地下水脆弱性評(píng)價(jià)方法與研究進(jìn)展

張昕，蔣曉東，張龍

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)水資源與環(huán)境工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；2.天津地質(zhì)調(diào)查研究院，天津300191；3.遼寧地質(zhì)工程職業(yè)學(xué)院，遼寧丹東118008）

地下水脆弱性評(píng)價(jià)方法與研究進(jìn)展

張昕1，2，蔣曉東2，張龍3

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)水資源與環(huán)境工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；2.天津地質(zhì)調(diào)查研究院，天津300191；3.遼寧地質(zhì)工程職業(yè)學(xué)院，遼寧丹東118008）

地下水脆弱性評(píng)價(jià)是合理開發(fā)利用和保護(hù)地下水的基礎(chǔ)，是環(huán)境規(guī)劃部門的決策依據(jù)之一.從地下水脆弱性的概念出發(fā)，介紹了國(guó)內(nèi)外地下水脆弱性評(píng)價(jià)方法、研究進(jìn)展，并針對(duì)國(guó)內(nèi)外地下水脆弱性研究現(xiàn)狀，提出了看法.

地下水脆弱性；評(píng)價(jià)方法；研究進(jìn)展

地下水是國(guó)民經(jīng)濟(jì)、人民生活和生態(tài)環(huán)境不可缺少的寶貴資源，一旦遭到破壞，特別是水質(zhì)的惡化，對(duì)其治理和恢復(fù)的難度與代價(jià)都是極其巨大的，甚至在短時(shí)間內(nèi)幾乎是不可能的.因此，如何保護(hù)地下水資源免受污染或盡可能地少受污染十分重要［1］.目前中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局組織實(shí)施的“全國(guó)主要城市環(huán)境地質(zhì)問題調(diào)查評(píng)價(jià)和全國(guó)地下水污染調(diào)查評(píng)價(jià)”項(xiàng)目，將地下水防污性能評(píng)價(jià)列為工作內(nèi)容之一，這其中就涵蓋了對(duì)地下水脆弱性評(píng)價(jià)方面的內(nèi)容.

筆者從地下水脆弱性概念、評(píng)價(jià)方法以及研究進(jìn)展進(jìn)行梳理，并提出自己的看法.

1 地下水脆弱性的概念

1968年，法國(guó)人Margat［2］首次提出含水層脆弱性（groundwater vulnerability）概念以來，隨著研究的不斷深入，其內(nèi)涵不斷豐富.美國(guó)國(guó)家研究理事會(huì)定義地下水脆弱性是：污染物自頂部含水層以上某一位置到達(dá)地下水系統(tǒng)中某一特定位置的趨勢(shì)和可能性［3］.比較公認(rèn)的是美國(guó)環(huán)保署和國(guó)際水文地質(zhì)學(xué)家協(xié)會(huì)的定義：“地下水脆弱性是地下水系統(tǒng)對(duì)人類和（或）自然的敏感性”.截至目前，地下水脆弱性概念仍在逐漸發(fā)展和完善之中.地下水脆弱性分為固有脆弱性（intrinsic vulnerability）和特殊脆弱性（specific vulnerability），固有脆弱性是靜態(tài)、不可變和人為不可控制的；特殊脆弱性是動(dòng)態(tài)、可變和人為可控制的.

2 地下水脆弱性評(píng)價(jià)方法

地下水脆弱性評(píng)價(jià)方法多樣，早期國(guó)外以迭置指數(shù)法應(yīng)用最多.隨著對(duì)脆弱性評(píng)價(jià)研究的深入，陸續(xù)出現(xiàn)了模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法和過程數(shù)值模擬法.將計(jì)算機(jī)技術(shù)引入脆弱性評(píng)價(jià)，形成了基于地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)的評(píng)價(jià)方法.還有學(xué)者采用多方法綜合評(píng)價(jià)的方式進(jìn)行地下水脆弱性評(píng)價(jià).

迭置指數(shù)法的特點(diǎn)是通過對(duì)定義的諸多因子進(jìn)行分級(jí)評(píng)分賦值來區(qū)分地下水脆弱性的高低.其評(píng)價(jià)模型很多，如：DRASTIC［4］、Legrand、GOD、SIGA［5］、PI、VULK、歐洲（COP）法、局部歐洲（LEA）法［6］等不一而足.過程模擬法是在對(duì)水分和污染質(zhì)運(yùn)移過程分析和模型模擬的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建脆弱性評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)公式，將各評(píng)價(jià)因子定量化后求解得出一個(gè)可評(píng)價(jià)脆弱性的綜合指數(shù).模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法主要用于確定因子評(píng)分體系和評(píng)價(jià)因子權(quán)值，經(jīng)過單因子模糊評(píng)判和模糊綜合評(píng)判來劃分地下水的脆弱程度.

目前國(guó)外地下水脆弱性評(píng)價(jià)主要應(yīng)用上述3種方法，尤以第一種方法為主.本文選擇應(yīng)用比較多的評(píng)價(jià)模型方法加以介紹.

（1）DRASTIC方法：1985年由美國(guó)環(huán)保局（USEPA）提出，其命名由所選7個(gè)因子的英文首字母組成.分別為：含水層埋深（D）、含水層凈補(bǔ)給量（R）、含水層介質(zhì)類型（A）、土壤介質(zhì)類型（S）、地形坡度（T）、包氣帶影響（I）和含水層滲透系數(shù)（C）.上述7個(gè)因子構(gòu)成了DRASTIC方法的評(píng)價(jià)因子體系.根據(jù)每個(gè)因子的變化范圍或其內(nèi)在屬性建立評(píng)分體系r，又根據(jù)評(píng)分體系中每個(gè)因子對(duì)地下水脆弱性影響的重要程度給予固定權(quán)值w，各因子加權(quán)和Vi即是DRASTIC指數(shù)［7］：

Vi=DrDw+RrRw+ArAw+SrSw+TrTw+IrIw+CrCw

用Vi這一指數(shù)反映地下水脆弱性.脆弱性指數(shù)越大，越容易遭受污染.針對(duì)固有脆弱性和農(nóng)藥污染，分別制定不同的權(quán)重系數(shù)（見表1）.

表1 DRASIC指標(biāo)體系法中各評(píng)價(jià)參數(shù)Table1 Evaluation parameters in DRASIC method

（2）PI方法：是一種資源保護(hù)評(píng)價(jià)方法，選取的評(píng)價(jià)因子有保護(hù)層（P）和滲透條件（I）.P因子描述的是地表水到地下水水面以上的保護(hù)層的防污能力，保護(hù)層包括土壤、下層土、非巖溶地層和不飽和的巖溶地層.保護(hù)層的防污性能與降水入滲補(bǔ)給量、表土層的有效田間持水量、土層的性質(zhì)與厚度、巖層的性質(zhì)與厚度、含水層是否承壓等因素有關(guān).其防污能力用PTS表示，具體用下式計(jì)算：

式中：T—表層土的有效田間持水能力；

Si—第i層下層土類型評(píng)分值；

Mi—第i層下層土厚度；

Bj—第j層巖層巖性評(píng)分值L和其裂隙評(píng)分值F的乘積，即Bj=L·F；

Mj—第j層巖層厚度；

R—降水入滲補(bǔ)給的評(píng)分值；

A—含水層是否承壓的參數(shù)，如果是承壓含水層，A取值為1500，如果是非承壓含水層，A取值為0.

根據(jù)計(jì)算結(jié)果將保護(hù)層因子分別賦值1～5，取值越低，防污能力越低.

滲透條件（I）是衡量保護(hù)層匯流程度的參數(shù)，反映滲透條件的好壞.主要考慮滲透類型、地表植被、地形坡度、落水洞、地下暗河等巖溶的發(fā)育等因素.評(píng)分范圍為0～1，評(píng)分越低，表示滲透條件越好，污染物越易進(jìn)入地下水中.

最終評(píng)價(jià)結(jié)果根據(jù)公式PI=PTS·I確定，PI取值范圍為0～5.防污性能指數(shù)Di值越低，防污性能越差，含水層越容易遭到污染.

由于篇幅所限，將部分方法及適用范圍一并匯總列于表2.

表2 部分評(píng)價(jià)方法及適用條件匯總表Table2 Some evaluation methods and their applicable conditions

V.Francani與M.Civita于1988年應(yīng)用水文地質(zhì)背景值法研究了描述地下水脆弱性的技術(shù)方法［8］.2000年，R.C.Gogu［9］用迭置指數(shù)法進(jìn)行脆弱性評(píng)價(jià)，并重點(diǎn)介紹了其中的GOD、DRASTIC、SEEPAGE、SINTACS方法和評(píng)價(jià)巖溶區(qū)的EPIK方法.2001年D.Daly［10］等人針對(duì)巖溶含水層，系統(tǒng)地闡述了歐洲方法的概念和脆弱性圖.Pedro Martínez-Santos［11］于2008年在西班牙開展工作時(shí)，選用數(shù)學(xué)建模的方法取得了較好效果.B.Dixon［12］運(yùn)用基于GIS的建模技術(shù)進(jìn)行了脆弱性評(píng)價(jià).

近年來國(guó)外多有基于GIS技術(shù)的脆弱性評(píng)價(jià)研究成果出現(xiàn).Insaf S.Babiker［13］等人在日本岐阜縣進(jìn)行脆弱性評(píng)價(jià)時(shí)就采用此類方法，對(duì)圖件的移動(dòng)敏感性和單因子敏感性進(jìn)行分析，最終得出了適合該地區(qū)的評(píng)價(jià)權(quán)值分配.X.Wen［14］等人在張掖盆地也進(jìn)行了類似研究.Dhundi Raj Pathak［15］在加德滿都也進(jìn)行了敏感度分析.

還有學(xué)者采用多方法評(píng)價(jià)，如德國(guó)Christoph Neukum［16］在德國(guó)南部做脆弱性評(píng)價(jià)的過程中，采用GLA、EPIK、DRASTIC、PI方法分別進(jìn)行了脆弱性評(píng)價(jià)和編圖，并對(duì)4種方法采用標(biāo)準(zhǔn)化分級(jí)的方式對(duì)脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，取得了良好的效果；Ibe K M［5］用DRASTIC、Legrand、GOD等3種模型，對(duì)尼日利亞地下水防污性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)比較.

3 地下水脆弱性研究進(jìn)展

國(guó)外地下水脆弱性評(píng)價(jià)始于20世紀(jì)60年代中期.20世紀(jì)90年代以前地下水脆弱性評(píng)價(jià)主要側(cè)重于地下水固有脆弱性方面.之后由于人類活動(dòng)造成的污染影響日趨嚴(yán)重，引發(fā)了一系列的環(huán)境地質(zhì)問題，90年代以后，在對(duì)地下水固有脆弱性評(píng)價(jià)同時(shí)，地下水特殊脆弱性評(píng)價(jià)也逐漸在世界范圍內(nèi)興起.

美國(guó)使用DRASTIC方法，在得克薩斯州、懷俄明州、羅得島、馬薩諸塞州、威斯康星州、內(nèi)布拉斯加州、特拉華州、南達(dá)科他州等地區(qū)進(jìn)行了大區(qū)域含水層脆弱性評(píng)價(jià)；對(duì)俄克拉荷馬州的12個(gè)主要含水層，也采用了類似的方法進(jìn)行了含水層脆弱性填圖［17-18］.

針對(duì)廣泛存在、難以治理與恢復(fù)的區(qū)域污染，1995年美國(guó)和匈牙利合作，在美國(guó)中西部和匈牙利喀爾巴拉阡盆地農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)，應(yīng)用基于GIS改進(jìn)的DRASTIC法以及農(nóng)業(yè)除草劑一維滲濾過程模型方法（PRZM-2），對(duì)農(nóng)業(yè)土地政策的可行性以及使用農(nóng)業(yè)化學(xué)品（除草劑和化肥等）的替代方案的潛力進(jìn)行了評(píng)估［19］；1998年美國(guó)懷俄明州政府配合聯(lián)邦政府開展了地下水對(duì)農(nóng)業(yè)殺蟲劑的污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)項(xiàng)目［20］；1999年R.Michael等開展了美國(guó)中西部地區(qū)的地下水對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的區(qū)域脆弱性研究［21］；1998年英國(guó)的S.Secundas［22］等開展了對(duì)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與編圖的理論研究和實(shí)踐探討；2001年以色列Martin Collin［23］等人對(duì)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)進(jìn)行理論研究和實(shí)踐探討，并將評(píng)價(jià)成果直接應(yīng)用于水源保護(hù)和土地利用規(guī)劃之中；2001年意大利在威尼斯湖流域開展了針對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的水資源脆弱性評(píng)價(jià)時(shí)，在GIS環(huán)境下，將不同農(nóng)業(yè)化學(xué)藥品的影響列入選擇關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)地表水和地下水脆弱性進(jìn)行了評(píng)價(jià)［24］.

我國(guó)地下水脆弱性方面的研究始于20世紀(jì)90年代，雖然起步較晚卻發(fā)展很快.近幾年在新一輪國(guó)土資源調(diào)查項(xiàng)目推動(dòng)下，不僅初步查明了分布于長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲、淮河平原、華北平原、東北三江流域等地12個(gè)省125個(gè)城市地下水污染、地下水資源衰減、特殊土分布、土壤污染等環(huán)境地質(zhì)問題［25］，與之同步的主要城市地下水脆弱性評(píng)價(jià)也隨即展開并取得了一批成果.2005年以后每年都有比較多的地下水脆弱性評(píng)價(jià)成果發(fā)表.縱觀國(guó)內(nèi)地下水脆弱性評(píng)價(jià)研究經(jīng)歷以及取得的成就，認(rèn)為具備以下特點(diǎn).

（1）研究對(duì)象涉獵了不同自然地理狀況、地質(zhì)、水文地質(zhì)條件區(qū)域

截至2007年，不僅完成了我國(guó)東北部三江流域、華北平原和淮河平原區(qū)地下水脆弱性和珠江三角洲、長(zhǎng)江三角洲平原區(qū)淺層地下水的防污性能評(píng)價(jià)［26-32］，而且在西北干旱區(qū)、關(guān)中盆地洪沖積平原和黃土臺(tái)垣區(qū)、西南巖溶區(qū)以及衡陽盆地紅壤丘陵區(qū)［33-37］都開展了此項(xiàng)工作.其間還完成部分城市地下水脆弱性評(píng)價(jià)，例如：石家莊、西安、湛江、滄州、松原、吉林市和江西省主要城市（鷹潭、撫州、萍鄉(xiāng)、景德鎮(zhèn)、贛州、南昌、吉安、上饒、新余、宜春、九江）［38-44］.不僅如此，還評(píng)價(jià)了山東泰安、青島和江蘇徐州［45-47］供水水源地地下水脆弱性.

（2）地下水特殊脆弱性與固有脆弱性研究同期進(jìn)行

國(guó)內(nèi)地下水脆弱性評(píng)價(jià)不存在先研究固有脆弱性、后研究特殊脆弱性的狀況，二者近乎同期開展，并且特殊脆弱性研究受到了更多的關(guān)注.

1997年鄭西來［48］在分析西安地區(qū)包氣帶、含水層等水文地質(zhì)資料基礎(chǔ)上，在地下水脆弱性評(píng)價(jià)時(shí)考慮了污染源的影響，開創(chuàng)了國(guó)內(nèi)地下水特殊脆弱性評(píng)價(jià)的先河.2000年付素蓉［49］在DRASTIC模型基礎(chǔ)上舍棄了地形、土壤類型和含水層的水力傳導(dǎo)系數(shù)，增加了污染物及含水層厚度等影響因子.楊曉婷［50］、姜桂華［35］等研究關(guān)中盆地地下水脆弱性時(shí)，考慮了反映人類活動(dòng)影響的土地利用因子.之后林學(xué)鈺［51］編制松嫩盆地地下水環(huán)境脆弱程度圖時(shí)，將地下水脆弱程度進(jìn)行分區(qū)，同時(shí)把城市地下水污染源的類型和污染程度加以定量表示.

1996年劉淑芬［52］評(píng)價(jià)了河北平原地下水防污性能.在之后的幾年里，楊慶［53］等研究了大連市潛水含水層的地下水防污性能.浙江大學(xué)董亮［54］應(yīng)用DRASTIC評(píng)價(jià)了西湖流域地下水污染風(fēng)險(xiǎn).2003～2004年雷靜［55］、鄭西來［56］分別對(duì)唐山平原區(qū)、青島大沽河地下水庫(kù)地下水進(jìn)行了脆弱性評(píng)價(jià).以上當(dāng)屬固有脆弱性評(píng)價(jià)范疇.

（3）評(píng)價(jià)方法仍處在探索中

國(guó)內(nèi)多以迭置指數(shù)法進(jìn)行地下水脆弱性評(píng)價(jià).其中不乏DRASTIC方法應(yīng)用，如前述完成的江西省主要城市［44］、吉林［43］、石家莊［38］、滄州［57］等城市和云南麗江盆地［58］、江漢平原［31］地下水脆弱性工作即是如此.更多的是在繼承DRASTIC方法研究思路基礎(chǔ)上對(duì)其加以改進(jìn)，這方面的探索很多，焦點(diǎn)主要集中在建立評(píng)價(jià)體系、確定因子評(píng)分和因子權(quán)重方面.目前多是借鑒DRASTIC方法研究思路，在對(duì)自然地理、地質(zhì)、水文地質(zhì)背景等研究對(duì)象充分了解，根據(jù)資料、數(shù)據(jù)占有程度建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.例如，2005年評(píng)價(jià)灤河沖洪積扇地下水脆弱性時(shí)，宋峰［59］考慮了咸淡水界面的空間分布，選擇距咸淡水分界線距離作為評(píng)價(jià)參數(shù)；在山東泰安供水水源地、魯西堆積平原地下水脆弱性研究中，王麗紅［45］、朱恒華［30］在DRASTIC方法基礎(chǔ)上舍棄地形因子、選用含水層厚度代替土壤類型建立DRAMIC模型；根據(jù)杭嘉湖地區(qū)自然地理特征及具體水文地質(zhì)條件，胡萬鳳［60］則選擇地下水埋深、凈補(bǔ)給量、地形坡度、包氣帶介質(zhì)、包氣帶介質(zhì)厚度5項(xiàng)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子；2008年黃冠星［32］針對(duì)珠江三角洲河網(wǎng)密集、地下水位埋藏淺、地下水與地表水豐、枯期互為補(bǔ)排等特點(diǎn)，選擇距河距離（L）、地形坡度（G）以及蓋層脆弱性（C）因子，建立用于珠江三角洲地區(qū)的DRTALGC模型；劉仁濤［26］根據(jù)三江平原地勢(shì)平坦和資料的可獲取性，在DRASTIC指標(biāo)體系基礎(chǔ)上舍棄了地形坡度、滲流區(qū)介質(zhì)類型，增加土地利用率（L）和人口密度（P）.不惟如此，姚文鋒［29］、章程［36］、馬金珠［33］、孫艷偉［34］、鄒勝章、鄒君、孫豐英、李萬剛、嚴(yán)明疆、李輝［61-66］等在各自研究中，均以此研究思路提出了有針對(duì)性的相應(yīng)指標(biāo)體系.

同樣是借助數(shù)學(xué)手段解決評(píng)分體系、因子權(quán)重問題，劉仁濤［26］、姜蕊云［67］采用了熵權(quán)法；孫才志［27］、孫艷偉［34］、陳南祥、楊維、楊旭東、肖長(zhǎng)來、陳浩［68-72］等是基于層次分析（AHP）的模糊綜合評(píng)價(jià)；在唐山平原區(qū)地下水脆弱性評(píng)價(jià)中，姚文峰［73］選擇Monte-Carlo隨機(jī)模擬結(jié)合過程模擬模型LEACHM評(píng)價(jià)包氣帶的脆弱性，運(yùn)用三維數(shù)值模型MODFLOW結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式評(píng)價(jià)飽和帶地下水脆弱性；賀新春［74］采用DRASTIC模型、基于層次分析（AHP）的模糊綜合評(píng)價(jià)模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)河南省寧陵縣地下水脆弱性進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià).還出現(xiàn)了依據(jù)掌握資料對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證的做法，如章程［36］選用示蹤實(shí)驗(yàn)和微生物測(cè)試分析數(shù)據(jù)驗(yàn)證了脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果；李輝［66］、姚文峰［29，73］應(yīng)用實(shí)測(cè)的地下水硝酸鹽濃度分布狀況對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果驗(yàn)證，認(rèn)為取得了比較符合實(shí)際的評(píng)價(jià)成果.

4 幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

（1）迭置指數(shù)法具有低成本、數(shù)據(jù)易獲取、結(jié)果表達(dá)直觀的優(yōu)點(diǎn)，可以很好地刻劃評(píng)價(jià)目標(biāo)脆弱性分區(qū)趨勢(shì).實(shí)際工作中應(yīng)注重與模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)結(jié)合，以避免該方法過于依賴主觀認(rèn)識(shí)的問題.

（2）比較而言，過程數(shù)值模擬法的精度較高，但是需要有大量數(shù)據(jù)支撐，因而限制了其發(fā)展.在未來的研究中，應(yīng)尋求建立一套對(duì)數(shù)據(jù)依賴性較低的模型，以提高該類方法的推廣程度.

（3）地下水系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的綜合體，帶有明顯的隨機(jī)性與模糊性.同一地區(qū)采用多種方法給予評(píng)價(jià)，通過對(duì)比來印證評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性.這一做法雖然繁瑣，卻有利于獲得更加符合實(shí)際的評(píng)價(jià)結(jié)果，值得嘗試.

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Abstract：As the foundation of rational exploitation,utilization and protection of groundwater,the assessment of vulnerability for groundwater is the basis for the decision-making of environmental planning authorities.With the concept of groundwater vulnerability,this paper introduces to the assessment methods and research progress of groundwater vulnerability both in China and worldwide.The domestic study status for the groundwater vulnerability is reviewed.

Key words：groundwater vulnerability;assessment method;research progress

METHODS AND RESEARCH PROGRESS OF GROUNDWATER VULNERABILITY ASSESSMENT

ZHANG Xin1,2,Jiang Xiao-dong2
（1.Beijing Key Laboratory of Water Resources and Environment Engineering,China University of Geosciences,Beijing 100083,China;2.Tianjin Institute of Geological Survey,Tianjin 300191,China）

1671-1947（2010）03-0253-06

P641.2

A

2010－03－01；

2010-04-13.李蘭英編輯.

張昕（1982—），男，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）水資源與環(huán)境學(xué)院碩士研究生，從事地下水環(huán)境科學(xué)方向的研究，通信地址天津市南開區(qū)迎水道20號(hào)天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，郵政編碼300191，E-mail//baalzxlm@163.com