面向水源保护与污染监控的广东地下水环境监测网研究

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2021-09-29 08:27 热度：

　　摘要:通过系统整理分析自然资源、水利、生态环境等部门已有地下水监测网,针对广东地下水监测存在的问题和未来地下水环境管理需求,提出较大空间尺度和水质监控的地下水环境监测网建设框架及广东省“三层七级”共237个网点的层级化地下水环境监测网建设方案,并与水文地质单元、浅层地下水功能区划进行了空间叠加分析。结果表明,广东省三大部门监测网在空间上分布总体较为分散,相互补充性好,提出的监测网方案总体上与广东省地下水本底条件、地下水资源开发利用现状、地下水环境功能分区、重点污染源空间分布特征等相匹配,契合地下水饮用水源保护和重点污染源监控两大管理需求,构建的地下水环境监测网框架可为其他地区提供参考,提出的地下水环境监测网建设方案可为广东省地下水环境管理和污染防控提供决策支持。

　　关键词:地下水;饮用水;污染源监控;环境监测网;功能区划

　　地下水是支撑社会经济可持续发展的重要战略资源,随着社会经济的发展,地下水环境压力逐渐增大,地下水污染形势日益严峻[1],局部地下水污染问题十分突出,严重威胁居民饮水安全和身体健康。地下水监测是支撑地下水污染防治的基础,受天然隐蔽性和水文地质条件差异等因素影响,西方发达国家地下水监测开展较早,如2012年美国已有超过3.5万个地下水水位监测点和将近7000个地下水水质监测点,分别达到每266km2布设1个和每1377km2布设1个[2],且相关研究已从监测向水质评估[3]、污染源识别[4]、污染修复[5-6]等深度延伸。相对而言,中国和其他发展中国家地下水监测仍处于起步阶段,且主要集中于区域地质、水文地质、工程地质、地质灾害、地球化学、水资源开发利用等领域,对地下水环境质量的监测研究开展较晚,对地下水环境监测网重视度不够[7]。在地下水监测网研究方面,国内外研究目前仍较集中于较小尺度监测网优化方法的实证研究,包括Kriging插值法、聚类分析法、MOPSO算法、Maros软件平台、信息熵法、主成分分析法、蚁群算法等[8-14],对于较大空间尺度区域监测网的整体建设、选点方法及优化原则研究较少。国家实施《国务院机构改革和职能转变方案》后,广东省虽然将地下水污染防治监督管理职能统一划归到了生态环境部门,但监测网存在多部门监测资源较为分散、监测目的和对象不一、监测指标不足、信息化程度较低等问题[7],缺乏“一张网”的有效整合,给地下水环境管理带来实际上的困难。有鉴于此,本文以广东省为例,系统整理和叠加分析了不同部门监测网分布特征,从较大空间尺度探讨了地下水环境监测网建设方法,为推进解决“多张网”整合提供技术思路。

　　1研究方法

　　1.1研究区概况

　　广东省位于中国大陆南部,地处北纬20°09′~25°31′、东经109°45′~117°20′,陆地面积17.79万km2,海洋面积41.93万km2,境内河流众多,集水面积在100km2以上的河流有542条,地下水资源也十分丰富,2018年全省地下水资源量达到460.63亿m3,占到水资源总量24.3%。广东整体地形北高南低,第四系地层主要有滨海相、三角洲相及陆相堆积,省内地下水可划分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类岩溶水、基岩裂隙水和红层孔隙裂隙水等四大类型,地下水主要接受降雨入渗补给,地下水循环交替强烈。

　　1.2已有网点布设及分析

　　收集了广东省自然资源部门2017年224个区域地下水监测网点、水利部门2015年以来建设的96个国家级地下水监测井、生态环境部门2012—2017年建设的869个地下水基础环境状况调查评估点情况,其中自然资源部门监测井(以下简称Z网)全部为自动在线监测井,主要监测承压水含水层,多分布在广花盆地、雷州半岛等区,部分点位具备水质监测功能。水利部门监测井(以下简称S网)主要分布于珠江三角洲、东江区、北江区、西江区、韩江及粤东诸河区、粤西桂南沿海诸河区等,均为水位站,可监测水质的监测井有46个。生态环境部门监测井(以下简称H网)主要监测地下水饮用水源和垃圾填埋场、民营加油站、重点工业源、危险废物堆存场、高尔夫球场、矿山开采区等重点污染源,多监测浅层地下水。已有监测网分布见图1。

　　采用ArcGIS空间分析Near工具,以H网为主对象,计算不同搜索半径范围内Z、S网与H网间的空间聚集程度,可为监测网选点提供参考。

　　1.3功能需求分析与建设框架

　　一般而言,地下水环境监测网至少应实现两大功能[16]:①区域性地下水环境监测,了解区域地下水环境时空变化特征;②跟踪性地下水污染监测,对具有明显污染源的研究区地下水污染状况进行跟踪性监测,了解污染物在地下水中的迁移趋势。广东省地处南方典型水网地区,区域内河道纵横、水网发达,地表水和地下水产生强烈的交互作用,且为全国海岸线最长的省份,沿海带地下水与海水之间交互频繁,除实现上述两大功能需求外,海水入侵、地表水-地下水联合监测等也具有特征化功能需求。此外,为突出群众饮用水源安全,重要地下水饮用水源取水井及周边监控井应密切监控,并在能满足实用监测需求外,兼顾长远和战略性研究需求。

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　　根据上述需求分析,本研究提出“三层七级”地下水环境监测网建设框架,见图2,具体点位则结合地下水监测相关规范[17-18]和广东实际情况进行合理选择。监测网选点主要有以下几个原则和步骤:①已列入《广东省水污染防治行动计划实施方案》的国家级地下水环境监测点位全部纳入,用于持续掌握区域地下水环境趋势。②乡镇级及以上集中式地下水饮用水源取水井全部纳入,且每个水源地至少增加1个上游背景井,用于监控饮用水源周边地下水环境质量变化及污染预警。③加密跟踪监测重点污染源及周边地下水情况。加油站重点监控单层罐(或改造前为单层罐)、运营年限超过20a以上的民营类加油站;垃圾填埋场重点监控运行时间5a以上的非正规填埋场,每个填埋场至少布设1个下游扩散井、1个侧向扩散井;对所有省级规划建设的危废堆存场和位于地下水饮用水源径流区内的危废堆存场开展全监测;工业污染源重点监控纺织、印染等重污染行业且运行年限在5a以上的工业园区或大型企业,每个工业源至少1个下游扩散井、1个侧向扩散井;矿山开采区重点布控金属矿采选业等污染风险程度高、尾矿堆放造成严重污染的大中型矿山,主要选下游扩散井;高尔夫球场主要监测运行5a以上且占地面积大于0.6km2的高尔夫球场,主要选下游扩散井。④生态环境部门地下水监测网有同步监测地表地下关联水质的监测网点全部纳入,用于研究地表-地下水质关联性及转化规律,支撑地表-地下协同控制。⑤优选沿海地区位于湛江尤其雷州半岛、珠江口监测点作为海水入侵等特殊问题专题监测网。⑥按照以上5个步骤筛选后,若监测网在空间上分布有不均衡的,选择H网中的上游背景井进行网格化补充,兼顾不同水文地质单元、不同地下水含水层之间差异化地下水环境质量情况。

　　1.4空间协调性分析方法

　　与地下水管理息息相关的空间布局主要有水文地质单元和地下水功能区划,其中水文地质单元根据水文地质条件差异而划分的具有相同水力边界、补给、径流、排泄等条件的地下水系统[19-20],是研究地下水特征的重要基础,地下水功能区划是指导实行严格的地下水资源保护与开发利用规划的重要基础依据,因此,本研究重点从这2个区划布局协调性出发,对构建的地下水环境监测网进行空间合理性分析。根据国家对广东省水文地质单元的大尺度划分结果,广东划分为2个水文地质亚区,为更好地研究分析不同水文地质单元地下水情况,本文依据地下水的形成条件、地下水埋藏特征和介质特点等,结合气象、水文条件及地理位置,同时利用个别区域已有研究成果,将全省共划分了23个环境单元(图3)。地下水功能区划则采用广东省水利部门2009年划定的浅层地下水功能区划方案。

　　2结果与讨论

　　2.1已有监测网情况及空间叠加分析

　　受地下水涉及要素较多和历史原因,广东省已有地下水监测目的和侧重点存在较大差异,如Z网侧重于对地质矿产等资源的开发利用与保护监测,S网则主要为水利建设规划、抗旱除涝、治沙治碱、地下水资源开发利用与保护等提供依据[21],H网则重点关注地下水饮用水源安全和潜在高污染风险型污染源的监控。从监测功能和指标上看,Z、S网以水位、水温监测为主,水质监测网点相对缺乏[16],H网监测指标较多,除常规指标外,每类污染源均监测有特征指标,但监测点大多聚集在小尺度场地,对区域整体水质情况和背景水质监测等则考虑较少。因此,地下水环境监测网可以H网为主,Z、S网按需作有益补充。

　　空间近邻分析结果表明,仅有5个监测点落于目标网周边500m半径范围内,即使搜索半径扩大到5km,覆盖目标监测网的点位也不及点位总数的三成,说明三网在空间上分布总体上较为分散,相互补充性较好。

　　从搜索到的近邻点情况看,各搜索情景下D-o均低于0.03,z得分绝对值均较高,超过了2.58,且D-o值和z绝对值随着搜索半径增大而增大(表1),说明在小尺度范围内监测点随着距离增加,聚集度显著增加,这可能与H网大部分点位主要围绕重点源(即小场地)周边进行布设有关。

　　2.2地下水环境监测网布设

　　根据第1.3节的布设原则和步骤,广东省地下水环境监测网点共有237个,包含Z网和S网共同点位79个和H网点位158个(图4)。从层级上看,第一层有79个,第二层82个,第三层76个。按功能划分,有区域长期观察点位及《广东省水污染防治行动计划实施方案》考核点位79个,饮用水源保护区及水源补给区地下水环境监测网点位21个,重点污染源跟踪性地下水污染监测网点位61个,网格化补充监测网点位28个,地表水-地下水水力联系监测网点位29个,海水入侵等特殊问题专题监测网点位19个,其中116个监测网点位兼具多重功能。

　　2.3空间协调性分析

　　2.3.1与水文地质单元关联性分析

　　根据地下水环境监测网与水文地质单元空间叠加后的统计数据,监测网在数量上以湛江粤西、海积平原等单元数量最多,监测网密度(水文地质单元内监测点个数/水文地质单元面积)则以广花平原区、高要冲积等单元密度最高,广花平原单元监测密度达到95.7个/(万km2),监测网点数量、密度总体与广东省地下水开采利用强度和水平较为适宜(图5)。

　　从监测网功能来看,湛江粤西、韶关北江、广花平原区等单元的饮用水源保护区及水源补给区地下水环境监测网点位最多,与广东省地下水开发利用集中区域(湛江雷州半岛、广花盆地等)相适应。西北江三角洲、海积平原等单元的重点污染源及受污染场地跟踪性地下水污染监测网点位最多,与广东省重点污染源地域分布总体匹配。地表水-地下水关联监测、海水入侵等点位则主要分布于海积平原、湛江粤西、清远北江等水资源丰富带或沿海经济带(图6)。

　　2.3.2与地下水功能区划空间叠加关系

　　空间叠加结果显示,第一层监测网主要分布在地下水水源涵养区、地质灾害易发区、应急水源区、分散式开发利用区,占第一层监测网点的96%。第二层中的地下水饮用水源地主要分布在地下水水源涵养区、分散式开发利用区和应急水源区,重点污染源跟踪性监测网点和拓展监测网点主要分布在地下水水源涵养区和分散式开发利用区,监测密度以应急水源区最大,总体而言与各层地下水环境监测的目的和重点较匹配(图7)。

　　3结论

　　针对广东省尚缺乏“一张网”的有效整合、不利于地下水环境管理的现实情况,通过梳理多网空间分布、功能及未来广东省地下水环境管理的需求,从省级大空间尺度探讨了面向水源保护和污染监控的地下水环境监测网建设方法,结果表明:

　　1)地下水监测网一般分散在不同部门,不同监测网的网点数量、监测功能等均存在较大差异,应在系统分析不同网基本情况和监测网的建设目标基础上,根据监测需求构建与功能相适应的地下水监测网。从广东已有监测网情况看,H网点数量最多,水质指标最为丰富,地下水环境监测网以H网为基础、其他网点作有益补充的总体构建思路比较契合区域饮用水源安全和污染源监控等管理需求。

　　2)从各层级监测网与水文地质单元及地下水功能区划在空间布局上的空间协调性分析结果来看,提出的广东省地下水环境监测网系统框架及“三层七级”的层级化地下水环境监测网建设方案能总体上与地下水本底条件、地下水资源开发利用现状、地下水环境功能分区、重点污染源空间分布特征等相协调和匹配,可为广东省及相似需求地区地下水环境监测网建设提供参考。

　　受资料限制等影响,文章在监测网空间协调性分析上仅重点细化了珠三角冲积平原地区的单元划分,主要考虑各市行政管理需求对外围片区进行了划定,若要支撑精细化空间分析,还需对全省水文地质单元进行进一步细化,同时可甄选合适的地下水监测网优化方法深化研究,以更加精准支撑广东“十四五”地下水水质监控与污染防治。——论文作者：余香英1,2,张永波1,2,朱擎3,刘畅1,2,熊津晶1,2,许泽婷1,2,张文博1,2

文章名称：面向水源保护与污染监控的广东地下水环境监测网研究

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