《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Contamination risk assessment of shallow groundwater in Xi'an City's plain area based on groundwater vulnerability, pollution loading, and groundwater function value
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本研究针对西安市平原区地下水污染风险管控需求，创新性地构建了融合污染负荷、地下水脆弱性(DRASTIC模型)和功能价值的综合评价框架。研究人员通过量化污染物毒性、释放可能性和释放量来评估污染负荷，优化DRASTIC模型中的净补给量参数以区分城市不透水区与农业区的差异，并引入包含原位价值和开采价值的功能价值指标。结果表明，高基础污染风险区约占平原面积的2.80%，主要分布在洪积扇与河漫滩的污染源重叠区；高价值加权污染风险区仅占0.60%，集中于同时具有高基础风险和高功能价值的河漫滩带。该研究为区域地下水保护与土地利用规划提供了科学依据。
地下水，这一蕴藏在地表之下的宝贵资源，如同大地的血脉，默默滋养着生态系统，满足着人们生活、工业和农业的多样化用水需求。在中国，有超过500个城市依赖地下水作为重要的供水来源。然而，在经济快速发展和人类活动日益频繁的背景下，地下水污染问题日益凸显，成为一个隐蔽却危害巨大的环境挑战。地下水污染过程具有隐蔽性、不可逆性和治理成本高昂等特点，一旦发生，修复目标往往因含水层储量大、污染物滞留时间长而难以实现。因此，采取有效措施保护地下水、预防污染至关重要，而进行地下水污染风险评价则是制定有效保护策略和优化土地利用规划的关键一步。
传统的地下水污染风险评价大多依赖于脆弱性评价，例如广泛应用DRASTIC模型。脆弱性描述的是含水层受地表污染物负面影响的内在固有属性。然而，高脆弱性区域若没有污染源，地下水可能依然洁净；反之，低脆弱性区域若存在高强度污染源，仍可能遭受污染。因此，准确的风险评价需要同时考虑含水层的固有脆弱性和潜在污染源的危险性。此外，一个完整的污染风险概念框架应包含“源-径-汇”，即污染源产生的危害（源）、含水层的脆弱性（径）以及污染可能造成的后果（汇）。尽管已有研究取得进展，但许多评价仍未能系统整合污染源特性、含水层脆弱性和污染后果，特别是常常忽略污染物自身特性对迁移转化过程的影响，也缺乏对污染后果的系统评估，这限制了地下水保护实践的有效性。
西安市作为西北地区的历史文化中心和重要城市，其平原区是人口分布、工业布局和粮食生产的主要区域。随着航空航天、新材料、生物医药等支柱产业的快速发展，工业废水排放、农业化肥农药过量使用等问题对平原区地下水构成了严重威胁。西安市主要依赖地下水满足其工业、农业和生活用水需求，因此，科学评估地下水污染风险，并据此做出明智决策以有效保护地下水资源显得尤为迫切。
在此背景下，发表于《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》的研究论文《Contamination risk assessment of shallow groundwater in Xi'an City's plain area based on groundwater vulnerability, pollution loading, and groundwater function value》由长安大学水资源与环境学院的刘艳、庞佳璐等研究人员完成。该研究旨在为西安市平原区建立一个综合的地下水污染风险评价框架，重点关注污染负荷、地下水脆弱性和地下水功能价值这三个核心要素，以期为区域地下水保护、污染防控和土地利用规划提供科学支持。
为开展此项研究，作者团队运用了几项关键技术方法。首先，在污染负荷评估方面，他们基于污染物毒性、释放可能性和潜在释放量，对工业源、矿山、加油站、农业源等多种污染源进行了量化评估。其次，在地下水脆弱性评估中，他们采用了优化的DRASTIC模型，该模型考虑了水位埋深(D)、净补给量(R)、含水层厚度（替代了原模型中的含水层介质A）、土壤介质(S)、地形坡度(T)、包气带影响(I)和含水层渗透系数(C)七个参数，并特别区分了城市不透水区和农业区的净补给量差异。再者，对于地下水功能价值评估，他们选取了人口密度、GDP（数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心，空间分辨率1 km）、地下水质量和含水层富水性作为评价指标，分别表征开采价值和原位价值。最后，通过将污染负荷指数(PI)、地下水脆弱性指数(DI)和功能价值指数(GV)进行空间叠加（CRb = DI × PI, CRv = CRb × GV），生成了基础污染风险图和价值加权污染风险图，并利用空间自相关分析和热点分析揭示了风险的空间聚集特征。研究区域为西安市广阔的平原区（面积5212.12 km2），约占西安市总面积的49.22%，重点关注浅层潜水含水层。
研究结果
3.1. 污染负荷评估
研究区综合污染负荷等级以低等级为主，占平原面积的52.26%。高污染负荷区仅占1.48%，主要分布在工业源与加油站、矿山勘探点重叠的区域。这些区域的工业源多属有色金属冶炼压延加工行业，运营历史久，废水排放量大；加油站运营时间长，储油罐数量多；部分矿山虽已停产，但尾矿库缺乏防渗措施。略高污染负荷区（4.24%）主要分布在阎良、高陵、临潼、鄠邑等区的工业污染源与加油站重叠区。中等污染负荷区（10.11%）则主要位于工业点源或加油站与排放化学需氧量(COD)高的大型养殖场或化肥使用量大的农用地重叠区。
3.2. 地下水脆弱性评估
地下水脆弱性评价结果显示，高、略高、中等、略低和低脆弱性区域分别占平原面积的12.27%、29.19%、25.06%、20.84%和12.64%。高脆弱性区分布于渭河及其支流的河谷和河漫滩地带，该区域降水入渗系数大、净补给量大、水位埋深浅、包气带和土壤介质以中砂为主、含水层渗透性强，有利于污染物入渗迁移。中、略高脆弱性区主要位于渭河低阶地和山前洪积扇，农田广布，入渗系数和净补给量相对较高，含水层渗透性较好。低、略低脆弱性区主要分布在东部和西北部的黄土台塬区以及城市建成区。黄土台塬区降水入渗系数小、净补给量有限、水位埋深多大于50米、含水层渗透系数低、包气带以粉质粘土为主、地形坡度大，污染物到达含水层的可能性低。城市建成区则因大面积不透水层导致净补给量显著减少，脆弱性较低。
3.3. 地下水功能价值评估
西安市平原区地下水功能价值高、略高、中等、略低和低价值区分别占5.35%、8.13%、16.22%、31.51%和38.79%。高价值区主要集中在西安市中心城区，这些区域GDP和人口密度高，地下水资源丰富，水质以II类或III类为主，开发利用和原位保存价值均高。略高价值区见于灞桥、未央北部、雁塔等区，GDP、人口密度略高，单井涌水量较大，水质以III类和IV类为主。中等价值区主要分布在未央区部分区域、渭河及其支流部分河漫滩、周至县北部和鄠邑区中部。低和略低价值区分布广泛，主要包括高陵、阎良部分区域、西咸新区北部、临潼区、蓝田县中部、鄠邑区北部和周至县西部，这些区域GDP和人口密度较低，高陵、阎良、西咸新区等地水质较差，蓝田、临潼的黄土台塬区含水层富水性弱。
3.4. 地下水污染风险评价
基础地下水污染风险评价表明，高风险和略高风险区面积占比相对较小，分别为2.80%和9.75%。高风险区主要分布在渭河及其支流的河漫滩以及高陵、阎良、临潼、周至、鄠邑等区的洪积扇上，这些区域地下水脆弱性和污染负荷均属高或略高等级。洪积扇和河漫滩土壤颗粒粗、入渗系数大、含水层透水性强，且存在高负荷污染源，导致污染风险高。略高风险区主要分布在污染源集中的河漫滩、低阶地和洪积扇内。而黄土台塚区、中心城区及周至县北部地区，或因脆弱性低、污染源分布稀疏，或因入渗率低、净垂直补给有限且污染源控制严格，基础污染风险较低。
价值加权污染风险图显示，高风险区面积占比最小，仅为0.60%，略高风险区占4.95%。高风险区集中于渭河及其支流的河漫滩，这些区域不仅基础风险高，且因河岸带人口密集、GDP高、水资源丰富而具有高功能价值，一旦污染后果严重。略高风险区主要沿河流分布、位于周至和鄠邑的洪积扇以及部分城市中心区。高陵区大部分和阎良区北部，虽然基础风险略高，但因含水层富水性弱、水质差、GDP和人口密度低导致功能价值低，故价值加权风险低。黄土台塬区因脆弱性低、富水性差、GDP和人口密度低，价值加权风险也低。
空间自相关分析表明，基础污染风险和价值加权污染风险的莫兰指数(Moran’s I)分别为0.5526和0.6617，p值均小于0.05，说明两种风险在空间上均呈现显著的聚集性。热点分析进一步识别出了高风险（热点）和低风险（冷点）的聚集区域。方差分析证实，不同风险等级下的污染负荷指数、脆弱性指数、基础风险得分以及价值加权风险得分均值之间存在显著差异（p < 0.05），且随着风险等级升高，这些指标均值均呈现上升趋势，验证了风险分级结果的合理性。利用现有地下水水质数据（对照中国《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)进行单因子评价）进行验证，发现水质较差（IV类、V类，如硫酸盐、硝酸盐、总溶解固体(TDS)、铁、铝、氯化物等指标超标）的区域与基础污染风险较高的区域（如高陵、阎良、临潼的洪积扇和河漫滩，未央北部的渭河河漫滩，鄠邑区的洪积扇）有较好的对应关系，支持了基础污染风险评价结果的可靠性。
研究结论与意义
本研究通过系统整合污染负荷、地下水脆弱性和功能价值，对西安市平原区浅层地下水污染风险进行了综合评价。研究结果表明，地下水污染风险是污染源危险性、含水层固有属性和资源价值共同作用的结果。基础污染风险图揭示了污染发生的可能性，而价值加权污染风险图则进一步评估了污染可能造成的后果的严重性。
高基础污染风险区（占平原2.80%）主要分布在高脆弱性的洪积扇和河漫滩与高负荷污染源重叠的区域，这些区域应作为污染源严格管理和控制的重点，避免新的高负荷污染源布局，加强现有污染源监管、排放控制和环境监测，并采用防渗性能好的材料建设管网。价值加权高风险区（占平原0.60%）虽然面积更小，但因其同时具备高基础风险和高功能价值，一旦污染将产生严重影响，应作为优先采取污染预防和控制措施的核心区域。相反，那些功能价值低且基础污染风险也低的区域，则可考虑作为支持经济发展的可接受区域。
该研究建立的综合评价框架，克服了传统方法仅关注脆弱性或简单以土地利用替代污染负荷的不足，为区域地下水风险管理提供了更科学、更全面的决策依据。研究成果有助于识别风险管理的优先区域，优化土地利用布局，从而实现对地下水资源的有效保护和可持续利用。需要注意的是，本研究结果基于当前下垫面状况和污染源分布，随着人类活动的变化，风险格局也可能发生改变，因此定期更新风险图并分析风险趋势对于促进地下水资源的可持续管理至关重要。未来研究可探索融合地下水污染物浓度数据或地下水流动数值模拟等方法，以进一步提升污染负荷和脆弱性评价的精度。
