Review on the determination methods for early warning grade and threshold of groundwater pollution risk
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摘要:
预警等级及阈值的科学确定对地下水污染风险预警系统的建立起着至关重要的作用。当前我国地下水污染风险预警相关研究尚处在探索阶段，未形成科学完备的理论与方法体系。文章基于国内外已有研究报道，较系统地梳理了地下水污染风险预警相关研究，归纳总结了预警等级及阈值确定方法的研究现状，并对进一步研究做了展望。目前阈值主要的划定方法有相关标准法、临界值法、综合评判法等。相关标准法适用于大尺度宏观区域，临界值法在基础资料较完善的研究区域具有较强的针对性和准确性，而综合评判法能够处理多个变量因素，能对定性因素做出量化评价，适用于变量、定性因素较多的研究区域，为不同条件研究区地下水污染风险预警等级划分及阈值划定方法的选择提供了理论依据。最后指出在完善我国地下水污染风险预警体系理论方法的工作中，应当进一步关注：(1)多学科研究成果的交叉渗透，借助多方法交互应用；(2)加强与地下水污染相关的水文地质调查与监测工作，不断提高地下水污染调查研究程度；(3)综合分析地质、污染源、地下水价值及动态等地下水污染影响因素，以提高预警结果科学性。
Abstract:It is very important to determine the reasonable threshold of groundwater pollution risk early warning for the establishment of a groundwater pollution early warning system. At present, however, the threshold of groundwater pollution risk early warning in our country is in the exploration stage, and has not formed a perfect theoretical method system. Based on the relevant research results at home and abroad, this paper systematically combs the research methods of groundwater pollution risk early warning, summarizes the research progress of groundwater pollution risk early warning levels and threshold delimitation methods. The methods of threshold delimitation mainly include the established criteria method, threshold setting method, comprehensive evaluation method and other methods. This paper compares the applicable conditions of various threshold delimitation methods. The established criteria method is applicable to the macro region on a large scale. The threshold setting method has strong pertinence and accuracy in the research region with perfect basic data. The comprehensive evaluation method can deal with multiple variable factors, make quantitative evaluation on qualitative factors, and is applicable to the research region with more variables and qualitative factors. The conclusions provide a theoretical basis for the early warning classification of groundwater pollution risk and the selection of threshold delimitation methods in different study areas. Finally, this paper points out that the following two works should be further strengthened in improving the theoretical methods of groundwater pollution risk early warning system in China: (1) Strengthen the cross penetration of multi-disciplinary research results, with the help of multi-method interactive application. (2) Strengthen the hydrogeological investigation and monitoring related to groundwater pollution, and continuously improve the level of groundwater pollution investigation and research. (3) In order to obtain the scientific early warning results, the influencing factors of groundwater pollution, such as geology, pollution sources, groundwater value and dynamics, are analyzed comprehensively.
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Keywords:
- groundwater pollution /
- risk warning /
- early warning classification /
- threshold value
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我国社会生产生活用水近20%来自地下水[1-2], 约有70%的主要饮用水源为地下水, 约40%的耕地使用地下水灌溉[3]。随着社会经济的快速发展, 对地下水资源的需求日益增长, 地下水污染问题日益严重。地下水污染具有隐蔽性和滞后性[4], 须从“先污染, 后治理”向“预防为主, 防治结合”转变[5-6]。地下水污染风险预警就是将“预警”的原理运用在污染防治中, 通过建立风险预警机制, 辨识水资源开发利用过程中出现的非持续利用征兆的人类行为, 分析地下水质量和系统逆化、退化和恶化的程度, 预测其变化趋势, 并及时做出预警和应对措施[7-11]。
地下水污染风险预警的核心是预警等级和阈值的确定。风险预警等级及阈值确定时, 既要划分水体受影响的程度—警度, 又要确定警情不同严重性的分界线—警限。为了使预警系统能够全面准确预报、合理评估地下水水质现状和变化趋势[12-13], 在划分预警等级和划定阈值时应根据研究区实际情况, 充分考虑地下水循环模式、供水对象分布、生态环境风险等因素, 准确定量地划定污染阈值[14-15]。阈值通常是指预警系统的界限值, 当人类活动对地下水化学组分、物理性质和生物学特性产生的影响超过这个界限值时, 可能会导致不同程度的污染[10-11]。
地下水风险预警等级及阈值划定都处于探索阶段, 尚未形成完善的理论方法体系[16]。本文通过大量文献调研, 较系统地归纳和总结了地下水污染风险预警等级及阈值确定方法研究现状, 并评析了不同方法的优缺点和适用条件, 以期为地下水环境保护和风险预警管理提供参考。
1. 相关标准法
相关标准法是以现有地下水国际标准、国家标准、区域标准以及典型行业排放标准中的指标及限值为依据, 结合研究区生态环境风险、水文地质条件及污染源分布等因素, 确定预警等级和阈值的方法[17-18]。国内常用标准有《地下水质量标准》、《生活饮用水卫生标准》和《国家突发环境事件应急预案》等, 国外常用标准有《饮用水水质准则》(WHO)、《欧盟水框架》(EWFD)。
国内外学者围绕相关标准法开展了卓有成效的研究工作。董志颖等在研究吉林西部地下水水质预警体系时, 根据研究区降水量远小于蒸发量, 潜水溶解性总固体、硬度较高的特点, 参照当时国家地下水质量标准(GB/T 14848-93), 划分预警等级划定阈值[19-20]。吕晓立等以新疆塔城盆地为研究区, 由于区内多为农牧区, 地下水防污性能较差, 受人类活动影响大, 所以将地下水中“三氮”作为预警因子, 以《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)作为依据确定预警阈值[20-21]。Douagui等在对阿比让第四系地下水大肠杆菌和硝酸盐污染风险等级划分研究中, 结合当地地下水主要作为生活用水, 且生活垃圾等渗沥液处理不当的实际情况, 根据世界卫生组织基于人体健康影响而设定的第四版《饮用水水质准则》, 划定地下水中硝酸盐污染预警阈值[22-23]。Mario等在对西班牙格拉纳达地区的地下水污染进行研究时, 为了保护水质不受农业污染源的污染, 根据《欧盟水框架指令》(EWFD)中对地下水硝酸盐含量的阈值设定, 将研究区地下水水质进行了分级[24-25]。Bhutiani等以印度北部工业城市赫尔德瓦尔为研究区, 将当地工业废水中的重金属元素作为预警因子, WHO《饮用水水质准则》为标准确定了警限与警度[23, 26-27]。基于相关标准法的地下水污染风险预警等级及阈值的代表性研究见表 1。
表 1 基于相关标准法、临界值法和综合评判法的预警等级及阈值划定研究Table 1. Summary of the warning level threshold classification based on the established criteria, threshold setting and Comprehensive evaluation
由于相关标准制定时, 以地下水形成背景为基础, 已经考虑了地下水使用功能、地下水的自净能力和污染物性质等因素, 因此相关标准法具有普适性、通用性、简洁易行和标准明确的特点, 适用于大空间尺度范围的区域预警等级及阈值确定[6]。但是, 地下水环境状况是个动态的过程, 水量、水质和可持续发展程度均受到社会、经济、自然等诸多要素的相互作用, 规范标准可能在一定程度上存在着滞后性。因此, 在特殊地质条件或特殊行业存在的地区, 该方法应用时会存在准确度较低、针对性不强的缺点。
2. 临界值法
基于临界值法的地下水污染风险预警等级及阈值划定方法是在分析研究区地下水水质状况、地下水污染风险, 将设定预警因子不同污染等级的浓度临界值与风险临界值相耦合, 或者将设定预警因子的浓度乘以不同的系数来确定阈值, 并进行预警等级划分[28]。对临界值的确定有通过建立数学模型、基于污染物风险评估、结合污染物不同浓度对生物体的毒性反应调查等方法[29]。
基于临界值法的研究较多, 如洪梅等在地下水水质预警信息系统的研究中根据吉林省西部平原区10余年的观测数据, 以每5年为一个时段, 以水质变化速率为预警指标, 设定了5个临界值作为阈值划分趋势预警等级[30]。郑丙辉等在研究水污染事件污染物安全阈值时, 考虑了污染物无不良反应浓度、暴露人群体重、日均饮水量等参数, 针对氰化钠、镉、甲醛、氨氮、甲苯、硝基苯、微囊藻毒素-LR这7种特征污染物, 给出了污染物暴露的安全阈值及计算公式[31]。赵娟等在研究吉林西部地区高砷地下水砷的阈值时, 根据研究区砷中毒病情调查结果、地下水采样分析的基础上, 发现在研究区范围内, 砷的质量浓度小于0.05 mg/L的地段未发现有砷中毒病情, 当砷的质量浓度大于0.05 mg/L时有砷中毒发生, 从而确定了研究区地下水中砷总质量浓度的安全阈值(0.05 mg/L)[32]。党学亚等利用柴达木盆地的生态植被生长情况与地下水溶解性总固体含量(TDS)、水位埋深之间的关系, 设定不同生长情况下的TDS与水位埋深数值为临界值, 划分了柴达木盆地生态植被生长情况下的地下水阈值[34]。基于相关临界值法的预警等级及阈值划定代表性研究见表 1。
基于临界值法划分等级确定污染预警等级及阈值, 方法简单明了、针对性强。但主要适用于特定事件分析, 本方法的关键在于相关临界值的合理设定。
3. 综合评判法
综合评判法是将一些边界不清, 不易定量的因素利用数学方法转化为相似系数、关联度等, 定量化或赋值后进行判定, 或者将定性与定量分析相结合的多准则评判法。在地下水污染风险预警等级及阈值划定的研究中, 通常需要将一些定性的因素进行数学模型处理, 或赋予权重, 然后进行计算以划定阈值[35]。
综合评价法主要包括层次分析法、模糊综合评价法、专家评价法等。张伟红等在区域地下水污染预警研究中从地下水污染风险评价的“脆弱度”、“危险度”、“危害度”三个方面, 构成地下水污染风险预警, 确定2级警度为警戒线[5]。周超等以北京平原区为研究区, 由于研究区较大, 进行脆弱性评价时需要综合考虑地下水位埋深、净补给量、介质类型等多个指标, 利用数值模型改进的DRASTIC法得出评价结果[36]。赵文荣等对南通市通州区建立了水污染事故预警系统, 筛选预警指标, 利用层次分析法计算各指标权重并分级阈值指标[37]。姚丽利等在浑河冲洪积扇饮用水水源地的研究应用中, 综合考虑研究区污染源荷载风险和污染危害性计算污染风险值, 以地下水水质综合质量标准的级别为水质现状评价值, 并赋予污染风险和水质现状两个定性因素相同的权重数值, 计算了污染预警值[38]。Rosli等在研究Salak河水质状况时, 根据马来西亚国家水质标准(NWQS)和水质指数(WQI)确定河流水质等级和划分阈值[39]。Şener等以贝伊-埃尔湖流域地下水潜力图为研究对象, 利用GIS和模糊层次分析法, 评价了岩性、线形、排水密度、土地利用、坡度、土壤类型和降雨7个参数, 确定各参数的评价系数和权重, 并计算地下水潜力指数, 采用分位数分类法确定地下水潜力等级[40]。基于综合评判法的预警等级及阈值划定代表性研究, 见表 1。
综合评价法可以有效地吸收定性分析的结果, 发挥定量分析的准确性, 很好地解决了判断的模糊性和不确定性问题。但是将定性和定量相结合的多准则评判方法方面的研究还需进一步探索和加强。
4. 其他方法
在许多时候, 由于研究区的条件比较复杂, 带有一定的自身特殊性, 预警等级及阈值划定中则需要采用上述方法的几种或者结合研究区背景特点采用了其他方法, 在分析研究地下水水质的基础上进行了污染预警等级及阈值的确定。
比如, Ding和Arnold利用研究区丰富的硝酸盐历史水样数据, 以地下水中硝酸盐浓度背景值为基准, 研究影响井中硝酸盐浓度变化, 并结合世界卫生组织基于人体健康影响设定的饮用水标准值作为阈值[41]。Lee等比较评估年的观察值和评估年之前的历史值, 并以此为基准, 结合参数和非参数的趋势测试结果, 划定了水位和导电性不同数值下的等级[42]。RAN Al-Adamat等在评价约旦阿兹拉克盆地玄武岩含水层脆弱性时, 由于缺少研究区的部分资料, 故剔除了DRASTIC模型中的水力传导系数(C), 划分了中度与低脆弱区[43]。TK Boateng等在对埃塞苏-朱巴市地下水质量评价时, 利用美国环境保护局风险评估模型计算地下水中不同重金属含量下人体健康风险值, 确定了地下水中Cd, Fe, Cu, Pb, Zn, Mn含量的风险阈值[44-45]。饶志等在鄱阳湖平原研究地下水重金属污染状况时, 利用美国环境保护署的健康风险评价模型, 对研究区地下水中的目标污染物Cu、Pb、Cd、Cr、As、Hg六种重金属元素进行健康风险评价[46]。这些方法在风险预警等级及阈值的划定中考虑研究区特殊情况, 结合了几种方法, 或运用了地下水风险评价模型, 可有针对性地确定风险预警的等级和阈值。
5. 不同方法的适用性
不同的预警等级及阈值确定方法在应用时各有优劣。相关标准法适用于区域或者流域尺度下地下水污染风险预警等级及阈值的划定, 在宏观的区域中该方法可以发挥其通用性, 较其他方法具有简单易行、可靠明确的优点。但是在面对一些特殊水文地质环境时, 该方法的灵活性和针对性较为欠缺。
相比于相关标准法, 临界值法具有较强的针对性和准确性, 在预警因子的确定上有更大的选择空间, 运用起来更加灵活, 适用于特定事件的分析。对于预警因子临界值的设定, 需要借助模型分析、风险评估等方法, 因此临界值法的运用比较依赖充足且准确的基础资料, 较适用于资料完善的研究区域。
与临界值法相比, 综合评判法则对于定量数据信息的要求较少, 通过数学分析处理多个变量之间的关系, 能够对定性因素做出较为贴近实际的量化评价, 因此该方法多应用于一些变量较多或者不易定量因素存在的研究区。但是在实际运用时, 综合评判法的数学计算较为复杂, 多个变量之间的权重确定存在着一定的主观性。
6. 结论与展望
随着地下水资源需求的日益增长, 污染风险预警体系的建设越来越受到重视, 对风险预警等级及阈值的确定方法也提出了越来越高的要求。由于研究区水文地球化学、地质环境等条件的多样性, 预警等级和阈值的确定出现各种各样的方法, 不同方法的准确性和适用性参差不齐。为完善我国地下水污染风险预警等级和阈值的研究, 进一步研究中需关注:
(1) 需要借助多方法研究成果的交叉运用。例如在运用相关标准法时, 可以通过分析研究区水文地质化学条件、区域属性, 在局部区域使用设定临界值法、综合评判法或其他方法, 弥补相关标准中的不足, 分层面确定警度和阈值。
(2) 与系统分析理论、物理化学、统计学等学科研究成果交互应用。运用综合评判法划定阈值时可以结合熵权法等其他方法, 降低人为因素对权重的影响等。加强与地下水污染相关的水文地质调查及监测工作, 不断提高地下水污染调查研究深度, 充分考虑水文地质基础资料的完整性和实际预警过程中的不确定因素。
(3) 综合考虑不同因素的影响, 提高预警的精度和准确度。影响地下水污染的因素有很多, 包括污染源特征、包气带、含水层岩性及厚度、地下水动力学特征等。应充分综合考虑地质条件、污染源、地下水价值、地下水动态等因素, 并结合实时在线监测技术、3S技术等手段, 以提高预警的准确度。
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表 1 基于相关标准法、临界值法和综合评判法的预警等级及阈值划定研究
Table 1 Summary of the warning level threshold classification based on the established criteria, threshold setting and Comprehensive evaluation
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