地下水污染脆弱性评价

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发表日期：2005年12月29日 有3209位读者读过此文 【字体：大中小】
地下水污染脆弱性评价((一)
地下水污染脆弱性评价
李　烨译；魏国强、冯翠娥校译
（美国地质调查局组织专家编写该报告，于2002年印刷出版。

）
一、概　述
随着整个美国对饮用水安全和生态健康需求的不断增加，政策决策者正面临着如何评价和管
理水资源的问题。

由于需要评价人为活动和天然污染源对地下水资源造成的可能污染，因此在政
策制定和目标管理过程中面临着严峻的挑战。

对地下水污染的脆弱性评价，既有费用相对较低的
简单定性法，也有成本相对较高的严格定量评价法。

必须针对水资源决策者的不同需求，认真分
析评价成本、防御措施的科学性和可能存在的不确定性等因素。

（一）背　景
1996年的饮用水安全法修正案开创了预防饮用水污染的新纪元，其中强调了水源管理的重要性。

在美国环保署（简称USEPA）提出的水资源评价计划中，要求对水资源系统进行污染脆弱性
评价（美国环保署，1997）。

保护饮用水的第一步，是要对水源进行评价，考虑到地下水资源可
能会受到某些污染，因此，在开展这项工作时，通常要与现有的水资源保护规划结合起来进行。

许多联邦、州和地方的水资源管理计划中，都考虑到了地下水的脆弱性评价问题，其中包括如何
确定可持续饮用水源，对地下水进行杀菌消毒，杀虫剂管理计划，废弃物地下填埋和“幽禁的动
物给食运作”（简称CAFO）等。

美国国家研究院在1993年发表的一篇文章中，对政府、私人和学术机构进行地下水污染的脆弱性评价时所采用的一些方法进行了总结。

根据特定的目标和可利用
的资源，评价范围包括私人水井乃至整个含水层系统，研究对象可以是针对某种污染物或某类污
染物，也可以是针对所有的污染物。

（二）本报告的目标
本报告对科学确定地下水污染的脆弱性的控制方法进行了概括，另外，还对这些方法在制定
水资源管理决策过程的优缺点进行了讨论。

USGS通常与地方、州和地区水资源管理局通过实例研究，共同对防御方法进行科学分析。

本报告通过两个假定的地下水脆弱性评价实例，来突出管理目标和科学目标的区别，并强调制定科学防御决策的重要性。

本报告认为，为了实现科学发展的目标，可以采用许多合适而且较为客观的方法。

通过这些实例，可以说明水资源决策者是如何通过成功的地下水脆弱性评价，来满足管理目标和政策目标并制定科学的防御对策。

本报告主要是为经验丰富的土地和水资源管理者、协调者和决策者（以后的章节中通称水资源决策者），以及一些科学机构（包括USGS）的管理者服务，这些科学机构主要负责研究如何确定影响地下水污染脆弱性的主要因素并对其加以控制，同时也可以作为水资源决策者了解地下水脆弱性评价的初级读本。

二、了解水文系统和相关污染物的行为：评价地下水脆弱性的必要步骤
地表以下几乎所有的地方都存在地下水。

由于可饮用的地下水广泛存在，而且地下水对特定的污染物具有一定的抵制力和自净能力，因此美国将近一半的人口以地下水为饮用水源（Alley 等，1999）。

何为科学的防御方法
科学的方法是指系统而客观地获取知识的原则和过程，包括认识问题、通过观察和实验搜集资料、归纳和检验假设等。

因此，科学方法不能只凭经验或主观判断，而是需要根据事实进行客观分析。

科学的地下水脆弱性评价必须按照科学的方法，搜集大量的文献资料、观测数据和研究方法，从而得出可靠的结论。

本报告中定义的地下水流动系统，包括地质沉积物的影响、与地表水的相互作用、抽水以及其它一些造成污染物迁移的行为。

提高对地下水流动系统的认识，有助于科学家研究控制地下水资源固有脆弱性的潜在因素。

在本报告中，地下水资源指任何含水层或含水层的一部分（包括单井或多井），不管其目前是否作为公众水源。

这样，现有的和潜在的公共供水水源就被包含在了地下水资源的范畴之内。

本报告定义的地球化学系统，是指在地下水资源中控制天然和人为污染物来源、迁移和归宿的所有物理和化学因素。

为了对地下水的脆弱性进行科学地评价，需要了解原始的水文地质情况和地球化学过程，以及对地下水资源造成影响的所有人为活动。

地下水的固有敏感性和脆弱性
地下水系统的固有敏感性取决于含水层性质（水力传导系数、孔隙度和水力梯度），以及相关的水源和压力（补给、与地表水的相互作用、在非饱和带的迁移和井排泄）。

因此，固有敏感性评价不能只针对特定的天然和人为污染源，相反，必须要考虑影响地表水和地下水流动的各种物理因素。

地下水资源对污染物的脆弱性取决于固有敏感性、天然和人为污染源的位置和类型、井的位置以及污染物的迁移转化。

水资源决策者通常面临着两种选择，究竟是根据固有敏感性来管理水资源，还是根据更全面的地下水对特定污染物的脆弱性进行管理。

美国国家研究院（1993）对地下水污染的脆弱性定义为“在含水层上部某一位置引入的污染
物到达含水层特定位置的趋势或可能性”。

美国国家研究院（1993）根据是否针对特定污染物进行评价，重新定义为针对特殊污染物的“特定脆弱性”和针对所有污染物的“固有脆弱性”。

在对不同水文地质环境的复杂性认识过程中，美国国家研究院提出的相关定义还包括“地下水系统的特定位置”和“最上部含水层”。

其它一些相关的定义则将含水层特征与含水层或供水水源对特定污染物的脆弱性分开考虑。

在这种情况下，“含水层敏感性”或“固有脆弱性”是对含水层进行评价的指标，这是含水层、上覆地层和水文地质条件的一个特征，与污染物和污染源的化学特征无关。

“含水层敏感性”的类似的定义是“固有脆弱性”（Rao和Alley，1993），它由污染源到达地下水系统指定位置的运移时间来确定。

Vowinkel等（1996）将脆弱性定义为敏感性强度，其中“强度”是污染源的度量标准。

显然，地下水脆弱性不仅仅是地下水流动系统属性（固有敏感性）的函数，而且与污染源的距离、污染物的性质以及其它能够增加特定污染物进入含水层时的负荷量的因素有关。

地下水污染的脆弱性，除了地下水固有的对污染物的敏感性外，还与天然或人为造成的污染源的位置和类型，以及污染物距离水井的相对位置和污染物的运移情况有关。

这样，水资源决策者就面临着如下抉择：是根据对固有敏感性的了解来管理水资源，还是需要进行更为全面的研究，来评价特定污染的脆弱性。

（一）地下水流动系统
为了更好地了解水的流动性，需要考虑控制地下水资源和地下水流运动的所有物理因素，因此，有必要了解地下水运动的控制机理和潜在污染物的平流运移规律。

1、地下水流动系统概述
在天然条件下，地下水在三维空间内从补给区向排泄区流动，地下水由大气降水获得补给，通过非饱和带渗入地下饱和带；地下水的补给也可以通过地表水体获得。

饱和带的地下水以泉、溪流、湖泊、湿地和植物蒸发蒸腾等形式进行排泄。

这样，地下水从补给区到排泄区的三维流动水体就组成了地下水流动系统（图1）。

地下水流动系统的面积从几平方米到上万平方米不等，地下水径流通道从几米到几百米不等。

地下水流动系统的补给区和排泄区之间具有一定的水力联系。

不同的地下水流动系统，地下水的年龄（距补给的时间）也有所不同，从补给区到排泄区地下水的年龄稳定增加。

在浅层地下水流动系统中，排泄区的地下水年龄从不足一天到几百年不等，而且补给区的地下水年龄要小于排泄区。

在流动通道较长（几十英里）的地下水系统中，地下水的年龄会达到几千年或几万年（见图1）。

埋深较浅和形成年代较晚的地下水对地表污染物较为敏感；而埋藏较深和形成年代较长的地下水则更容易在长期的流动的过程中接触某些天然存在的污染物。

对地下水流向和流速的认识，有助于更好地理解地下水系统固有敏感性的发生机理。

2、控制地下水运动的因素
几乎所有与地下水系统有关的信息，都有助于确定地下水系统对污染物的敏感性，然而，最重要的信息是与地下水的流动直接相关的信息。

含水层介质可能是松散沉积物（如砂或砾石），也可能是已固结的岩石（如花岗岩或灰岩），通常被称为基岩含水层。

在这两种情况下，地下水都是通过含水层的空隙或孔隙进行流动的，主要有两类因素控制着地下水在多孔介质中的运动，一类是决定水在多孔介质中流动，另一类是决定水沿多孔介质边界（水进入或离开地下水系统的地方）流动。

达西定律描述了地下水在多孔介质中的流动情况。

根据达西定律，地下水的流量与水力梯度和水力传导系数成正比。

水力传导系数是表示多孔介质导水能力的重要的水文地质参数，它表征了流体通过孔隙结构的难易程度。

水力传导系数越高，水越易通过孔隙介质。

水力传导系数（i）是单位水力梯度下的单位流量。

平均线速度是指地下水流经地下水流动系统孔隙的平均速度，采用达西定律和有效孔隙度来计算这一指标：
v=(K i)/n e （式1）
式中：v是平均线速度（L/T），K是水力传导系数（L/T），i是水力梯度（水头差/距离）
（无量纲），n e是有效孔隙度（无量纲）。

孔隙度是含水层中岩石和沉积物的函数。

n=V v/V t （式2）
式中，n是孔隙度，V v是孔隙体积（L3），V t是孔隙和含水层物质的总体积（L3）。

有效孔隙度是孔隙、裂隙或其它结构相互联系的函数，简单地定义如下：
n e＝V vi/V t （式3）
式中，n e是含水层的有效孔隙度（无量纲），V vi是流体运移的孔隙体积（L3），V t是孔隙和含水层物质的总体积（L3）。

水力传导系数、有效孔隙度和水力梯度是确定地下水流速和流量的主要参数。

通常根据测量井中的水位获取水头值。

考虑到水流是三维的，因此需要通过套井（nested well）获取同一含水层不同深度垂直方向上地下水的流向和流量资料。

尽管通常采用孔隙介质的流动理论来分析非固结含水层的地下水流动现象，但是也可以考虑将该理论应用于分析固结含水层中的流动现象（流体主要通过裂隙或其它通道流动），例如，含水层中裂隙的密度并非是岩石含水量的最佳指标。

目前的地球物理探测技术已经表明，高密度裂隙区与水力传导系数最高的地区之间并非有必然联系（Allen Shapiro，USGS，2001）。

裂隙的含水量取决于裂隙的水力传导系数及其与高水力传导系数裂隙之间的水力联系，以及与大孔隙介质在空间上的联系。

大多数（但并非全部）地层中的裂隙与较小的孔隙有关；另外，固结含水层中裂隙的水力性质可能会随着钻孔深度的变化而相差几个数量级。

通常只选择最有代表性的水力传导系数或孔隙度，而不考虑与其它裂隙之间的关系，会造成评价结果不太可靠。

地下水在裂隙岩中的流动
关于地下水在裂隙岩中流动的研究已经得到了很大发展，然而，这些研究技术的成本相对较高，而且在地下水敏感性评价工作中并不具有代表性。

最近发现，在地质环境相似的裂隙岩含水层中，水力性质也相似。

随着对不同裂隙含水层的不同地质结构进行模拟，可以根据取得的新成果和技术方法来评价这些复杂系统中地下水的敏感性。

将新方法与传统方法相结合，是成功评价地下水系统敏感性的关键。

其它一些确定地下水流动系统性质的因素，包括地下水的补给源（输入）以及对地下水造成威胁的因素（输出，包括抽水井）等。

地下水的外部边界，如河流和补给范围，会影响地下水的流动通道和水头（Reilly，2001），井的位置和抽水速度也会对地下水流动造成一定的影响。

因此，只有全面地评价包括输入和输出在内的水流时间和空间状况（天然和人为影响），才能准确地了解地下水流动系统。

3、污染物在地下水流动系统中的平流运移
污染物在地下水流动系统中的运移与水流通道、污染物通过的时间和经过水流通道时发生的化学作用有关。

为了准确地了解污染物平流运移（污染物运移方向与水流方向一致）情况，需要对水文地质结构进行深入了解。

地下水携带污染物通过含水层时，会受到地下水流动系统的控
制。

水力传导系数的作用表现在，地下水会优先通过水力传导系数较高的含水层，而在水力传导系数较低的含水层，运移速度缓慢。

地下水从污染源流经含水层其它部分的路径决定了污染物平流运移的方向和流速。

可以采用保守确定地下水年龄所用的环境示踪剂，确定污染物平流运移的指标。

地下水从地下水系统的补给边界（可能是地表污染源），到达系统不同部分或水井所需的时间，可以作为地下水流动系统平流迁移污染物能力的指标。

对水源地和蓄水池进行评价，有助于确定水（和潜在污染物）进入和离开地下水流动系统的位置。

地下水系统最常见的水源是大气降水，如图1所示，在补给区，降水到达水位（补给进入非承压含水层的地下水系统，包括与承压含水层露头相关的补给区），流经系统到达排泄区（图1中的河流）。

补给进入系统的位置和补给速度对水质起着极为重要的作用，因为这些地下水最终会到达供水井。

地表水水体（河流和湖泊）既是进入地下水系统的重要水源地（补给区），又是离开系统的蓄水池（排泄区）。

由于地表水也可能是补给源（潜在污染源），因此了解地表水和地下水的相互作用，对于了解完整的地下水系统具有极为重要的作用，最终可以据此确定地下水资源的固有敏感性。

有效补给区
有效补给区（图2）是指水位（或上部边界）以上进入地下水流动系统并最终进入水井的部分。

有效补给区是天然资源和由于抽水造成的流动系统之间相互作用的函数。

有效补给区可能靠近也可能远离水井（图2），抽水可能造成水流方向改变，使得天然排泄区变成补给区。

4、非饱和带
当水（和潜在污染物）从地表向地下迁移时，在补给饱和地下水流动系统之前，首先会流经非饱和带（图1），所以，水通过非饱和带时发生的物理化学作用，会影响水（和潜在污染物）的流量和流速。

非饱和带较厚的含水层（水位较低）与较薄的含水层相比，接受补给的速度相对要慢一些。

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