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污染场地的基本概念
对于污染场地污染防治工作来讲,污染场地的基本概念是必不可少的工作基础,是科学理论与管理方法重要的结合点,更是相关管理制度、标准体系制定、公共宣传教育的根本前提。无论是政府管理部门、土地使用权人、造成场地污染的责任人、社会公众还是相关利益责任方,其对污染场地基本概念的正确理解,都有助于对污染场地的管理。
国外污染场地的定义
美国对污染场地的定义
美国法律中“污染场地”的概念,最早源于1980年第96次美国国会通过颁布的《综合环境反应、赔偿与责任法》(编号:公共法96-510)。在当时版本的Section101(9)中,对于“设施”(facility)给出了法律定义,定义的一部分“因堆积、储存、处理、处置或其他方式(如迁移)承载了危害物质的任何区域或空间”被美国环保署引申成为了“污染场地”(Contaminated Site)的概念,在该法中再没有对“污染场地”进行单独的定义。自此之后,直到该法律2002年修订,“污染场地”的定义仍然没有以法律条文的形式出现。但是在《超级基金法框架下的场地调查技术指南》等一系列由美国环保署制定的技术类文件中,均采取上述方式对“污染场地”进行了定义。
“棕地”(BrownfieldSite)一词第一次正式使用,是在1992年6月28日美国东北与中西部国会联盟听证会上。同年,俄亥俄州凯霍加县提出了提一份关于棕地详细政策的分析报告。翌年9月,美国环保署将凯霍加县作为其第一个棕地试点项目,对棕地的支持援助工作也逐渐成为了美国环保署的工作内容。
2002年1月11日,乔治布什总统签署了《小规模企业责任减轻和棕地振兴法》,对《综合环境反应、赔偿与责任法》进行了修改。《小规模企业责任减轻和棕地振兴法》在Section211(a)中对“棕地”给出了明确的定义:一般是指房地产开发、扩建、再开发或再利用过程中存在或可能存在有害物质、污染物、致污物的土地。需要强调的是,考虑到与《固体废物处置法》、《联邦水污染控制法》等其他相关法律的衔接,该条文在定义“棕地”的过程中,还包含非常详细而复杂的排除、附加条件。修订后的《综合环境反应、赔偿与责任法》在Section101中的(39)也加入了该定义。
由于污染场地管理开展的时间比较早,美国环保署对“污染场地”进行了相关的解释和分类,例如超级基金场地、棕地、RCRA场地、地下储罐场地等。但要注意的是,这种解释不等同于法律条文,而只是根据美国当前相关法律的要求和管理的需要所做出的。(Types of Contaminated Sites, https://www.epa.gov/
Enforcement/types-contaminated-sites)
英国对污染场地的定义
英国在法律条文中对“污染地块”(ContaminatedLand)进行了定义,同时,各种政府文件或报告中均使用“污染场地”这一名词。英国于1990年颁布了《环境保护法1990》,5年后英国国会通过的《环境法1995》对其进行了修订补充,在Section78A(2)部分中对“污染场地”进行了明确定义:“位于场地地上或地下的物质引起(1)土地明显的损害或可能产生明显的损害;(2)或对受控制下的水资源造成或可能造成损害。”在Section78A(4)、(5)等又分别对“损害”、“显著”等词语的具体含义给出了解释和判断依据。
英国主管环境保护的环境、食品及农村事务部于2008年发布了《污染土地法律定义导则》(Guidance on the Legal Definition of Contaminated Land),专门用来指导《环境保护法》IIA中“污染地块”定义的运用。在关于“污染地块”法律定义如何而来的时候,该导则的解释是:“由于土地污染的复杂性,任何一种定义都不可避免的会出现问题。有三种方式可以定义污染地块:1)无论污染物含量如何,只要存在于土壤中就认为是污染地块;2)土壤中的污染物高于一定的浓度;3)污染物具有一定的风险。由于《环境保护法》IIA关注的重点是问题地块,尽量避免触及非必要的无问题地块,所以基于两个原因将前两种定义方式排除掉:一是英国大部分污染物含量较低的土壤环境风险可以忽略;二是污染物含量并非良好的风险指示标准,风险高低受污染物所处位置的影响非常大。”
为了便于操作,《环境保护法1990》2A部分中还规定部门国务大臣应颁布相关导则,具体指导地方政府对污染场地进行判断等工作。例如2012年4月,英国环境、食品和农村事务部根据该法律78YA的相关规定,出台了《污染土地法定导则》(Contaminated Land Statutory Guidance),对地方政府如何执行政策进行了解释和指导。英国通过一系列法定导则,对污染地块的定义和判断进行补充和完善,并指导地方政府在污染场地环境管理中的具体工作。但是环境部门很少使用“棕地”这一术语。“棕地”在英国通常指的是曾经开发过的土地,在2012年英国社区和地方发展部出台的一项文件中,“棕地”与“曾开发土地”交替使用。英国环境相关的法律条文中没有“棕地”的定义。
加拿大对污染场地的定义
根据加拿大政府接受的定义,“污染场地”(Contaminated Site)指的是:场地上某物质的浓度(1)超过背景值并对人体健康或环境造成或可能造成短期或长期危害,或(2)超过特定政策规定的标准。加拿大政府从2005年开始实施的《联邦污染场地行动计划》(Federal Contaminated Site Action Plan)将该定义作为场地能否得纳入资金支持的判断条件之一。
加拿大标准协会(CSA)对污染场地的定义为:“因危害物质存在与土壤、水体(包括地下水)、空气等环境介质中,可能对人类健康或自然环境(如土壤、水体、土地、建筑物)产生负面影响的区域”。
其他国家
澳大利亚及新西兰环境保护委员会(ANZECC)关于“污染场地”的定义为:“危险物质的浓度高于背景值的场地,且环境评价显示其已经或可能对人类健康或环境造成即时的或长期的危害”。
荷兰在其《土壤保护法》中定义为:“已被有害物质污染或可能被污染、并对人类、植物或动物的功能属性已经或正在产生影响的场地”。
西班牙定义为:“因人为活动产生的有毒有害物质污染,使土壤的功能失去平衡的区域”。
比利时在《土壤修复法令》中对污染场地作出的定义是:“因人类的活动产生的污染物质赋存于土壤环境,并对土壤环境质量造成直接或间接的负面影响,或可能产生潜在负面影响的区域”。
由此可以看出,在各国的相关法律中出现“污染场地”(contaminated site)、“污染地块”(contaminated land)、“棕地”(brownfield)等名词用来表述污染场地的概念。从字面上看,不同国家“污染场地”的差异体现在所包含的空间或区域的范围以及环境介质。例如,地块的含义是未被海洋或其他水体覆盖的陆地,通常是二维空间上的概念;场地除了陆地以外,还包括附着在空间上的任何东西,也就是三维空间上的概念。字面上的差异并不影响对其环境管理所采取的原则,针对各国的“污染场地”,风险管理的策略还是普遍接受的。
虽然欧美各国对于污染场地定义的表述各有不同,但都直接或间接包含了两层含义:其一是污染场地指一个特定的空间或区域,具体包括土壤、地下水、地表水等;其二是特定的空间或区域已被有害物质污染,并已对空间或区域内的人类或自然环境产生了负面影响或者存在潜在的负面影响。不管如何表述,污染场地的概念都是为了更好的环境管理提供服务的。
污染地块特性
土壤特性
土壤是历史自然体,是位于地球陆地表面和浅水域底部的具有生命力、生产力的疏松而不均匀的聚积层,是地球系统的组成部分和调控环境质量的中心要素。土壤是一个由固相、液相和气相组成的多孔多相分散体系。土壤剖面分为四个层次:表层一沉积层一母质层岩石层。土壤原生矿物为风化过程中未改变化学组成的原始成岩矿物。土壤粗粒部分主要由原生矿物组成:长石类、辉石、角闪石、云母类、方解石、白云石、石英、赤铁矿、褐铁矿、金红石、鳞灰石。详见我国及国外主要的土粒分级标准。
国际制
1912年瑞典土壤学家阿特伯(Atterberg)提出了土粒分级标准,1930年在第二届国际土壤学会上被采纳为国际土粒分级的基础,并制定了土壤质地分类国际制,以等边三角形所示,其要点为:
(1)以黏粒含量为主要标准,<15%为砂土和壤土质地组;15%~25%为黏壤土质地组;>25%为黏土质地组;(2)当土壤含粉(砂)粒达45%以上时,在各组质地的名称前均冠以“粉(砂)质”字样;(3)当土壤砂粒含量在55%~85%时,则冠以“砂质”字样;如85%~90%时,则称为壤质砂土,其中砂粒达90%以上者称砂土。
美国制
1951年美国农业部(USDA)根据土壤在农田中的持水保肥、通气透水特点,将土壤质地划分为4组1 2级,美国制的质地分类标准亦用等边三角形(下图)所示。等边三角形的三个顶
点分别代表100%的砂粒(0.05~2 mm)、粉粒(0.002~0.05 mm)及黏粒(<0.002 mm)。其中4组分别为砂土组、壤土组、黏壤土组和黏土组。同时针对土壤剖面研究,根据土壤粒径、矿物性质、温度等特点将土壤质地划分为7级。此外,将图2中相邻级类视为同一亚类,可将土壤分成相互重叠的28个亚类。
卡庆斯基制
卡庆斯基制是1957年前苏联著名土壤物理学家——卡庆斯基(H.A Kaчинский)根据苏联有关粒级性质的资料拟定的,它的粉粒及黏粒较其他各制均分得详细,是双极分类法,按物理性砂粒(>0.01mm)和物理性黏粒(<0.01 mm)的质量分数,将土壤划分为砂土、壤土和黏土三类九级。应用卡庆斯基质地分类简表分类时,首先确定所研究土壤的类型属于分类简表中的灰化土类、草原土和红黄壤类、碱化和强碱土类三大类型中的哪一类。可以用物理性砂粒(> 0.01 mm,%)和物理性黏粒(<0.01 mm,%)两个粒级的其中一个进行分类。卡庆斯基分类制包括三部分,即基本质地分类、详细质地分类和补充分类。不包括大于1 mm的石砾,其含量另行计算,根据石砾含量,在质地详细名称之前加上石质描述,石砾含量小于0.5%为非石质土,0.5%~5%为轻石质土,5%~10%为中石质土,大于10%为重石质土。
卡庆斯基土壤质地分类制
中国制
我国现代的土壤质地研究始于1937年,20世 纪50—60年代,在全国土壤普查背景下,结合本国特点,拟定了中国土壤质地分类,如粗砂粒级的划分,但因缺乏深入研究,未能广泛应用。1959年
拟定了我国南方土壤质地四级分类梯级表,1961年拟定了我国北京郊区土壤质地分类。1975年在1959年和1961年两个质地分类的基础上加以归并、修改、补充而成1978年的中国土壤质地分类
标准[4]。结合中国土壤的特点,在农业生产中主要采用前苏联的卡庆斯基的质地分类。1978年中国拟定的土壤质地分类是按砂粒、粉粒和黏粒的质量分数划分出砂土、壤土和黏土三类11级。对石砾含量较高的土壤制定了石砾性土壤质地分类标准。根据石砾含量,当其小于1%时为无砾质(质地名称前不冠名),1%~10%时为少砾质,大于10%为多砾质。1987年《中国土壤》第二版公布了中国土壤质地分类制,分为3组12种质地名称,分类标准见表8。中国制土壤质地制有以下的特点:与其配套的粒级制是在卡庆斯基粒级制的基础上修定而来的,主要是将黏粒的上限由0.001 mm提高至大家公认的0.002 mm,黏粒级分为粗(0.002 mm ~0.001 mm)和细(<0.001 mm)两个粒级。
中国土壤质地分类(1985年)
参考资料:
1.污染场地调查评价与修复 杨再福
2.土壤质地分类及其在我国应用探讨,吴克宁、赵瑞,土壤学报,2019.1,vol 56, No.1
污染物在场地环境中的迁移
污染物在场地环境中的迁移
·污染物的迁移过程
地下水污染方式有直接污染和间接污染两种。直接污染的特点是污染物直接进入含水层,污染物的性质基本不变。间接污染的特点是污染物作用于其他物质,使得某些成分进入到含水层。
有机物在地下水环境中通常以4中赋存形态,自由态、残留态、挥发态和溶解态。
非水相重质、非水相轻质液体、重金属类污染物是地下水污染管控修复的重点。
·地下水污染迁移过程
地下水污染途径指污染物从污染地进入地下水所经过的路径。除了少部分气体、液体污染物可以直接通过岩石空隙进入地下水外,大部分污染物会随着补给地下水的水源一道进入地下水。因此,地下水污染途径与地下水的补给来源有密切的关系。通常可分为以下几种形式:通过包气带渗入,由集中通道直接注入,由地表水体侧向渗入,含水层之间的垂直越流污染。
①通过包气带渗入。通过包气带渗入又可分为连续渗入和断续渗入。连续渗入是污染液从废水坑等污染源不断通过包气带向地下水渗漏,其污染程度主要受包气带岩层厚度和岩性控制;断续渗入是堆放在地面的工业废渣和城市垃圾被降雨淋滤而通过包气带下渗污染地下水,其污染程度与污染物的种类和性质,以及下渗水源的多少、包气带岩层的厚度和岩性因素有关
②由集中通道直接注入。这种途径是利用废井坑道或岩溶通道将废水直接排入地下岩石孔隙、裂隙中,直接造成地下水的污染。
③由地表水体侧向渗入,被污染的地表水间接污染地下水,其污染程度受河流沿岸岩石的地质结构、水动力条件以及水源地距岸边的距离等影响。
④含水层之间的垂直越流污染。这种污染途径主要指污染了的第四系或石炭系等浅层地下水越流入渗污染深层地下水。对于岩溶山区的岩溶地下水(承压水)而言是一种潜在的污染源,并且一旦被污染,很难在短期得到治理。
非水相液体污染物(NAPL)进入地下水后可能存在形式为:溶解相、残余相、气相、自由相。正常情况下可用油-水界面仪测定自由相的NAPL分布 LNAPL与 DNAPL共存时,如果发生互溶作用,混合后的NAPL在地下水中的迁移转化取决于混合后NAPL污染物的密度(混合后密度=混合后总质量/混合后NAPL污染物的总体积),当混合后密度大于1,则污染物迁移规律与 DNAPL类似,如密度小于1则与 LNAPL迁移规律一致。NAPL从包气带向地下水中迁移,首先要满足包气带介质中污染物的截留,然后继续向下迁移,在地下水位以上的毛细带聚集,需要突破毛细力作用进入地下水,这在较细的地层介质中特别明显。NAPL污染物在含水层中有时呈现“乳化”现象,导致检测不到NAPL-水分布界面,似乎没有自由相的NAPL存在,但地下水取样时NAPL浓度非常高,甚至超过最大饱和溶解度。如硝基苯与苯和苯胺共存时发生共溶与增溶作用,导致硝基苯浓度超过水中最大溶解度的5~10倍。
污染物在含水层中的运移
污染物在含水层中的运移受多种因素的控制,主要有地下水的对流作用、弥散作用以及污染物与含水层介质之间的各种物理、化学和生物化学作用等。主要作用如下表
地下水中污染物运移的作用
参考资料:
1.污染场地调查评价与修复 杨再福
污染物迁移数据分析
离散数据网格化方法
网格化分析方法有:距离幂函数反比加权网格化、Kring泛克里格法网格化、稠密数据中指选取网格化、稠密数据高斯距离权网格化、反距离加权插值法、克里格法、最小曲率法、谢别德法、自然邻点插值法、最近邻点法、多项式回归法、径向基本函数法、带线性插值的三角剖分法、移动平均法、数据度量法、局部多项式法。
距离加权反比法插值原理
设空间待插点为P(xp,yp,zp),P点领域内有已知三点Qi(xi,yi,zi),i-=1,2,...,n,利用距离加权反比法对P点对属性值Zp进行插值。其插值原理是待插点领域内已知散乱点属性点加权平均,权点大小与待插点与领域内散乱点之间点距离有关,是距离点k(k取0到2,一般取2)次方点倒数。即:
其中:di为待插点与其领域内第i个点之间点距离。
克里金插值法
克里金(Kriging)插值法,又称空间局部估计法或空间局部插值法。南非矿产工程师克里金(D.R.Krige)首先将该方法用于寻找金矿,因此G.Matheron就以“克里金”的名字命名了该方法。
克里金法是建立在变异函数理论及结构分析基础之上的,实质是利用区域化变量的原始数据和变异函数的结构特点,对未采样点的区域化变量的取值进行线性无偏最优估计。
克里格法中包含了几个因子:变异图模型、漂移类型和矿块效应。其中变异图模型(Variogram Model)是用来确定插值每一个结点时所用数据点的邻域,以及在计算结点时给予数据点的权重。
Surfer提供了多种最常用的变异图模型,它们是指数、高斯模型、线性、对数、矿块效应、幂、二次模型、有理数二次模型、球面模型和波(空洞效应),亦可以选用线性变异图。
最小曲率法
最小曲率法广泛用于地球科学。用最小曲率法生成的插值面类似于一个通过各个数据值的,具有最小弯曲量的长条形薄弹性片。最小曲率法,试图在尽可能严格地尊重数据的同时,生成尽可能圆滑的曲面。使用最小曲率法时要涉及到两个参数:最大残差参数和最大循环次数参数来控制最小曲率的收敛标准。
多元回归法
多元回归被用来确定你的数据的大规模的趋势和图案。你可以用几个选项来确定你需要的趋势面类型。多元回归实际上不是插值器,因为它并不试图预测未知的 Z 值。它实际上是一个趋势面分析作图程序。使用多元回归法时要涉及到曲面定义和指定XY的最高方次设置,曲面定义是选择采用的数据的多项式类型,这些类型分别是简单平面、双线性鞍、二次曲面、三次曲面和用户定义的多项式。参数设置是指定多项式方程中 X 和 Y组元的最高方次 。
径向基本函数法
径向基本函数法是多个数据插值方法的组合。根据适应你的数据和生成一个圆滑曲面的能力,其中的复二次函数被许多人认为是最好的方法。所有径向基本函数法都是准确的插值器,它们都要为尊重你的数据而努力。为了试图生成一个更圆滑的曲面,对所有这些方法你都可以引入一个圆滑系数。你可以指定的函数类似于克里金中的变化图。当对一个格网结点插值时,这些个函数给数据点规定了一套最佳权重。
谢别德法
谢别德法使用距离倒数加权的最小二乘方的方法。因此,它与距离倒数乘方插值器相似,但它利用了局部最小二乘方来消除或减少所生成等值线的"牛眼"外观。谢别德法可以是一个准确或圆滑插值器。在用谢别德法作为格网化方法时要涉及到圆滑参数的设置。圆滑参数是使谢别德法能够象一个圆滑插值器那样工作。当你增加圆滑参数的值时,圆滑的效果越好。
三角网/线形插值法
三角网插值器是一种严密的插值器,它的工作路线与手工绘制等值线相近。这种方法是通过在数据点之间连线以建立起若干个三角形来工作的。原始数据点的连结方法是这样:所有三角形的边都不能与另外的三角形相交。其结果构成了一张覆盖格网范围的,由三角形拼接起来的网。每一个三角形定义了一个覆盖该三角形内格网结点的面。三角形的倾斜和标高由定义这个三角形的三个原始数据点确定。给定三角形内的全部结点都要受到该三角形的表面的限制。因为原始数据点被用来定义各个三角形,所以你的数据是很受到尊重的。
自然邻点插值法
自然邻点插值法(NaturalNeighbor)是Surfer7.0才有的网格化新方法。自然邻点插值法广泛应用于一些研究领域中。其基本原理是对于一组泰森(Thiessen)多边形,当在数据集中加入一个新的数据点(目标)时,就会修改这些泰森多边形,而使用邻点的权重平均值将决定待插点的权重,待插点的权重和目标泰森多边形成比例。实际上,在这些多边形中,有一些多边形的尺寸将缩小,并且没有一个多边形的大小会增加。同时,自然邻点插值法在数据点凸起的位置并不外推等值线(如泰森多边形的轮廓线)。
最近邻点插值法
最近邻点插值法(NearestNeighbor)又称泰森多边形方法,泰森多边形(Thiesen,又叫Dirichlet或Voronoi多边形)分析法是荷兰气象学家A.H.Thiessen提出的一种分析方法。最初用于从离散分布气象站的降雨量数据中计算平均降雨量,现在GIS和地理分析中经常采用泰森多边形进行快速的赋值。实际上,最近邻点插值的一个隐含的假设条件是任一网格点p(x,y)的属性值都使用距它最近的位置点的属性值,用每一个网格节点的最邻点值作为待的节点值。当数据已经是均匀间隔分布,要先将数据转换为SURFER的网格文件,可以应用最近邻点插值法;或者在一个文件中,数据紧密完整,只有少数点没有取值,可用最近邻点插值法来填充无值的数据点。有时需要排除网格文件中的无值数据的区域,在搜索椭圆(SearchEllipse)设置一个值,对无数据区域赋予该网格文件里的空白值。设置的搜索半径的大小要小于该网格文件数据值之间的距离,所有的无数据网格节点都被赋予空白值。在使用最近邻点插值网格化法,将一个规则间隔的XYZ数据转换为一个网格文件时,可设置网格间隔和XYZ数据的数据点之间的间距相等。最近邻点插值网格化法没有选项,它是均质且无变化的,对均匀间隔的数据进行插值很有用,同时,它对填充无值数据的区域很有效。
污染场地常用模拟软件
GMS(Groundwater Modeling System)
地下水模型系统(Grounder Modeling Systems),简称GMS,是美国Brigham Young University环境模型研究实验室和美国陆军排水工程实验工作站在综合MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D等已有地下水模型的基础上开发的一个综合性的用于地下水模拟的图形界面软件。
由于GMS具有良好的操作界面,强大的前后处理功能及优良的三维可视化效果,目前已成为国际上广泛应用的地下水模拟软件之一。
Visual MODFlow
Visual MODFLOW是一款三维地下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化系统。这个软件包由Modflow(水流评价)、Modpath(平面和剖面流线示踪分析)、MT 3D(溶质运移评价)三大部分组成,并且具有的图形可视界面功能。Visual MODFLOW Flex软件实现了概念模型和数值模型的转化,具备的二维和三维可视化功能,易于操作。
Visual MODFLOW Flex不仅仅是用于MODFLOW地下水模拟的图形用户界面。Visual MODFLOW Flex汇集了地下水流动和污染物传输的行业标准代码,的分析和校准工具以及在单个环境中提供的3D可视化功能。
通过Visual MODFLOW Flex,地下水建模人员可与使用的工具来解决当地区域的水质,地下水供应和水源保护问题。
Visual GroundWater
Visual Groundwater 将用于 3-D 可视化地下特征数据和地下水建模结果和动画的先进的图形工具与直观的图形界面相结合,可以轻松创建复杂场地特征数据和建模结果的高影响力 3-D Visual Groundwater 可满足地下水专业人士和环境工程师的专业需求。直观的图形界面提供交互式可视化功能,用于操作和旋转多个三维数据集。
人体健康风险评估模型
RBCA模型
RBCA模型是美国材料与试验协会(American Society for Testing and Materials, ASTM )将健康风险评价与土壤、地下水污染治理相结合发展出的健康风险评价模型,广泛应用于美国各州、一些欧洲国家和我国的台湾地区。RBCA模型按照美国环保局综合风险咨询系统(Integrated Risk Informations ,IRIS )对化学物质分类,将化学物质分为非致癌物质与致癌物质2类,分别进行风险计算。
理论上,化学物质的非致癌风险值的判定标准设定为1,当非致癌风险值小于1时,将不会对暴露人群造成明显不利的非致癌健康影响。对于致癌风险而言,美国环保局设定10-6为可接受致癌风险水平的下限,10-4为可接受致癌风险水平的上限。当化合物引起的致癌风险低于或等于10-6时,认为风险是可忽略的;当化合物引起的致癌风险高于10-4时,认为风险 是不可以接受的;当引起的致癌风险在10-6到10-4之间,将必须就其情况进行讨论:如果某种污染物引起 的致癌风险为10-6时的浓度值乘以100大于该物质的非致癌风险等于1时的浓度,则该污染物的可接受风险水平可放大10倍,即10-5;如果某种污染物引起的致癌风险为10-6时的浓度值乘以10小于等于该物质的非致癌风险等于1时的浓度,则该种污染物的可 接受风险水平均可放大100倍,即10-4。
非致癌物质的非致癌危害指数(HQ)计算公式:
化学物质的致癌风险用致癌风险值(R)表示,计算公式如下:
参考资料:
1.RBCA和Csoil模型在挥发性有机物污染场地健康风险评价中的应用比较,吴以中等
地下水风险评价方法
地下水污染风险评价方法研究综述
方进 王德全
随着经济社会的快速发展,人们生活水平逐步提高,人类活动对自然环境的影响越来越大。水污染现象日益突出,主要集中体现在河流水污染、湖泊水污染、地下水污染三个方面,地下污染较为严重。广泛分布的地下水对人类生活具有重大意义,其提供全球大多数人所需要的水资源。据调查,我国约有70%人口主要饮用水源为地下水,全国95%以上的农村人饮用地下水,全国40%的耕地使用地下水灌溉
1 地下水污染途径
(1)农业生活污染。
由于前期以不科学、不合理的方式发展农业,导致了一系列的环境污染问题。植物的正常生长与土壤质量相关联,增加植物产量可获取更多的果实。在植物果实发育过程中,会使用一些化肥、杀虫剂、除草剂等,提高植物果实产量,但对耕作的土壤环境造成了污染。人类日常生活产生大量的生活垃圾会污染环境,垃圾的种类越来越复杂,居民对待垃圾分类回收的意识较弱。城市和乡村从垃圾分类到回收未形成一个完整的处理体系,导致农村和城市的周围填埋未经过系统处理的垃圾,垃圾渗滤液和其他溶物伴随雨水进入地下,进一步污染地下的蓄水层。
(2)工业矿业污染。
随着工业生产现代化的推进,在追求生产效益的同时,含各类化学物质的大量废水、废气、废渣随着产生,废水若不经过处理达标后排放,会导致地下水化学污染,废气和废渣长时间未处理,在雨水的冲刷作用下迅速渗入地下水,导致地下水环境发生变化。化工产品废水排放影响较为严重,其产生的重金属汞、镉、铅、铬等会长期存在地下水系统中。矿业污染方面,在煤矿、稀有金属等生产开发过程中,会产生废渣、尾渣等废物,若处理不当,重金属、放射性元素在雨水的冲刷下会渗入地下水。
2 地下水污染评价方法
地下水污染风险评价方法主要有叠置指数法、统计方法、过程模拟法
2.1 叠置指数方法
叠置指数法可操作性强,方法简单,是当前应用广泛的评价方法。通过选取各项评价指标的参数叠加形成一个可反映脆弱程度的指数。叠置指数法常用的指数模型方法主要有DRASTIC模型法、GOD模型法、AVI模型法
(1) DRASTIC模型方法。
DRASTIC方法是美国环保署为评价含水层易污性开发的国家标准评价系统,其包括的水文地质要素有D潜水位埋深、A含水层介质、R面状补给量、S土壤介质、T地形、I非饱和带的影响、C含水层渗透系数,该方法适合多孔介质潜水和承压水
(2) GOD模型方法。
该模型选择了3个影响因子G地下水类型、O盖层岩性、D水位埋深
(3) AVI(含水层敏感性指数)模型方法。
该模型方法比较适用于岩溶水,通过垂直水力传导系数、水面以上地层厚度参数进行评价。先计算与水流垂直方向上每一层的水力阻力,再由水力阻力的变化量描述含水层的敏感性,得出该区域从地表到地下水面污染物的平均流动时间值。
2.2 统计方法
统计方法针对研究区域已有的地下水污染监测资料和发生污染的地下水相关信息,运用合适的统计学分析工具,将已赋值的各项参数导入模型计算,以取得评价结果。统计方法可避免人为主观性影响,可客观选出地下水污染的主要因素,其需要的资料信息较大,获取完整数据难度较大。常见的方法主要有逻辑回归分析法、线性回归分析法、地理统计法、实证权重分析法。
(1)逻辑回归分析法。
将自然变量、人为变量相关联,依据模型变量和系数值,建立逻辑回归相关模型,得到评价信息。Tesoriero等用逻辑回归分析法预测NO3-污染地下水的概率并评价,与预期表现较为符合
(2)线性回归分析法。
在地下水输入输出系统中,确定因变量与自变量,得到因变量与自变量的线性回归方程,再进行相关性分析,确定最优回归方程,进行某一地区的地下水风险评价。
(3)地理统计法。
Masetti等运用地理统计方法,对井口的地下水硝酸盐浓度进行持续监测,使用三种不同的硝酸盐浓度,进行浅层无限制含水层的脆弱性评估,结果表明地理统计方法在评价地下水脆弱性的具有良好的效果
2.3 过程模拟法
过程模拟法通过建立水流和污染质迁移模型,在此基础上建立风险评价的数学公式,将各项指标定量化得到评价综合指数,对当地的地下水污染进行风险研究,可较好模拟地下水污染物的迁移规律。该方法需要大量的监测数据和资料信息,且模型的参数较多、求解复杂。王洪亮等对热电厂地下水污染进行系统分析,基于过程模拟法选取评因子通过数值法来模拟污染物浓度动态变化及迁移途径,得到热电厂地下水风险等级。
过程模拟法可得到风险等级及污染发生的时间和地点、污染物浓度、污染面积等。过程模拟法适用于小区域低风险评价,运用的模型主要包括HYDRAUS模型、MODFLOW with MT3D模型、Fe FLOW模型、HELP模型
(1) Fe FLOW模型方法。
Fe FLOW模型方法简称多组分饱和带非饱和带溶质运移模拟。在20世纪70年代,德国WASY水资源规划和系统研究所开发了基于有限元法的地下水模拟的Fe FLOW软件,运用解决水量模拟、水质模拟、温度模拟等方面的问题。
该软件具有图形人机对话、地理信息系统数据接口、自动产生空间各种有限单元网格、空间参数区域化及快速精确的数值算法和先进的图形视觉化技术等特点
(2) HYDRUS模型方法。
HYDRUS模型方法简称非饱和带水分及溶质运移模拟。其可模拟饱和-非饱和区水分运动和溶质运移的一维模型,其水分和溶质控制方程应用伽辽金线性有限元法求解。张博圣等运用建立Hydrus-1D模型,模拟了某尾矿库地下水污染物从迁移转化的全部过程,表明该方法可准确反映地下水污染源时空变化过程,可评估地下水污染风险。
3 结语
(1)评价体系的适用性。部分评价指标无法完全反映地下水污染的因素,人的活动影响多为定性指标,无法准确反映实际情况;部分评价模型受水层类型的限制,无法解决水文条件相对复杂的区域评价;地下水未动态的系统,具有不确定性、随机性。在对地下水污染进行评价时,应综合考虑各方面因素之间的关系,运用多种方法模型结合,从实际出发,建立评价指标的独立性和客观性。
(2)相关资料的全面性。地下水风险评价缺乏统一标准,不同学者研究的侧重点存在,不同国家地区的污染情况不同,在确定权重时存在主观性。部分数据未经过长期的监测和调查研究,评价结果难以准确反映实际情况。应建立相关数据库,完善地下水风险评价相关资料和标准,对地下水污染评价将更有科学指导意义。