影响水质的物质是天然存在的,人类活动往往改变了其赋存状态,从而导致其加速、过量进入地下水引起水质恶化,例如过量开采改变了地下水循环交替条件。从这个角度来说,它的防治思路也是截然不同的。“输入型”的污染水通常有特定的污染来源,从污染源防控角度出发是解决这类问题的关键。而对于“诱导型”的劣变水而言,由于没有特定污染源存在,单纯从污染源防控角度出发不能解决根本问题,而更应当从如何合理控制人类活动的强度、减缓或降低对地下水影响的角度出发。劣质水和劣变水水质的评估将为解决我国地下水供水水质不安全问题及污染防治策略的制定提供新的思路。
5.2 劣质水和劣变水评价思路
劣质水和劣变水评价是了解劣质地下水分布状况及其成因贡献的重要手段[30],评价结果的可靠性与评价方法密不可分,然而,目前针对劣质水和劣变水并没有具体的评价方法。考虑到视背景值能够反映天然和正常人类活动影响下地下水中化学组分发展变化的过程和规律[25],提出了基于地下水视背景值和《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)的劣质水和劣变水评价思路[31](图6)。
图6 劣质水和劣变水评价方法体系(据文献[31])
Fig.6 Scheme for groundwater quality evaluation.Adapted from[31].
C—地下水采样点评价指标浓度;ABV—地下水视背景值;GQS(Ⅲ)—地下水质量标准Ⅲ类限值。
根据水文地质单元划分及视背景值的确定,将以天然来源为主且视背景值高于地下水Ⅲ类水标准的指标定义为劣质指标,劣质指标主要反映天然因素所形成的高背景劣质地下水。将指标浓度高于视背景值的地下水定义为劣变水,劣变水主要反映包括水质合格水和劣质水在内的地下水,受人类活动影响进一步产生劣变的现象。在视背景值低于地下水Ⅲ类水标准的低背景区,由于不存在天然劣质水,因此将指标浓度超过Ⅲ类水标准的视为污染水,受到人为污染影响。基于视背景值的劣质水和劣变水评价不仅能够很好地识别劣质水种类、分布和范围,而且可以识别出人类正常和异常活动影响下的劣变水和污染水,揭示了水质较差的原因。这一探索工作为有效区分天然劣质水和污染水提供了一些思考,以期能够引起同行的关注和探讨,进而推动劣质水和劣变水评估工作进一步深入展开。
6 人类活动影响的识别和量化
6.1 人类活动对地下水的影响
地下水水化学是地下水环境的重要组成部分,人类活动对地下水的影响不仅表现在有毒有害污染物质的输入方面,还表现在对地下水赋存环境及水化学场的影响方面,打破天然的水化学平衡,诱导原本的优质或天然劣质地下水产生劣变,出现“水化学异常”[27,32]。人类活动作为地下水环境变化的主要驱动力,活动的强弱反映了其对地下水水化学演化过程的干扰程度,最终反映在水质演化趋势上。
然而,在传统的水质和污染评价工作中,人类活动的影响常被简单地作为水质恶化或污染的原因,很少进行量化和贡献识别[33]。即便如此,水质评价更多反映的是水质现状,不能准确反映人类活动的影响,而污染评价虽可作为人类活动影响的标尺,但是其反映的多是人类活动影响下的“输入型”有毒有害物质对地下水的影响,对于无明显污染源的人类活动对地下水的诱导却缺少考虑,如过量开采和过量补充地下水等,使得出的地下水污染评价结果难以反映出真实状况。因此,通过开展人类活动对地下水影响的识别和量化,不仅能够更全面地量化人类活动引起的各种水质问题,而且能够准确识别人类活动对输入型污染、诱导型水质恶化以及水化学场变化的贡献,进而判断水质演化趋势,这对于污染防控具有重要的现实意义。
6.2 人类活动影响地下水的方式
人类活动对地下水的影响方式包括过量开采地下水、过量补充地下水、污染地下水、陆面工程建设以及对含水层结构扰动和破坏等(图7),这些形式的活动不可避免地会对地下水水质产生影响[34]。张小文等[35]指出由于人类对地下水的不合理开采,使得地下水水位下降,原有的地下水循环途径发生变化,淋滤时间的延长破坏了系统内的水盐均衡,造成了地下水水质的变化。同样,北方各大灌区地表水的过量补充导致地下水位大幅抬升,也诱发了土壤盐渍化等水质变化问题[34]。工农业废弃物经淋滤渗入地下,不仅会使地下水中某些组分的含量增加,还可能会使地下水环境的酸碱平衡遭到破坏,进而影响地下水水化学特征[2,30]。由此可以看出,人类活动对地下水的影响不仅表现在地下水系统的物理变化方面,还表现在对天然水化学演化过程的影响文献,导致地下水水质发生变化。
图7 人类活动影响地下水的方式
Fig.7 Anthropogenic factors influencing groundwater quality
6.3 人类活动影响的识别和量化
目前,国内外对于人类活动识别和量化的研究主要有正反两种思路(图8):(1)基于各种人类活动的指标体系,例如土地利用、人口密度、地下水开采、污染源分布等,采用叠置指数法正向构建评价体系和方法,简称影响指标叠加法[36-38];(2)从人类活动对地下水水质影响的最终结果,即地下水水质本身出发,反向构建基于水化学特征异常识别和污染识别的人类活动影响量化评价方法,简称水化学法[6,39-40]。
图8 人类活动的识别和量化思路
Fig.8 Identification and quantification of anthropogenic activities impacting groundwater quality
影响指标叠加法主要是把人类活动演化过程对地下水环境的影响作为研究目标,选取与研究目标关系密切的指标,通过数理统计等方法确定各指标的权重,最终对影响指标进行综合评价[36-37]。水化学法主要是根据地下水化学指标受人类活动影响表现出的波动性和离散性特点,通过刻画所选水化学指标的变化程度来表示地下水水质受人类活动的影响程度[6]。由此可以看出,水化学法识别更多体现的是人类活动已经对地下水水质产生的各种影响,反映了人类活动影响的现状,而影响指标叠加法更多反映的是人类活动对地下水水质的潜在影响,是当前或未来可能产生的变化及其发展演化趋势。
只有准确识别和量化人类活动影响的现状,才有可能依据未来人类活动可能产生的变化,来评估未来地下水水质发展趋势。对此,基于反向识别思路进行了初步探索,提出了基于水化学异常识别来量化人类活动影响程度的研究思路(图9)[41]。在掌握水文地质条件的基础上,充分考虑各水化学指标的内在联系,利用反映水化学演化特征的水化学图和马氏距离结合的手段进行异常值的识别和剔除,以确定背景值,进而基于背景阈值进行水化学异常程度的量化分级,再叠加污染异常的量化分级,以此反映人类活动的综合影响程度。该体系对定量化研究人类活动已经对地下水水质产生的影响及其贡献进行了初步探索,然而有关人类活动影响的识别和量化工作仍待进一步深入,如正反两种思路的相互验证,以及基于地下水长期监测资料研究水质演化等。
图9 水化学方法识别人类异常活动(据文献[41])
Fig.9 A hydrochemical approach to identify anthropogenic anomalies.Adapted from [41].
7 展望
近年来区域地下水污染调查评价综合研究所取得的成果,以及《地下水管理条例》的出台在一定程度上反映了我国地下水水质状况面临的严峻形势。然而,囿于水文地质领域一些传统概念、观念,以及技术方法的限制,区域地下水污染综合评价研究在水质综合评价、污染评价、天然劣质水与污染的区分、人类活动影响识别等方面存在诸多问题和挑战,认知的科学性和可靠性不足,给政府管理部门的应用和决策带来困扰。基于当前研究现状和存在的问题,本文突破传统概念、观念以及技术方法的束缚,提出一些认识和建议,以引起同行关注和探讨,这是推动以上问题得以解决的有益尝试,对支撑未来地下水水质评价、污染评价以及污染防治工作具有重要意义。
(1)针对当前水质和污染综合评价在应对大量新增有机毒理学指标时引起的质疑,“指标分类评价-组合表达”的思路,为解决当前水质或污染评价将性质危害完全不同的指标混在一起评价所产生的问题,或采用同种评价方法对其进行评价所产生的歧义问题,以及评价结果表达方式造成大量信息丢失等问题提供了新的方向,推动地下水水质和污染综合评价进一步发展。
(2)视背景值的建立不仅解决了传统概念背景值无法获取的问题,还有效推动了污染判定、劣质水和劣变水评估,以及人类活动的识别和量化研究。但是全面系统的背景值确定方法研究,以及建立全国范围内各主要含水层系统单元的背景值仍是今后一项长期的重要基础工作。
(3)劣质水和劣变水评价不仅能够识别天然劣质水种类、分布和范围,而且可以识别出人类活动影响下进一步劣变的地下水,以及低背景具有污染特征的地下水。这为帮助决策者理解水质不安全的原因,解决中国地下水供水水质不安全问题以及污染防治策略的制定提供了新的思路。
(4)人类活动的识别和量化研究,能够更加全面地反映人类活动引起的各种水质问题,准确识别人类活动对输入型污染、诱导型水质恶化以及水化学场变化的贡献,对判断水质演化趋势及污染防控具有重要意义。
谨以此文纪念沈照理教授九十周年诞辰。
何宝南1 , 何江涛1 , * , 孙继朝2 , 王俊杰3 , 文冬光4, 荆继红2, 彭 聪1, 张昌延1
1.中国地质大学(北京)水资源与环境工程北京市重点实验室,北京 100083
2.中国地质科学院 水文地质环境地质研究所,河北 石家庄 050061
3.水利部发展研究中心,北京100038
4.中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心,河北 保定071051
