地下水脆弱性評(píng)價(jià)：概念、方法與應(yīng)用

唐克旺，唐 蘊(yùn)，徐鵬云

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源所，100038，北京；2.吉林省水文水資源局延邊分局，133000，延吉）

地下水脆弱性的概念自20世紀(jì)60年代末提出后，一直是國(guó)際上研究的熱點(diǎn)。1987年召開(kāi)的“土壤與地下水脆弱性”國(guó)際會(huì)議，對(duì)地下水脆弱性的概念、評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用等進(jìn)行廣泛的交流。目前，地下水脆弱性的概念基本采納了美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局（USEPA）和國(guó)際水文地質(zhì)學(xué)家協(xié)會(huì)（IAH）的概念，即“地下水脆弱性是地下水系統(tǒng)對(duì)人類(lèi)和（或）自然的敏感性”。

評(píng)價(jià)方法上，目前主要包括指數(shù)法和層次分析法、統(tǒng)計(jì)法、基于過(guò)程的模擬法等。簡(jiǎn)單適用的方法是指數(shù)法，如USEPA提出的DRASTIC評(píng)價(jià)方法應(yīng)用最廣。其他評(píng)價(jià)方法，如GOD法、AHP法、AVI法等應(yīng)用得相對(duì)較少。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局和歐盟一些國(guó)家基本采DRASTIC方法評(píng)價(jià)其地下水的脆弱性。

國(guó)內(nèi)對(duì)地下水脆弱性研究起步較晚，但進(jìn)展很快，積累了很多研究成果，對(duì)地下水脆弱性的概念、評(píng)價(jià)方法以及實(shí)例應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的研究。實(shí)際應(yīng)用方面，我國(guó)學(xué)者采用國(guó)際上的方法或經(jīng)適度改進(jìn)，在遼河平原、華北平原、松嫩平原以及太原、塔里木、山東、天津、重慶、湛江、石家莊和西南巖溶區(qū)等地進(jìn)行了實(shí)際的應(yīng)用，其中大多數(shù)論文依托國(guó)土資源部有關(guān)項(xiàng)目的成果，結(jié)合GIS等先進(jìn)技術(shù)，在地下水脆弱性方面做出了有益的嘗試，DRASTIC方法作為推薦方法得到項(xiàng)目承擔(dān)單位的廣泛應(yīng)用。

一、概念與方法

地下水作為水資源的特殊組成部分，其脆弱性的評(píng)價(jià)對(duì)保護(hù)以及合理開(kāi)發(fā)利用地下水資源具有很現(xiàn)實(shí)的意義。但是，目前從脆弱性概念、評(píng)價(jià)方法、實(shí)際推廣應(yīng)用等方面，研究成果與地下水保護(hù)的實(shí)際應(yīng)用需要還有一定的差距，需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究和探索。

1.概念的界定

不同的地下水系統(tǒng)對(duì)外界影響的反應(yīng)是不同的，有的系統(tǒng)自我修復(fù)能力強(qiáng)，受影響后能快速恢復(fù)，而有的系統(tǒng)一旦破壞則不可逆，難以修復(fù)。因此，地下水脆弱性評(píng)價(jià)應(yīng)從概念上提高和拓展其適用性。目前，大多數(shù)脆弱性評(píng)價(jià)主要針對(duì)地下水系統(tǒng)對(duì)外來(lái)污染物的敏感性或易污性，且具體針對(duì)面源污染問(wèn)題，范圍較狹隘，對(duì)地下水過(guò)度開(kāi)采的響應(yīng)以及自我修復(fù)能力缺乏研究。

從概念上，USEPA和IAH的概念，即“地下水脆弱性是地下水系統(tǒng)對(duì)人類(lèi)和（或）自然的敏感性”較適合于中國(guó)。同時(shí)，應(yīng)適度拓展，即地下水脆弱性應(yīng)是“地下水系統(tǒng)對(duì)外界（包括人類(lèi)活動(dòng)和自然過(guò)程）變化的敏感性和自我修復(fù)能力”。這個(gè)定義包括三方面含義：一是水質(zhì)和水量兼顧，不僅評(píng)價(jià)地下水對(duì)人類(lèi)污染行為的敏感性，也要評(píng)價(jià)地下水對(duì)開(kāi)發(fā)利用的敏感性；二是自然和人類(lèi)活動(dòng)兼顧，目前的脆弱性重點(diǎn)針對(duì)人類(lèi)活動(dòng)的影響，有關(guān)地震、持續(xù)干旱等自然過(guò)程對(duì)地下水系統(tǒng)的影響考慮較少；三是反應(yīng)的敏感性和自我修復(fù)能力的兼顧，尤其是地下水開(kāi)采方面，巖溶地下水系統(tǒng)超采后恢復(fù)起來(lái)也較容易（巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害除外），而深層承壓水一旦超采并引發(fā)沉降后再難恢復(fù)。

2.評(píng)價(jià)方法

評(píng)價(jià)地下水系統(tǒng)的脆弱性，首先應(yīng)明確評(píng)價(jià)的內(nèi)容，并選擇適宜的指標(biāo)體系和方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。按照前面的定義，地下水脆弱性包括水質(zhì)和水量方面的脆弱性。這兩方面的評(píng)價(jià)應(yīng)分別進(jìn)行，因?yàn)椴粌H服務(wù)對(duì)象是不同的（水質(zhì)的脆弱性服務(wù)于地下水水質(zhì)保護(hù)，評(píng)價(jià)的是地下水的防污能力；水量脆弱性服務(wù)于地下水開(kāi)采管理，評(píng)價(jià)的是地下水的調(diào)蓄及可更新能力），而且指標(biāo)和方法也有差異。例如，深層承壓水對(duì)水質(zhì)的敏感性低，但對(duì)開(kāi)采的敏感性卻很高；包氣帶巖土顆粒越小，對(duì)水質(zhì)的敏感性越低，但水量超采后敏感性越高。因此，水質(zhì)和水量應(yīng)分別制定指標(biāo)體系評(píng)價(jià)。

（1）污染方面的脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

世界較通用的是DRASTIC方法，1985年由USEPA提出，選擇的7個(gè)因子分別為含水層埋深（D）、含水層凈補(bǔ)給量（R）、含水層介質(zhì)類(lèi)型（A）、土壤介質(zhì)類(lèi)型（S）、地形坡度（T）、包氣帶巖性（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)在屬性進(jìn)行評(píng)分（1～10分），再根據(jù)每個(gè)因子對(duì)地下水脆弱性影響的重要程度給予權(quán)值（1為影響最弱，5為影響最強(qiáng)），各因子評(píng)分加權(quán)即是DRASTIC指數(shù)，如表 1。

盡管DRASTIC評(píng)價(jià)方法應(yīng)用廣泛，但本身也存在一定的問(wèn)題。例如，指標(biāo)之間的重疊問(wèn)題，具體評(píng)價(jià)因子評(píng)分值的適應(yīng)性問(wèn)題等。

表1 DRASTIC指標(biāo)體系表

表2 修正的DRSTIP指標(biāo)體系表

DRASTIC中的7個(gè)指標(biāo)中，含水層的凈補(bǔ)給量與降水及地表水（包括灌溉水）入滲有關(guān)，但也受含水層埋深、土壤類(lèi)型、地形、包氣帶巖性的影響。含水層介質(zhì)類(lèi)型與滲透系數(shù)也有直接關(guān)系，例如，巖溶介質(zhì)類(lèi)含水層、砂礫石型松散含水層的滲透系數(shù)大。因此，該指標(biāo)體系中指標(biāo)之間的重復(fù)是一個(gè)問(wèn)題。為了克服指標(biāo)重復(fù)的缺點(diǎn)，建議修正DRASTIC方法為DRSTIP法，指標(biāo)調(diào)整如下：

地下水的補(bǔ)給水深包括單元內(nèi)的降水深、灌溉水量或地表水補(bǔ)給深度，單位為mm。滲透系數(shù)在數(shù)值上等于滲流速度即滲流在過(guò)水?dāng)嗝嫔系钠骄魉?，單位為m/d。

地下水水質(zhì)脆弱性是用來(lái)評(píng)價(jià)地表污染物進(jìn)入含水層的難易程度的，因此主要應(yīng)考慮上述6項(xiàng)指標(biāo)。修正了3個(gè)指標(biāo)：一是含水層凈補(bǔ)給量變?yōu)榈叵滤难a(bǔ)給水深（mm），包括單元內(nèi)的降水深、灌溉水量或地表水補(bǔ)給深度（一般發(fā)生在洪水期）。該值與降雨入滲系數(shù)、灌溉水入滲系數(shù)可計(jì)算得到含水層的凈補(bǔ)給量；二是去掉介質(zhì)類(lèi)型指標(biāo)；三是含水層的水力傳導(dǎo)系數(shù)改為滲透系數(shù)，不考慮含水層厚度對(duì)污染程度的影響，僅考慮地下水滲透系數(shù)所決定的可更新性及可恢復(fù)能力。

各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重基本反映了其在防止地下水污染中所起的作用。例如，含水層埋深及包氣帶巖性是影響地下水易污性的最重要指標(biāo)，權(quán)重最大。不同地區(qū)水文地質(zhì)條件不同，因子權(quán)重應(yīng)該有一定的地區(qū)差異，以反映地區(qū)特點(diǎn)。比如，土壤作為地下水系統(tǒng)的最外層保護(hù)層，其介質(zhì)類(lèi)型重要性不言而喻，需要對(duì)這方面進(jìn)一步研究，以科學(xué)確定因子權(quán)重。

（2）水量方面的脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

總體上說(shuō)，地下水系統(tǒng)是水資源循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分，其補(bǔ)給量、可開(kāi)采量、靜儲(chǔ)量、單井或單位時(shí)間的出水量、生態(tài)系統(tǒng)效應(yīng)、環(huán)境地質(zhì)效應(yīng)等因素都影響到地下水的合理開(kāi)發(fā)利用。為了評(píng)價(jià)地下水系統(tǒng)對(duì)人類(lèi)開(kāi)采的敏感性，本文提出了地下水系統(tǒng)水量脆弱性評(píng)價(jià)的初步指標(biāo)體系，見(jiàn)表3。該體系主要適用于淺層地下水評(píng)價(jià)。

地下水補(bǔ)給量指含水層或含水系統(tǒng)從外界獲得的水量，單位為mm/a。含水層介質(zhì)類(lèi)型包括孔隙度或裂隙率等因素，無(wú)量綱。含水層厚度對(duì)承壓含水層來(lái)說(shuō)指隔水頂板到隔水底板之間的垂直距離，對(duì)潛水含水層來(lái)說(shuō)指潛水面到隔水底板之間的垂直距離，單位都是m。

表3 地下水系統(tǒng)水量脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(RAT)

表4 地下水水量脆弱性評(píng)價(jià)因子賦分參考值

地下水補(bǔ)給量是決定地下水系統(tǒng)對(duì)開(kāi)采敏感與否以及水量自我恢復(fù)的關(guān)鍵。補(bǔ)給量小的地區(qū)，地下水水位隨開(kāi)采持續(xù)下降最終導(dǎo)致含水層枯竭。除補(bǔ)給量外，含水層介質(zhì)類(lèi)型（無(wú)量綱）決定了單位體積含水層的儲(chǔ)水空間，包括孔隙度或裂隙率等因素，介質(zhì)類(lèi)型決定了含水層的滲透性，是評(píng)價(jià)地下水更新能力的重要因素。含水層厚度和介質(zhì)類(lèi)型一樣，影響地下水的凈儲(chǔ)量和對(duì)開(kāi)采的調(diào)節(jié)能力。

表4列出初步擬定的四類(lèi)水量脆弱性評(píng)價(jià)因子的指標(biāo)值 （或?qū)傩裕┘捌鋵?duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)分值，再按照表3的權(quán)重，計(jì)算得出分區(qū)地下水水量脆弱性指標(biāo)（RI）。

式中：RI為地下水水量脆弱性指數(shù)（無(wú)量綱）；R為地下水補(bǔ)給量分值；A為含水介質(zhì)類(lèi)型分值；T為含水層厚度分值。

根據(jù)RI的數(shù)值區(qū)間，進(jìn)行水量的脆弱性分類(lèi)，對(duì)于一個(gè)地區(qū)的若干評(píng)價(jià)單元，可進(jìn)行脆弱性指數(shù)的歸一化處理 （0～1）， 再劃分為高脆弱區(qū)（0.8～1）、較高脆弱區(qū)（0.6～0.8）、中脆弱區(qū)（0.3～0.6）、低脆弱區(qū)（0～0.3）。

對(duì)于深層承壓水來(lái)說(shuō)，由于其補(bǔ)排條件較復(fù)雜，補(bǔ)給量受開(kāi)采影響明顯，更新極其緩慢，而開(kāi)采易引發(fā)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害等問(wèn)題。因此，深層承壓水一般不宜作為日常大規(guī)模供水水源，可做臨時(shí)應(yīng)急供水水源。深層承壓水的水量脆弱性一般可按高等級(jí)劃分。

（3）脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系討論

從水質(zhì)保護(hù)和水量開(kāi)發(fā)兩方面的脆弱性比較可以看出，地下水水質(zhì)和水量的脆弱性是地下水系統(tǒng)完全不同的兩類(lèi)屬性，例如我國(guó)華北平原太行山前帶包氣帶及含水層滲透性好、補(bǔ)給量大，水質(zhì)脆弱性相對(duì)較高，地表污染源很容易入滲進(jìn)入地下水，但這個(gè)地區(qū)水量脆弱性較低，單井開(kāi)采量大、補(bǔ)給條件好、適于集中開(kāi)采，又很少有地面沉降等環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。因此，水質(zhì)和水量脆弱性的結(jié)合評(píng)價(jià)，有助于加強(qiáng)地下水保護(hù)和利用的統(tǒng)一管理。水量脆弱性較低的適宜開(kāi)采區(qū)一般也是水質(zhì)脆弱性高、最需要嚴(yán)格保護(hù)的地區(qū)，如集中供水水源地等。對(duì)于水量脆弱性較高的地區(qū)或含水層（如深層承壓水），只適合分散式小型開(kāi)采或臨時(shí)性應(yīng)急開(kāi)采，水質(zhì)的脆弱性可能較低，但也要考慮農(nóng)村生活用水的安全性。

二、地下水脆弱性的應(yīng)用

地下水脆弱性評(píng)價(jià)對(duì)于地下水的利用與保護(hù)具有一定的支持作用。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括地下水水質(zhì)防護(hù)區(qū)劃、地下水開(kāi)采許可管理、地下水水源保護(hù)、地下水污染源治理以及超采治理方案等。

1.地下水水質(zhì)保護(hù)區(qū)劃

地下水水質(zhì)保護(hù)應(yīng)根據(jù)地下水的脆弱性進(jìn)行分區(qū)甄別對(duì)待，有嚴(yán)格保護(hù)區(qū)、重點(diǎn)保護(hù)區(qū)、一般保護(hù)區(qū)等。

嚴(yán)格保護(hù)區(qū)對(duì)應(yīng)地下水高脆弱區(qū)，屬于地下水水質(zhì)保護(hù)的紅區(qū)，禁止任何污染的進(jìn)入。應(yīng)嚴(yán)禁施用農(nóng)藥、化肥，禁止建設(shè)加油站、輸油管線(xiàn)、污水排放點(diǎn)和城市及醫(yī)療固體垃圾場(chǎng)，現(xiàn)有垃圾等污染源應(yīng)盡快治理和搬遷。

重點(diǎn)保護(hù)區(qū)對(duì)應(yīng)中脆弱區(qū)，應(yīng)禁止繼續(xù)建設(shè)新的可產(chǎn)生污染的項(xiàng)目?，F(xiàn)有的農(nóng)藥、化肥施用以及排污企業(yè)和垃圾場(chǎng)等，應(yīng)逐一進(jìn)行調(diào)查，評(píng)價(jià)其對(duì)地下水的影響，采取必要的措施進(jìn)行治理。

一般保護(hù)區(qū)不僅要注意污染控制，還要考慮地下水系統(tǒng)防護(hù)結(jié)構(gòu)的完整性。

2.地下水開(kāi)采許可管理

地下水開(kāi)采的管理主要是開(kāi)采許可量。一個(gè)地區(qū)或地下水系統(tǒng)的地下水可開(kāi)采量包括日?？沙掷m(xù)的開(kāi)采量，也包括臨時(shí)應(yīng)急抗旱或事故污染時(shí)可啟用的備用開(kāi)采量。地下水日?？沙掷m(xù)開(kāi)采量應(yīng)控制在地下水的可開(kāi)采量范圍內(nèi)，與地下水系統(tǒng)的補(bǔ)給量有緊密關(guān)系；而備用水源的臨時(shí)短期可開(kāi)采量主要依據(jù)開(kāi)采井的單井出水量和避免出現(xiàn)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題及生態(tài)問(wèn)題的水位限制。因此，地下水水量脆弱性低的地區(qū)，宜作為集中開(kāi)發(fā)區(qū)或備用水源區(qū)進(jìn)行管理；而水量脆弱性高的地區(qū)則不宜大規(guī)模開(kāi)采，僅適宜少量生活用水、工藝用水或臨時(shí)應(yīng)急開(kāi)采。

由于地下水水量的脆弱性不僅與地下水循環(huán)特征有關(guān)，也要兼顧對(duì)生態(tài)系統(tǒng)、地質(zhì)災(zāi)害的影響，因此，應(yīng)設(shè)定分區(qū)水位標(biāo)準(zhǔn)，防止出現(xiàn)不可逆的生態(tài)和地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。

對(duì)于地下水系統(tǒng)人為開(kāi)采的脆弱性（水量脆弱性），也可以利用一個(gè)區(qū)域的可開(kāi)采量或可開(kāi)采模數(shù)進(jìn)行分級(jí)分類(lèi)評(píng)價(jià)。但目前的可開(kāi)采量評(píng)價(jià)方法大多按照補(bǔ)給量進(jìn)行折算，未考慮含水層單井出水量、含水層調(diào)蓄能力等因素。因此，通過(guò)補(bǔ)給量、含水介質(zhì)類(lèi)型、含水層厚度等進(jìn)行地下水對(duì)開(kāi)采的脆弱性綜合評(píng)價(jià)是必要的。

三、結(jié)論與建議

我國(guó)應(yīng)積極推進(jìn)地下水脆弱性的評(píng)價(jià)工作。首先，結(jié)合我國(guó)國(guó)情和水情，提出簡(jiǎn)單適用和相對(duì)成熟的地下水脆弱性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，指導(dǎo)地下水脆弱性的評(píng)價(jià)工作。同時(shí)，選擇典型地下水系統(tǒng)，進(jìn)行地下水脆弱性評(píng)價(jià)和分區(qū)試點(diǎn)。結(jié)合最嚴(yán)格水資源管理制度的實(shí)施和地下水脆弱性管理方法，研究提出我國(guó)地下水水質(zhì)分區(qū)分類(lèi)保護(hù)的新思路和新戰(zhàn)略，彌補(bǔ)我國(guó)地下水水質(zhì)安全保護(hù)方面的薄弱性。

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