采用敏感性分析和最差情況分析進(jìn)行地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

采用敏感性分析和最差情況分析進(jìn)行地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估采用敏感性分析和最差情況分析進(jìn)行地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估采用敏感性分析和最差情況分析進(jìn)行地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估采用敏感性分析和最差情況分析進(jìn)行地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)［比利時(shí)］MarijkeHuysmans李燁譯；馮翠娥、魏國(guó)強(qiáng)校譯本文闡述了如何利用敏感性分析和最差情況分析來(lái)對(duì)地下水污染進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并將這一方法應(yīng)用于匈牙利境內(nèi)的一個(gè)研究區(qū)。在該研究區(qū)存在幾個(gè)地下水污染源，而且位于飲用水井附近。主要關(guān)注的是污染源是否對(duì)飲用水井造成威脅。由于資料有限，模擬的結(jié)果具有很大的不確定性。應(yīng)用敏感性分析來(lái)評(píng)價(jià)這一不確定性。一、概述確定與地下水污染有關(guān)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)是一個(gè)常見(jiàn)的研究問(wèn)題。通常需要研究受到污染的地下水是否會(huì)到達(dá)飲用水井、河流、生態(tài)脆弱區(qū)或動(dòng)植物敏感區(qū)（Calow，1998）。計(jì)算機(jī)模型是常用的進(jìn)行地下水流動(dòng)和污染預(yù)測(cè)的工具。由于資料的缺乏和模型參數(shù)的異質(zhì)性，往往會(huì)造成模擬結(jié)果的不確定性。盡管與預(yù)測(cè)相關(guān)的不確定性可能非常關(guān)鍵，但是通常都會(huì)被忽略，特別是在資料相當(dāng)缺乏的情況下（Levy等，1998）。有幾種解決參數(shù)不確定性的方法。常用的隨機(jī)分析方法是蒙特卡羅（MonteCarlo）模擬（Asante-Duah，1998）。應(yīng)用這一方法，可以在所能輸入的概率分布范圍內(nèi)自由選擇輸入值，并計(jì)算出每種情況下的輸出值。通過(guò)重復(fù)計(jì)算可以確定輸出的分布范圍。盡管蒙特卡羅模擬方法的功能強(qiáng)大，而且漸近收斂，但是計(jì)算效率卻很差。另外，還需要確定每一個(gè)模擬參數(shù)的概率函數(shù)，這是在輸入信息比較缺乏的情況下，該方法的一個(gè)嚴(yán)重的缺陷。蒙特卡羅模擬通常與地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法相結(jié)合，然而，地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法需要通過(guò)大量的數(shù)據(jù)來(lái)準(zhǔn)確描述每一個(gè)參數(shù)的空間變化，而在實(shí)際工作中，通常不可能獲得如此充足的資料。解決不確定性問(wèn)題最直接的方法是敏感性分析和（或）最差情況分析。通過(guò)敏感性分析，可以確定由于輸入變量和參數(shù)造成的輸出變化，這是一種檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭休敵鲎兞繉?duì)輸入變量的靈敏性的分析方法。在最差情況分析中，需要給定每一個(gè)變量和參數(shù)最差的可能值，這樣可以得出模型的最差輸出結(jié)果。本文根據(jù)敏感性分析和最差情況分析進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，研究區(qū)Mátézalka市擁有25400人口，位于匈牙利東部，靠近羅馬尼亞和烏克蘭邊界。Mátézalka沿Kraszn河分布，Kraszna河與Tisza河相匯，最終排泄到多瑙河。Mátézalka周?chē)袔讉€(gè)潛在的污染源。其中一個(gè)地下水污染源是城市垃圾處理場(chǎng)，占地面積80萬(wàn)m2，沒(méi)有加適當(dāng)?shù)姆罎B層，在高水位期地下水水位會(huì)到達(dá)垃圾場(chǎng)的底部邊界。另一個(gè)地下水污染源是在1971～1997年間利用的污水氧化池（Nauner，2000）。現(xiàn)在，該池被土壤和植被覆蓋，但是在地下土壤中仍存留大量的污水和污泥。第三個(gè)地下水污染源是污水處理廠(chǎng)，一級(jí)處理是通過(guò)濾網(wǎng)將木頭、紙和塑料等去除，并通過(guò)大的沉降池將固體和水分離開(kāi)來(lái)，大部分固體沉到池的底部，在這一階段，70%左右的固體是污泥，約1萬(wàn)m3左右。與污染處理系統(tǒng)沒(méi)有聯(lián)系的住宅區(qū)是第四個(gè)地下水污染源，這些住宅區(qū)的污染坑沒(méi)有用混凝土加固，因此，污水容易到達(dá)地下，特別是在地下水位較高時(shí)。工業(yè)活動(dòng)是第五個(gè)地下水污染源。主要關(guān)注的問(wèn)題是這些污染源是否會(huì)對(duì)飲用水井造成威脅，要研究這一問(wèn)題相當(dāng)復(fù)雜，但是資料卻很有限。二、地質(zhì)條件Mátézalka位于匈牙利平原，是帕諾尼亞（Pannonian）山間盆地的一部分。研究區(qū)內(nèi)更新統(tǒng)沉積物厚度約為260m，下更新統(tǒng)厚度為110m，中更新統(tǒng)厚度為90m，上更新統(tǒng)厚度為60m。下更新統(tǒng)的沉積物主要由砂礫組成，是該區(qū)的含水層系統(tǒng)，是重要的飲用水源。中更新統(tǒng)是區(qū)域隔水層，由滲透性差的沖積相或湖相粉砂和粘土組成。上更新統(tǒng)由中細(xì)砂和粉砂組成，也可以作為含水層，但滲透性比上更新統(tǒng)要差。下部的粘土層是隔水層，可以作為地下水流動(dòng)和運(yùn)移模型的隔水底板。根據(jù)23口水井的鉆孔資料可以對(duì)不同地層單元進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)將更新統(tǒng)劃分為6個(gè)水文地層單元可以將復(fù)雜的地質(zhì)條件進(jìn)行簡(jiǎn)化（表1）。第一層是各向異性的含水層，滲透性較強(qiáng)，由許多較薄的砂層、粉砂層和粘土層組成；第一層和第二層是主要由粘土層和砂質(zhì)粘土層組成的半透水層，滲透性較差；第三層是連續(xù)的砂層，有幾口水井將該層作為水源；第五層和第六層是最好的含水層或含水單元，水力傳導(dǎo)系數(shù)最大，所有的飲用水都是從這兩層獲取。表1更新統(tǒng)的6個(gè)水文地質(zhì)單元描述水文地質(zhì)單元平均厚度（m）描述地層第一層65薄砂、粉砂和粘土層上更新統(tǒng)第二層25粘土或粘質(zhì)砂層中更新統(tǒng)第三層7砂層第四層40粘土或粘質(zhì)砂層第五層20粗砂礫層和粘土互層的各向異性單元下更新統(tǒng)第六層100厚砂礫和粘土互層三、地下水流動(dòng)模型根據(jù)MODFLOW來(lái)求解微分方程。（一）邊界條件水文地質(zhì)模型是一個(gè)9km×10km×260km的模型。上部的更新統(tǒng)粘土沉積物表示模型的不透水邊界；根據(jù)測(cè)壓圖和剖面圖獲得測(cè)壓水頭條件，將測(cè)壓水頭條件作為含水層一、三、五和六的邊界；第二層和第四層的垂直邊界是零通量邊界，這兩層主要由粘土組成，地下水流動(dòng)相當(dāng)慢，而且水流主要是在垂直方向上運(yùn)動(dòng)，因此，假定沿垂直邊界的水平通量為0。模型的東部邊界是一條河流，這條河流的坡度為13cm/km，河流底部沉積物厚度約為0.7m，水力傳導(dǎo)系數(shù)約為10－6m/s。按照每月的抽水資料，確定模型中從井場(chǎng)抽取的地下水量。共有15口抽水井，總抽水量為15000m3/天。根據(jù)Thorntwaite方法，估計(jì)含水層的補(bǔ)給量為30mm（二）柵格設(shè)置6層104行和112列的柵格，基本單元是100×100m2，在抽水井附近柵格大小一般是50×50m2，每個(gè)單元一般者不得超過(guò)其鄰近單元的1.5倍。為了進(jìn)行計(jì)算，每個(gè)單元的長(zhǎng)寬比不超過(guò)（三）水力傳導(dǎo)系數(shù)利用抽水試驗(yàn)、排泄和水位下降資料以及粒度分布資料，確定研究區(qū)不同地層的水力傳導(dǎo)系數(shù)。在第一層進(jìn)行了12次試驗(yàn)，在第五層進(jìn)行了3次試驗(yàn)，在第六層進(jìn)行了8次試驗(yàn)。采用Thiem-Dupuit等式來(lái)分析排泄和水位下降資料，在第一層進(jìn)行了13次分析，在第五層進(jìn)行了1次，在第六層進(jìn)行了22次。采用Beyer公式和Zamarin公式對(duì)第六層的6個(gè)土樣進(jìn)行了粒度分析，這兩個(gè)公式是分析粒度與傳導(dǎo)系數(shù)之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。在第二層和第四層沒(méi)有分析水力傳導(dǎo)系數(shù)，取以前的研究數(shù)據(jù)。計(jì)算每一層水力傳導(dǎo)系數(shù)的平均值。在水平層的沉積物中，水平水力傳導(dǎo)系數(shù)要高于垂直水力傳導(dǎo)系數(shù)，假定Kh與Kv的比等于10（表2）。第五層和第六層是滲透性最強(qiáng)的更新統(tǒng)地層；第二層和第四層是滲透性最差的更新統(tǒng)地層，它們形成了地下水流動(dòng)的天然屏障。表2每一層的平均水力傳導(dǎo)系數(shù)測(cè)量值層水平水力傳導(dǎo)系數(shù)Kh(m/s)垂直水力傳導(dǎo)系數(shù)Kv(m/s)一5.8×10－55.8×10－6二1.3×10－71.3×10－8三1.3×10－51.3×10－6四1.3×10－71.3×10－8五7.0×10－47.0×10－5六3.7×10－43.7×10－5（四）校正通過(guò)32個(gè)測(cè)壓計(jì)測(cè)量地下水水位來(lái)進(jìn)行校正，其中17個(gè)測(cè)壓計(jì)位于上更新統(tǒng)（第一層），另外還有15個(gè)位于下更新統(tǒng)（第六層）。根據(jù)穩(wěn)定態(tài)條件對(duì)模型進(jìn)行校正，首先利用“試錯(cuò)”法對(duì)水力傳導(dǎo)系數(shù)和補(bǔ)給進(jìn)行校正，之后采用PEST進(jìn)行自動(dòng)校正。根據(jù)“試錯(cuò)法”獲得的水力傳導(dǎo)系數(shù)見(jiàn)表3。表3采用“試錯(cuò)法”校正前后的水力傳導(dǎo)系數(shù)初始值校正值Kh15.8×10－5m區(qū)1：1.5×10－4m區(qū)2：2.0×10－5m區(qū)3：8.0×10－5m區(qū)4：1.5×10－5mKv15.8×10－6m區(qū)1：1.5×10－5m區(qū)2：2.0×10－6m區(qū)3：8.0×10－6m區(qū)4：1.5×10－6mKh21.3×10－7m9.0×10－8mKv21.3×10－8m9.0×10－9mKh31.3×10－5m1.3×10－5mKv31.3×10－6m1.3×10－6mKh41.3×10－7m9.0×10－8mKv41.3×10－8m9.0×10－9mKh57.0×10－4m7.0×10－4mKv57.0×10－5m7.0×10－5mKh63.7×10－4m9.0×10－5mKv63.7×10－5m9.0×10－6m有效入滲率30mm/年25mm/年采用PEST進(jìn)行自動(dòng)校正，這是一個(gè)參數(shù)估計(jì)程序。采用Gauss-Marquardt-Levenberg運(yùn)算法則，通過(guò)PEST將均方差之和最小化，采用了兩個(gè)約束條件。第一個(gè)約束條件是每一層水平方向上的水力傳導(dǎo)系數(shù)都相等；第二個(gè)約束條件是選擇每個(gè)參數(shù)的最大值和最小值。將初始值除以10作為下限，將初始值乘以10作為上限。在本研究過(guò)程中，通過(guò)自動(dòng)參數(shù)估計(jì)與試錯(cuò)校正獲得的平均絕對(duì)誤差相同。自動(dòng)參數(shù)估計(jì)并沒(méi)有減小誤差，因此，在進(jìn)一步分析工作中，采用的是試錯(cuò)校正。（五）結(jié)果計(jì)算東西向剖面的測(cè)壓水位，結(jié)果表明：第一層在河流西邊的位置上，地下水補(bǔ)給河流。在河流東邊，沒(méi)有明顯的地下水徑流。應(yīng)當(dāng)注意到，出于計(jì)算的原因，模型中Kraszna河的深度要大于實(shí)際觀(guān)測(cè)值。如果減小模型中的河流深度，污染物就會(huì)在河流上游方向流入Kraszna河，一些污染物會(huì)沉積在河流底部。在第一層與第五、六層之間，垂向地下水徑流量不大。在第六層，抽水井在地下水流動(dòng)過(guò)程中起著重要作用。采用MODFLOW的區(qū)域預(yù)算模塊計(jì)算穩(wěn)定態(tài)的水均衡，可以了解該區(qū)不同地層、河流、入滲、抽水和邊界之間能量的相互作用。水均衡誤差要控制在1%之內(nèi)。在第一層，輸入的水量主要是源自側(cè)邊界，入滲占總輸入量的17%，大部分輸出的水量補(bǔ)給了河流，另一部分輸出量是沿側(cè)邊界排泄，從第一層通過(guò)側(cè)邊界流向第二層的水量為8208m3/天。第二層是粘土層，沒(méi)有側(cè)邊界流量，從第一層進(jìn)入的水量沿垂直方向直接進(jìn)入第三層。第三層是細(xì)砂層，從第二層獲得的水量幾乎全部流入第四層，沿側(cè)邊界輸入的水量和輸出的水量相差不大。第四層也是粘土層,沒(méi)有側(cè)邊界流量，從第三層獲得的水量直接流向第五層。第五層獲得的水量通過(guò)側(cè)邊界和垂直方向流向第六層，第五層中的抽水井也占一部分輸出量。在第六層，通過(guò)側(cè)向流獲得的輸入量為4218m3/天，從第五層獲得的輸入量為5252m3/天，主要是通過(guò)抽水井輸出水量，抽水量為6181m3/四、運(yùn)移模型采用兩種不同的方法，對(duì)運(yùn)移情況進(jìn)行模擬，這兩種方法分別是采用MODPATH進(jìn)行顆粒示蹤（Pollock，1994）和采用MT3D進(jìn)行運(yùn)移模擬（ZhengandWang，1999），包括水平對(duì)流和彌散運(yùn)移。沒(méi)有考慮由于擴(kuò)散造成的運(yùn)移，因?yàn)樵诟邼B透性的環(huán)境中，擴(kuò)散引起的運(yùn)移量可以忽略不計(jì)（CargesandBaehr，1998）。由于沒(méi)有關(guān)于污染物阻滯因數(shù)的資料，假定阻滯因數(shù)為1，這是比較安全的假定。（一）邊界條件在運(yùn)移模型的邊界，假定濃度梯度。因?yàn)闆](méi)有3種主要污染源（即城市垃圾處理場(chǎng)、污水氧化池和污水處理廠(chǎng)）不同污染物濃度的資料，因此，任意選擇1000個(gè)連續(xù)的濃度值。（二）運(yùn)移參數(shù)每層的主要輸入性質(zhì)是有效孔隙度以及縱向和橫向彌散性。根據(jù)前人研究的文獻(xiàn)，將有效孔隙度統(tǒng)一選擇為0.10（AndersonandWoesner，1992）。確定彌散性時(shí)要復(fù)雜一些，彌散值與測(cè)試或觀(guān)測(cè)范圍有關(guān)（ZhengandBennett，1995）。在運(yùn)移模型中選擇的柵格大小為50和100m。根據(jù)Gelhar等（1992）的研究結(jié)果，對(duì)于50m的柵格，縱向彌散度約為0.3m，對(duì)于100m的柵格，縱向彌散度約為5m。為了簡(jiǎn)化，選擇整個(gè)研究區(qū)的縱向彌散度為5m。由于資料不足，選擇橫向彌散度比縱向彌散度小一個(gè)數(shù)量級(jí)，垂直方向的橫向彌散度比縱向彌散度小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這樣在運(yùn)移模型中，水平橫向彌散度為0.5m，垂直橫向彌散度為0.05m。（三）結(jié)果通過(guò)模擬，可以看出，顆粒（即污染物）遷移的深度不大，到達(dá)的最深處只有11m，但是沿水平方向遷移量較大，到達(dá)河流附近。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，最先到達(dá)河流的顆粒來(lái)自污水處理廠(chǎng)，經(jīng)過(guò)10年的時(shí)間到達(dá)河流；最后到達(dá)河流的顆粒來(lái)自城市垃圾處理場(chǎng)，需要18年的時(shí)間到達(dá)河流。顆粒不會(huì)達(dá)到深井，因此不會(huì)污染飲用水源。MT3D運(yùn)移模型表明，經(jīng)過(guò)8年左右的時(shí)間，污水處理廠(chǎng)的污染物會(huì)到達(dá)河流；經(jīng)過(guò)9年時(shí)間，污水氧化池的污染物到達(dá)河流；經(jīng)過(guò)13年左右的時(shí)間，城市垃圾處理場(chǎng)的污染物到達(dá)河流。計(jì)算主要污染源下5、15、25和35m深度的污染物濃度，結(jié)果表明，在主要污染源以下15m，污染物濃度低于污染源以下5m處污染物濃度的幾倍，深度為25m和35m，污染物的濃度相當(dāng)?shù)汀８鶕?jù)運(yùn)移模型也證實(shí)了顆粒示蹤的結(jié)果。根據(jù)可利用的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，污染物似乎不會(huì)到達(dá)較深的地區(qū)，因此，位于下更新統(tǒng)的飲用水井也不會(huì)受到這些污染物的威脅。五、敏感性分析在本研究中，由于資料有限，所以對(duì)邊界條件進(jìn)行了簡(jiǎn)化和假定。這樣當(dāng)然會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且污染物不會(huì)對(duì)飲用水井造成威脅的結(jié)論也會(huì)遭到質(zhì)疑。為了檢驗(yàn)結(jié)論是否準(zhǔn)確，選擇最差情況進(jìn)行敏感性分析。首先，對(duì)第一層到第二層和第五層到第六層的邊界條件、水力傳導(dǎo)系數(shù)、河流參數(shù)以及沿垂直方向的水流量進(jìn)行分析。不同層之間的垂直地下水流動(dòng)對(duì)于溶解污染物向晚更新統(tǒng)地層遷移起著重要的作用。根據(jù)敏感性分析結(jié)果可以看出，從第一層到第二層的地下水流對(duì)所有的邊界條件都非常敏感；如果將第一層的水頭增加2m，就會(huì)使第一層到第二層的水流量增加24%；如果將第五層和第六層的水頭增加2m，就會(huì)使從第一層到2層的水流量減少24%。從第五層到第六層的水流量取決于第五層和第六層的邊界條件。如果將第五層和第六層的邊界水頭降低2m，就會(huì)使從第五層到第六層的水流量增加11%；如果將第五層和第六層的邊界水頭增加2m，就會(huì)使地下水流量減少19%。通過(guò)垂直流量與水力傳導(dǎo)系數(shù)、電導(dǎo)率和入滲的敏感性分析，可以看出，改變粘土層的水力傳導(dǎo)系數(shù)K2和K4，會(huì)對(duì)水流量造成很大的影響。如果K2增加10倍，從第一層到第二層的水流量就會(huì)增加135%；如果K4增加10倍，就會(huì)使第五層到第六層的水流量增加61%。其次，需要分析模擬出來(lái)的運(yùn)移時(shí)間和濃度對(duì)第一層的水力傳導(dǎo)系數(shù)、有效孔隙度和彌散程度的敏感性。期間用到了以下縮寫(xiě)：t1：污水處理廠(chǎng)的污染物到達(dá)河流的時(shí)間；t2：污水氧化池的污染物到達(dá)河流的時(shí)間；t3：垃圾處理場(chǎng)的污染物到達(dá)河流的時(shí)間；c1：污水處理廠(chǎng)15m以下的污染物濃度；c2：污水氧化池15m以下的污染物濃度；c3：垃圾處理場(chǎng)15m以下的污染物濃度。計(jì)算結(jié)果表明，隨著水力傳導(dǎo)系數(shù)增加，有效孔隙度減少和彌散度增加，污染物向河流的運(yùn)移時(shí)間減小，水力傳導(dǎo)系數(shù)較大會(huì)造成污染源以下的溶質(zhì)濃度減小，這是由于如果孔隙介質(zhì)滲透性較強(qiáng)，污染物更容易在水平和垂直方向上運(yùn)移。有效孔隙度對(duì)濃度分布情況影響不大，而彌散度增加會(huì)使污染源以下污染物的濃度增加，而且會(huì)造成污染物沿與水流垂直的方向運(yùn)移，使污染物到達(dá)較深的地方。需要注意的是，在敏感性分析當(dāng)中，參數(shù)值變化時(shí)，無(wú)需重新進(jìn)行校正。但是，這樣會(huì)得出一些有趣的結(jié)果，也許這就是將來(lái)需要進(jìn)一步研究的課題。例如，假設(shè)天然補(bǔ)給量是50mm/年，而不是25mm/年，重新校正后第一層的水力傳導(dǎo)系數(shù)可能會(huì)變大，根據(jù)這一校正值重新評(píng)價(jià)水流量分布和污染物運(yùn)移可能是一種新的嘗試。六、最差情況分析根據(jù)敏感性分析，大多數(shù)參數(shù)對(duì)污染物向下遷移的影響都是已知的。利用給定輸入?yún)?shù)值（實(shí)際值或可能值），通過(guò)將污染物向下游遷移速度最快，來(lái)確定最差情況，參數(shù)值見(jiàn)表4。如前所述，第一層邊界的測(cè)