岩溶区地下水环境质量调查评估技术方法与实践（精）

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1 绪论
　　1.1 岩溶水资源与环境
　　全球岩溶分布区面积约2200万km2，赋存丰富的能源、矿产和景观等资源。我国岩溶分布面积约350万km2，约占国土面积的1/3。岩溶区因岩溶地貌和洞穴景观秀美奇特而居住的人口密集，并成为重要的旅游区，因丰富的优质岩溶水资源和碳酸盐岩油气资源而产生高潜力的商业价值。我国南方裸露型岩溶区面积约7.78万km2，是岩溶景观最丰富也是岩溶资源环境问题最突出的地区，居住人口超过1亿人，普遍存在石漠化、岩溶干旱、洼地内涝、地下水污染等突出的环境问题和岩溶塌陷等地质灾害问题，严重制约了社会经济的发展。岩溶被公认为类似沙漠边缘的脆弱环境，岩溶资源和环境问题引起了各国政府和民众的高度关注，解决岩溶资源与环境问题是世界科学工作者所面临的一大难题。
　　地下水作为人类自然资源的一部分，为全球的绝大部分人口提供着宝贵的水源，同时支持着农业种植和工业生产活动。在我国城市用水中，400多座城市开采利用地下水，地下水供水量占城市总供水量的30%，华北、西北地区城市地下水供水比例高达72%和66%。绝大多数欧洲国家均以地下水为主要饮水水源，瑞士、葡萄牙、意大利等国家饮用地下水供水比例高于80%（吴爱民等，2016）。1955～1975年，美国地下水总利用率增加了近80%，地下水供水规模在逐渐扩大（Zaporozec，1979）。其中，岩溶水作为岩溶区主要供水水源，在社会经济生活中发挥着不可替代的作用。全球20%～25%的人口部分或全部依赖于岩溶水资源（Ford and Williams，2007），在类似于普利亚这样的地区，岩溶含水层也是唯一可用的淡水资源。在我国，近30个大、中型城市以岩溶水为主要供水水源，约20%的人口以岩溶水为主要（或唯一）供水水源（其中西南岩溶区约1亿人）。西南岩溶区共发育3066条地下河，以地下河水为供水的水源地有105个，供水人口近6000万人。
　　随着工农业的发展，岩溶地下水污染日趋严重。工业有害物质的释放、杀虫剂的使用和生活污水的无序排放是岩溶地下水污染的主要原因。另外，不合理开采或过量抽取地下水，改变地下水水力状态，也加速了地下水污染的进程。在我国南方岩溶区，地下水“三氮”和重金属（镉、铅、汞）污染较为普遍，部分地区还遭受不同程度的有机污染。许多发达国家如美国、加拿大及欧洲一些国家，由有机污染源产生的地下水污染问题已有几十年的历史，且污染面积和污染程度均在不断加剧。在未来，气候变化和地表水水质恶化可能会加大人们从岩溶含水层获取饮用水水源的需求。而岩溶系统的特殊性和脆弱性，需要我们对高度敏感的岩溶水资源采取有效和准确的保护措施。
　　长期以来我国水环境保护的重点是地表水，地下水环境的监管能力建设相对薄弱，相关工作明显滞后。因此，1999年之前的《中国环境状况公报》都没有针对地下水环境状况进行说明。在1999年的《中国环境状况公报》中，增加了对地下水环境的说明：全国多数城市地下水受到一定程度的点状和面状污染，局部地区的部分指标超标，主要污染指标有矿化度、总硬度、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、铁和锰、氯化物、硫酸盐、氟化物、pH等。1980～2010年30多年的长期监测显示，包括岩溶水在内的全国地下水环境质量恶化呈逐年加重的趋势。岩溶水资源与环境问题已经成为阻碍岩溶区社会经济发展的重要因素之一，尤其是煤矿等矿山开采和生活污水及工业废水的排放引发的岩溶水污染加剧了岩溶区供水矛盾，严重威胁了岩溶区饮水安全。
　　岩溶水环境问题早已受到广大专家和学者的关注，袁道先等七位院士起草了“防止我国西南岩溶地区地下河变成‘下水道’的对策与建议”，并发表在2007年第4期“中国科学院院士建议”上。该文认为，我国西南岩溶地下河被污染是涉及亿万人饮水安全和近100万km2国土上经济社会发展的重大问题，解决这个问题需要从国家层面上尽快做出决策。同时，提出了“查清地下河分布和污染现状，加强监测、执法，有关科技问题的攻关、科普、干部教育和治理已被污染地下河等七条建议”。后分别被中国科学院办公厅刊物《中国科学院专报信息》2007年第33期、中共中央办公厅刊物《专报》、国务院办公厅刊物《专报信息》采用，并得到曾培炎、回良玉同志批示。后来，国土资源部部长徐绍史同志于2007年7月7日批示：“这是需要高度重视的一个问题。”
　　为此，中国地质科学院岩溶地质研究所依托联合国教科文组织国际岩溶研究中心，于2016年提出了“全球岩溶动力系统资源环境效应”国际大科学计划建议，旨在通过多种形式的国际合作，共绘“全球岩溶”一张图，建立全球岩溶信息平台，深化全球岩溶动力系统科学技术研究，突破岩溶关键带资源环境科学问题的瓶颈，为人类提供全球岩溶公共服务信息，为不同类型岩溶地区资源可持续利用和应对全球环境变化提供科学依据。
　　1.2 岩溶水环境质量状况调查研究进展
　　1.2.1 国外研究现状
　　1.2.1.1 岩溶地下水污染调查进展
　　国外关于岩溶地下水环境的调查研究始于20世纪40年代。1947年，美国佛罗里达州因暴发蓝藻而开展了岩溶地下水污染调查；此后，德国、瑞士等国相继开展了岩溶地下水资源环境调查。在20世纪70年代前，国外普遍关注无机污染物的调查研究；70年代后，北美、欧洲的发达国家地下水污染研究的重点开始从无机污染物转向有机污染物。最初的调查是针对饮用水安全和加油站油罐泄漏事件，后逐渐过渡到对各水源地的系统调查研究。随着人工合成化学品的增多和检测手段的发展，被调查的污染物种类越来越多。到1993年，地下水中已发现的有机污染物达184种，包括卤代烃类、芳烃类、农药类等污染物，其中检出最多的有机物是卤代烃类和苯系物。
　　美国是开展地下水有机污染调查最早的国家之一，调查的起因是20世纪70年代在一些饮用水水井中发现了有毒有机污染物。1977年在新泽西州Brunswick地区27口私有饮用水水井中发现有机污染物，经调查该地下含水层主要有机污染物为1， 1， 1-三氯乙烷（TCA）和三氯乙烯（TCE），浓度最高可达几百甚至上千微克每升。对美国1255口家庭水井和242口公共供水井中未经处理的地下水进行取样分析，地下水中60种挥发性有机物（VOCs）、83种农药和硝酸盐的浓度，发现前二者的检出率分别为44%和38%，70%的水样中至少有1种VOCs、农药或硝酸盐检出，VOCs和农药的检出量一般为0.001～100μg/L；检出率最高的5种组分分别为脱乙基莠去津（DEA）、莠去津、氯仿、四氯乙烯（PCE）和西玛津。
　　地下水有机污染能够给公众造成巨大的健康风险，已经引起一些国家的高度重视。世界卫生组织（World Health Organization，WHO）、美国、欧盟和世界上许多国家和机构均逐年增加了饮用水中有机污染物的监控指标。美国环境保护署（U. S. Environmental Protection Agency，USEPA）早在1979年即公布了129种优先控制污染物的“黑名单”，其中有机污染物达114种。1986年美国国会通过了《安全饮用水法》，对全美饮用水制定了83项标准，其中有机指标53项；1996年再次修订，总指标扩大到100项，有机指标增加到64项。1971年WHO推荐的水质指标为29项，其中有机指标2项，到2004年WHO推荐的水质指标扩大到125项，其中有机指标增至87项。
　　1991～2001年，美国地质调查局（United States Geological Survey，USGS）开展了第一轮国家水质评价计划（National Water Quality Assessment Program，NAWQA）。该计划收集和分析了全美50多条河流和含水层系统的数据和信息，目的是在河流、地下水和水生态系统方面建立长期持久的且可供对比的信息，以支持优良的管理和政策决策。2001年，USGS启动了第二个十年的国家水质评价计划（NAWQA）。在第二轮研究中，NAWQA的主要任务是针对19个含水层的地下水水质状况和发展趋势进行区域评价，并对第一轮评价单元的成果进行补充和扩展，加强对地下水水质和水量方面的了解，确定十多年来监测点的变化趋势；同时，开展了城市化对河流生态系统的影响，营养物质和污染物在饮用水水井中的运移，杀虫剂、挥发性有机物、营养物质和微量元素对地下水质量的综合影响等工作。2005～2006年，USGS进一步评价了地下水水质和含水层中化学物质的运移。2014年，USGS整合了地表水和地下水计划，构成了当前水使命领域四大计划的格局：国家地下水资源与径流信息计划（National Groundwater Resources and Runoff Information Program，GWSIP）、NAWQA、国家水资源可用性和利用计划（National Water Availability and Utilization Plan，WAUSP）及水资源研究法案计划。
　　2000年10月23日，欧盟颁布了欧洲议会与欧盟理事会关于建立欧共体水政策领域行动框架的2000/60/EC号令（简称欧盟水框架指令）。欧盟水框架指令是一项重要的政策倡议，为欧洲所有水域（包括江河、湖泊、地下水、江河口及沿海水域）的管理与保护制定了一种共同方法。其中，减少有害物质的污染，并逐步减少地下水污染，是相关子指令的重要主题。2003年9月22日，欧洲委员会提出另一项指令，要求欧盟成员国监测和评价地下水质量，以控制和逆转地下水受污染的趋势。该建议是为了满足2000年欧盟水框架指令的要求，即委员会应提出“预防和控制地下水污染和使地下水水质保持良好”的法规。按照欧盟水框架指令，提出的措施必须包括“评价地下水化学状况和鉴定地下水污染趋势的基准”。
　　德国对岩溶区均做过系统的水文地质调查，其工作内容和程序与我国的工作基本相似。但对每个岩溶泉域投入的勘探、试验工作和研究程度普遍高于我国。他们对可能的落水洞与泉或钻孔之间都开展了示踪试验，更为确切地掌握了各个岩溶水径流通道的联系和展布方向、流速、泉域边界等岩溶水文地质要素，普遍建立了岩溶水系统的数值模拟和管理模型。
　　1.2.1.2 岩溶地下水系统防污性能评价
　　地下水系统防污性能评价是地下水污染调查的主要内容之一。通过对岩溶地下水系统防污性能和风险性的评价研究，可以了解人类利用土地活动与地下水污染之间的关系，表征污染源的位置以及可能存在的污染风险，刻画出地下水易被污染的高风险区，为土地利用规划和地下水资源管理提供强有力的工具，从而帮助管理者和决策者制定有效的地下水保护战略和措施。
　　1）地下水系统（含水层）防污性能的定义
　　地下水系统（含水层）防污性能这一概念是由“groundwater（aquifer）vulnerability to pollution”一词翻译而来，是指地表污染物进入地下水系统（含水层）的难易程度，即在一定的地质和水文地质条件下，如果地表污染物很易进入地下水系统，则该地区属于“vulnerability”（脆弱性）高的地区，反之是属于低的地区。在我国，对“groundwater（aquifer）vulnerability to pollution”有“地下水脆弱性”“地下水污染敏感性”“地下水易污染性”等多种表述。在2008年，中国地质调查局对该名词进行了统一，称为“地下水系统（含水层）防污性能”。但防污性能分级正好与英文的“vulnerability”的分级相反，即地表污染物很易进入地下水系统的地区是地下水防污性能低的地区，反之是属于高的地区。
　　1968年，法国人Margat首次提出“含水层防污性”（groundwater vulnerability）的概念（Margat，1968）。1987年，在荷兰召开的“土壤与地下水污染及脆弱性”（Vulnerability of Soil and Groundwater to