基于arcgis的地下水污染荷载评估——以川东南某市为例

基于arcgis的地下水污染荷载评估 ——以川东南某市为例

郭宗会 1 ，赵文楷 1 ，杨广焱 1，2 ，刘 洋 1 ，林勇征 1

(1.四川省天晟源环保股份有限公司，成都 610037；2.四川省地质矿产勘查开发局成都水文地质工程地质队，成都 610032)

摘要： 地下水作为我国重要的备用水资源，其作用不可替代。近年来，人类活动对地下水造成了难以恢复的影响。为评估研究区污染源对地下水的影响，通过开展研究区污染源调查，建立地下水污染荷载评估指标体系，采用arcgis叠加分析方法，评估地下水污染荷载。结果表明，研究区地下水污染荷载(PI)最终分为5个等级，最终分区受工业污染源和矿山开采区影响较大，受垃圾填埋场和危废处置场影响较小，分值高区域主要分布在研究区中部长江沿线一带，与工业企业污染源分布具有高度耦合性。本次研究为摸清研究区内地下水污染程度、探索地下水污染防治方法、改善地下水环境质量、合理开发利用地下水资源提供了依据。

关键词： 地下水；污染源；污染荷载；指标体系；arcgis

前 言

地下水资源具有分布广、资源量相对稳定、不易受人类活动影响等特点 [1～4] 。随着社会的进步，城市向工农业化转型，不管是工业污水排放还是农灌水的回灌，都会对不同类型地下水带来各种各样的污染 [5-6] ，造成土壤及地下水中部分污染物含量升高 [7～9] ，尤其是浅层地下水，受到人类活动中工业废弃物、农药、化肥以及土壤污染元素淋滤迁移的影响更为显著。地下水尤其是基岩裂隙水一旦受到污染，往往具有隐蔽性和持久性，且治理时间长、治理费用高 [10-11] 。arcgis作为地理信息系统构建和应用平台，具有地图绘制、底图矫正、权重数据叠加等数据分析处理功能，同时能与CAD、mapgis、excel等软件较好的兼容，因此应用广泛，如以arcgis为平台对地形坡度赋值 [12-13] ，梁乃生基于ARCGIS建立水环境功能区划空间数据库 [14] ，孙东 [15] 等采用gis对四川天府新区开展了地下水污染荷载评估，孙才志 [16] 、唐学芳 [17] 、朱占雄 [18] 等学者采用arcgis数据处理功能对开展了不同区域的地下水脆弱性研究川东南片区地下水空间分布不均、赋存条件复杂多样、地下水环境保护未得到重视、加之长江沿线一带工业企业分布较多，地下水污染未得到有效制止，地下水环境质量水平降低。前人主要从水资源量上研究了区域地下水的现状，但在地下水水质方面的研究尚有欠缺。本文通过调查研究区内相关污染源，采用arcgis数据叠加分析功能对研究区内工业企业、垃圾填埋场、矿山开采区等主要污染源开展地下水污染荷载评估。本次研究对研究区内地下水污染防治、地下水质量改善、地下水环境保护、地下水资源的合理开发利用等方面具有重要意义 [19～22] 。

1 研究区概况

研究区位于四川省东南部，地势总体南高北低；区内地层出露较为完整，从新生界第四系(Q)到古生界的寒武系( )均有出露，其中中生界白垩系(K)和侏罗系(J)砂岩、砂泥岩地层在该研究区内分布最广。研究区内水文地质条件与区域地形地貌、地层发育、地质构造等多方面因素有关。如图1所示，地下水类型以红层砂泥岩层间裂隙水为主，遍布整个研究区中-北部；其次南部古蔺-叙永一带主要分布碳酸盐岩类裂隙溶洞水；第四系松散岩类孔隙水仅零星分布于长江流域两侧阶地；受构造影响，在古蔺北东角零星出露有岩浆岩基岩裂隙水。

图1 研究区水文地质图 Fig.1 Hydrogeological map of study area

2 污染源基础状况

此次研究区内污染源基础状况主要通过资料收集和现场踏勘查明。区内主要的污染源分布情况如表1和图2所示。

表1 污染源类型分布数量统计表 Tab.1 Statistical table of pollution source type distribution

图2 污染源分布图 Fig.2 Pollution source distribution map

工业企业污染源作为研究区内主要污染源，多分布在长江流域沿线工业聚集区内，行业类型以化学原料及化学制品制造业为主；其次为矿山开采区，多分布在研究区南部及北部，以煤炭开采和硫铁矿开采为主；垃圾填埋场和危废处置场相对较少，主要分布在研究区中部。

3 污染荷载指标体系的建立及方法

3.1 指标体系的建立原则

论文通过对研究区建立指标体系的方法开展地下水污染荷载评估，以地下水污染荷载为基础，建立合理的可全面反映地下水污染荷载的指标体系。指标体系的建立不仅需遵从科学性、整体性原则，同时还需要考虑区域性、定性和定量相结合的原则 [23-24] ，针对不同类型评价的指标体系选取过程还需有一定的针对性和侧重性。

3.2 指标体系的建立

3.2.1 单指标污染荷载评估

根据研究区污染源类型、污染源分布及污染物特点，参考《地下水污染防治分区划分工作指南》 [25] (以下简称“工作指南”)，构建指标体系   [26～29] ，如图3所示。

图3 研究区污染荷载评估指标体系 Fig.3 The evaluation index system of pollution source load in the study area

单个污染源荷载风险计算公式如式(1)：

P i = T i × L i × Q i

(1)

式(1)中：

P i -单指标污染荷载风险指数；

T i -污染物毒性；

L i -污染物释放的可能性；

Q i -污染物可能释放的量。

①总目标层：污染荷载风险指数(P i )反映不同类型的污染源对地下水的影响，可为单个污染源或多个(种)污染源。

②属性约束层：反映污染源自身特征，主要表征方式为污染物毒性(T i )、污染物释放的可能性(L i )以及污染物可能释放的量(Q i )。

③指标类别层：分别对属性约束层进行具体表征，其中a.污染物毒性(T i )通过污染物的毒性或行业类别确定，如表2所示；b.污染物释放的可能性(L i )通过不同的指标表征，大致为污染年份和防渗措施实施情况，如表3所示；c.污染物可能释放的量(Q i )主要通过污染源的规模和污染物排放量来表征，如表4所示；以上T i 、L i 、Q i 评分均参照“工作指南”确定 [22] ，评分越高则表示对地下水造成污染的可能性会更大。

表2 污染源毒性(T i )评分表 Tab.2 Pollution source toxicity(T i )score table

表3 污染源释放污染物的可能性(L i )评分表 Tab.3 Rating scale for Possibility of pollutant release from pollution sources (L i )

表4 污染源可能释放污染物的量(Q i )评分表 Tab.4 Rating scale for possible release amount of pollutants from pollution sources (Q i )

3.2.2 综合污染荷载评估

根据上述方法计算出Pi，参照“工作指南”确定不同污染源权重 [25] (如表5所示)，采用GIS空间叠加分析功能进行了综合评价 [17] ，按照单指标污染荷载指数(Pi)和综合污染荷载综合指数(PI)由小到大依次分为低、较低、中等、较高和高5个等级 [30] 。其中垃圾填埋场和危废处置场由于数量较少，区划数据根据实际情况进行了一定的调整，污染荷载指数(Pi)和污染区划等级对应表如表6所示，形成单个污染源和综合污染源的荷载分区区划图，采用Gis计算方法见式(2)。

PI =∑ W i × P i

(2)

式(2)中：

PI-污染荷载综合指数；

W i -荷载指标权重；

P i -单指标污染荷载风险指数。

表5 荷载指标权重(W i )取值参考表 Tab.5 Load index weight (W i )value reference table

表6 污染荷载指数(P)和污染区划等级对应表 Tab.6 The corresponding table of pollution load index (P)value and pollution zoning grade

4 污染荷载评估结果

4.1 单指标污染荷载评估结果

根据上述评价方法，分别对研究区工业企业污染源、矿山开采区、垃圾填埋场和危废处置场按照式(1)进行计算，采用GIS数据叠加分析功能，绘制出单指标污染荷载评估区划结果如图4所示。

4.1.1 如图4(a)所示，其污染荷载分区与污染源分布一致，重点行业企业污染荷载较高～高区域分布在长江沿线，且长江沿岸工业企业发展较早、工业场地年限相对较长、重污染企业相对较多。

4.1.2 如图4(b)所示，矿山开采区污染荷载较高～高区域分布在研究区南部，主要为硫铁矿开采区域。

4.1.3 如图4(c)、图4(d)所示，垃圾填埋场和危废处置场污染荷载高的区域零星分布于研究区中部，污染荷载较高的原因主要为地面防渗等防护措施相对较差。

图4 单指标污染荷载分区图 Fig.4 Single index pollution load zoning map

4.2 综合污染荷载评估结果

根据区域内各个污染源的分布和污染特性，按照式(2)评价方法，在GIS环境下对单个污染源进行叠加形成地下水综合污染荷载区划图，如图5所示。

图5 综合污染荷载分区 Fig.5 Comprehensive pollution source load zoning

4.2.1 综合污染荷载高的区域与工业污染荷载高区域一致，均位于长江沿线，受工业污染源影响较大。

4.2.2 综合污染荷载较高区域分布在区域南部古蔺县、北部泸县及中部纳溪区，受工业企业污染源和矿山开采区影响较大。

4.2.3 对比综合污染荷载与单指标污染荷载分区，可见其分区与污染源尤其是工业企业污染源具有高度耦合性。

5 结 论

5.1 文中以泸州市污染源为基础，分析研究区污染源的种类和分布。工业企业污染源主要分布在长江沿线、矿山开采区主要分布在研究区南部和北部、垃圾填埋场和危废处置场零星分布在研究区内。

5.2 工业污染源污染荷载较高-高区域分布在长江流域沿线的纳溪区、龙马潭区、江阳区及合江县；矿山开采区污染荷载较高-高区域均在研究区南部的古蔺县和叙永县；垃圾填埋场和危废处置场污染荷载较高区域零星分布于研究区中部。

5.3 综合污染荷载评估结果表明：研究区大部分区域污染荷载低-中等，污染源荷载较高区域分布在泸县中部、纳溪区北部、古蔺县中部，污染荷载高区域分布在合江县北部、纳溪区北部、龙马潭区南部的工业聚集区。

5.4 文中通过对比综合污染荷载评估和单只表污染荷载分区，可见工业企业、矿山开采区对研究区地下水影响相对较大，危废处置场和垃圾填埋场对地下水影响相对较小，表明综合污染荷载分区与污染源尤其是工业企业污染源分布具有高度耦合性；同时，各类污染源对地下水影响与污染源的种类、行业类别、生产年限、防护措施、规模大小等因素密切相关。

5.5 本次研究为研究区地下水污染防治、地下水质量改善、地下水环境保护、地下水资源的合理开发利用提供了数据支撑，并为有关部门制定地下水环境保护措施提供了依据。

5.6 通过该研究，建议加强对地下水污染荷载高、较高区域重点排污单位的监管，并严格控制处理未达标废水的排放；同时可采取同类型排污单位集中建设，废水集中处理的方式以达到保护地下水环境和集约发展的目的。