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佛山市典型区域地下水环境质量监测网络优化设计

2024-12-17 51 上传者：管理员

摘要：文章以佛山市典型区域为研究对象，提出构建并优化地下水环境质量监测网络。通过查明地貌单元特征、水文地质条件，结合单元内部潜在污染源分布情况、可供利用的基础资料，提出包括监测点布设、取样频率及监测指标、监测能力提升的优化设计方案。在满足规范要求的前提下，提升了监测的精确性和经济性。研究提出的设计方法不仅为佛山市地下水环境质量监测提供了科学依据，也为同类地下水环境质量监测工程提供了有益的参考和借鉴。

关键词：
优化设计
地下水环境质量
工业“三废”
监测单元
监测网络
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近年来，随着经济社会迅速发展、城市规模不断扩大，工业“三废”和生活污水等不合理排放现象频繁发生，进而导致地下水水质不断恶化，地下水环境质量日益明显地成为制约国民经济发展、影响人民生活和健康的一个重要因素。

地下水系统不同于地表水系统，一旦遭受污染，难以完全治理和修复，且耗费时间较长(通常持续30年以上)[1]。因此，构建并优化地下水环境质量监测网络对于地下水污染防治工作具有重要意义。其目的是准确掌握区域地下水环境质量状况和地下水体中污染物的动态分布变化情况，从而实现对人口密集区、重点工业园区、地下水重点污染源区、重要饮用水源地等区域的有效监测，实现政府对地下水环境质量的总体监控[2]。

监测网络的优化设计可以采用多种方法实现。其中，统计学理论中的克里金插值法主要对已构建监测网的地区进行优化设计，尤其在设定取样频率中应用较多[3];地下水流和溶质运移模拟法(数值模拟)主要应用于理想场地条件下监测网的优化设计[4],常见于生活垃圾填埋场等有毒有害废物场地监测网布置；此外，还有一些比较典型的方法，如Kriging法、卡尔曼滤波法、信息熵、聚类分析法等[5],这些方法一般限于理论研究或小范围区域应用探索，难以在大尺度地区上较好实现监测网络的优化设计。

本文以佛山市有明确地下水污染监测目标(潜在污染源)的典型区域为研究对象，分析其地貌单元特征、区域水文地质条件，结合潜在污染源分布情况以及可供利用的基础资料，对各类区域进行地下水环境质量监测网络优化设计，在保证质量监测效果的同时控制成本，达到最优监测目的。旨在为佛山市乃至全省构建更全面、更系统的地下水环境质量监测网络提供优化设计方案。

1、典型丘陵山区

1.1 区域概况

(1)地貌特征

该区域位于佛山市高明区明城镇政府西南侧方向约6km处的丘陵山区一带，为丘陵—低山地貌，四周山体起伏连绵，地势陡峻，相对高差大且陡峻，沟谷纵横，植被茂密，北侧的鹿洞山为最高峰，海拔476.2m, 中部为低丘山地、林地、山塘等。

(2)水文地质条件

该区域北侧以鹿洞山山脊为界，南侧以尖锋—乌泥坑山脊一带为界，西侧以里山—太平坳山脊一带为界，东侧以石光米山脊—寮头村一带为界，可概化为天然较独立的次一级水文地质单元。四周的山脊分水岭作为其隔水边界，西北、东南两侧的丘间谷地可视为其地下水排泄区，如图1所示。区内分布的前第四系以中泥盆世地层为主，岀露的侵入岩主要为晚三叠世花岗岩、花岗闪长岩，地下水主要赋存于层状和块状基岩风化裂隙、构造裂隙之中；地下水的补给方式主要为降雨入渗补给、基岩裂隙水的侧向补给；地下水的径流方向自山脊地带向平原地带流动；由于地形坡度较陡、风化、构造裂隙较发育以及水力坡度大，地下水迳流速度较快，导致污染物运移能力相对较强。

图1 典型丘陵山区遥感影像和监测点布设图

(3)污染源分布情况

位于区域北侧的高明苗村白石坳生活垃圾填埋场为区域内主要污染源，对地下水的影响主要来自渗滤液。污染物通常随渗滤液及多种液体废弃物，经由包气带渗入含水层，形成连续入渗型的地下水污染途径。这一过程表现为两种形式：一是包气带饱水，呈连续入渗的形式；二是包气带上部的表土层完全饱水，呈连续渗流形式，而其下部呈非饱水的淋雨状的渗流形式渗入含水层。这种类型的污染对象主要是浅层含水层。

1.2 监测网络优化设计

(1)监测点布设

首先根据所处区域水文地质条件(地下水类型、运动特征)及监测重点确定布设原则[6]。该区域原始地貌改变较小，浅层地下水流向明晰，总体顺地势往南流入山间盆地，监测重点为生活垃圾填埋场地下水(潜在)污染扩散，从而确定该区域布设位置和数量：①地下水上游补给区至少布设1处区域对照监测点，靠近但不受污染源影响；②排水井和渗滤液处理设施附近应布设敏感受体监测点，监测最易受污染源影响的区域；③地下水径流区和排泄区按“三角型”至少布设4处污染扩散监测点，监测污染物扩散情况。

其次合理利用现有监测点，掌握和筛选企业自建监测井、民用大口井，待建监测井，按照上述原则统筹布设，在平面上达到“规范”监测精度，在垂向上达到监测层位统一，最终实现对该区域地下水系统监测。按照监测需求并充分利用现有监测点，该区域最终共布设7处监测点，包含2处对照监测点和5处污染扩散监测点，监测手段主要为人工监测，仅设1处自动监测点，如图1所示，布设情况见表1。

表1 典型丘陵山区监测井布设情况表

(2)监测频率及监测指标

所处区域应遵循地方环境保护行政主管部门的监督性监测原则，在每年固定时段开展定期采样监测，监测频率不得低于每季度1次。同时，自动监测频率应根据仪器设备进行实时和定频监测，建议监测频次为每小时1次，以确保数据的时效性和准确性。

人工监测指标按GB 16889—2024《生活垃圾填埋场污染控制标准》,在水质全分析的基础上增加二氯甲烷、四氯乙烯、乙苯、二甲苯、苯乙烯等特征污染物，自动监测指标视情况选择pH值、溶解氧、温度、电导率、总溶解固体、氧化还原电位、氨氮、硝酸盐、铁、锰等开展自动监测。

(3)监测能力提升设计

本区域水文地质条件明确，地下水开采程度低，监测点布设密度为2.96km2/个，主要监测对象为具微承压性基岩裂隙水。从监测点空间分布上看，监测网布局较合理且满足规范精度要求。

在此基础上，为进一步提升区域监测能力，可提升监测自动化程度，增设自动监测仪器，选择不断流的溪沟或泉眼作为对照监测点。同时，应结合本底值调查、地下水质量监测及污染物排放实际情况，优化监测频次及监测指标。如果超标指标是由当地地质背景因素所致，可将其从监测指标中去除；当污染物浓度变化趋于稳定且总量逐渐减小时，可依据具体情况减少监测频次，按照枯、丰水期各1次进行监测，争取用最低的采样频次，取得最有时间代表性的样品。

2、典型岩溶区

2.1 区域概况

(1)地貌特征

该区域位于佛山市南海区里水镇东北端，北接广州市花都区，区域中部地貌类型为山前平原，地势平缓开阔，东西两侧为丘陵地貌，相对高差较大且陡峻，最高峰位于区域西侧石塘村象岗岭，海拔235.0m。

(2)水文地质条件

该区域东西两侧以较连续分布的丘陵山脊分水岭连线为界，南侧以北江支流(西南涌)为界，可概化为天然较独立的次一级水文地质单元，两侧的山脊分水岭作为其隔水边界，南侧的西南涌可视为其地下水排泄区。区内上覆主要为第四纪海陆交互相沉积层，岩性以砂、砾石为主，为孔隙水主要含水层；下伏以早石炭世地层为主，出露的基岩为泥晶灰岩、微晶灰岩等碳酸盐岩，地下水赋存于这类“覆盖型”可溶岩裂隙或溶洞之中。区域内地下水沿分水岭自丘顶向地势较低的方向流动，流入平原区后一部分补给孔隙水，一部分成为隐伏岩溶水，最终排向河流。平原地带水力坡度小，孔隙地下水流速缓慢，但水位埋深较浅，且包气带薄，较易受到地表污染物的污染；岩溶水和上覆孔隙水水力关系密切，径流速度快，且水量丰富，孔隙水一旦受到污染将直接影响岩溶水，有利于地下水污染物运移扩散。

(3)污染源分布情况

该区域工业企业密集，集聚成多个产业园区，污染荷载高，对地下水的影响主要来源于生产废水。污染物或是来自生产加工过程中的物料直接泄漏，或是由于废水存储设施老化、破损而随着污水渗漏或溢流，这种类型的污染途径属于连续入渗型，污染对象为浅层含水层及岩溶含水层。

2.2 监测网络优化设计

(1)监测点布设

该区域原始地貌改变较小，浅层地下水流向明晰，总体顺地势往南流入西南涌，区域内地下水含水层富水性强，地下水质量良好，功能价值高，监测重点为工业污染源地下水污染扩散和覆盖型岩溶水环境状况，从而确定该区域布设位置和数量：①补给区、径流区及排泄区皆需布设相应的地下水监测点；②有重要的地下水敏感点的污染源下游必须布置监测井；③岩溶水监测井布点精度不低于规范要求；④监测点应相对均匀地分布在整个片区。该区域最终共布设8处监测点，包含2处对照监测点和6处污染扩散监测点，监测手段以人工监测为主，并于3家重点排污单位下游区域设置了自动监测点，如图2所示，布设情况见表2。

图2 典型岩溶区遥感影像和监测点布设图

表2 典型岩溶区监测井布设情况表

(2)监测频率及监测指标

对照监测点宜每年取样监测2次(枯、丰水期各1次),其他点宜每年取样4次(每季度取样1次),建议自动水质监测每小时1次。

人工监测指标按GB/T 14848—2017《地下水质量标准》在水质全分析的基础上，结合监测井周边区域主要污染源调查情况，确定需要重点监测的特征污染物指标并开展监测；自动监测指标视情况选择pH值、溶解氧、温度、电导率、总溶解固体、氧化还原电位、氨氮、硝酸盐、铁、锰等开展自动监测。

(3)监测能力提升设计

本区域水文地质条件明确，地下水开采程度低，监测点布设密度为3.47km2/个，监测的地下水类型主要为具承压性岩溶水，其次为孔隙水，满足规范精度要求。在此基础上，可补充若干孔隙水监测井，进一步掌握区域浅层地下水环境质量的变化趋势；可选择出露位置高、流量大的天然水点作为对照监测点，丰富地下水本底值调查样本。

3、结语

本文旨在针对佛山市重要典型区域，探索性地构建地下水环境质量监测网络，通过水文地质要素分析，将区域地下水时空动态特征引入监测能力提升设计中，旨在为实践过程中提供有价值的参考和比较基准。基于上述分析与讨论，提出以下几点工作展望。

(1)本文通过定性方法探讨了监测网络优化设计方案，但未涉及定量分析，未来研究应充分考虑定量与定性结合方法，深挖监测数据，全面完善监测网络。

(2)将概化后的独立监测单元进行归并，可以扩大监测范围，使大尺度特定区域得到相对准确、高效的监测，从而逐步实现佛山市全域监测网络的最优布控，以更好保障佛山市地下水环境安全。

(3)地下水环境问题具有复杂性，且人类工程活动对于地下水环境的影响日益突显，因而对监测网络构建的研究需要继续深入。

参考文献:

[1]吴剑锋,郑春苗.地下水污染监测网的设计研究进展[J].地球科学进展,2004(3):429- 436.

[2]余香英,张永波,朱擎,等.面向水源保护与污染监控的广东地下水环境监测网研究[J].中国环境监测,2021(5):32- 40.

[3]程建雄,郝文辉,回广荣,等.秦皇岛地区地下水监测网络优化设计探讨[J].地下水,2020(2):54- 55.

[4]黄瑞瑞,王锦国,杨蕴.污染源变化条件下地下水监测网优化设计[J].能源与环保,2022(3):107- 113.

[5]郭燕莎,王劲峰,殷秀兰.地下水监测网优化方法研究综述[J].地理科学进展,2011(9):1159- 1166.

[6]DZ/T 0308—2017.区域地下水质监测网设计规范[S].