| 【全部正文】 | 執行水框架指令時需要對地下水質進行監測（EU，2000），用于確定每一個地下水體的“良好”化學狀況，以及對處于“良好”狀況的水體進行恢復和保護。這樣就需要設計監測網并確定綜合指標。這里需要注意地下水體的化學狀況和污染物的擴散，許多污染物經地下水到達地表水體。沒有考慮對某一點的“局部”污染物監測工作。建立最優的監測網時，要考慮到地下水體在水文地質條件、土地利用和地形條件等方面的差異。這樣，就需要開發一種水質評價系統，據此確定每一個地下水體的總體狀況。采用無量綱指標，可以采用標準化方法對所有的化學參數進行處理，從而確定地下水體的總體狀況。獲得的初步結果，即使沒有被完全證實，仍與EU水指令的規劃目標緊密相關。
一、概 述
地下水是水文循環過程中的重要組成部分，在比利時的瓦龍地區，地下水占公共用水量的80%有余。事實上，地下水對于維持水環境及其生態系統也很關鍵。與許多國家一樣，在比利時，最近河水水質的改善在很大程度上歸功于點源污染物直接排放量的減少。現在需要關注擴散污染物的作用，這些污染物大多來自于地下水（Ward等，2004）。
歐洲水框架指令2000/60/CE為了使各成員國對國際河流進行更好的管理，建立了水政策共同活動方案。該指令關于地下水的3個主要目標分別是：（1）預防污染；（2）改善和恢復地下水水質，以期在2015年之前達到水質良好的目標；（3）防止污染物向地表遷移。要求各成員國建立監測計劃，確定地下水的化學狀況并進行定量。由人類活動產生的污染物需要嚴加控制。
了解地下水質的空間分布以及確定地下水質隨時間的變化特征，對于設計監測工具、確定所需的監測網和選擇可靠的監測指標極為重要。
最近在比利時瓦龍地區設計了1個地下水水質監測的戰略性方案。在下文將會通過比利時Liège市Hesbaye含水層實例，詳細介紹如何采用這一方法對地下水監測網進行優化，并對綜合指標進行計算。
二、目 標
天然地下水水質與降雨或地表水入滲到地下水并與土壤和成巖礦物反應的地球化學作用密切相關。人類活動的影響和排放到水生環境的污染物也會對地下水水質造成一定影響。然而，需要注意的是，降雨的水質已經在很大程度上受到了人類活動的影響。自然界中污染物的種類多種多樣，包括人工合成有機物、碳氫化合物、無機離子、病原體和放射性核素等。本文不考慮監測井的設計、設備的安裝、定深或多個深度的取樣及化學分析的質量保證體系，但所有上述問題都會對化學分析結果產生很大影響。在設計方案時，需要考慮以下兩個問題：（1）如何選擇取樣點，來獲得具有代表性的監測網？（2）如何將結果歸結為簡單而可靠的指標，易于決策者理解？
不能從靜態的觀點來理解地下水，就是說，不能假定入滲位置和可能的流向一成不變（Appelo和Postma，1993）。地下水的變化與滯留時間、含水層礦物、化學環境、土地利用方式和相關的污染行為有關。為了了解地下水水質的時間和空間變化，需要對地下水體進行全面了解。這樣，在“優化”地下水監測網之前，首先要了解地下水的水文地質特征。
在設計監測網時，必須要考慮以下幾點：（1）與瓦龍和歐洲授權保持一致；（2）提供客觀和可靠的信息；（3）確定天然地下水條件；（4）確定地下水變化趨勢；（5）提供地下水污染的早期預警；（6）確定地下水與地表水系統之間的水力聯系和地球化學作用。
三、選擇監測點
EU工作組在推行水指令時，對于點的密度給出如下建議：如果地下水承壓，為每25km2一個點；否則為100km2一個點。對每一個水體的空間代表性也有建議值，提出了一個具有代表性的指標Ru，而且認為Ru要達到80%（WFD-GW 2001）：
式中，d是地下水中任一點距最近取樣點的平均距離；n是取樣點的數量；A是地下水體的總面積。
此時采用地下水系統的概念模型以及壓力與系統之間的相互作用進行分析。選擇取樣點的依據如下：
測量點上游和下游的位置（考慮測壓梯度）；
●測量點或取樣點的綜合或代表性特征；
●根據已有歷史測量資料提供的天然（或人類誘發）的變化情況；
●不存在點污染源；
●易于測量或取樣的點；
●水井裝置（位置和濾管長度）的了解和可靠性；
●水井目前的狀況和所有權。
以Geer流域的地下水體作為實例，該流域每天為Liege市及其周邊地區提供60000m3的飲用水（Dassargues和Monjoie，1993）。Hesbaye高原面積為350km2，西南地區的海拔為206m，東北地區海拔為80m。從上至下地層組成為（Brouyère等，2004）：
●第四系黃土，厚度不等，最大可達20m；
●最大厚度為10m的燧石聚結體，極為不均質的地層，由溶解的白堊殘積物（燧石、砂、粘土和磷酸鹽）組成；
●幾米厚的第三系砂沉積物，主要位于Geer流域北部地區，這些物質在此取代了燧石聚結體；
●白堊系地層形成了Hesbaye含水層地下水庫的主體，厚度從盆地南部的幾米到東北的100m以上；
●底部是幾米厚的透水性差的蒙脫石粘土層，作為含水層底部邊界。含水層的水力梯度變化與方向有關，從南部的0.01過渡到北部的0.003，靠近Geer河（Dassargues and Monjoie，1993）。地下水水位埋深從地表以下10m到40m以下。
除了北部Geer沖積層以下為半承壓含水層以外，其余大部分含水層都是非承壓含水層。白堊斷裂帶與干谷在地形上相似，在白堊地層向深部挖掘，形成了一個40km的地道，歸一家當地水務公司所有，這一地道對于測壓面的形狀具有很大影響。在地道的大部分地區，地下水被排出，但是也有很大一部分地下水注入到其它含水層中，這與其它含水層和地道的水位差有關。除了地道以外，一些水公司和當地的工業農業用戶也通過抽水井開發含水層。
自1960年以來，硝酸鹽的濃度每年都在增加，在半承壓區，每年增加的速度為0.1mg/L（以NO3計）；在非承壓區，每年增加的速度為1mg/L。目前，含水層中硝酸鹽的平均濃度為35mg/L，在含水層底部為20mg/L，而在含水層上部的污染區，濃度則高達175mg/L（Brouyère等，2003）。
根據規范（Eurowaternet，1998），約需14個水樣點。根據前人對該含水層的研究，進行科學的水文地質分析，在556個可利用的點中，選取了這14個取樣點（Dassargues等，1988；Dassargues和Monjoie，1993；Hallet，1998；Brouyère，2001；Brouyère等，2003）。
在這14個點中，7個屬于水公司的抽水井或者地下水的排泄口，7個為取樣點。
四、地下水質評價系統
必須控制由于人類活動造成的污染。地下水水質評價系統稱為SEQ-ESO，法國水利局最早采用這一名詞（Agences de l’Eau 2002）。下文對這一系統的總原則進行說明。為了滿足水框架指令的需求，開發了該系統，通過具有代表性的監測網的水質測量結果，對地下水體的水文化學狀況進行定量分析。
為了使所有組分都處于標準化范圍之內，利用簡單的極限插值法，將所有值都轉化為無量綱指標。之后將這些參數分類，稱為“變更”組。根據每一組中最有疑問的組分指標（安全選擇）給“變更”組賦值。這樣可以將地下水水質概念進行綜合�？梢愿鶕韵聨c來區分“變更”組：
●礦化度和鹽度（pH值、硬度、Cl-和SO42-等）；
●有機物和營養元素（N、P和TOC等）；
●可過濾性元素和顆粒（NTU，Fe、Mn和Al等）；
●礦物污染物（Cu、Zn、As、B、Cn和Cd等）；
●殺蟲劑
●PAH（多環芳烴）和其它有機物（四氯乙烯、三氯乙烯等）。
根據SEQ-ESO，基本上可以解釋與單個取樣點相關的分析結果，主要根據是確定水質分類的參數閥值。
地下水水質評價是與用水有關的一個相對概念，SEQ-ESO系統主要考慮地下水的3個主要功能：
●用水：相應于不同用水需求或標準的水質。在SEQ-ESO系統中主要考慮的是，是否適合于作為飲用水（DWU）；在這一地區，水資源的另一些用途是作為工業、能源和灌溉用水。
●承襲狀況（PS）：不指定用途，只考慮人類活動對地下水水質退化的影響。根據天然條件下不存在的物質濃度（如有機物或礦物污染物），或特定人類活動造成某些指標超過閥值（硝酸鹽和殺蟲劑）來確定地下水水質惡化范圍；
●地下水的化學性質可否滿足地表水生環境中的生物需求（BIO）：需要考慮地表水物理化學性質，來評價所需的地下水水質。這樣可以假定100%的河流水由地下水補給。
在這一研究階段，沒有考慮地下水的第三種功能。為了對前兩種功能進行研究，需要根據表1來確定特定的閥值濃度，以硝酸鹽為例的分析結果見圖1。
表1 研究作為飲用水使用（DWU）和承襲狀況（PS）選擇的濃度閥值（以硝酸鹽為例）
DWU DWU-1 與飲用水水質相關的EU指令80/778，或選擇0和
飲用水標準之間的中間值
DWU-2 對于硝酸鹽不存在DWU-2
DWU-3 相對于原水的EU指令98/83
DWU-4 以提供飲用水為目標的處理水EU指令75/440
PS PS-1 接近于“天然狀況”，實事上是一個“參考值”，對于有機物，一般取其分析檢測限；對于礦物和金屬，根據當地土壤保持法確定的參考值或專家判斷值（如，對于硝酸鹽，為10mg/L），這些數值取決于含水層的天然地球化學背景值。
PS-2 根據所考慮的污染物來確定
PS-3 確定保護、控制的界限值，以改變地下水的總體水質趨勢，此處選擇DWU-3的75%
PS-4 根據土壤保持法來確定。在擴散污染物（硝酸鹽和殺蟲劑）和點污染源（如烴和重金屬）之間會有差異。根據污染物在地下水中的移動性、對人類健康的影響和生態毒性來制定標準。
SEQ-ESO的主要優點是可以將兩種功能進行綜合，獲得地下水水質的表達式（GWQ），如圖1所示，地下水水質的兩個首次出現的閥值是由PS確定的，而其余閥值則是由DWU函數決定的。之后通過內插將每一個GWQ閥值轉換為綜合水質指標（Ig），取值范圍從100（水質最好）到0（水質最差）。
采用SEQ-ESO系統對Geer的地下水體進行分析，結果表明，對于監測網的每個取樣點，可以通過DWU和PS分析，最終得出總體地下水水質情況。
作為飲用水（DWU） 總體水質 承襲狀況（PS）
最佳飲用水：指令80/778 DWU-1=
25mg/L Index=
80 GQ1=10 極好 PS-1=
10mg/L 天然水質、地球化學背景、沒有檢測到有機物
飲用水：相對于原水的EU指令98/83 60 GQ1=25 良好 PS-1=
25mg/L 檢測到人為污染物
DWU-3=
50mg/L 40 GQ3＝50 中等 PS-3=
37.5mg/L 水質有所退化
不適宜于作飲用水 DWU-4=
100mg/L 20 GQ3＝100 差 PS-4=
50mg/L 水質明顯惡化
不適宜于進行處理后作飲用水 0 極差 水質嚴重惡化
圖1 考慮飲用水（DWU）和承襲狀況（PS）確定的綜合水質指標
五、確定總體指標
為了滿足EU水框架指令，開發了SEQ-ESO系統，來評價整個水體的水質情況。SEQ-ESO系統利用聚類技術，進行簡單的取算術平均數計算。監測網每一點的數據都可以聚類成為一組指標（考慮水的功能）。聚類的前兩步工作如下：
●采用0～100的指標體系將測量的濃度值進行標準化；
●計算每一組分和每一點在某段時間內的算術平均數，得到點平均指數（PMI）。
之后會得到兩種不同的方法，第一種是“組分聚類方法”：對于每一種組分，將取樣點的PMI取平均值，可以得出地下水水體平均指數（BMI）；對于每一個“變更”值，最小的BMI可以作為最終指標（每個變更和每個地下水體的指數值）。
第二種聚類方法是“變更聚類方法”：對于每一點，對于給定的變更值，將最小的PMI作為點平均變更值（PMA）；對整個監測網的PMA取平均值，可以得出所需的指標（每個變更和每個地下水體的指數值）
表2是一個實例，在監測網中共有4個點（X1、X2、X3和X4）和3種組分的變更值（P1、P2和P3），第1行的3個值是經過前兩步計算獲得的全部PMI。通過這一實例，可以清楚地解釋差異。只有當變更值只有1個參數時，結果才會相似。第二種方法計算的指標通常都較第一種方法的計算值要小一些。此外，如果各點的測量值變化很大，這一影響會更明顯。通過組分聚類，可以表現總體污染情況，而變更聚類則更多強調局部污染并不能說明整個水體的污染狀況。因此，采用“組分聚類”作為標準聚類方法似乎更為適合。
表2 采用“組分聚類”和“變更聚類”方法計算最終指標
PMI X1 X2 X3 X4
P1
P2
P3 82
76
54 85
74
42 19
78
55 75
69
40
組分聚類：
第一步：BMI(P1)=65，BMI(P2)=74，BMI(P3)=48
第二步：BMI最小值=48(P3)
采用P3作為有疑問組分作為水質中等分類
變更聚類：
第一步：PMA(X1)=54(P3)，PMA(X2)=42 (P3)，PMA(X3)=19(P1)，PMA(X4)=40(P3)
第二步：PMA平均值=39 (P1)
采用P1作為最有疑問組分作為水質最差分類
六、地下水水質綜合指標
對比利時水文地理區的5個差異較大、地質和水文地質條件極為不同的地下水體的綜合地下水水質指標進行了測試：主要包括Meuse河沖積平原的白堊紀的白堊、石炭系灰巖和更新世的礫石。
采用SEQ-ESO對Hesbaye地下水體的白堊紀地層進行分析，結果表明變更值最小的指標是“營養物質和有機物”，而監測的硝酸鹽濃度較高。將這一指標自動作為綜合指標進行地下水體評價。
七、結 論
本文說明了如何設計地下水水質監測網方案，與EU的標準一致。方案的最后一步，可以在EU水指令框架內確定地下水體的“水質特征”。
SEQ-ESO系統是評價地下水體化學狀況的有效工具。通過確定地下水用途和其它功能，特別是PS概念的確定，可以建立總體水質評價范圍。采用無量綱指標，可以處理所有的標準化濃度值，并將其分類，稱為“變更”，或者是根據適當的聚類規則，根據具有代表性監測網獲得的數據，將地下水體的總體狀況進行定量。
SEQ-ESO系統是一種不斷發展的工具，例如，可以根據生物多樣性來確定某些組分的標準，但是在制定新的地下水水質標準時，顯然需要重新調整閥值。
譯自《Environ Geol》2006,50
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