20.1 污染源描述 |
  
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20.1 污染源描述 |
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地下水污染
水是绝好的溶剂，可以溶解很多种类的化合物，因此天然地下水会在与地下介质的接触中溶解很多种类的无机化合物，还有很少量的天然有机物，这些化合物的浓度数量级一般在毫克/升到微克/升之间。当地下水的天然化学组成被人类活动所改变时（无论是事故泄漏导致的地下水直接污染，还是改变了地下水运行途中的地下介质导致的间接污染），地下水污染就发生了，其结果有时是增加了原有化学组分的含量，有时则是引入了原本不存在的新污染物。
在很长一段时间里，人们认为含水层之上的土壤和沉积物可以作为自然的“过滤器”来阻止污染物随水流迁移至地下水。但到上世纪70年代左右，人们逐渐形成共识，认识到这些过滤层往往不能有效阻止污染物向地下含水层的迁移。尽管如此，当时已经有相当大数量的污染物进入到土壤和地下水中。在对这些污染场地研究的过程中，科学家们开始意识到一旦地下含水层受到污染，其危害可能会持续几十年甚至更长时间，而且很难找到经济有效的处理办法。
人类活动造成的地下水污染主要分两类：点源污染和非点源污染。点源污染指化学品储运设施、污染处置场地、工业场地、事故排放、垃圾填埋场等点状污染源造成的地下水污染。非点源污染包括农业生产中使用的化肥、农药等污染物质进入地下水后形成的大面积地下水质量恶化现象。
当雨水浸润地表并且接触到填埋的废物或者其他形式的污染物时，这些污染物会进入水相，并且随雨水进入地下水，这是地下水的典型污染通道。有时洒落或者渗漏的污染物本身的数量很大，这些化学物质可以无需雨水入渗的帮助，自身即可以靠重力作用到达含水层。地下水的流动一般来说非常缓慢，而且很少受到湍流、稀释、混溶等作用的影响，所以污染物到达地下水后不容易扩散，常常形成相对稳定的污染“烟羽”，随地下水流缓慢运动。虽然污染烟羽在地下水中的运动速度不快，但因为地下水污染常常数年甚至数十年不为人所知，所以地下水污染烟羽有可能影响大范围面积，有时其长度可以达到几公里。
地下水污染源
地下水污染的来源有点源和非点源（也叫面源）两类。大多数所谓的点源都与废物的处理或处置过程相关，它们的面积可以很大，但之所以称之为点源是因为它们有明确的空间边界和较高的污染物浓度。非点源污染则恰恰相反，具有浓度低、面积大的特点，比如大范围施用的农药和化肥就有可能造成非点源农业污染。
生产消费过程：化学物品的储运和使用是常见的地下水污染来源。无论是类似汽油的消费品，工业用消耗品，还是工艺中间产物，还是工业废物，在存储和转运过程中都存在倾泻和滴漏的风险。更有甚者，有些无良企业主还会通过渗坑、渗井、落水洞等设施，直接将废水排入地下。如果说出现事故排放和跑冒滴漏在所难免，那么出现此类恶意犯罪行为时，就应该引起环境监管工作者深思了。一些化学品的储运设施被埋在地下，一旦出现破损可以默默污染多年而不被发现。较为典型的是加油站储油罐泄漏造成的地下水污染，这类污染由于出现较为频繁，科学界已经做了深入研究，条件成熟的国家已经实现了有效的监管。
农业污染源：现代农民已经无法想象没有化肥和农药的年代。这些化学物质被大范围播撒，导致其中的相当大一部分随雨水和灌溉进入地下水。动物饲养也会产生大量的废物，有时这些废物也会被当作肥料施用到土地中，产生地下水的致病菌污染。农业活动造成的范围最大、影响最深的地下水污染是氮元素的污染；农药在某些地区也会造成严重污染，但其广泛性远不如前者。根据中国地质调查局对中国东部平原区地下水污染普查的结果，我国主要农业区“三氮”（硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮）污染已相当普遍，呈现出面状污染特征。
固体废物处置：当雨水淋滤到堆放或填埋的固体废物时，废物中的有害物质就有可能被溶解而随水进入地下水。淋滤液的化学成分反映了固体废物的组成，同时也可以指示处置场的年龄。老式的垃圾填埋场是常见的地下水污染点源，因为当时的社会环境对废物的种类和淋滤液的产生并没有过多的关注或监管。
采矿：几乎所有的采矿活动都会影响地下水，要么是物理挖掘引起的地下水流动状态变化，要么是岩石暴露引起的地下水质恶化，或者二者兼有。酸矿水是其中较为严重的地下水污染问题，原本封存在地层中的硫元素在采矿活动引入的空气和水的作用下被氧化，生成腐蚀性较强的硫酸，这些酸性废水本身就是污染物，同时也会溶解出一些原本较为稳定的重金属污染物，在排水时常常会引起较为严重的生态环境污染问题。另外，在采矿过程中，品质较差的矿石被分选出来，一般堆放在矿山附近的尾矿库中，也可能造成严重的地下水污染问题。
污染源解析
污染源解析是指综合考虑评估区地下水补径排条件、主要污染物空间分布特征、及污染物水文地球化学特征，识别污染源位置与污染源属性。野外工作中，污染源解析的重要原则是使用尽可能简易的方法采集尽可能多的现场数据。可以使用一些野外设备（如土壤气体监测仪等）对潜在污染源地区进行初步筛查，随后加以有针对性的正规采样。但当现有信息无法定位潜在污染源位置时，可以通过均匀网格采样的方法识别高污染浓度地区。一般情况下，尤其对于漫流式污染源，可在地表汇流区和明显排水设施附近加密监测，因为此类地区受污染的可能性更大。污染源的空间分析应从平面和剖面同时着手，用以识别污染范围和背景浓度。
模型概化阶段数据分析时，污染源解析优先使用空间叠图法，若评估区内仅存在唯一的潜在污染源，则不需要进行进一步评估；若评估区中存在两个或以上潜在污染源，则除了应用空间叠图法外，可在补充调查的基础上采用稳定同位素法、化学质量平衡法、化学指纹法、捕获区法、多元统计方法、或耦合方法分析并确定地下水污染源，评估各地下水污染源对污染现状的贡献程度。各类源解析方法详见下表。
源解析技术 |
原理 |
优点 |
缺点/局限 |
空间叠图法 |
（1）分析主要污染物浓度现状分布图，确定地下水污染高浓度区； （2）根据识别的污染高浓度区，在其附近核查潜在污染源具体位置，并在图件中标出； （3）采用GIS手段将主要污染物浓度现状分布图、潜在污染源位置分布图与地下水流场图叠加，推断污染物扩散途径，定位污染源空间分布。 |
适用范围广，可准确分析各地下水污染源对污染现状的贡献程度； 可在短时间内得出较为精确的溯源结果。 |
在水文地质条件较复杂或地下水流场不明确的条件下，无法精确溯源。 |
捕获区法 |
利用溶质迁移软件模拟示踪粒子在指定的位置和时间内随地下水流运移的路径，将其与评估区污染物现状空间分布相比较，以判断和验证地下水中污染物来源位置。 |
在水文地质条件复杂的条件下亦能刻画污染物的空间分布，模拟结果直观、可反映污染物的三维空间运移情况。 |
要求水文地质资料完备，可支持模型创建工作，若资料不全需补充野外勘测工作获取，成本较高。 |
稳定同位素法 |
利用稳定同位素（如碳-13、汞、铅、硫、氮等）推测地下水中污染物的来源，并分析污染物随时间的迁移变化。 |
稳定同位素在特定污染源中组成特定，在迁移与反应过程中组成稳定，分析结果精确稳定。 |
同位素对生物的放射性风险尚未明确，因此该方法环境风险较高。 |
化学指纹法 |
通过特定离子或化合物的比值、或分子标志物特征识别地下水污染源。 |
适用范围较广，具有特征性，识别结果准确快速。 |
化学组成易因挥发、淋滤和生物降解等环境过程而改变，仅适用于突发性或短时间事件。 |
化学质量平衡法 |
设采样分析测得受体中物质i的浓度为di，该区域排放物质i的源有p种，若已知某排放源j所排放污染物中物质i的含量为xij，则源j对受体的贡献gj应满足： |
该方法原理清楚，易理解； 从一个受体样品的分析项目出发就可以得到结果，可以避免大量的样品采集所带来的资金等方面的压力； 能够检测出是否遗漏了某重要源，可以检验其他方法的适用性。 |
要求对污染源和受体地下水长期采样监测，列出排放清单，不断更新本地区排放源成分谱，工作量大，技术难度高； 从排放源到受体之间排放的物质组成没有发生变化的假设条件难以满足； 排放源的选择上存在主观性和经验性； 要求排放源物质成分线性独立很难满足； 未区分同一类排放源排放的成分差别和同一排放源在不同的时间排放物质的差别。 |
多元统计法 |
多元统计方法是利用观测信息中物质间的相互关系来产生源成分谱或产生暗示重要排放源类型的指标，主要包括指标分析（FA）、主成分分析（PCA）等。指标分析能将具有复杂关系的变量归结为数量较少的几个综合指标。 在污染物来源研究中，通常采集大量（设为N个）样品，从每一个样品中分析出若干种（设为M）化学成分的浓度，这样就构成了一个包含N×M个数据的集合。由于同一环境样品的组成成分并不相互独立，来自于同一类源的那些成分见存在较强的相关性，因此，可以用P个指标（P＜M）来描述原来的样品集合。 |
应用简单且不需要事先对研究区域污染源进行监测，只需对排放源组成有大致的了解，并不需要准确的源成分谱数据； 利用一般的统计软件便可计算； 不用事先假设排放源的数目和类型，排放源的判定比较客观； 能够解决次生或易变化物质的来源，能利用除浓度以外的一些参数。 |
本方法不是对具体数值进行分析而是对偏差进行处理，如果某重要排放源比较恒定，而其他非重要源具有较大的排放强度变异，可能会忽略排放强度较大的排放源，在实际中一般鉴别出5~8个因子，如果重要排放源类型>10，这种方法不能提供较好的结果。 |
定义污染源项
定义污染源项需要考虑以下因素：污染源类型；污染源地形；污染物的相态、浓度；污染负荷；从其它介质进出的污染物；污染历史与污染物释放时间；随时间变化对污染源有影响的过程。
1. 污染源类型
进行污染源类型概化时需考查污染源的属性是恒量的还是时间变量，即污染源地污染物释放量是否随时间变化，污染源当前污染浓度是否可以代表历史或将来的情况。当污染源地土地利用状况发生改变或者原来的场地布局或机构发生改变时，要深入了解历史资料查清污染源的实际类型和变化情况。
2. 污染历史与污染物释放时间
对于评估区污染历史和污染物释放时长的了解对于定义污染源项非常重要，但是当出现信息缺失时可以依据现有的信息作出必要的假设，且通常来说假设将是“最差情形”的假设。释放进入地下水的污染物量的估算与以下因素有关：
● 当前污染物总量，需要包括吸附状态，溶解状态，或自由相的污染物（注意考虑现场可能的降解或迁移机制）。在污染区调查过程中，这个总量的估计可以从土壤或地下水样品中不同相的浓度得到；
● 污染区内相关设施所使用到的污染物总量。这一估算量的获得可以从现存的历史采购使用记录得到。通过对表明化学污染物使用和输出产品的量进行质量平衡计算得出。
3. 污染物性质
污染物性质主要从其存在的相态与物理性质两方面考虑。这一资料可以从评估区资料收集和前期调查阶段的土壤和水样分析结果得到。实验室分析和污染物属性分析可以得出污染物相态：
● 固相：颗粒状污染物；
● 吸附相：污染物吸附早土壤颗粒；
● 自由相：土壤或/与孔隙中出现的非水相液体污染物（NAPL）。（可同时存在于非饱和和饱和区）；
● 汽相：土壤中污染物以汽相存在；
● 溶解相：地下水中溶解的污染物。很可能与以上各相都有关系。
特定污染物（包括特定混合物）的识别以及污染物在评估区地下水介质中的存在状态是污染物迁移转化特征模拟的核心信息。污染物在地下水系统中的行为变化特征主要由污染物的属性及其在含水介质中的存在形态决定。 主要关注的污染物物理性质如：
● 可溶性；
● 密度；
● 粘度；
● 挥发性；
● 可渗透性。
在一些情况下，当特定化合物的化学属性和相关数据不可获得时，可以使用相似化合物的相关属性和数据资料。同时，需要注意由此带来的模拟不确定性问题。
概念模型的构建还必须考虑到污染物的原始形态及其降解之后的产物。比如有些有机物的降解途径上既有原始状态的污染物又有具备不同属性，甚至更高毒性的降解产物，从而使得模拟过程更为复杂。
4. 污染源三维展布尺度
污染源的三维展布尺度（面积，深度），以及强度的动态变化也需要在概念模型中得到体现。大部分的模拟工作可以将污染源概化为某个特定位置，即点源，但如农业污染因为污染物的大面积分布，污染源需要概化为一个扩散的源，即面源。点源的概化需要同时考虑污染物在水平和垂直方向的分布。不同相态的污染物浓度分布也需要同时考虑水平和垂直方向的变换，需要综合考虑污染物特征，岩性特征，以及污染物运移的主导过程。
。测定n种物质可建立n个方程，只要测定项目数量大于或等于排放源数目，就可解出一组gj，即各排放源的贡献率。