地下水環(huán)境影響及評價(jià)方法

夏杰塬　姜北

摘 要：地下水水質(zhì)評估是地下水資源評估的重要組成部分。一般來說可歸納為內(nèi)梅羅水污染指數(shù)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊評價(jià)法、單因子污染指數(shù)法、灰色評價(jià)法、物元分析法等。這些評估方法各具特色，也有各自的適用范圍和局限性。

關(guān)鍵詞：地下水;水質(zhì)評價(jià);方法

中圖分類號：S273.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190715028

1 地下水概述

1.1 地下水在建設(shè)中的意義

儲存在巖石和土壤空隙中的水稱為地下水。由于巖層的過濾和地表巖土的保護(hù)作用，地下水在水質(zhì)和衛(wèi)生條件方面都較地表水優(yōu)越，因此地下水是工農(nóng)生產(chǎn)和人民日常生活的重要供水水源。尤其是華北、西北相對干旱的地區(qū)，地表水相對稀缺，地下水的開發(fā)利用就頗為重要。此外，地下水是一種天然的礦產(chǎn)資源;地下礦水還具有醫(yī)療價(jià)值，地下熱水也是一項(xiàng)重要能源，觀測地下水還可以預(yù)報(bào)地震，分析地下水還可作為找礦的標(biāo)志。因此，地下水在發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位非常重要。但地下水同時(shí)又具有潛蝕作用，是造成巖溶、塌陷、管涌、滑坡等特殊地貌或?yàn)?zāi)害的主要營力，也會危及地下工程和建筑物的安全。因此在開發(fā)利用地下水時(shí)不能不對其有害因素予以密切關(guān)注和了解，進(jìn)行有效的防治，還要防止地下水的污染。研究地下水的目的是為了合理開發(fā)和利用地下水資源，防止污染和破壞。如果地下水被污染和破壞就很難治理和恢復(fù)，有的甚至不能再恢復(fù)，因此要十分重視保護(hù)地下水資源。

1.2 巖石的水理性質(zhì)

巖石與水有關(guān)的特性被稱為巖石的水理特性，主要有以下幾點(diǎn)。

1.2.1 持水性

巖石能保持一定水量的特性稱之為持水性。水量與巖石體積的比值稱為持水度。一般細(xì)顆粒巖石能吸附較多的水，如黏土。

1.2.2 給水性

能夠從飽和水的巖石中自由流出一定水量的特性稱之為給水性。水量與巖石體積之比稱為給水度。粗顆粒巖石給水度打，如粗砂巖。

1.2.3 透水性

巖石本身能使水透過的性能。大空隙、多空隙巖石是高透性的，如礫巖。黏土以及致密的塊狀巖石透水性最差，如玄武巖。

1.3 地下水的物理性質(zhì)

1.3.1 溫度

地下水的溫度隨地下水深度的變化而變化。由于溫度的原因，地表附近的地下水溫度呈周期性變化，但周年變化的深度一般不超過30m。在年常溫層中，水溫年變化較小，一般情況水文變化不會超過0.1℃。在常溫層以下，隨著深度的增加和地?zé)岬纳郎兀疁匾矔饾u升高。地?zé)嵩鰷馗鞯夭煌?，一般為?3m升高1℃。在某些地址條件下，由于地球內(nèi)部熱能的影響，形成地下熱水，地下熱水通過某些通道上涌，可能形成地?zé)崽铩?/p>

1.3.2 顏色

地下水通常是無色的，但有時(shí)會通過某種離子富集懸浮物或膠體物質(zhì)，顯示不同的顏色，例如，含亞鐵離子或硫化氫氣體的水為淺藍(lán)綠色，含有三氧化二鐵的水主要為棕紅色等。

1.3.3 透明度

地下水的透明度取決于水中含有的鹽、懸浮物、有機(jī)物和膠體的量。透明度分為4種類型：透明、半透明、微透明和不透明。

1.3.4 氣味

通常地下水是無味的，當(dāng)含有某種氣體成分和有機(jī)物質(zhì)時(shí)，會產(chǎn)生一定氣味。如果含有硫化氫氣體，氣味像臭雞蛋，若含有有機(jī)物質(zhì)，地下水會有魚腥味。

1.3.5 味感

地下水的味道由其化學(xué)成分決定，其與所含物質(zhì)的關(guān)系見表1。

1.3.6 比重

地下水的比重取決于水的溫度和溶解在水中的鹽。鹽越多多，比重越大。地下淡水的比重常接近于1。鹽水的比重一般用波美度（°Be）表示。當(dāng)1L水含有10g氯化鈉時(shí)，其鹽度可表示為1°Be。

1.4 地下水污染

地下水污染是指地下水在人類活動的影響下，與其“背景值”相比，地下水的發(fā)展趨勢趨于惡化的現(xiàn)象。所謂“背景值”是指未受人類影響的地下水各種組分的天然含量，超過此值謂之污染?！氨尘爸怠痹诓煌貐^(qū)的數(shù)值不同，在地下水已遭受污染、天然地下水環(huán)境已遭破壞，很難取得該地區(qū)的背景值，應(yīng)在自然條件類似，且與污染源鄰近的地區(qū)取樣。如有歷史水質(zhì)資料可借助謂參考。

地下水的污染與地表水污染不同，由于其流動緩慢，且污染物在包氣帶和含水層中產(chǎn)生各種作用，故污染過程相對緩慢，且難于發(fā)現(xiàn)。其自凈能力亦差。因此地下水遭受污染，經(jīng)治理或清除污染源后，需要相當(dāng)長的時(shí)間才嫩恢復(fù)水質(zhì)原狀。

由于地下水與大氣降水和地表水有直接或間接的水力聯(lián)系，因此地下水的污染與其他自然環(huán)境質(zhì)量密切相關(guān)。在城區(qū)，地下水的污染主要是工業(yè)廢水和生活污水沿著土壤和巖石的空隙或裂隙下滲。下滲的途徑是多方面的，如地下管道及排污溝渠、滲坑滲井、河水塘堰等地表水體的垂直下滲，遭污染的大氣降水以及海水倒灌等。在城市郊區(qū)或廣大農(nóng)村不合理的污水灌溉，過量的使用化肥。農(nóng)藥，都有可能導(dǎo)致地下水的污染。地下水的污染可分為直接污染和間接污：直接污染是地下水的污染物直接來自污染源;間接污染是污染過程中地下水污染物緩慢形成，性質(zhì)與污染源存在差異，難以查明。

2 地下水質(zhì)量評價(jià)

2.1 評價(jià)工作的目的

地下水質(zhì)量評估，是環(huán)境質(zhì)量評估的重要組成部分。特別是城市和工礦區(qū)，隨著地下水的大量開發(fā)利用，許多城市和地區(qū)的地下水已遭到不同程度的污染，有的已嚴(yán)重影響到城市的供水水質(zhì)，從而影響人們的身體健康。

根據(jù)不同用途，對地下水的水質(zhì)提出了不同的要求，根據(jù)地下水的物理性質(zhì)和化學(xué)成分，正確評價(jià)地下水的水質(zhì)，以滿足這些要求是一項(xiàng)十分重要的工作。

2.2 評價(jià)工作的準(zhǔn)備程序

地下水的水質(zhì)評價(jià)是一項(xiàng)復(fù)雜而涉及面廣的工作，一般要在對區(qū)內(nèi)水文、工程地質(zhì)條件、環(huán)境地質(zhì)問題基本查清的情況下進(jìn)行。另外還要對區(qū)內(nèi)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況、廠礦廢水及生活污水的排放情況進(jìn)行調(diào)查研究。對地下水進(jìn)行評價(jià)之前，應(yīng)進(jìn)行以下工作。

2.2.1 環(huán)境水文地質(zhì)資料的收集整理包括區(qū)域現(xiàn)有水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、礦產(chǎn)普查、地球化學(xué)等資料。此外，對地下水動態(tài)觀測、水質(zhì)分析、土壤分析、地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀、城市規(guī)劃、污染源分布、污水排放等資料進(jìn)行綜合分析。

2.2.2 環(huán)境水地質(zhì)調(diào)查如上述資料不充分，應(yīng)對該地區(qū)水文地質(zhì)開展調(diào)查。包括該區(qū)內(nèi)上部含水層的水文地質(zhì)條件、地下水的埋藏、補(bǔ)給和徑流排放條件、土層的巖性厚度以及各種污染物的降解和自凈條件。此外，有必要了解城市規(guī)劃、地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀，以及地下水的開采引起的地下水位、水質(zhì)的變化。調(diào)查該區(qū)內(nèi)污染源及污染排放形式及其對地下水的污染情況等。

2.2.3 地下水的動態(tài)觀測和水質(zhì)監(jiān)測這項(xiàng)工作是地下水質(zhì)量評估的基礎(chǔ)。除監(jiān)測地下水外，還需要同時(shí)監(jiān)測大氣降水、河水、污水和土壤。通過地下水動態(tài)觀測，可以了解該地區(qū)地下水的開采造成的水位下降，以及地下水、地表水和大氣降水之間的互補(bǔ)關(guān)系。

地下水動態(tài)觀測和水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的布局應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)特征和地下水污染性質(zhì)。采取點(diǎn)、面結(jié)合的布置原則，對整個(gè)評價(jià)區(qū)適當(dāng)控制。地下水水質(zhì)監(jiān)測的項(xiàng)目是根據(jù)評估目的確定的，但總體綜合評價(jià)應(yīng)符合生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.4 環(huán)境水文地質(zhì)勘探利用勘探鉆孔了解含水層的厚度、結(jié)構(gòu)、地下水的污染范圍、污染程度、污染物遷移路徑和擴(kuò)散等。鉆探網(wǎng)的布局取決于當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件和評估目的。

2.2.5 環(huán)境水文地質(zhì)模擬試驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^現(xiàn)場模擬試驗(yàn)、定位試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，以了解地下水污染機(jī)制和遷移變化規(guī)律、并取得定量評價(jià)的有關(guān)參數(shù)等。

3 地下水水質(zhì)評價(jià)方法

3.1 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)法也廣泛用于水質(zhì)評價(jià)。例如，通過改進(jìn)的內(nèi)梅羅法評價(jià)地下水水質(zhì)，分析黃河蘭州壩段水質(zhì)污染狀況。

3.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是自適應(yīng)簡單單元的廣泛并行互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，其組織可以模擬生物神經(jīng)系統(tǒng)與現(xiàn)實(shí)世界的相互作用。BP模型是最常用的水質(zhì)評估人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。BP網(wǎng)絡(luò)使用最陡坡降法來最小化誤差函數(shù)，并將網(wǎng)絡(luò)輸出的誤差逐層傳播到輸入層，同時(shí)分?jǐn)偟礁鲗樱@得每層單元的參考誤差，并調(diào)整人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)連接權(quán)，直到網(wǎng)絡(luò)的誤差最小化。近年來，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究愈發(fā)廣泛。

3.3 模糊評價(jià)法

由于水體環(huán)境本身存在大量不確定性因素，目標(biāo)分類和標(biāo)準(zhǔn)確定均具模糊性。因此，模糊數(shù)學(xué)在水質(zhì)評價(jià)中得到了廣泛應(yīng)用。通過檢測數(shù)據(jù)建立每個(gè)指標(biāo)及其標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度數(shù)據(jù)集，形成隸屬度矩陣，然后將因子權(quán)重集乘以隸屬度矩陣，得到模糊集，得出綜合評判集，表明各級水質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)的從屬程度，反映水質(zhì)類別的模糊性。

模糊評價(jià)法主要包括模糊聚類法、模糊綜合指數(shù)法、模糊貼近法、模糊距離法、模糊水質(zhì)分類評價(jià)法、模糊相似度選擇法、模糊綜合評價(jià)級數(shù)法等。

3.4 單因子污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)法將評價(jià)因子與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，確定各個(gè)評價(jià)因子的水質(zhì)類別，并選擇最差水質(zhì)作為項(xiàng)目水體的水質(zhì)類別。該方法可以確定水體中主要污染因子，是最廣泛使用的水質(zhì)評價(jià)方法，特別是在建設(shè)項(xiàng)目的環(huán)境影響評價(jià)中。該方法的特征值包括各評價(jià)因子的達(dá)標(biāo)率、超標(biāo)率以及超標(biāo)倍數(shù)。

3.5 灰色評價(jià)法

水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)是在有限的時(shí)間和空間內(nèi)獲得的，所以信息會出現(xiàn)不完整或者不準(zhǔn)確的現(xiàn)象。因此，水環(huán)境系統(tǒng)可以被當(dāng)做灰色系統(tǒng)，即，一些信息已知，部分信息未知或未知的系統(tǒng)。將該原理應(yīng)用于水質(zhì)綜合評價(jià)中的基本思路是：計(jì)算每個(gè)因素在水質(zhì)中的測量濃度與各水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)之間的相關(guān)性，然后根據(jù)相關(guān)程度確定水質(zhì)類別。通過與標(biāo)準(zhǔn)水體的差異程度，可評價(jià)水質(zhì)的優(yōu)劣程度。

灰色評價(jià)法主要包括灰色聚類法、灰色聚類關(guān)聯(lián)法、灰色模式識別法、等斜率灰色聚類法、區(qū)域灰色決策法、加權(quán)灰色局勢決策法、梯形灰色聚類法、灰色局勢決策法等。

3.6 物元分析法

物元分析法物元分析理論在水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)領(lǐng)域中的應(yīng)用。其思路是：通過各級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)建立經(jīng)典域物元矩陣，根據(jù)各因子實(shí)測濃度建立節(jié)域物元矩陣，然后建立各污染指標(biāo)對不同水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)級別的關(guān)聯(lián)函數(shù)，最后根據(jù)其值確定水質(zhì)的級別。

4 地下水環(huán)境保護(hù)措施

進(jìn)行地質(zhì)詳勘，探明涌水段具體位置，制定封堵施工方案;

堅(jiān)持“以防為主、防堵結(jié)合，限量排放”的原則;

布置超前水平鉆孔探測。

開展地質(zhì)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決;

制定突水應(yīng)急措施，減少突水風(fēng)險(xiǎn)造成的損失;

設(shè)立補(bǔ)償機(jī)制，因工程而斷流的水井應(yīng)另打井作為補(bǔ)償，打井費(fèi)用應(yīng)列入基礎(chǔ)設(shè)施補(bǔ)償費(fèi)中。

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作者簡介：

夏杰塬，碩士研究生，研究方向：水文學(xué)及水資源。