地下水污染评价-第四讲

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1、 第四讲地下水污染评价 目录1 地下水环境质量评价2 地下水功能评价3 地下水脆弱性评价4 地下水环境影响评价5 地下水污染风险评价 基本概念DRASTIC模型基于GIS的污染脆弱性区划预防地下水污染的方法 3 地下水脆弱性评价与地下水保护 地下水污染的特点 隐蔽性难以逆转性治理费用巨大效率低 修复缓慢实际上 在合理的时间内 彻底治理地下水污染是根本不可能的 原因 地下水系统的复杂性 地下水污染的特点决定了以防为主 以治为辅 第一节基本概念 地下水脆弱性评价建立在 一些地区地下水的防污性能比其它地区更弱 这一基本概念之上 因此 地下水污染脆弱性显示了天然环境对地下水污染保护程度的差异 第一节基

2、本概念 地下水污染脆弱性Vulnerability定义法国水文地质学家Marjet于1960年首次提出 50余年来还没有一个普遍认可的定义Vrba和Zaporozec认为 污染脆弱性是地下水系统的本征特性 表征该系统的水质对人为和 或自然作用的脆弱性大多数学者认为 地下水污染脆弱性可定义为 污染物从主要含水层顶部以上某位置介入后 到达地下水系统的某个特定位置的倾向或可能性 第一节基本概念 影响地下水污染程度的因素 1 土壤 非饱和带各种物理 化学过程可导致污染物物理状态和化学形式的改变 从而减轻地下水污染或改变污染物特性 特别是在土壤及非饱和带中 污染物浓度比在饱和带中变幅更大 2 地下水系统

3、 包括包气带 各种地球化学过程以及污染物物理化学特性决定着污染物的衰减尺度 现场特定土壤含水层特性污染物的水文地球化学性质 第一节基本概念 决定地下水的污染脆弱性因素主要包括 地质条件水文地质条件污染物排放条件污染物物理化学性质 地下水污染Vulnerability定义的发展 大体说来 地下水脆弱性 概念的发展过程可以1987年为界分为两个发展阶段 在1987年以前 有关地下水脆弱性的概念多是从水文地质本身的内部要素 如地下水位埋深 地下水的平均流速 表层沉积物的渗透性等 这一角度来定义的 例如 Vrana于1984年这样定义地下水脆弱性 地下水脆弱性是影响污染物进入含水层的地表与地下条件的复

4、杂性 Villumsen Olmer与Rezac Vierhuff Goosens与Vandamme Klauco Friesel Johnston等其他学者也给出了类似的定义 在1987年的 土壤与地下水脆弱性国际会议 上 定义方式有了新的突破 不少学者在考虑上述因素的同时 考虑到了人类活动和污染源等外部因素的影响 例如 Foster认为地下水污染是由含水层本身的脆弱性与人类活动产生的污染负荷造成的 Bachmat与Collin Sotonikova与Vrba Vrba等其他学者也给出了类似的定义 该发展阶段的一个重要事件是美国国家科学研究委员会于1993年给予地下水脆弱性如下定义 地下水脆

5、弱性是污染物到达最上层含水层之上某特定位置的倾向性与可能性 同时 这个委员会将地下水脆弱性分为两类 一类是本质脆弱性 即不考虑人类活动和污染源而只考虑水文地质内在因素的脆弱性 另一类是特殊脆弱性 即地下水对某一特定污染源或人类活动的脆弱性 国内关于地下水脆弱性的研究开始于90年代中期 且多是研究地下水的本质脆弱性 至今尚没有明确的 地下水脆弱性 定义 其定义多引用外文资料 在叫法上常以 地下水的易污染性 污染潜力 防污性能 等来代替 地下水水脆弱性 地下水脆弱性评价方法 现行用于地下水污染脆弱性评价的方法可分为以下三种类型 1 指标叠加法 2 模型模拟法 3 统计法 从评价的对象划分 污染脆弱

6、性评价可划分为 1 含水层内在污染脆弱性评价 简称为 内在污染脆弱性评价 不考虑污染物水文地球化学特性的情况下 某地区的地质 水文 水文地质等天然条件对人为活动所产生的污染物的防污性能 2 含水层对特定污染物的污染脆弱性评价 简称为 特定污染物脆弱性评价 考虑某种特定污染物或一组污染物以及污染物和 内在脆弱性 中各要素之间关系的情况下 含水层对某种特定污染物或一组污染物的污染脆弱性 内在污染脆弱性评价 方法主要包括 DRASTIC法GOD法SEEPAGE法AVI评分系统SINTACS法ISIS法EPIK法DIVERSITY法等 第二节DRASTIC模型 模型简介DRASTIC模型是1985年由

7、美国水井协会 NWWA 和美国环境保护局 EPA 合作开发的用于地下水污染脆弱性评价的一种方法 它综合了40多位水文地质学专家的经验 该方法用于Columbia Wyoming等40个县区的地下水污染脆弱性评价 并被加拿大 南非等国家采用 由于该方法在美国获得了成功的应用并积累了丰富的经验 于1991年由Lobo Ferreira博士引入欧共体国家 作为欧共体各国地下水脆弱性评价的统一标准 我国学者在这方面做的工作相对较少 大连理工大学利用DRASTIC模型对大连市地下水污染脆弱性进行了评价 另外 中国地质大学和河海大学也相继开展了这方面的工作 DRASTIC模型的7个指标 1 地下水位埋深

8、D 2 净补给量 R 3 含水层介质 A 4 土壤带介质 S 5 地形 T 6 包气带 I 7 水力传导系数 C 模型中每个指标都分成几个区段 对于连续变量 或几种主要介质类型 对于文字描述性指标 每个区段根据其在指标内的相对重要性 赋予一个评分值 计算公式 DRASTIC提供了两组权重系列 见表1 一组适用于一般条件下的地下水污染脆弱性评价 另一组则是专门为强烈的农业活动区设计的 也称为农药DRASTIC指数 是一种 特定污染物脆弱性评价 方法 根据DRASTIC指数 我们可以对地下水污染脆弱性进行分区 一般来说 DRASTIC指数越大 地下水污染脆弱性越高 污染脆弱性等级 低脆弱性 中等脆

9、弱性 高脆弱性 极度脆弱性 Di为DRASTIC指数 Wj为因子j的权重 Rj为因子评分 表1DRASTIC及农药DRASTIC模型中各指标权重 Aller等1985 1英寸 in 25 4mm1英尺 12英寸 25 4mmX12 304 8mm 0 3048米 DRASTIC模型建立的四个主要假定前提 1 污染物从地表介入到地下 2 污染物与雨水一起进入地下水 3 污染物具有水的活性 4 评价区应为100或100英亩以上 1英亩 acre 0 4047公顷 ha 4 047 10 3km2 4047m2也就是说污染物应从地表开始 通过土壤层 包气带 最后进入含水层 如果实际情况与这些假设偏差

10、较大 那么应该对其进行更为详细的评价 如果污染物通过侧向迁移污染地下水 即从补给区向排泄区迁移 那么这种污染方式就超出了DRASTIC模型的考虑范围 DRASTIC模型指标体系 1 地下水埋深 D D决定这地表污染到达含水层之前所经历的各种水文地球化学过程 它影响污染物与包气带岩土体接触时间的长短 进而控制着污染物的各种物理化学过程 因而决定着污染物进入地下水的可能性 通常 地下水位埋深越大 地表污染物到达含水层所需时间越长 污染物在运移过程中与氧气接触的时间越长 被稀释的机会越大 污染物到达地下水的可能性越小 潜水含水层 地下水埋深为地表到达地下水水位之间的距离 它可通过水位监测孔获得 也可

11、通过资料获得 比如地下水等水位图 钻孔资料等 承压含水层 地下水埋深为承压含水层顶部 或隔水顶板 的埋深 2 净补给量 R 模型规定 R为单位面积内渗入地表到达地下水水位的水量 补给水一方面在包气带中垂向传输污染物 另一方面控制着污染物在包气带及饱和带的弥散和稀释作用 补给量越大 地下水受污染的可能性越大 但当补给量足够大以至使污染物被稀释时 地下水受污染的可能性不再增大而是减小 虽然这种现象存在 但是DRASTIC模型的指标评分体系没有反映污染物稀释这一因素 DRASTIC模型一般把年平均入渗量作为净补给量 不考虑补给事件的分布 强度和持续的时间 由于净补给量一般针对流域范围 而不针对某个省

12、或市 对某个省或市进行地下水污染脆弱性评价时 一般用某个流域范围的净补给量进行合理外推得到 因此 净补给的精度较低 净补给量 降雨量 地表径流量 蒸散量 净补给还与其它因素有关 如地表覆盖情况 地形坡度和土壤的渗透性等 必须保证所选数值的合理性 净补给量除了包括降雨入渗之外 还应考虑其他补给来源 比如灌溉 人工补给和废水利用 最精确的方法是通过建立考虑以上这些因素的水量平衡方程获得 3含水介质 A 含水层是指能够透过并给出相当数量水的岩层 含水层中的水流系统受含水层介质的影响 而污染物的运移路线以及运移路径的长度由含水层中水流所控制 运移路径的长度决定着污染物的削弱过程 如吸附 反应和弥散 含

13、水介质也影响与污染物发生相互作用的岩土体的有效比表面积大小 污染物运移的路线是由裂隙和相互连通的岩溶管道所控制的 一般情况下 含水层介质的颗粒尺寸越大或裂隙和岩溶管道越多 渗透性越大 含水层介质对污染物的削弱能力越小 评价某区域地下水污染脆弱性时 每次只能评价一个含水层 在多层含水系统中 应选择一个典型的具有代表性含水层进行评价 一旦确定了含水层 就应把该含水层中主要的 关键的含水介质作为DRASTIC模型的含水介质 比如 如果含水层为灰岩 可以选择块状或岩溶灰岩作为含水介质 评分关注的问题 松散介质含水层 颗粒大小与渗透性固结岩石含水层 裂隙与岩溶管道 对于固结岩石含水层 可根据含水层中裂隙

14、和层面的发育程度进行评分 如裂隙中等发育的变质岩或火成岩含水层介质的评分为3 但当裂隙非常发育时 为了表示含水层具有较大污染可能性 应把评分值定为5 相反 当变质岩或火成岩中裂隙发育程度很低 单位给水度很低 评分值可定为2 对于非固结含水层 可根据含水层细粒介质含量和分选情况进行评分 例如典型砂砾层的评分值为8 但当沉积层颗粒粗大并经冲刷 则评分值可赋为9 相反 当细颗粒含量增加并且分选性不好时 评分值可降到7或6 4土壤介质 S 土壤介质是指包气带最上部 生物活动较强烈的部分 模型中所涉及的土壤介质通常为地球表层风化带中距地表平均厚度2ft 0 51m 或小于2ft的土体 土壤介质强烈影响地

15、表入渗的补给量 同时也影响污染物垂直向包气带运移的能力 细粒沉积物 如淤泥和粘土 可大大降低土壤的渗透性 限制污染物向下运移 而且在土壤层中污染物可发生过滤 生物降解 吸附和挥发等一系列过程 这些过程大大削减了污染物向下迁移的量 一般情况下 土壤中粘土类型 粘土的胀缩性能以及土壤中颗粒的大小对地下水污染脆弱性有很大影响 粘土的胀缩性越小和颗粒尺寸越小 地下水污染脆弱性就越小 土壤有机质含量是影响农药削减的一个重要指标 一般情况下 表层土壤中含有有机物质 且随着深度的增加而降低 腐殖质对有机物有较大吸附和络合性能 因此在进行农药DRASTIC模型计算时应考虑这一因素 对于当某一区域的土壤介质由多

16、层土壤组成时 可以用以下几种方法选择土壤类型代表土壤介质 第一种方法是 应充分考虑剖面中各层岩性的分布情况 选择占优势的具有代表性的土壤层作为土壤介质 例如 当土壤介质的组成为 0 7cm为砂质粘土 7 62cm为粘土 62 82cm为粉质粘土时 因为粘土层厚为55cm 占土壤介质的决大部分 因此可代表土壤介质进DRASTIC模型评分 第二种方法是 选择最不利的具有较高污势脆弱性的介质进行评分 第三种方法是 选择污染脆弱性中等的介质作为评分标准 例如 有砾 砂和粘土存在时 可选择砂作为土壤介质 这种情况一般指土壤层厚度小于25cm这一规定一般针对砂而言 对于非胀缩和非团块状粘土 这一厚度可选小一些 5 地形 T DRASTIC模型中的地形是指地表的坡度或坡度的变化 地形控制着污染物是被冲走或是较长时间留在某一地表区域渗入地下 地形影响着土壤的形成与发育 因而影响着污染物的削减程度 除此之外 地形还影响地下水水位的空间展布 进而决定地下水的流向和流速 因此 地形也影响地下水的污染脆弱性 在那些污染物渗入机会较大的地形处 相应地段的地下水污染脆弱性较高 坡度百分比 为两点间的高差除于它们之