地下水脆弱性

1968年Margat首次提出“地下水脆弱性"這一術語， 但在其後的二十幾年間， 有關“地下水脆弱性"概念的定義問題基本上處於眾說紛紜的狀態， 許多學者從不同的角度給“地下水脆弱性"以不同的定義。

基本介紹

• 中文名：地下水脆弱性
• 時間：1987年
• 提出者：Margat
• 機構：美國地質調查局

背景

1996年的飲用水安全法修正案開創了預防飲用水污染的新紀元，其中強調了水源管理的重要性。在美國環保署（簡稱USEPA）提出的水資源評價計畫中，要求對水資源系統進行污染脆弱性評價（美國環保署，1997）。保護飲用水的第一步，是要對水源進行評價，考慮到地下水資源可能會受到某些污染，因此，在開展這項工作時，通常要與現有的水資源保護規劃結合起來進行。許多聯邦、州和地方的水資源管理計畫中，都考慮到了地下水的脆弱性評價問題，其中包括如何確定可持續飲用水源，對地下水進行殺菌消毒，殺蟲劑管理計畫，廢棄物地下填埋和“幽禁的動物給食運作”（簡稱CAFO）等。美國國家研究院在1993年發表的一篇文章中，對政府、私人和學術機構進行地下水污染的脆弱性評價時所採用的一些方法進行了總結。根據特定的目標和可利用的資源，評價範圍包括私人水井乃至整個含水層系統，研究對象可以是針對某種污染物或某類污染物，也可以是針對所有的污染物。

基本概況

隨著整個美國對飲用水安全和生態健康需求的不斷增加，政策決策者正面臨著如何評價和管理水資源的問題。由於需要評價人為活動和天然污染源對地下水資源造成的可能污染，因此在政策制定和目標管理過程中面臨著嚴峻的挑戰。對地下水污染的脆弱性評價，既有費用相對較低的簡單定性法，也有成本相對較高的嚴格定量評價法。必須針對水資源決策者的不同需求，認真分析評價成本、防禦措施的科學性和可能存在的不確定性等因素。

地下水的科學防禦方法

科學的方法是指系統而客觀地獲取知識的原則和過程，包括認識問題、通過觀察和實驗蒐集資料、歸納和檢驗假設等。因此，科學方法不能只憑經驗或主觀判斷，而是需要根據事實進行客觀分析。科學的地下水脆弱性評價必須按照科學的方法，蒐集大量的文獻資料、觀測數據和研究方法，從而得出可靠的結論。

地下水的固有敏感性和脆弱性

地下水系統的固有敏感性取決於含水層性質（水力傳導係數、孔隙度和水力梯度），以及相關的水源和壓力（補給、與地表水的相互作用、在非飽和帶的遷移和井排泄）。因此，固有敏感性評價不能只針對特定的天然和人為污染源，相反，必須要考慮影響地表水和地下水流動的各種物理因素。

地下水資源對污染物的脆弱性取決於固有敏感性、天然和人為污染源的位置和類型、井的位置以及污染物的遷移轉化。水資源決策者通常面臨著兩種選擇，究竟是根據固有敏感性來管理水資源，還是根據更全面的地下水對特定污染物的脆弱性進行管理。

地下水流動系統概述

在天然條件下，地下水在三維空間內從補給區向排泄區流動，地下水由大氣降水獲得補給，通過非飽和帶滲入地下飽和帶；地下水的補給也可以通過地表水體獲得。飽和帶的地下水以泉、溪流、湖泊、濕地和植物蒸發蒸騰等形式進行排泄。這樣，地下水從補給區到排泄區的三維流動水體就組成了地下水流動系統。地下水流動系統的面積從幾平方米到上萬平方米不等，地下水徑流通道從幾米到幾百米不等。地下水流動系統的補給區和排泄區之間具有一定的水力聯繫。

不同的地下水流動系統，地下水的年齡（距補給的時間）也有所不同，從補給區到排泄區地下水的年齡穩定增加。在淺層地下水流動系統中，排泄區的地下水年齡從不足一天到幾百年不等，而且補給區的地下水年齡要小於排泄區。在流動通道較長（幾十英里）的地下水系統中，地下水的年齡會達到幾千年或幾萬年（見圖1）。埋深較淺和形成年代較晚的地下水對地表污染物較為敏感；而埋藏較深和形成年代較長的地下水則更容易在長期的流動的過程中接觸某些天然存在的污染物。對地下水流向和流速的認識，有助於更好地理解地下水系統固有敏感性的發生機理。

地球化學系統

為了對地下水脆弱性進行全面評價，需要了解一些特定的污染物信息。本報告中所提及的“污染物”包括對人類健康或其它方面造成不利影響的所有天然和人為形成的物質。必須在天然的地球化學系統和地下水流動系統中考慮人類對污染源和污染物遷移轉化的潛在影響。例如，如果土地利用方式（促進污染物遷移的方式）會對地下水流動系統造成一定影響，那麼水資源將更易受到污染物的影響。Welch等人（2000年）指出，人類活動會造成水井中砷濃度的升高。

特定的污染物信息包括：（1）潛在污染源信息；（2）目標污染物的化學性質；（3）污染物在地下水流動系統中的運移機制。

污染源

了解土地利用方式、潛在的污染源和地下水資源的固有敏感性之間在時間和空間上相互作用，是確定地球化學系統乃至於地下水對污染物脆弱性的關鍵。潛在的人為污染物通常位於地下水系統的邊界上，污染物會隨著補給水源進入地下水系統中。一些污染源，如防護性能較差的化糞池和儲油罐，會造成嚴重的污染問題。天然污染源與含水層的岩性和地球化學條件相關聯，有可能會出現在含水層的任何地區。

根據空間範圍，通常可以將污染源劃分為點狀污染源和非點狀污染源。點狀污染源是指污染物通過某一特定位置釋放出來，而非點狀污染源是指通過大面積範圍釋放出來污染物。也可以根據時間範圍，將污染源劃分為連續性污染源和瞬時性污染源。連續性污染源是指污染物在長期範圍內不斷釋放出來，而瞬時性污染源是指污染物只在某一時刻釋放出來。污染源類型（點源、非點源、連續性污染源和瞬時性污染源）的分類，對於確定地下水系統中污染物濃度的時間和空間分布非常重要。在某些情況，點污染源與一個或多個非點狀污染源的累積效應非常相似。

化學性質

污染物在地下水系統中的運移，會受到某些地球化學效應、放射性作用和活動性微生物的影響。某些化學變化會使某些有害污染物轉化為毒害性較小的副產物，而另一些化學作用會使污染物產生的副產物毒性比母體更強，對生態系統和人類的危害也更大。某些放射性物質在天然衰減過程中，也會產生一些副產物，比母體的危害性更大（Focazio等，2000）。在某些情況下，會發現環境中的某些降解（轉化）產物的危害遠比母體大（Kolpin等，1997）。目前，地下水修復工作越來越關注天然衰減問題，在混合、水平對流和生物降解的共同作用下，污染物的濃度會越來越小（Chapelle等，2000）。與此類似，某些化學變化會使相對穩定的組分變成移動性較強的組分，將母體轉化為某些副產物。了解地下水運動的通道和時間，以及污染物的化學性質和生物性質，是確定污染物遷移轉化以及可能產生副產物的關鍵因素。對於可以迅速轉化為其它產物的污染物，特別是轉化的產物或子產物比母體毒性更大的污染物，這一點尤為重要。另外，地下水污染的脆弱性取決於污染物的溶解性和移動性，而移動性與含水層和抽水井特定的礦物學和地球化學條件有關。

彌散和擴散

彌散和擴散是污染物在地下水中重要的運移機制，在地下水運移過程中，這些機制可以將污染物帶入到地下水系統中。運移過程中，在地下水系統的某些位置，污染物濃度可能會有所降低，而在另一些地區，污染物濃度卻會有所增加。分子擴散是指溶質在濃度梯度的作用下，由濃度高處向濃度低處運動，致使液體中的溶質濃度趨於均勻。而彌散是指由於多孔介質中孔隙系統的存在，致使流體的微觀速度在孔隙中的分布大小和方向都不均勻，流體質點的實際運動迂迴曲折。彌散使得溶質的運動比單純對流擴散的範圍更廣。

結論

科學家可以為水資源決策者提供地下水脆弱性評價和（或）固有敏感性的科學防禦信息。可以通過定量或定性方法說明評價工作中存在的不確定性，從而增加成果圖的有效性。應當將科學目標和管理目標嚴格區分開來，成功的地下水脆弱性評價與科學的防禦分析相結合，可以滿足科學目標需求，水資源決策者在此基礎上輔以一些附加信息，可以滿足管理目標的需求。