地下水质监测——水文地质系统污染预防的有效方法

维普资讯 http://www.cqvip.com １２　水文地质工程地质技术方法动态　２００７年第４期　地下水质监测水　——水文地质系统污染预防的有效方法　Ｊａｒｏｓｌａｖ　Ｖｒｂａ，Ｖｌａｄｉｍｉｒ　Ｐｅｋｎｙ　（Ｓｔａｖｅｂｎｆ　Ｇｅｏｌｏｇｉｅ，Ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　Ｇｏｒｋ６ｈｏ　Ｐｌａｃｅ　７，１　１　３　Ｐｒａｇｕｅ　１，ＣｚｅｃｈｏｓｌｏｖａｋＩ－ａ）　翻译：赵玉军；校对：苑惠明　【摘要】地下水质监测在地下水保护和质量守恒方面起着重要作用。在捷克斯洛伐克开展的国家、区域和特殊场地监　测项目主要涉及地下水质和区域污染扩散问题相关背景资料的收集。安装有数据自动收集系统的试验监测站，　优化了监测方法、监测网的设计和采样技术。捷克斯洛伐克的地下水质监测为密集耕作区相关决策与的　制定提供了依据。对捷克斯洛伐克多个地区的浅层脆弱性含水层的时空变化进行了评价，从而为土地利用综　合规划和地下水保护管理提供依据。　介绍　在捷克斯洛伐克，地下水保护着重于遍及全　计和监测站的多项利用，能够降低监测规划的设　计和运行成本。在地下水质监测规划框架中通常　包括３种监测站类型（见表３）。　国的所有地下水资源的保护以及公众地下水供给　区域的全面保护。全面保护是国家水管理规划的　一同时，区域监测网也被用于监测污染扩散对　地下水质的影响。　１　９７８年，捷克斯洛伐克对潜在污染源类　型进行了调整，从而在点污染源周围区域建立局　部分，涉及所有重要水文流域的回灌、分布和　脆弱性区域。在国家区域水文地质调查（自１９６０　年以来开展）期间确定了地下水保护措施。公众　地下水供给区域的全面保护是以供水管理者所规　划和管理的三级保护带为基础的。　地下水监测是有效促进水保护管理的活动之　一部或特殊场地监测网，例如，飞机场、废物处理　场和加油站。根据监测孑Ｌ的结构来制定受污染地　区的污染缓解措施。地方监测网的设计、运行和　维护成本由潜在的污染者支付。国家和区域监测　网的相关费用由提供。　地下水质数据分析和监测结果为下述内容提　供了依据：　・。捷克斯洛伐克国家地下水质监测网包括泉出　水量（自２０世纪３０年代开始建立泉监测网）和　钻孑Ｌ水位的监ｉ贝０（自２０世纪５０年代开始建立钻　孑Ｌ监测网）。在２０世纪８０年代初期，人类活动对　地下水系统的影响日益增强，因此，设计和建立　地下水资源保护规划和管理的改善；　污染防治和策略的增强；　地下水污染问题的预测和／或缓解；　由自然过程引起的地下水系统的物理、化　・国家地下水质监测网是必需的。该监测网由３个　・互相结合的子网（络）组成：浅层含水层，深层　・含水层和泉（见表１　ｏ国家地下水监测项目是与　地表水、气候、降雨量和局部土壤监测网互相配　合的。由于大气、水和土壤系统之间存在直接和／　或间接的交互作用，环境监测项目之间的这种相　互关系是令人满意的（见表２）。监测网的配合设　学和生物指标时空变化的研究。　国家地下水质监测项目　捷克斯洛伐克国家地下水质监测项目的目　的，是收集用作地下水质现有状态评价以及变化　Ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ－Ｑｕａｌｉｔｙ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ—Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　Ｍｅｔｈｏｄ　Ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ　Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ。Ｅｎｖｉｒｏｎ　Ｇｅｏｌ　Ｗａｔｅｒ　Ｓｃｉ　Ｖｏ１．１７，Ｎｏ．１，９・１６．　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第４期　地下水质监测　１３　和趋向（由自然过程和人为影响引起）预测基准　的背景信息。国家监测项目并不着重于观测点污　染源对水文地质系统的影响。观测点污染源对水　文地质系统的影响是特殊场地监测项目的目标。　国家监测网不包括已开采的钻孑Ｌ或水井。在区域　监测规划框架内将对这些已开采的钻孔或水井进　行监测。对国家监测网的运行而肓，尤其应该着　重于以下水文地质领域：　如果水文地质系统的几何形状、物理特性、　地下水流量以及初始和边界条件是已知的，则能　够很好地监测水文地质系统。　１９６８　７０　７２　７４　７６　７８　８０　８２　８４　８６　１９８８　图１　１　９６８—１　９８８年浅层含水层盐浓度的增加　・通过监测孔能够单独地观测和测试给定的　（森诺曼阶和土仑阶沉积岩层）。在含有两个或三　水文地质系统中孤立的含水层。对地下水水质研　究而言，从多个含水层采集的混合水样是不符合　要求的。例如，捷克斯洛伐克最主要的水文地质　单元白垩纪盆地含有两个或三个孤立的含水层　个监测孔的单独区域，每个监测孔的地下水样品　都采于不同的含水层。对装有封隔器的单个钻孔　中的孤立含水层而言，应首选这种方法。　表１　从捷克斯洛伐克国家地下水质监测网选择的数据　监测站数量　３２２，由１８０个浅层含水层钻孔、９８个深层含水层钻孔和４＿４个泉组成　每平方千米内监测站的平均监测面积　每年的监测频率　含水层类型和试验孔段或钻孔　２５Ｏ　２　浅层含水层：１—４个孔段　深层含水层：１—３个钻孔　２２饮用水标准　监测变量　随机选择的参数　有机污染物　・对于浅层含水层而言，由于其水化学均质　生影响地下水质的决定性的转换过程，在不久的　将来对未饱和带的监测将成为一项常规工作。如　果有关未饱和带污染物迁移和水流动的数据是可　性的不足，应该对浅层含水层的垂直剖面进行监　测。　・由于在未饱和带（尤其是其上部）能够发　利用的，则能够及时采取保护含水层的缓解措施。　维普资讯 http://www.cqvip.com １４　水文地质工程地质技术方法动态　２００７年第４期　在选择的试验监测站，对未饱和带的上部区域进　监测记录和试验记录表格进行校准；　・行了渗漏试验。通常在这些监测站安装自动数据　获取系统。　・对监测数据或者数据文件进行分析和系统　评价，从而为使用者提供有用的信息；　・监测孔的定位和采样频率取决于所监测地　地下水质监测是国家地下水资源保护策　区地下水资源的脆弱性和重要程度、潜在污染物　的特征、自然界循环的影响以及水文地质系统的　常规过程和随机事件。通常，监测站的密度随含　略、、管理和控制决策制定的重要基础：　区域地下水质监测系统　位于波希米亚易北河河流冲积层的浅层脆弱　性含水层的区域监测系统，覆盖面积达３０００平方　水层的脆弱性和重要程度以及潜在人为因素对水　文地质系统的影响范围的增大而增加。　・每年对浅层含水层采集样品两次；对深层　千米。该监测系统于１９８２年开始运行。在选择的　位置对饮用水标准中包含的盐和一些其他元　素的纵向和横向分布进行了监测。自１９８８年开始　对未饱和带的垂直剖面进行监测，在同一年也对　所选择的挥发性氯化有机物进行了监测。在试验　监测站，每年采集样品６—１２次。在其他监测站，　每年采集样品２—４次。　Ｃ１一毫克／升　Ｆ。　毫克／升　含水层采集样品１次。利用短期抽水法、压缩空　气注人法或者抽吸法从非自流钻孔采集水样。物　理、化学和生物分析（称之为基础分析）包括饮　用水标准列表中的一般变量以及所选择的污染　物，尤其是有机污染物（随机分析，见表３）ｏ　・对数据采集方法、野外和试验分析、野外　ＨＰ＿‘Ｓ　ＮＯ毫克／升　，ｊ　冀．ｊＥ．一　一蕊“送　。瓣ｌ　＾　ｌ　整ｌ薰ｌ　。　。　蓥Ｉ　露　亚粘土　麓　黝　砂砾层　鄹　Ｉ．．　．粘土　，　／　风化泥灰岩　实验孔段　地下水位　．，饮用水标准　ＤＷ￥　／　１９８４　，，　／，，　．，　，　／　／　１９８８　１９８５　１９８６　１９８７　图２监测子Ｌ　ＨＰ一６５浅层含水层的水化学剖面图（１９８４—１９８８年）　该区域监测系统所覆盖的土地有１０００年的　Ｎ／ｈａＪｙｒ）、降雨和潮湿的沉积物（约３０千克Ｎ／ｙｒ）。　耕作历史。耕作区是波希米亚最重要的多产区域　之一，包括密集住宅区和农业耕作频繁区（主要　是在可耕作土地上种植农作物）。　在农村住宅区，污水系统和化粪池的溢出和渗漏　会明显增大地下水中氮的含量。　多年的地下水质监测结果显示。氮含量短期　的周期变化受气候的影响。地下水中盐浓度　的长期变化和上升趋势反映了人为因素的影响，　尤其是农业的影响。　对监测网最后３０年的记录进行的分析表明，　可耕作土地（如谷类农作物）下地下水中盐　的含量是其平均值的两倍。在同一时期内，所使　用肥料的数量几乎上升了８倍。氮的来源包括无　机（７０千克Ｎ／ｈａＪｙｒ）和有机肥料（４０．５０千克　公众供水系统不满足饮用水标准的的百分率　从１９６８年的９％上升至１９８６年的１７％。如果浅　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００７年第４期　地下水质监测　１５　层含水层中盐含量的增加趋势一直延续．那　么到２０００年所研究地区内将有４２％的供水系统　不能满足饮用水要求。在２０世纪后３０年，以数　据分析为基础计算的供水系统盐的年增加量　为０．４毫克，区域监测网钻？ＬＭ酸盐的年增加量　为１．１毫克。　如果农业活动是最佳化的，并且处于地下水　保护控制范围之内，含水层对自然界和人为影响　的快速响应是绝对的。实际上，在相对较短的时　期内恢复浅层含水层的水质是有可能的。另一方　面，水文地质系统的快速响应明显表明了浅层含　Ｈ９　水层的脆弱性以及地下水质迅速恶化的倾向。通　过过滤孑Ｌ段（安装过滤器的孑Ｌ段）深度不同的３　●　一　厂、　在监测期间，　１９８１年记录的地下水中　上盐的浓度最高，这主要是由强降雨引起的（降雨　或４个监ＮＳ／Ｌ从含水层采集的样品，表明了　～　菁畦　量为５０年来平均值的１５０％）。在１９８２—１９８５年，　盐向含水层更深区域的缓慢运动（１９８４年一１９８８　气候条件和较小的降雨量适于谷物生长，从而能　年，见图２）。在所监测区域的多个位置，盐　够大大降低地下水中盐的浓度（见图１）。高　污染羽已经延仲至浅层含水层底层。未饱和带中　产农作物可以吸收氮。土壤中水含量的降低能够　盐的垂直移动速度为０．１—０．４米／年。在砂质　引起硝化过程的强度下降。由于氮迁移的水介质　土壤地区地下水的脆弱性明显较强。　的不足，未饱和带中氮的运动速度将减缓。　一　岩石中的氟含量（毫克，Ｎ—ＮＯ，）（－￣１ｏｏ克干物质）　１，０　２，０　—３，０　～一啪　上　＾上，ｏ　５，０　６，０　７，０　８．０　地下水中的氟含量（毫竟，升）（Ｎ－ＮＯ，）　６，０　圣　越９，０　错１０．０　１１，０　ｌ２。０　ｌ３。０　图３监测孔ＨＰ一７０中不饱和带以及饱和带氮的剖面图　在含水层顶板主要为氧化条件，而其底部主　国家和区域网监测方法方面扮演着重要角色，尤　要为还原条件。含水层底部的还原条件结合微生　其是采样技术和频率以及植物一土壤一水系统研　物过程，能够导致铵离子的盐还原和二价铁　究方面。通常利用两种方法来监测未饱和带：对　浓度增加。氯化物、硫酸盐和钙向含水层更深区　岩石的沥滤液或者永久固定在未饱和带不同深度　域的垂直运动和发育也非常明显。　的采样瓶中的水进行分析（通过压缩空气向地面　试验监测站特殊场地地下水质监测　喷射）。　在试验监测站发现水化学条件变化较快（钻　试验监测站特殊场地的地下水质监测在优化　孑ＬＨＰ一７０）。对总厚度为６米的未饱和带而言，　维普资讯 http://www.cqvip.com

１６　水文地质工程地质技术方法动态　２００７年第４期　每隔２Ｏ厘米采集一次沥滤水样品。通过位于同一　在１９８８年１１月从未饱和带采集水样时，确　位置但深度不同的３个钻孔采集饱和带水样。这　三个钻孔过滤器的安装深度各不相同，分别为８　米、ｌ０米和１２．５米。浅层含水层的不透水基岩位　定了铵态氮的采样深度和含量与总矿质氮之间的　间接比例关系（分别为ｒ＝＝．Ｏ．８０，ｒ＝．Ｏ．８５）。盐　含量也随深度的增加而减少，但是尚未确定　盐含量与采样深度之间的关系。糖酸盐和总矿质　于冲积沉积层，其深度为１　５米。在进行短期抽水　（水位下降最小时进行）之前，从含水层的不同　氮含量（ｒ＝Ｏ．７３）与铵形式中束缚的氮含量（ｒ：　Ｏ．７１）之间存在非常密切的关系。鉴于此，建议在　未饱和带的剖面中查找含氮物质的有机成因。潜　深度采集了水样。仅当ｐＨ值和传导率稳定时才采　集水样。在抽水期间应该连续对地下水的ｐＨ值和　传导率进行测量。１９８８年１１月一１９８９年４月对　在的微生物活动和铵（ｒ：Ｏ．８５）、氮含量（ｒ＝　钻孔ＨＰ一７０的监测数据表明，水文地质系统具有　Ｏ．９０）之间的密切关系显示了有机物质的生物降　相当大的水化学不稳定性（见图３）。　解。　２．５　米　１，０　２伽旨　ｌ００克干物质　图４在试验场地不饱和带垂直剖面中Ｎ—ＮＯ　的分布（平均值）　在未饱和带，Ｎ：ｃＬ比也随深度的增加而减　降是与铁含量（在含水层顶板铁含量超过５Ｏ毫　小。在饱和带，Ｎ：ｃＬ比也将随深度的增加而减　克）增大和氧化度增强同时发生的。盐的稳　小。在１９８８年１２月对未饱和带采集水样时发现，　定性可表示为Ｆｅ抖一Ｆｅ　（ＮＯ３一在２００ｍＶＨ￣稳　氮（１．４倍）和糖酸盐的含量（１．２５倍）显著　定）。Ｆｅ　—Ｆｅ　的反应受易接近含碳物质的微生　增加，而在未饱和带上部区域水样的ｐＨ值较低　物数量和系统较低的ｐＨ值（和威两者兼有）控制。　（０．０—２．０）；在１１月份该区域地下水的平均ｐＨ　在１９８９年３月和４月份连续采集的样品反映　值为５．５，而在１２月份地下水的ｐＨ值为４．９；在　了水文地质系统的逐步恢复过程。地下水样品中　地面下０．４米处水样的平均ｐＨ值为３．９。在１　１月　铁的含量自５月份开始逐渐下降。从不饱和带剖　底至１２月初的降雪和雪融化能够明显引起气候　面图上含氮化合物的垂直分布可断定，在欧洲的　变化。不饱和带中发生的硝化过程与饱和带物质　气候条件下，铁的化学性质在春季受迁移过程的　化学性质的基本变化（氮含量下降或者甚至　影响显著。　消失）有关（见图３）。饱和带中盐浓度的下　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第４期　地下水质监测　１７　表２其他环境项目地下水质监测网的集成和协调方案　协调　集成　地Ｆ水质项日　推荐的　＿ＪＪ能的　单独的　地疗　地Ｆ水质ＭＰ　降雨量ＭＰ　地表水ＭＰ　联合的　Ｉ　域　地下水质ＭＰ　地表水和降雨量ＭＰ　气候和上壤ＭＰ　降雨量、气候和土壤ＭＰ　圈家　地Ｆ水质ＭＰ　地表水ＭＰ　ＭＩ　：　ｆ　ｌ』Ｊ　Ｈ　在试验监测站对未饱和带的监测数据表明，　土壤有机物质稳定性的任何扰动（变动）都与地　通常，未饱和带的厚度与盐含量之间存在一　下水中盐的含量之间存在密切关系。土壤有　定关系。可以通过吸附于基岩介质的铵离子的逐　机物质状态的一项重要指标是碳一氮比。土壤系　步硝化作用，阐明未饱和带厚度与盐含量之　统中发生的这种过程的强度受上述所有土壤热液　间的关系。该硝化过程的必要条件是氧化作用以　条件（温度以及初始和ｆ替伏水份）、土壤有机化合　及作为生物硝化过程能源的容易接近化合物的微　物和无机化合物的结构、土壤空气中二氧化碳的　生物（‘适量的）的存在。在特定情况下（在氧化　含量、硝化过程中必需的再矿化铵离子的数量、　环境中仔在含碳、氮物质，例如棕黄酸），未饱和　播种过程、无机和有机肥料的种类与剂量以及土　带中的铵或者甚至氮发生微生物固定是有可　壤耕作方法的影响。　能的。在氧化条件下，糖化物、棕黄酸和其他有　基于氮和氯离子含量以及两者之间的比　机物质扮演着重要角色。这些调查结果适用于毛　率，确定未饱和带剖面上脱销过程的强度（见图　细管水分析。对未饱和带主要水流路径中的重力　４）。ｆ｝＝ｆ于未饱和带渗透胜和孑Ｌ隙度的不断减小，　水而言，上述过程对地下水化学性质的影响较小。　氯离子和氮的含量随深度的增加而减少。对　此时，最主要的现象是两种水体之间的交互作用　水位为２．５米（地面下）的地下水而言，氯离子　（由扩散引起）。　和氮含量（ＮＯ３一Ｎ：Ｃ１　０．５８）约低于土壤层　当土壤有机物质的稳定性被扰乱时，未饱和　中氯和氮的相对平均含量（ＮＯ３一Ｎ：Ｃ１　带中的无机氮化合物（ＮＨ４　，ＮＯ３）以及有机碳　１．４６）６０％。　和有机氮化合物（主要是棕黄酸和糖化物）将被　在试验监测站对地下水水质多年进行的监测　冲走。　结果表明：　对微生物群落（能够使未饱和带中的上述物　・在过去使用不适当肥料地区的地下水质的　质相互转换）而言，上述物质能够起到营养物、　恢复较慢；　能量和氧源的作用。未饱和带垂直剖面的监测能　・土壤有机物质的降解（实质上是阎化过程，　为氮化合物迁移和转换，以及微生物活动强度的　尤其是棕黄酸）反映了较小剂量的有机肥料，这　研究提供数据，包括致病微生物和束缚于有机络　能够导致随机过程的影响和地下水质控制的费用　合物的重金属运动。　增加；　试验监测站在植物一土壤一水系统研究方面　・无机肥料剂量和种类的突然变化能够导致　扮演着重要角色。从这些监测站获得的数据分析　土壤系统不稳定；　有助于优化农业和水之问的关系，尤其是农作物　・ｒｆ１于土壤有机物质单方面的消耗，在种植　产量和地下水、土壤有机物质质量之问的关系。　单一农作物时地下水中盐的增加量高于植物　维普资讯 http://www.cqvip.com １８　水文地质工程地质技术方法动态　２００７年第４期　轮作体系土壤地下水中盐的增加量；　法是必需的。由试验监测站提供的监测结果仅能　・地下水中盐的含量与所使用肥料剂量　被用于地方和区域规模的实践活动，如自然条件　和种类之间存在密切关系；　（气候、土壤地下水水位）和人类影响（土地利　・在土壤有机物质的稳定性被扰乱的地区，　用类型，肥料等）根据地区的不同而改变。　地下水中盐的含量不会明显减小，即使使用　监测数据的分析结果表明，土壤一地下水系　剂量较小的无机肥料。　统的恢复是一种复杂和长期的过程，通常需要改　为了确定未饱和带、饱和带地下水系统中发　变人类活动（尤其指农业）的范围和强度，以及　生的硝化过程，较高的监测频率和特殊的采样方　保持与自然条件一致。　表３　地下水质监测项目框架内运行的监测站的种类　监测站的种类和重要性　监测项目　基准　趋势　影响　年采样频率　变量分析　监测站特征　国际　Ｂ　基准监测站：地下水质　Ｄ　Ｄ　ＬＳ　Ｌ　Ｏ一　的自然背景　趋势监测站：由于自然　国家　Ｂ　进程和人类活动的影　Ｄ　Ｄ　ＬＳ　Ｌ　Ｏ一　响，对地下水质的趋势　进行监测　区域　ＬＳ　Ｄ　Ｃ　Ｍ　Ｂ　影响监测站：对由多种　Ｏ一　人为影响引起的地下　地方　ＬＳ　ＬＳ　Ｄ　Ｈ　Ｏ　水质变化进行监测　Ｄ一主要的；Ｃ＝补充的：ＬＳ＝较小影响的；Ｈ＝高的．每年的采样频率超过ｌ２次；Ｍ＝中等的．每年的采样频率为２～ｌ２次；Ｌ＝低的．　每年的采样频率为ｌ～４次ｔ　Ｂ＝基础的．饮用水标准中包括的物理、化学和生物变化：Ｏ＝任选的，取决于监测的重金属、有机氯化合　物、石油碳氢化合物浓度的变化和其他变量；＋＝常规分析：一＝不定期分析。　结论　条件，是负责制定和实施地下水保护和污染预防　地下水保护策略的主要目的是保护地下水　的立法、管理和控制策略与的组织机构　资源的自然属性，从而使当代人和子孙后代受　的创立。　益。不应把地下水保护看作是一项孤立的活动，　监测活动在地下水保护方面扮演着重要角　而是由及其相应机关支持、管理和控制的一　色，应该制定和运行国家、区域和局部监测规划，　项长期规划。地下水资源保护涉及涵盖技术、立　尤其是国家规模含水层回灌、开采和脆弱性地　法、制度和控制领域的多学科方法。地下水保护　区、集中开发的含水层地区和地下水和地表水交　项目应该是国家水管理规划的主要组成部分。　互作用紧密地区，以及人类活动已经对水文地质　由于技术和资金原因，并不能在同一个或类　系统造成影响的可对地下水资源进行评价的地　似水平对地下水资源进行保护。根据所讨论的水　区。　文地质系统的评价和脆弱性以及国家、区域和地　应该基于水文地质勘查和地下水质监测结　方地下水资源的开发潜力，对地下水资源进行全　果制定地下水保护决策。水文地质学家和水科学　面保护。应当在地下水调查和开发的同时检验和　家的任务，是通过提供有关地下水质保护、污染　确定地下水保护程度的标准。地下水保护应该始　防治措施制定和受污染含水层恢复的信息和数　终与水循环、土地利用规划和其他自然资源开发　据，提高地下水保护决策的准确度，从而为社会　（以合理开发和分配为目的），以及环境保护一　经济发展和社会环境规划之间的利益平衡做出　致。实现地下水资源有效保护和质量守恒的必要　贡献。