优化地下水监测网和综合指标方案.doc

优化地下水监测网和综合指标方案比利时C. Rentier, F. Delloye等李 烨 译；冯翠娥、田 芳 校译执行水框架指令时需要对地下水质进行监测（EU，2000），用于确定每一个地下水体的“良好”化学状况，以及对处于“良好”状况的水体进行恢复和保护。这样就需要设计监测网并确定综合指标。这里需要注意地下水体的化学状况和污染物的扩散，许多污染物经地下水到达地表水体。没有考虑对某一点的“局部”污染物监测工作。建立最优的监测网时，要考虑到地下水体在水文地质条件、土地利用和地形条件等方面的差异。这样，就需要开发一种水质评价系统，据此确定每一个地下水体的总体状况。采用无量纲指标，可以采用标准化方法对所有的化学参数进行处理，从而确定地下水体的总体状况。获得的初步结果，即使没有被完全证实，仍与EU水指令的规划目标紧密相关。一、概述地下水是水文循环过程中的重要组成部分，在比利时的瓦龙地区，地下水占公共用水量的80%有余。事实上，地下水对于维持水环境及其生态系统也很关键。与许多国家一样，在比利时，最近河水水质的改善在很大程度上归功于点源污染物直接排放量的减少。现在需要关注扩散污染物的作用，这些污染物大多来自于地下水（Ward等，2004）。欧洲水框架指令2000/60/CE为了使各成员国对国际河流进行更好的管理，建立了水政策共同活动方案。该指令关于地下水的3个主要目标分别是：（1）预防污染；（2）改善和恢复地下水水质，以期在2015年之前达到水质良好的目标；（3）防止污染物向地表迁移。要求各成员国建立监测计划，确定地下水的化学状况并进行定量。由人类活动产生的污染物需要严加控制。了解地下水质的空间分布以及确定地下水质随时间的变化特征，对于设计监测工具、确定所需的监测网和选择可靠的监测指标极为重要。最近在比利时瓦龙地区设计了1个地下水水质监测的战略性方案。在下文将会通过比利时Lige市Hesbaye含水层实例，详细介绍如何采用这一方法对地下水监测网进行优化，并对综合指标进行计算。二、目标天然地下水水质与降雨或地表水入渗到地下水并与土壤和成岩矿物反应的地球化学作用密切相关。人类活动的影响和排放到水生环境的污染物也会对地下水水质造成一定影响。然而，需要注意的是，降雨的水质已经在很大程度上受到了人类活动的影响。自然界中污染物的种类多种多样，包括人工合成有机物、碳氢化合物、无机离子、病原体和放射性核素等。本文不考虑监测井的设计、设备的安装、定深或多个深度的取样及化学分析的质量保证体系，但所有上述问题都会对化学分析结果产生很大影响。在设计方案时，需要考虑以下两个问题：（1）如何选择取样点，来获得具有代表性的监测网？（2）如何将结果归结为简单而可靠的指标，易于决策者理解？不能从静态的观点来理解地下水，就是说，不能假定入渗位置和可能的流向一成不变（Appelo和Postma，1993）。地下水的变化与滞留时间、含水层矿物、化学环境、土地利用方式和相关的污染行为有关。为了了解地下水水质的时间和空间变化，需要对地下水体进行全面了解。这样，在“优化”地下水监测网之前，首先要了解地下水的水文地质特征。在设计监测网时，必须要考虑以下几点：（1）与瓦龙和欧洲授权保持一致；（2）提供客观和可靠的信息；（3）确定天然地下水条件；（4）确定地下水变化趋势；（5）提供地下水污染的早期预警；（6）确定地下水与地表水系统之间的水力联系和地球化学作用。三、选择监测点EU工作组在推行水指令时，对于点的密度给出如下建议：如果地下水承压，为每25km2一个点；否则为100km2一个点。对每一个水体的空间代表性也有建议值，提出了一个具有代表性的指标Ru，而且认为Ru要达到80%（WFD-GW 2001）：式中，d是地下水中任一点距最近取样点的平均距离；n是取样点的数量；A是地下水体的总面积。此时采用地下水系统的概念模型以及压力与系统之间的相互作用进行分析。选择取样点的依据如下：测量点上游和下游的位置（考虑测压梯度）；测量点或取样点的综合或代表性特征；根据已有历史测量资料提供的天然（或人类诱发）的变化情况；不存在点污染源；易于测量或取样的点；水井装置（位置和滤管长度）的了解和可靠性；水井目前的状况和所有权。以Geer流域的地下水体作为实例，该流域每天为Liege市及其周边地区提供60000m3的饮用水（Dassargues和Monjoie，1993）。Hesbaye高原面积为350km2，西南地区的海拔为206m，东北地区海拔为80m。从上至下地层组成为（Brouyre等，2004）：第四系黄土，厚度不等，最大可达20m；最大厚度为10m的燧石聚结体，极为不均质的地层，由溶解的白垩残积物（燧石、砂、粘土和磷酸盐）组成；几米厚的第三系砂沉积物，主要位于Geer流域北部地区，这些物质在此取代了燧石聚结体；白垩系地层形成了Hesbaye含水层地下水库的主体，厚度从盆地南部的几米到东北的100m以上；底部是几米厚的透水性差的蒙脱石粘土层，作为含水层底部边界。含水层的水力梯度变化与方向有关，从南部的0.01过渡到北部的0.003，靠近Geer河（Dassargues and Monjoie，1993）。地下水水位埋深从地表以下10m到40m以下。除了北部Geer冲积层以下为半承压含水层以外，其余大部分含水层都是非承压含水层。白垩断裂带与干谷在地形上相似，在白垩地层向深部挖掘，形成了一个40km的地道，归一家当地水务公司所有，这一地道对于测压面的形状具有很大影响。在地道的大部分地区，地下水被排出，但是也有很大一部分地下水注入到其它含水层中，这与其它含水层和地道的水位差有关。除了地道以外，一些水公司和当地的工业农业用户也通过抽水井开发含水层。自1960年以来，硝酸盐的浓度每年都在增加，在半承压区，每年增加的速度为0.1mg/L（以NO3计）；在非承压区，每年增加的速度为1mg/L。目前，含水层中硝酸盐的平均浓度为35mg/L，在含水层底部为20mg/L，而在含水层上部的污染区，浓度则高达175mg/L（Brouyre等，2003）。根据规范（Eurowaternet，1998），约需14个水样点。根据前人对该含水层的研究，进行科学的水文地质分析，在556个可利用的点中，选取了这14个取样点（Dassargues等，1988；Dassargues和Monjoie，1993；Hallet，1998；Brouyre，2001；Brouyre等，2003）。在这14个点中，7个属于水公司的抽水井或者地下水的排泄口，7个为取样点。四、地下水质评价系统必须控制由于人类活动造成的污染。地下水水质评价系统称为SEQ-ESO，法国水利局最早采用这一名词（Agences de lEau 2002）。下文对这一系统的总原则进行说明。为了满足水框架指令的需求，开发了该系统，通过具有代表性的监测网的水质测量结果，对地下水体的水文化学状况进行定量分析。为了使所有组分都处于标准化范围之内，利用简单的极限插值法，将所有值都转化为无量纲指标。之后将这些参数分类，称为“变更”组。根据每一组中最有疑问的组分指标（安全选择）给“变更”组赋值。这样可以将地下水水质概念进行综合。可以根据以下几点来区分“变更”组：矿化度和盐度（pH值、硬度、Cl-和SO42-等）；有机物和营养元素（N、P和TOC等）；可过滤性元素和颗粒（NTU，Fe、Mn和Al等）；矿物污染物（Cu、Zn、As、B、Cn和Cd等）；杀虫剂PAH（多环芳烃）和其它有机物（四氯乙烯、三氯乙烯等）。根据SEQ-ESO，基本上可以解释与单个取样点相关的分析结果，主要根据是确定水质分类的参数阀值。地下水水质评价是与用水有关的一个相对概念，SEQ-ESO系统主要考虑地下水的3个主要功能：用水：相应于不同用水需求或标准的水质。在SEQ-ESO系统中主要考虑的是，是否适合于作为饮用水（DWU）；在这一地区，水资源的另一些用途是作为工业、能源和灌溉用水。承袭状况（PS）：不指定用途，只考虑人类活动对地下水水质退化的影响。根据天然条件下不存在的物质浓度（如有机物或矿物污染物），或特定人类活动造成某些指标超过阀值（硝酸盐和杀虫剂）来确定地下水水质恶化范围；地下水的化学性质可否满足地表水生环境中的生物需求（BIO）：需要考虑地表水物理化学性质，来评价所需的地下水水质。这样可以假定100%的河流水由地下水补给。在这一研究阶段，没有考虑地下水的第三种功能。为了对前两种功能进行研究，需要根据表1来确定特定的阀值浓度，以硝酸盐为例的分析结果见图1。表1研究作为饮用水使用（DWU）和承袭状况（PS）选择的浓度阀值（以硝酸盐为例）DWUDWU-1与饮用水水质相关的EU指令80/778，或选择0和饮用水标准之间的中间值DWU-2对于硝酸盐不存在DWU-2DWU-3相对于原水的EU指令98/83DWU-4以提供饮用水为目标的处理水EU指令75/440PSPS-1接近于“天然状况”，实事上是一个“参考值”，对于有机物，一般取其分析检测限；对于矿物和金属，根据当地土壤保持法确定的参考值或专家判断值（如，对于硝酸盐，为10mg/L），这些数值取决于含水层的天然地球化学背景值。PS-2根据所考虑的污染物来确定PS-3确定保护、控制的界限值，以改变地下水的总体水质趋势，此处选择DWU-3的75%PS-4根据土壤保持法来确定。在扩散污染物（硝酸盐和杀虫剂）和点污染源（如烃和重金属）之间会有差异。根据污染物在地下水中的移动性、对人类健康的影响和生态毒性来制定标准。SEQ-ESO的主要优点是可以将两种功能进行综合，获得地下水水质的表达式（GWQ），如图1所示，地下水水质的两个首次出现的阀值是由PS确定的，而其余阀值则是由DWU函数决定的。之后通过内插将每一个GWQ阀值转换为综合水质指标（Ig），取值范围从100（水质最好）到0（水质最差）。采用SEQ-ESO系统对Geer的地下水体进行分析，结果表明，对于监测网的每个取样点，可以通过DWU和PS分析，最终得出总体地下水水质情况。作为饮用水（DWU）总体水质承袭状况（PS）最佳饮用水：指令80/778DWU-1=25mg/LIndex=80GQ1=10极好PS-1=10mg/L天然水质、地球化学背景、没有检测到有机物饮用水：相对于原水的EU指令98/8360GQ1=25良好PS-1=25mg/L检测到人为污染物DWU-3=50mg/L40GQ350中等PS-3=37.5mg/L水质有所退化不适宜于作饮用水DWU-4=100mg/L20GQ3100差PS-4=50mg/L水质明显恶化不适宜于进行处理后作饮用水0极差水质严重恶化图1考虑饮用水（DWU）和承袭状况（PS）确定的综合水质指标五、确定总体指标为了满足EU水框架指令，开发了SEQ-ESO系统，来评价整个水体的水质情况。SEQ-ESO系统利用聚类技术，进行简单的取算术平均数计算。监测网每一点的数据都可以聚类成为一组指标（考虑水的功能）。聚类的前两步工作如下：采用0100的指标体系将测量的浓度值进行标准化；计算每一组分和每一点在某段时间内的算术平均数，得到点平均指数（PMI）。之后会得到两种不同的方法，第一种是“组分聚类方法”：对于每一种组分，将取样点的PMI取平均值，可以得出地下水水体平均指数（BMI）；对于每一个“变更”值，最小的BMI可以作为最终指标（每个变更和每个地下水体的指数值）。第二种聚类方法是“变更聚类方法”：对于每一点，对于给定的变更值，将最小的PMI作为点平均变更值（PMA）；对整个监测网的PMA取平均值，可以得出所需的指标（每个变更和每个地下水体的指数值）表2是一个实例，在监测网中共有4个点（X1、X2、X3和X4）和3种组分的变更值（P1、P2和P3），第1行的3个值是经过前两步计算获得的全部PMI。通过这一实例，可以清楚地解释差异。只有当变更值只有1个参数时，结果才会相似。第二种方法计算的指标通常都较第一种方法的计算值要小一些。此外，如果各点的测量值变化很大，这一影响会更明显。通过组分聚类，可以表现总体污染情况，而变更聚类则更多强调局部污染并不能说明整个水体的污染状况。因此，采用“组分聚类”作为标准聚类方法似乎更为适合。表2采用“组分聚类”和“变更聚类”方法计算最终指标PMIX1X2X3X4P1P2P3827654857442197855756940组分聚类：第一步：BMI(P1)=65，BMI(P2)=74，BMI(P3)=48第二步：BMI最小值=48(P3)采用P3作为有疑问组分作为水质中等分类变更聚类：第一步：PMA(X1)=54(P3)，PMA(X2)=42 (P3)，PMA(X3)=19(P1)，PMA(X4)=40(P3)第二步：PMA平均值=39 (P1)采用P1作为最有疑问组分作为水质最差分类六、地下水水质综合指标对比利时水文地理区的5个差异较大、地质和水文地质条件极为不同的地下水体的综合地下水水质指标进行了测试：主要包括Meuse河冲积平原的白垩纪的白垩、石炭系灰岩和更新世的砾石。采用SEQ-ESO对Hesbaye地下水体的白垩纪地层进行分析，结果表明变更值最小的指标是“营养物质和有机物”，而监测的硝酸盐浓度较高。将这一指标自动作为综合指标进行地下水体评价。七、结论本文说明了如何