地下水污染评价-第四讲.ppt
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（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杂性。Villumsen、Olmer与Rezac、Vierhuff、Goosens与Van damme、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（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1 DRASTIC及农药DRASTIC模型中各指标权重(Aller等1985),1英寸(in)=25.4 mm 1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）=4.04710-3 km2=4047 m2 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2 ft 的土体。土壤介质强烈影响地表入渗的补给量，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：07cm为砂质粘土，762cm为粘土，6282cm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间的水平距离的百分比。当坡度百分比为 0 2%时，污染物渗入地下的机会最大，因为在这一区域内不论污染物还是降雨量都不易流失，这些地段地下水的污染脆弱性高。相反，当地形坡度百分比大于18%时，一旦存在地表水（如发生大气降雨等情况）较易形成地表径流，因此污染物渗入地下的可能性很小，相应的地下水污势脆弱性较低。,6、包气带介质的影响（I）,所谓的包气带是指等水位线以上的非饱和区或非连续饱和区。包气带介质的类型决定着土壤层和含水层之间岩土介质对污染物的削减特性。各种物理化学过程包括降解、吸附、沉淀、络合、溶解、生物降解作用、中和作用等过程均可以在包气带内发生。包气带介质还控制着渗流路径的长度和渗流途径，因此影响着污染物的削减时间以及污染物与岩土体之间的反应程度。包气带内的任何裂隙对渗流路线起控制作用。,包气带介质选择应根据所评价的含水层的类型而定,潜水含水层以及半承压含水层：应看作潜水含水层来考虑，必须选择包气带中对污染势态影响最为显著的岩土介质作为包气带介质。1）对有多层介质存在时，应考虑包气带各层介质的相对厚度，选择岩性厚度最大的一组作为包气带介质。2）同时，应考虑各层介质对地下水污染脆弱性的大小。如当灰岩含水层上覆盖一层粘土和一层等厚度或厚度较大的砂砾层时，从地下水污染脆弱性的角度考虑，粘土是最显著的介质层，因为粘土层限制污染物向含水层迁移。此时选粘土作为包气带介质是最为恰当的。,除承压层之外，DRASTIC模型对每一种介质都给定了一个评分范围。承压层的赋值永远是1。对于潜水含水层，典型评分只针对裂隙中等发育的包气带情况以及由于资料不充分无法具体确定包气带介质的评分。除此之外，用户应根据实际的地质情况适当调整每种介质评分的大小。,对于固结岩石介质，评分时还应考虑裂隙、层理和岩溶管道的发育程度。例如对于岩溶管道非常发育的灰岩包气带介质，可选择岩溶灰岩作为包气带介质，并且评分可赋值 10。当灰岩中岩溶发育不好或岩溶管道的连通性不良时，此时包气带介质应选为岩溶灰岩，但应根据岩溶管道的数量和连通情况，评分应选低一些，如9或8。还以灰岩为例，假设灰岩为非岩溶灰岩而仅是具有较小裂隙的白云岩，可选灰岩作为包气带介质，并根据裂隙的发育程度其评分值应比典型评分值6低一些。,对于非固结岩石介质，可根据介质中颗粒大小、分选性、均匀性和细颗粒组分含量进行评分。如对于含有少量细颗粒介质的砂砾石层评分应为69，对于粘土含量较高（通常以透镜体的形式出现时）的砂砾石层评分应为48；而对于以细颗粒介质（如粘土或淤泥）为主只含有少量砂砾石的包气带评分应为25；对于分选性良好的砂砾层可赋值为9，而当砂砾层中细颗粒材料的含量较大时，评分值可赋为7。,7含水层的水力传导系数（C）,水力传导系数反映含水介质的水力传输性能。在一定水力梯度下它控制着地下水的流动速率，而水的流动速率控制着污染物进入含水层之后在含水层内迁移的速率。水力传导系数是由含水层内空隙（包括孔隙、裂隙以及岩溶管道）的大小和连通程度所决定的。水力传导系数越大，污染脆弱性越高。水力传导系数是根据含水层的抽水试验计算得出的，也可用单井涌水量估计水力传导系数。,问 题？,七个指标的分值与权重是否适？除上述七个指标外，是否还有其它因素？具体地区如何实现？,如何实现？,分区叠加法：将DRASTIC模型中七个指标各自分区计算，然后叠加求和(Di值)。网格法：规则网格计算各网格中的Di值GIS耦合法,第三节 基于GIS的污染脆弱性区划,GIS简介地理信息系统（GIS）为一门新兴的集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的边缘学科。地理信息系统研究计算机技术和空间地理分布数据的结合，可以对地理空间数据和信息进行输入、存储、管理、检索、处理和综合分析等功能，为地球科学、环境科学和工程设计，乃至企业管理提供对规划、管理和决策有用的信息。随着GIS技术的日臻完善，其强大的综合分析能力、空间建模能力、实时数据库修改更新能力，已越来越广泛地应用到地下水污染脆弱性研究领域。目前越来越多的研究人员利用GIS手段进行污染脆弱性区划。,基于GIS的DRASTIC染脆弱性研究过程如下：1、资料收集:包括涉及7个指标的数据，包括监测资料、钻孔资料、地形资料、试验资料以及详细的地质资料等等。2、研究区原始资料的数字化：包括各指标参数的数字化，对每个指标建立一个数据文件，然后对数据文件进行空间分析，从而得到各参数数值分布图（栅格图或矢量图）。对于数字型参数，可用等值线或分区图表示，对于文字描述性介质参数，只能用分区图表示，并用不同的颜色来表示参数的不同值。3、指标评分图：修改描述参数数值分布的数据文件，统一每个数据文件格式，也就是说对连续变量（如D、R、T 以及 C）和文字描述性变量（如A、S 以及 I）的描述应该统一，从而得到各指标的评分值数据文件。最后利用GIS的空间分析功能，绘出各指标的评分值分布图。所有图件都应在同一底图上产生，且比例尺相同。4、输入各指标的权重值，对各指标的评分分布图进行空间分析，分别乘以与其对应的权重值，得到各指标贡献大小分布图 5、建立评价模型，把各指标贡献大小分布图叠加，得到脆弱性指数大小分布图.,根据脆弱性指数大小范围，把研究区划分为5个不同等级：（1）脆弱性高；（2）脆弱性较高；（3）脆弱性中等；（4）脆弱性较低；（5）脆弱性低。最后，在脆弱性指数分布图上用不同的颜色分别表示这5个污染脆弱性等级，得到污染脆弱性区划图。,第四节 预防地下水污染的方法,技术性措施的一般原则是：在未受污染的地区建立卫生防护带；对已经受到污染的地区，应找出污染原因，查明污染源，在此基础上隔离污染源，并对污染区进行逐步净化；对污染源即将污染含水层的地区应采取覆盖技术，人工修建盖层系统。,一、建立卫生防护带,对一个地区进行了污染脆弱性区划后，可建立以下几个卫生防护带：1、一级防护带 该带为严禁活动带，对应于污染脆弱性高区。此带应禁止一切可能引起地下水污染的活动。2、二级防护带 此带为限制活动带，对应于污染脆弱性较高区。该带应尽量避免修建各种建筑物以及人类活动，如有必要可适当修建一些居民区和适当发展一些第三产业。,3、三级防护带该带对应污染脆弱性中等区。此带可建立居民生活区、娱乐场所、以及轻工业区。4、四级防护带该带对应污染脆弱性较低区。此带可建立农业活动区、重工业区、制造业及食品加工业区。5、五级防护带该带对应污染脆弱性低区。此带可建立污水处理厂、垃圾填埋场等废物处理处置基地。,对后面四个卫生防护带必须执行如下措施：（1）任何活动必须得到卫生防疫部门和水文地质管理部门的许可。各种建筑的施工以及新钻孔的布置必须保证对地下水环境不产生负面影响。除此之外，还应确保在这些建筑物完成之后建筑物中及其周边的生产活动不会对环境造成污染。（2）及时清除地表污染源，包括地表污水、不合理堆放的固体废弃物等。（2）禁止带内任何可能引起地下水污染的工作。（3）清除（或封填）无用的、损坏了的及不合理的开采钻孔或坑道，消除它们引起污染的可能性。,二、采取隔离措施,一旦发现地下水受到污染，应视污染轻重采取相应的隔离措施。对于污染严重的情况首先应查明污染源，并对污染源进行治理，如污染源一时难以清除，应对采取隔离措施；此外还应隔离污染水体，防止继续污染以及限制污染带的扩散。对于污染较轻的情况，只要隔离污染源即可。,三、修建盖层系统,修建盖层系统从污染脆弱性的角度来说就是人为增强土壤介质（或包气带介质）对污染脆弱性的贡献，减小DRASTIC模型中污染脆弱性指数，使污染物进入含水层的可能性达到最低限度。地表或包气带固体污染源（如有害废弃物、尾矿库以及受污染的土壤等）所产生的污染物可能随着地表入渗补给的水体向含水层运移。盖层系统就能有效阻止地表水入渗补给。修建盖层系统的主要目标是减少或消除水流在废物中的运移。但需注意的是废物的特征不同，盖层系统的内在功能也不相同。,在设计盖层系统时，除考虑场地特征以及废物的种类、来源、性质等以外，还应重视场地气候情况。在干旱区，由于降雨入渗几乎可以忽略，难以形成流经废物的渗滤液，这样，废物中的污染物就不会对地下水形成很大的威胁。在可能产生渗滤液而危及地下水的潮湿气候区，就需要更加复杂的密封措施。通常需要盖顶和/或再植被来抵御侵蚀及控制入渗。在一些特别的情形下，废物堆需要多层包裹以限制入渗。在冬季有霜冻发生的地区，结冻-解冻的循环交替可破坏性高粘土含量材料的性能。因此，在修建盖层系统时应该选择合适的防冻材料。,
