周永柱,劉 銳,馬 騰,陳 娟

(1.河北地質(zhì)職工大學(xué),河北 石家莊 050081;2.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院,北京 100081;3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430078;4.河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院,河北 石家莊 050000)

地下水水源地是指對(duì)城鎮(zhèn)或工農(nóng)業(yè)供水具有價(jià)值的已集中開(kāi)采和可能集中開(kāi)采地下水資源的地段[1],由取水構(gòu)筑物、泵房、供水管網(wǎng)、地下水污染監(jiān)測(cè)網(wǎng)等構(gòu)成。地下水是我國(guó)重要的供水資源,其埋藏較深,不易受到人為污染,并含有對(duì)人體有益的微量元素;地下水的水量穩(wěn)定,因其具有一定的調(diào)蓄能力而在一定程度上能夠被長(zhǎng)期利用[2]。地下水水源具有良好的應(yīng)急作用,在常規(guī)水源出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)地下水水源地能起到臨時(shí)供水的作用[3]。近年來(lái),隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展,用水量在逐年增加,導(dǎo)致在地下水水源地的開(kāi)發(fā)、管理和保護(hù)等方面出現(xiàn)了諸多問(wèn)題,這不僅威脅著地下水的供水安全及應(yīng)急功能,甚至造成生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化。然而,目前的研究大多只關(guān)注于地下水水源地本身,忽略了水源地開(kāi)發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響,相關(guān)的研究也較為薄弱。

地下水生態(tài)系統(tǒng)是指與地下水有依賴(lài)關(guān)系的生態(tài)系統(tǒng),由依靠地下水而生存的植物、動(dòng)物及其他有機(jī)體群落與環(huán)境組成,主要包括濕地生態(tài)系統(tǒng)、陸地植物生態(tài)系統(tǒng)、河流基流生態(tài)系統(tǒng)、泉水生態(tài)系統(tǒng)和含水層生態(tài)系統(tǒng)等[4],不同的生態(tài)系統(tǒng)對(duì)地下水的依賴(lài)程度不同。地下水生態(tài)系統(tǒng)是一類(lèi)極其重要且敏感的生態(tài)環(huán)境因子,因此應(yīng)當(dāng)從保護(hù)生態(tài)安全的角度出發(fā)來(lái)開(kāi)展地下水水源地的開(kāi)發(fā)、保護(hù)和管理工作。本文總結(jié)了目前我國(guó)在地下水水源地開(kāi)發(fā)與保護(hù)工作中存在的一系列問(wèn)題,包括:缺乏生態(tài)脆弱區(qū)的地下水保護(hù)區(qū)劃分機(jī)制[5];未充分考慮生態(tài)需水量和預(yù)留環(huán)境用水量,導(dǎo)致區(qū)域降落漏斗等一系列生態(tài)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題[6];人類(lèi)工農(nóng)業(yè)活動(dòng)排放的大量有毒有害物質(zhì)進(jìn)入地下水系統(tǒng)后隨水循環(huán)進(jìn)而危害其他生態(tài)系統(tǒng)等[7-8]?；谏鲜鰡?wèn)題綜述了國(guó)內(nèi)外地下水水源地生態(tài)保護(hù)工作的研究進(jìn)展,提出引入生態(tài)水位來(lái)合理評(píng)價(jià)地下水可開(kāi)采量,在充分考慮生態(tài)脆弱性的基礎(chǔ)上建立地下水水源地生態(tài)脆弱保護(hù)區(qū),完善地下水水源地潛在污染物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)以及使用生態(tài)友好型地下水污染修復(fù)技術(shù)等方面的對(duì)策與建議,為我國(guó)地下水水源地的生態(tài)安全保障工作提供了理論基礎(chǔ)。

1 我國(guó)地下水水源地開(kāi)發(fā)與保護(hù)的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

1.1 我國(guó)地下水水源地概況

根據(jù)《全國(guó)地下水污染防治規(guī)劃(2011—2020年)》[9],我國(guó)地下水資源量多年平均為8 218億立方米,其中南方地區(qū)(占全國(guó)國(guó)土面積36%)地下水資源量為5 760億m3,北方地區(qū)(占全國(guó)國(guó)土面積64%)地下水資源量為2 458億m3。根據(jù)水利部第一次全國(guó)水利普查公報(bào)(2013年),我國(guó)共有地下水水源地1 847個(gè),其中90%以上的地下水水源地為中小型水源地,而特大型地下水水源地有16個(gè)(表1),北方地區(qū)供水水源更依賴(lài)地下水資源,其地下水水源地?cái)?shù)量明顯高于南方。據(jù)環(huán)境保護(hù)部開(kāi)展的全國(guó)地下水飲用水源地基礎(chǔ)環(huán)境狀況調(diào)查結(jié)果(2017年),全國(guó)城鎮(zhèn)地下水飲用水源地共1 763個(gè),供水服務(wù)人口為1.32億。其中大型地下水飲用水源地有147個(gè),占地下水水源總數(shù)的8.34%;中型地下水飲用水源地有493個(gè),占地下水水源總數(shù)的27.96%;小型地下水飲用水源地有1 123個(gè),占地下水水源總數(shù)的63.70%;開(kāi)展常規(guī)監(jiān)測(cè)的地下水水源地1 343個(gè),占地下水飲用水水源地總數(shù)的76.18%。

表1 我國(guó)地下水水源地規(guī)模統(tǒng)計(jì)表

我國(guó)目前共有21個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)平原區(qū)存在地下水超采區(qū),總面積近30萬(wàn)km2。地下水水位持續(xù)下降和地下水資源衰竭引發(fā)了地面沉降、海水入侵、土地荒漠化、地面塌陷和地裂縫、水質(zhì)惡化等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。此外,由于地下水水源地保護(hù)和管理不善,產(chǎn)生了一定程度的地下水污染問(wèn)題。根據(jù)《全國(guó)城市飲用水安全保障規(guī)劃(2006—2020年)》數(shù)據(jù),全國(guó)近20%的城市集中式地下水水源水質(zhì)劣于Ⅲ類(lèi)。部分城市飲用水水源水質(zhì)超標(biāo)因子除常規(guī)化學(xué)指標(biāo)外,甚至出現(xiàn)了致癌、致畸、致突變污染指標(biāo)。根據(jù)環(huán)境保護(hù)部2013年全國(guó)地下水飲用水源地專(zhuān)題調(diào)查結(jié)果,常規(guī)指標(biāo)達(dá)標(biāo)地下水水源地1 579個(gè),占城鎮(zhèn)地下水水源地總數(shù)的90.3%;常規(guī)指標(biāo)超標(biāo)地下水水源地170個(gè),592.99萬(wàn)人飲用水水源存在安全隱患。

1.2 我國(guó)地下水水源地開(kāi)發(fā)與保護(hù)中存在的問(wèn)題

1.2.1 地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分存在的問(wèn)題

水源地保護(hù)區(qū)是國(guó)家防治水源地污染、保護(hù)水源地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量而劃定并要求加以特殊保護(hù)的區(qū)域[10]。2007年國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局發(fā)布的《飲用水水源地保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》[11]根據(jù)不同地下水水源地類(lèi)型和規(guī)模提出了飲用水水源地保護(hù)區(qū)劃分的原則、方法和要求。考慮地下水的生態(tài)效應(yīng),我國(guó)地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分工作仍存在以下問(wèn)題:

1) 缺乏對(duì)承壓水水源地補(bǔ)給區(qū)的生態(tài)保護(hù)。目前我國(guó)地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分的方法都是在抽水井周?chē)貐^(qū)劃定保護(hù)區(qū),但該方法多適用于潛水型水源地。而對(duì)于承壓水水源地而言,由于其埋深較大,垂向滲透能力弱,對(duì)地下水水質(zhì)影響最大的當(dāng)屬補(bǔ)給區(qū)。而承壓水水源地的補(bǔ)給區(qū)往往遠(yuǎn)離采水區(qū),徑流途徑較長(zhǎng),可能與多個(gè)地表生態(tài)系統(tǒng)存在水力聯(lián)系[12]。因此,僅在抽水井附近圈定保護(hù)區(qū)效果不太理想,還應(yīng)結(jié)合不同地下水水源地的水文地質(zhì)條件,確定其補(bǔ)給來(lái)源和范圍,加強(qiáng)對(duì)承壓水水源地補(bǔ)給區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

2) 缺乏對(duì)不同類(lèi)型地下水水源地保護(hù)區(qū)范圍調(diào)整的準(zhǔn)則。我國(guó)《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》[11]中主要介紹了平原地區(qū)地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分的細(xì)則,而對(duì)于傍河型地下水水源地、山前沖洪積扇型地下水水源地及沿海地區(qū)地下水水源地保護(hù)區(qū)的劃分范圍也需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整[13],否則可能會(huì)通過(guò)水力交換對(duì)地下水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。例如,若水源井距河流距離小于保護(hù)區(qū)半徑,那么對(duì)傍河型地下水水源地保護(hù)區(qū)進(jìn)行劃分時(shí)就應(yīng)加入對(duì)河流段的保護(hù);很多沿海地區(qū)水源地在開(kāi)采地下水過(guò)程中可能受到海水入侵的影響,因此需要增大海洋方向的保護(hù)區(qū)半徑。

3) 缺乏對(duì)生態(tài)脆弱區(qū)地下水保護(hù)區(qū)的劃分機(jī)制。地下水具有十分重要的生態(tài)價(jià)值,其參與自然界水循環(huán)物質(zhì)與能量的交換,具有對(duì)生態(tài)系統(tǒng)及地質(zhì)環(huán)境安全的維持能力以及對(duì)生態(tài)環(huán)境修復(fù)與改善的支持力。如果在干旱區(qū)和半干旱區(qū)等生態(tài)脆弱地區(qū)不及時(shí)設(shè)立地下水保護(hù)區(qū),將會(huì)對(duì)地下水系統(tǒng)造成影響,進(jìn)而破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)平衡。因此,針對(duì)生態(tài)脆弱區(qū),應(yīng)當(dāng)單獨(dú)設(shè)立地下水保護(hù)區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)和方法。

1.2.2 地下水水源地不合理開(kāi)發(fā)引起的生態(tài)失衡問(wèn)題

地下水資源與生態(tài)環(huán)境之間有著十分重要的關(guān)系,生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)作對(duì)地下水系統(tǒng)具有極強(qiáng)的依賴(lài)性[14]。人類(lèi)活動(dòng)過(guò)度開(kāi)發(fā)地下水資源,未充分考慮生態(tài)環(huán)境的需要和預(yù)留環(huán)境用水量,破壞了生態(tài)平衡,導(dǎo)致一系列生態(tài)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題[6]。對(duì)水源地不合理開(kāi)發(fā)存在的、可能導(dǎo)致的生態(tài)失衡問(wèn)題主要概括如下:

1) 生態(tài)環(huán)境退化。長(zhǎng)期超采地下水導(dǎo)致地下水水位持續(xù)下降,地下水儲(chǔ)量急劇減少,生態(tài)水循環(huán)被破壞,造成水土流失加劇,城市湖泊萎縮消失,平原或濕地干涸,進(jìn)而引發(fā)地表植被衰亡、土壤鹽漬化和土地荒漠化等生態(tài)退化現(xiàn)象。

2) 地質(zhì)災(zāi)害。長(zhǎng)期超采地下水導(dǎo)致的地下水水位下降可能形成區(qū)域性地下水水位降落漏斗,且漏斗面積隨超采時(shí)間不斷擴(kuò)大。另外,超采也會(huì)造成黏性土層壓密釋水,從而引發(fā)地裂縫、地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害和導(dǎo)致次生生態(tài)環(huán)境惡化[15]。如:常州地區(qū)地面沉降增加了當(dāng)?shù)氐牡屯轁竦孛娣e,導(dǎo)致耕地沼澤化[16];美國(guó)加利福尼亞地區(qū)由于超采地下水引發(fā)黏性土孔隙水向含水層釋放,造成含水層砷污染[17]。

3) 地下水水質(zhì)惡化。地下水超采破壞了原有的水文地質(zhì)條件,增大了局部地區(qū)的水力梯度。在存在污染源的條件和水力梯度的驅(qū)動(dòng)下,污染水體(地表水甚至海水)將向地下水開(kāi)采層運(yùn)移。受污染的地下水進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)后不僅會(huì)對(duì)工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成影響,還會(huì)破壞生物多樣性,甚至對(duì)人類(lèi)健康造成威脅[18]。

4) 生態(tài)脆弱區(qū)地下水可開(kāi)采量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不完善。目前我國(guó)在進(jìn)行地下水可開(kāi)采量評(píng)價(jià)時(shí)對(duì)生態(tài)環(huán)境約束條件考慮不夠,因此其評(píng)價(jià)結(jié)果與生態(tài)環(huán)境聯(lián)系較弱。在干旱、半干旱等生態(tài)較脆弱地區(qū),地下水是可持續(xù)發(fā)展的重要因素,對(duì)維系地表植被、抑制荒漠化、保護(hù)生物多樣性有著顯著的生態(tài)意義。若不能基于生態(tài)角度評(píng)價(jià)地下水可開(kāi)采量,過(guò)量開(kāi)采地下水必將導(dǎo)致干旱、半干旱地區(qū)生態(tài)脆弱性加劇,引發(fā)植被破壞、荒漠化加劇等嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題[19]。

5) 生態(tài)環(huán)境退化的影響范圍廣。在地下水水源地選擇方面,如果僅考慮需水量要求,而將水源地選擇在含水層層數(shù)多、厚度大、滲透性強(qiáng)、分布廣及可以最大限度攔截區(qū)域地下徑流、能充分奪取各種補(bǔ)給量的地段,則會(huì)在含水層被疏干后造成河道斷流、泉水停噴等生態(tài)環(huán)境退化的影響范圍擴(kuò)大。

1.2.3 地下水污染引起的生態(tài)問(wèn)題

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,大量工業(yè)廢水的不安全排放及農(nóng)業(yè)化肥的不合理使用導(dǎo)致大量有毒有害物質(zhì)進(jìn)入地下水系統(tǒng),并進(jìn)入土壤、動(dòng)植物甚至人體中,對(duì)人體健康及生態(tài)安全有著巨大的威脅。因此,地下水污染防治是保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要舉措。我國(guó)地下水污染主要包括以下幾種類(lèi)型[7]:

1) 地下淡水過(guò)量開(kāi)采導(dǎo)致海水入侵。以華北平原為例,在多次海侵海退過(guò)程中,海相碘將賦存于含水層沉積物和孔隙水中[20],伴隨沉積物碘的埋藏-溶解、壓密-釋放及地下水的蒸發(fā)-濃縮,可能導(dǎo)致高碘地下水的形成[21]。長(zhǎng)期碘攝入過(guò)高可導(dǎo)致甲狀腺腫大、甲狀腺功能減退等甲狀腺自身調(diào)節(jié)功能紊亂的疾病,還可誘發(fā)或促進(jìn)自身免疫性甲狀腺炎[22]。

2) 地表污(廢)水排放和農(nóng)耕污染造成的硝酸鹽等污染。農(nóng)業(yè)化肥如氮肥的使用,使含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化成為硝酸鹽及亞硝酸鹽,長(zhǎng)期飲用含此類(lèi)物質(zhì)的地下水可能致癌、致畸、致突變。另外,使用受污染的地下水灌溉農(nóng)田會(huì)改變土壤結(jié)構(gòu),降低土壤質(zhì)量,減弱農(nóng)作物的抗病力,使農(nóng)作物減產(chǎn),無(wú)法耕作。孫亞喬[23]通過(guò)研究察爾汗鹽湖開(kāi)發(fā)造成的地下水污染對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響,發(fā)現(xiàn)由于工業(yè)廢棄鹵水的排放造成地下水礦化度升高,鹽湖中鹵蟲(chóng)的生殖繁衍受到影響,鹽湖鹽沼的許多鹽生植物枯死,土壤失去植物根系的固定而沙化,加劇了鹽土的鹽堿化程度和沙漠化程度。

3) 石油和石油化工產(chǎn)品的污染。因地下設(shè)施的長(zhǎng)期使用、維護(hù)不良及材料腐蝕等問(wèn)題引發(fā)石油化工品的泄漏,這些泄漏的石油化工品進(jìn)入含水層后會(huì)造成地下水的污染[24]。石油污染物多為有機(jī)物,對(duì)人體的神經(jīng)系統(tǒng)健康等均有不良影響,并具有致癌風(fēng)險(xiǎn)。莫欣岳等[25]對(duì)某石油化工污染場(chǎng)地地下水中苯的暴露途徑和健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià),結(jié)果表明地下水對(duì)人體產(chǎn)生的疊加致癌風(fēng)險(xiǎn)較高,對(duì)人體健康的危害較大,并提出了地下水中苯的修復(fù)目標(biāo)。

4) 垃圾填埋場(chǎng)滲漏污染。填埋場(chǎng)中的水分經(jīng)垃圾層與覆蓋層滲濾而形成一種高濃度的有機(jī)廢水,其成分復(fù)雜且含有大量有機(jī)物和重金屬。王坤等[26]對(duì)濟(jì)南最大生活垃圾填埋場(chǎng)滲濾液及周?chē)叵滤M(jìn)行了檢測(cè),結(jié)果滲濾液中共檢出了11種新興有機(jī)污染物,地下水中共檢出了7種新興有機(jī)污染物,表明垃圾滲濾液造成的環(huán)境污染較嚴(yán)重。隨著地下水的流動(dòng),垃圾滲濾液造成污染的范圍將會(huì)不斷擴(kuò)大,對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害也將會(huì)更為嚴(yán)重。

2 地下水水源地管理優(yōu)化

2.1 科學(xué)劃定地下水水源地保護(hù)區(qū)

地下水水源地保護(hù)已經(jīng)成為國(guó)際上關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一,建立地下水水源地保護(hù)區(qū)對(duì)防止地下水污染、保證地下水生態(tài)環(huán)境效益具有重要作用[27]。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究成果,地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分方法主要分為簡(jiǎn)化圖形法、分析法、水文地質(zhì)描繪法、綜合多種方法的組合法、解析解模型法和數(shù)值解模型法六種,每一種方法又包括多種不同的實(shí)現(xiàn)方式,因此要因地制宜、實(shí)事求是地選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)和方法。

針對(duì)我國(guó)地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分存在的問(wèn)題,應(yīng)從含水層介質(zhì)、地下水埋藏條件、地下水開(kāi)采規(guī)模和賦存地點(diǎn)等不同角度對(duì)地下水水源地進(jìn)行劃分并分類(lèi)組合。按照地下水水源地賦存地點(diǎn)的分類(lèi),對(duì)傍河型地下水水源地、山前沖洪積扇型地下水水源地、地下水溢出帶水源地及沿海地區(qū)地下水水源地保護(hù)范圍應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整;對(duì)不同類(lèi)型的地下水水源地進(jìn)行保護(hù)區(qū)劃分時(shí)應(yīng)當(dāng)因地制宜,不照搬國(guó)外模式;劃分地下水水源保護(hù)區(qū)時(shí)要考慮生態(tài)保護(hù)工作,生態(tài)脆弱區(qū)具有重要生態(tài)保護(hù)意義且生態(tài)系統(tǒng)對(duì)地下水變化十分敏感,這類(lèi)區(qū)域包括干旱、半干旱地區(qū)的天然綠洲及邊緣區(qū)域、具有重要意義的濕地和自然保護(hù)區(qū)等,在此類(lèi)地區(qū)不僅要建立地下水水源地保護(hù)區(qū),還應(yīng)基于合理的水質(zhì)、水量及生態(tài)水位標(biāo)準(zhǔn),建立生態(tài)脆弱保護(hù)區(qū),防止?jié)竦赝嘶途G洲荒漠化;將地下水防污性能研究引入到水源地保護(hù)區(qū)劃分工作中[28],加強(qiáng)地下水水源地保護(hù)區(qū)的生態(tài)管理,避免保護(hù)區(qū)內(nèi)的水源遭到污染破壞。何長(zhǎng)英等[29]根據(jù)地下水補(bǔ)給條件、含水層富水性及開(kāi)采條件、生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型和地下水開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀等因素,將青海省生態(tài)脆弱保護(hù)區(qū)劃分為綠洲生態(tài)脆弱保護(hù)區(qū)、濕地保護(hù)區(qū)、多年凍土環(huán)境脆弱區(qū)3個(gè)大區(qū)和30個(gè)亞區(qū),加強(qiáng)了地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)和地下水資源保護(hù)的力度。馮宇鵬等[30]針對(duì)內(nèi)蒙古呼倫貝爾市的地下水生態(tài)保護(hù)規(guī)劃工作,點(diǎn)明建立地下水生態(tài)保護(hù)指標(biāo)體系是難點(diǎn),并提出了地下水水源地保護(hù)區(qū)規(guī)范化建設(shè)、水源涵養(yǎng)與生態(tài)保護(hù)、節(jié)約用水與水源替代、地下水壓采等九大措施體系,嚴(yán)格控制地下水開(kāi)采量和生態(tài)水位,建立地下水資源承載能力監(jiān)測(cè)預(yù)警長(zhǎng)效機(jī)制,以保障地下水生態(tài)系統(tǒng)得到有效保護(hù)和良好維系。

2.2 科學(xué)評(píng)價(jià)地下水水源地開(kāi)采規(guī)模

考慮到地下水水位下降引發(fā)的生態(tài)環(huán)境惡化,應(yīng)在地下水可開(kāi)采量評(píng)價(jià)中引入生態(tài)水位的概念,增加地下水生態(tài)效應(yīng)在選擇地下水可開(kāi)采量評(píng)價(jià)方法中的比重,以避免地下水可開(kāi)采量滿(mǎn)足當(dāng)前評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)但會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成負(fù)面影響的情況。

地下水生態(tài)水位是指滿(mǎn)足生態(tài)環(huán)境要求、不造成生態(tài)環(huán)境惡化的地下水水位[31],主要受地形、植被條件、地質(zhì)結(jié)構(gòu)及地貌的影響。地下水生態(tài)水位是由一系列滿(mǎn)足生態(tài)環(huán)境要求的地下水水位構(gòu)成,是一個(gè)隨時(shí)空變化的函數(shù)。它是以維護(hù)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)發(fā)展為條件的一個(gè)地下水水位動(dòng)態(tài)變化區(qū)間,其確定應(yīng)以植物生長(zhǎng)對(duì)地下水的最低需求和不導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境及地質(zhì)環(huán)境惡化為原則[32]。王讓會(huì)等[33]根據(jù)地下水、土壤水、植物生長(zhǎng)和環(huán)境之間的定量關(guān)系將地下水生態(tài)水位分為沼澤化地下水水位、鹽漬化地下水水位、適宜地下水水位、警戒地下水水位、沙漠化地下水水位、山前傾斜平原地下水水位、海水入侵型地下水水位、地面沉降型地下水水位8種類(lèi)型。

我國(guó)干旱、半干旱地區(qū)面積占全國(guó)國(guó)土面積的三分之一,在沙漠、戈壁等極端干旱區(qū)或缺水區(qū),地下水資源對(duì)維持河流基流量與湖泊的水域和濕地面積、提供地表植被生理需水、調(diào)節(jié)土壤含水量和含鹽量、維持地質(zhì)環(huán)境的穩(wěn)定性等方面具有重要的作用,是構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)條件之一。地下水資源的合理開(kāi)發(fā)與利用關(guān)系到整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的平衡,因此地下水開(kāi)采必須采用科學(xué)的模式,即地下水多的地區(qū)以井灌為主、泉水溢出帶以泉水為主、把地表水引到不易灌溉的地區(qū)[34]。

3 地下水水源地水質(zhì)安全保障

地下水水源地水質(zhì)安全是關(guān)系到整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)作的重要因素。地下水資源管理不當(dāng)可能影響植被安全,破環(huán)物種多樣性,甚至威脅人類(lèi)健康。地下水污染源是指可能向地下水系統(tǒng)中泄漏有毒有害物質(zhì)、釋放有害能量、對(duì)地下水正常功能構(gòu)成一定威脅的對(duì)象,包括生產(chǎn)裝置、設(shè)備、地表水體及覆蓋土壤等[35]。預(yù)防地下水污染、隔離和修復(fù)污染源是維持地下水水源地生態(tài)安全的重要舉措。

3.1 預(yù)防性措施

3.1.1 地下水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是評(píng)估由于一種或多種外界因素導(dǎo)致可能發(fā)生或正在發(fā)生的不利生態(tài)影響的過(guò)程。其目的是幫助環(huán)境管理部門(mén)了解和預(yù)測(cè)外界生態(tài)影響因素和生態(tài)后果之間的關(guān)系,有利于環(huán)境決策的制定。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)被認(rèn)為能夠用來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的生態(tài)不利影響或評(píng)價(jià)因過(guò)去某種因素導(dǎo)致生態(tài)變化的可能性。張千千等[36]使用正定矩陣因子分析(PMF)模型和風(fēng)險(xiǎn)商值法對(duì)河北某焦化廠地下水中16種多環(huán)芳烴(PAHs)進(jìn)行了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),結(jié)果表明焦化廠地下水中∑16PAHs處在高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),有53.4%的采樣點(diǎn)地下水中單體PAH的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)處在高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),亟待開(kāi)展地下水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù);左銳等[37]提出以地下水生態(tài)水位、地下水水質(zhì)和地下水水源地作為風(fēng)險(xiǎn)受體,綜合研究了地下水系統(tǒng)對(duì)地下水風(fēng)險(xiǎn)源的暴露途徑及響應(yīng)關(guān)系,采用地下水防污性能指數(shù)對(duì)地下水環(huán)境的空間差異性進(jìn)行了表征,構(gòu)建了基于“生態(tài)水位-水質(zhì)-水源地”協(xié)同作用的地下水環(huán)境相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)模型(GERRM),以定量描述地下水污染和水位耦合的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),并對(duì)遼河平原地下水的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)于20世紀(jì)80年代興起,而我國(guó)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)目前仍處于起步階段,特別是關(guān)于地下水水源地的研究更鮮有報(bào)道[38]。結(jié)合地下水水源地的特殊性,筆者認(rèn)為開(kāi)展地下水生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)應(yīng)重點(diǎn)考慮水源地污染物的排放、土地利用類(lèi)型變化、地下水補(bǔ)給機(jī)制的變化等。

3.1.2 地下水潛在污染源識(shí)別

地下水水源的潛在污染源識(shí)別是指運(yùn)用有限且離散的地下水觀測(cè)數(shù)據(jù),采用地下水污染數(shù)學(xué)模擬模型進(jìn)行反演求解,識(shí)別出污染源的個(gè)數(shù)、位置[39],從而有利于從源頭控制污染物在地下水生態(tài)系統(tǒng)的遷移與轉(zhuǎn)化。目前關(guān)于地下水污染源識(shí)別的研究尚在發(fā)展階段,識(shí)別方法大體上分為三種,即清單分析法、擴(kuò)散模型法和受體模型法,其中,受體模型法使用得更廣泛,主要包括化學(xué)質(zhì)量平衡法、多元統(tǒng)計(jì)法、成分和比值法、指紋識(shí)別法、穩(wěn)定同位素法等,目前使用最多且應(yīng)用最成熟的主要是化學(xué)質(zhì)量平衡法和多元統(tǒng)計(jì)法[40]。張宇[41]對(duì)比分析了幾種多元統(tǒng)計(jì)法在不同情境下對(duì)地下水潛在污染源的識(shí)別效果,并綜合運(yùn)用多種理論方法反演識(shí)別出地下水污染源特征(個(gè)數(shù)、位置及釋放歷史);Mahar等[42]分析了觀測(cè)數(shù)據(jù)誤差、數(shù)據(jù)缺失、監(jiān)測(cè)井位置以及局部最優(yōu)和全局最優(yōu)解對(duì)優(yōu)化方法求解污染源識(shí)別結(jié)果的影響。在實(shí)際應(yīng)用中,各種污染源識(shí)別方法都各有其優(yōu)缺點(diǎn),用單一的方法往往難以識(shí)別,因此只有將多種方法結(jié)合運(yùn)用,各種方法互相對(duì)照補(bǔ)充,經(jīng)多方面考查才能得出比較正確的污染源識(shí)別結(jié)果。

3.2 保護(hù)性措施

3.2.1 地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)

有效監(jiān)控水源地污染事故發(fā)生是保障全社會(huì)飲用水安全的重要基礎(chǔ)[43],地下水水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的建立與優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)水生態(tài)安全動(dòng)態(tài)預(yù)警的關(guān)鍵。對(duì)地下水生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)應(yīng)該以“監(jiān)測(cè)為主,防治結(jié)合”為策略,最好的措施就是預(yù)防。在識(shí)別潛在污染源的基礎(chǔ)上建立地下水水源地水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng),加強(qiáng)(優(yōu)化)地下水水源地的水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作,實(shí)時(shí)掌握飲用水源地地下水環(huán)境的物理、化學(xué)特性變化信息,一旦出現(xiàn)水質(zhì)異常則能夠及時(shí)采取有效的修復(fù)措施,避免進(jìn)一步影響地下水生態(tài)系統(tǒng)的安全。

地下水飲用水源地監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布設(shè)應(yīng)按《水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行[44],基于水文地質(zhì)條件、地下水供水強(qiáng)度及污染狀況等情況進(jìn)行布設(shè)(表2)。地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置要有代表性,能夠反映飲用水源地整體的地下水水質(zhì)的實(shí)時(shí)變化,并監(jiān)測(cè)地下水水位下降漏斗的形成和變化趨勢(shì),控制地下水水源地開(kāi)采影響范圍內(nèi)的地下水動(dòng)態(tài)。另外,還應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況對(duì)地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化,如Prakash等[45]運(yùn)用模擬-優(yōu)化模型求解監(jiān)測(cè)井網(wǎng)設(shè)計(jì)問(wèn)題與污染源反演識(shí)別問(wèn)題,并通過(guò)已布設(shè)監(jiān)測(cè)井位置處污染物質(zhì)濃度梯度下降最快的信息來(lái)動(dòng)態(tài)優(yōu)化新増的監(jiān)測(cè)井位。因此,應(yīng)根據(jù)地下水與生態(tài)系統(tǒng)的聯(lián)系來(lái)優(yōu)化地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)的布設(shè)密度,建立較完整的地下水-生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)體系,并完善包括水生態(tài)系統(tǒng)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

表2 地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)密度(單位:眼/103 km3)

3.2.2 地下水水源地生態(tài)保護(hù)工程建設(shè)

為了實(shí)現(xiàn)地下水的生態(tài)平衡和合理開(kāi)采利用,可從水土保持生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)和水環(huán)境生態(tài)平衡的角度采取有效的防護(hù)措施。

1) 行政上,封閉嚴(yán)重超采的抽水井,在嚴(yán)重程度較低的地區(qū)根據(jù)情況實(shí)行限采;加強(qiáng)對(duì)地下水生態(tài)安全的宣傳,提高公眾保護(hù)意識(shí)。

2) 工程上,建立地下水水源地保護(hù)區(qū)、禁采區(qū)和限采區(qū)等,合理利用水資源,嚴(yán)格控制地下水開(kāi)采量,禁止區(qū)內(nèi)亂排亂建等威脅供水安全的活動(dòng);對(duì)泉域進(jìn)行疏浚和綜合整治,關(guān)閉危害泉水出流的水井、礦井,同時(shí)對(duì)泉眼處的河段及周邊小流域進(jìn)行疏浚和治理,以增加涌水量[46]。

3) 采取蓄水回灌補(bǔ)源、替代水源建設(shè)等措施,建設(shè)河道蓄水回灌工程、再生水回灌工程、蓄洪回灌工程,已形成嚴(yán)重漏斗區(qū)的建設(shè)緊急回灌工程[47];發(fā)展工農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)、推廣生活節(jié)水器具,提高水資源的利用效率;建設(shè)引水工程替代水源建設(shè),通過(guò)生態(tài)補(bǔ)水保持地下水資源補(bǔ)償與開(kāi)采利用的生態(tài)平衡,并確保具有一定數(shù)量的地下水資源應(yīng)急儲(chǔ)備。

4) 充分利用雨洪資源補(bǔ)充地下水源,結(jié)合水土保持工程措施,建設(shè)雨洪攔蓄、調(diào)節(jié)、利用工程體系,以實(shí)現(xiàn)雨洪資源化。

3.3 地下水污染治理

地下水污染治理是保障地下水生態(tài)安全的重要舉措,但應(yīng)選擇不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成負(fù)面影響的治理方式。地下水污染治理技術(shù)按工作原理可分為四類(lèi),即物理法修復(fù)技術(shù)、化學(xué)法修復(fù)技術(shù)、生物法修復(fù)技術(shù)和復(fù)合修復(fù)技術(shù);根據(jù)修復(fù)方式,則可分為原位修復(fù)技術(shù)和異位修復(fù)技術(shù)。原位修復(fù)技術(shù)是指在基本不破壞土體和地下水自然環(huán)境條件下,對(duì)受污染對(duì)象在原地進(jìn)行修復(fù)的方法,主要包括滲透性反應(yīng)墻(PRBs)修復(fù)技術(shù)[48]、原位曝氣技術(shù)[49]、原位電動(dòng)修復(fù)技術(shù)[50]、原位化學(xué)氧化技術(shù)[24]、原位生物修復(fù)技術(shù)[51]、多相抽提技術(shù)[52]、原位沖洗技術(shù)等,實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)不同技術(shù)特點(diǎn)和要求選擇不同的方法(表3)。異位修復(fù)技術(shù)是先用收集系統(tǒng)或抽提系統(tǒng)將污染物轉(zhuǎn)移到地上,然后再對(duì)其進(jìn)行處理的技術(shù),主要包括共絮凝/沉淀技術(shù)、離子交換技術(shù)、膜分離技術(shù)、石灰軟化技術(shù)、活性吸附技術(shù)、氧化還原技術(shù)和生物修復(fù)技術(shù)等。

表3 地下水原位修復(fù)技術(shù)的優(yōu)劣性[53-54]

人工含水層恢復(fù)(managed aquifer rehabilitation,MAR)是指通過(guò)人為方式對(duì)區(qū)域含水層的介質(zhì)、水動(dòng)力、水化學(xué)等進(jìn)行人工調(diào)控和優(yōu)化(圖1)。相對(duì)于傳統(tǒng)的抽出處理法和滲透性反應(yīng)墻等方法,其優(yōu)點(diǎn)在于:低成本且易于應(yīng)用,不需要維護(hù);不破壞植被,生態(tài)環(huán)境友好;適合非點(diǎn)源地下水污染。如Xie等[55-56]等在我國(guó)典型高砷地下水分布區(qū)山西省大同盆地率先進(jìn)行了地下水水源地高砷含水層的人工含水層恢復(fù)。高砷含水層的人工含水層恢復(fù)的總體思路是引導(dǎo)反應(yīng)試劑進(jìn)入目標(biāo)含水層,人工調(diào)控富砷環(huán)境并形成固砷帶(圖1)?；贔eSO4還原法的含水層原位鍍鐵固砷技術(shù),是根據(jù)高砷含水層的強(qiáng)還原性水化學(xué)條件,人工調(diào)控地下水條件趨向中到弱堿性和強(qiáng)還原性,強(qiáng)還原條件下主要發(fā)生As(Ⅴ)向As(Ⅲ)的轉(zhuǎn)變,促進(jìn)砷與新形成的FeS共沉淀和類(lèi)砷黃鐵礦的形成。氧化法和還原法均可使研究區(qū)地下水中砷的含量發(fā)生顯著降低。相比于其他原位修復(fù)方法,該方法的優(yōu)勢(shì)在于沒(méi)有逆向改變含水層的還原環(huán)境,未引入二次污染組分,因此能夠達(dá)到安全穩(wěn)定、高效除砷的效果。

圖1 MAR還原法工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of MAR reduction method

我國(guó)未來(lái)地下水污染修復(fù)將向著多元化、多項(xiàng)復(fù)合化、生態(tài)環(huán)境友好型的方向發(fā)展,在不破壞原有生態(tài)環(huán)境的前提下對(duì)已污染的水源地地下水加以治理,從而保證地下水飲用水源地地下水水質(zhì)和水量的安全。

4 展 望

我國(guó)在地下水水源地的開(kāi)發(fā)和保護(hù)方面還有很長(zhǎng)的路要走,地下水水源地保護(hù)區(qū)劃定工作發(fā)展緩慢,超采地下水及污染物質(zhì)的泄漏、不合法排放已對(duì)我國(guó)地下水水源地生態(tài)環(huán)境及地下水水質(zhì)造成了極大的威脅,因此加強(qiáng)地下水水源地生態(tài)保護(hù)管理已刻不容緩。

1) 基于生態(tài)的地下水水源地開(kāi)發(fā)與保護(hù)是我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要課題。我國(guó)面向生態(tài)的地下水資源評(píng)價(jià)理論與方法研究較少,因此應(yīng)充分考慮地下水的生態(tài)效應(yīng),將地下水生態(tài)水位等因素結(jié)合到水資源評(píng)價(jià)中去,依靠地理信息系統(tǒng)(GIS)、建立模型等現(xiàn)代化手段進(jìn)行研究探索。

2) 設(shè)立地下水生態(tài)脆弱保護(hù)區(qū),在利用數(shù)值模擬法劃分地下水水源地保護(hù)區(qū)時(shí)引入不確定分析,綜合確定各水文地質(zhì)參數(shù)對(duì)保護(hù)區(qū)劃分結(jié)果的影響,使劃分結(jié)果更可靠。

3) 地下水飲用水源地多級(jí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是未來(lái)飲用水源地水質(zhì)安全的重要保障,因此應(yīng)進(jìn)一步補(bǔ)充和完善地下水飲用水源地監(jiān)測(cè)網(wǎng),逐步建立地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析預(yù)測(cè)系統(tǒng)。

4) 建立全國(guó)地下水污染預(yù)警機(jī)制,完善地下水污染應(yīng)急保障體系,對(duì)地下水飲用水源地范圍內(nèi)的地下水污染信息實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控,做到對(duì)飲用水源地地下水污染的及時(shí)預(yù)報(bào);針對(duì)飲用水源地重點(diǎn)污染地區(qū)的特點(diǎn),采取合適的地下水污染治理技術(shù),對(duì)已污染的水源地地下水加以治理,從而保證地下水水源地飲用水水質(zhì)和水量的安全及生態(tài)健康;探索創(chuàng)新生態(tài)環(huán)境友好型地下水污染治理方法,優(yōu)先考慮地下水的生態(tài)效應(yīng),從而在防治地下水污染的同時(shí)將對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的危害降到最低,向著可持續(xù)發(fā)展的方向前進(jìn)。