區(qū)域地下水系統(tǒng)防污性能評(píng)價(jià)方法探討與驗(yàn)證
——以魯北平原為例

劉春華, 張光輝, 王 威, 孟素花, 楊麗芝, 紀(jì)汶龍, 劉治政

1)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所, 河北石家莊 050061; 2)山東省地質(zhì)調(diào)查院, 山東濟(jì)南 250013; 3)山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院, 山東濟(jì)南 250014

區(qū)域地下水系統(tǒng)防污性能評(píng)價(jià)方法探討與驗(yàn)證
——以魯北平原為例

劉春華1, 2), 張光輝1)*, 王 威3), 孟素花1), 楊麗芝2), 紀(jì)汶龍2), 劉治政2)

1)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所, 河北石家莊 050061; 2)山東省地質(zhì)調(diào)查院, 山東濟(jì)南 250013; 3)山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院, 山東濟(jì)南 250014

區(qū)域地下水系統(tǒng)防污性能評(píng)價(jià), 面臨影響因子多又復(fù)雜、評(píng)價(jià)指標(biāo)難以客觀性選定和權(quán)重不易確定等難題, 以至嚴(yán)重影響評(píng)價(jià)結(jié)果的可信性。本文以魯北平原為例, 在以往地下水脆弱性評(píng)價(jià)常用的DRASTIC模型基礎(chǔ)上, 采用創(chuàng)新的迭置指數(shù)方法, 改進(jìn)為“DRITCS法”, 選擇地下水位埋深、包氣帶綜合巖性、地表2 m內(nèi)單層厚度大于0.5 m的粘土層厚、含水砂層厚度及其滲透系數(shù)、和地下水凈補(bǔ)給量等因子, 組成區(qū)域地下水系統(tǒng)防污性能評(píng)價(jià)模型。合理地確定了區(qū)域地下水系統(tǒng)防污性能評(píng)價(jià)中關(guān)鍵指標(biāo)——包氣帶粘性土層變化影響, 并在魯北平原示范性應(yīng)用和通過(guò)以面源污染為主的三氮污染現(xiàn)狀驗(yàn)證的結(jié)果表明: 本文提出的方法能夠客觀地反映流域性相變?cè)斐傻牡叵滤到y(tǒng)防污性能空間差異性和區(qū)位分布特征, 具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

區(qū)域地下水; 防污性能; 包氣帶; 粘性土層; 評(píng)價(jià)與驗(yàn)證

自 Margat(1968)提出“地下水脆弱性(Groundwater vulnerability)”以來(lái), 國(guó)內(nèi)外水文地質(zhì)學(xué)家和有關(guān)研究部門(mén)都在試圖客觀表達(dá)“地下水脆弱性”(又名“防污性能”), 以便更好地利用和保護(hù)地下水。美國(guó)環(huán)保署(USEPA)和國(guó)際水文地質(zhì)協(xié)會(huì)(IAH)提出, 地下水系統(tǒng)對(duì)人類(lèi)活動(dòng)或自然變化的有效敏感性具有固有脆弱性和特殊脆弱性之分, 前者表征地下水系統(tǒng)對(duì)污染和人類(lèi)活動(dòng)影響的內(nèi)在固有敏感性,后者表征地下水對(duì)某一特定污染源或人類(lèi)活動(dòng)影響的脆弱性(張麗君, 2006)。

由于各個(gè)地區(qū)水文地質(zhì)條件不同, 所以, 涌現(xiàn)出許多種地下水脆弱性評(píng)價(jià)方法。Foster方法(GOD 法)以地下水露頭、包氣帶地層巖性和地下水位埋深作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo), 在英國(guó)應(yīng)用于水源地污染風(fēng)險(xiǎn)的地下水脆弱性評(píng)價(jià)中。Aller等(1987)提出的DRASTIC方法, 以地下水位埋深(D)、地下水凈補(bǔ)給量(R)、含水層巖性(A)、土壤巖性(S)、地形坡度(T)、包氣帶影響(I)和含水層滲透系數(shù)(C)等作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo), 在美國(guó)、加拿大、南非和歐共體等國(guó)家較廣泛采用。但是, 該方法應(yīng)用中各指標(biāo)之間存在較多的重復(fù)性, 對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定的不確定性影響。

國(guó)內(nèi)的地下水脆弱性研究始于 1996年, 歐盟與中國(guó)合作將DRASTIC方法推薦我國(guó)應(yīng)用。我國(guó)學(xué)者曾從不同的角度, 探討了“地下水脆弱性”各種方法(楊慶等, 1999; 鐘佐燊等, 2005; 馬榮等, 2011; 張翼龍等, 2012; 鄒勝章等, 2014), 也發(fā)現(xiàn)了在平原區(qū)區(qū)域地下水脆弱性評(píng)價(jià)中, DRASTIC方法存在上述不足帶來(lái)的明顯影響。楊慶等(1999)直接利用DRASTIC法評(píng)價(jià)了大連市地下水易污性。雷靜等(2003)在DRASTIC法的基礎(chǔ)上, 增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量和地下水開(kāi)采量等指標(biāo), 去掉了包氣帶巖性等3項(xiàng)指標(biāo), 在唐山平原區(qū)應(yīng)用。范琦等(2007) 將DRASTIC法改進(jìn)為DRUA模型, 在河北欒城地區(qū)進(jìn)行了地下水脆弱性評(píng)價(jià)。嚴(yán)明疆等(2009)在研究了人類(lèi)活動(dòng)影響下地下水脆弱性演變特征基礎(chǔ)上,完成了太行山前滹沱河流域平原區(qū)地下水脆弱性評(píng)價(jià)。孟素花等(2010)根據(jù)華北平原地下水脆弱性評(píng)價(jià)的需要, 將DRASTIC法精簡(jiǎn)為5項(xiàng)指標(biāo)體系, 較成功地實(shí)現(xiàn)華北平原全區(qū)的地下水脆弱性評(píng)價(jià)。

但是, 如何合理確定包氣帶中粘性土層及其多層或厚度變化的影響, 以及如何確定各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重等問(wèn)題, 對(duì)區(qū)域地下水脆弱性評(píng)價(jià)具有不可忽視的影響。

從倡導(dǎo)地下水資源保護(hù)的出發(fā)點(diǎn)和易理解的角度, 本文將Groundwater vulnerability引申為“地下水系統(tǒng)防污性能”這一概念, 等同于 USEPA和IAH提出的地下水的固有脆弱性, 可以理解為土壤-巖石-地下水系統(tǒng)抵御污染物污染地下水的能力,不考慮人類(lèi)活動(dòng)和污染源的影響, 而只考慮水文地質(zhì)內(nèi)部因素, 突出“地下水系統(tǒng)防污性能”的表達(dá),進(jìn)一步完善了評(píng)價(jià)指標(biāo)的選定和處理方法, 更為客觀地反映了區(qū)域地下水系統(tǒng)抵御來(lái)自地表的污染物影響能力的空間分布狀況。

示范研究區(qū)——魯北平原, 位于華北平原東南緣, 地貌單元較為復(fù)雜, 自西南向東北依次為黃河沖積平原、沖積-海積平原、黃河三角洲和濱海平原等地貌單元(圖 1), 包括黃河以北的全部山東省行政區(qū)域, 面積 3.2×104km2。多年平均降水量563.8 mm, 多年平均蒸發(fā)量1785.1 mm。區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給源, 主要為大氣降水、地表水和灌溉水; 地下水的主要排泄途徑為蒸發(fā)和開(kāi)采, 蒸發(fā)量和開(kāi)采量占到地下水總排泄量的 99%。包氣帶巖性, 多為結(jié)構(gòu)松散、滲透性良好的粉土。淺層地下水含水巖組以第四系松散巖類(lèi)的細(xì)砂、粉細(xì)砂等為主, 地下水水位埋深0.5～25 m, 地下水流向自西南向東北流動(dòng)(楊麗芝等, 2011, 2013)。

圖1 研究區(qū)地貌簡(jiǎn)圖Fig. 1 Landscape characteristics of the study area

1 區(qū)域地下水系統(tǒng)防污性能評(píng)價(jià)方法

根據(jù)區(qū)域地下水流和污染質(zhì)運(yùn)移參數(shù)的影響因子空間變化特征, 提出迭置指數(shù)方法, 改進(jìn)DRASITC評(píng)價(jià)模型為DRITCS法, 如式(1)所示:

即, 對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行評(píng)分(Fj)后, 分別加權(quán)(權(quán)重Fjw)求和, 由此獲得地下水防污性的評(píng)價(jià)指數(shù)(DDRITCS)。

式(1)中, 各項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的意義如下:

D為地下水位埋深: 是指地表至潛水面的深度,它決定污染物到達(dá)含水層的時(shí)間以及污染在到達(dá)含水層前與周?chē)镔|(zhì)接觸發(fā)生各種反應(yīng)的時(shí)間。地下水水位埋深愈大, 污染物達(dá)到地下水中所需時(shí)間愈長(zhǎng), 降解、吸附等作用愈充分, 地下水防污性能愈好。

R為地下水凈補(bǔ)給量: 是指地下水總補(bǔ)給量減去潛水蒸發(fā)量、開(kāi)采、越流及側(cè)向流出量, 它是污染物進(jìn)入地下水的載體和動(dòng)力, 補(bǔ)給量愈大, 能夠溶解帶入地下水的污染物愈多, 地下水受污染的可能性就愈大, 地下水防污性能愈差。

I為包氣帶綜合巖性: 它是地表污染物通過(guò)包氣帶進(jìn)入地下水中能力的重要影響因素。粘性土層愈多或愈厚, 入滲系數(shù)越小, 地下水防污性能愈強(qiáng)。本研究中采用, 由式(2)處理包氣帶巖性狀況。

式中, A為包氣帶巖性加權(quán)平均評(píng)分值; Ai為計(jì)算層段內(nèi)不同巖層的評(píng)分; Hi為計(jì)算層段內(nèi)各巖層厚度, 計(jì)算層段為地面至地下水面。

T為含水層中砂卵礫層的累積厚度: 主要反映地下水儲(chǔ)存空間的大小。厚度愈大, 儲(chǔ)水空間愈大,稀釋能力愈強(qiáng), 地下水防污性能愈高。

C為含水層滲透系數(shù): 主要影響地下水流動(dòng)速度。滲透系數(shù)愈大, 在含水層中污染物傳播速度愈快, 地下水防污性能愈差。

S為地表以下2 m內(nèi)、單層厚度大于0.5 m的粘土層總厚度: Stephen(1995)研究表明, 地表以下土壤因?yàn)橛休^高的粘土礦物和有機(jī)質(zhì)因此利于污染物的衰減和消除, 故而對(duì)來(lái)自地表的污染物具有很好的阻隔作用; 研究區(qū)土壤層厚度 1.5～2 m, 研究區(qū)包氣帶綜合巖性(評(píng)價(jià)指標(biāo)I)以粉土為主, 因此增加地表以下2 m內(nèi)、單層厚度大于0.5 m的粘土層總厚度正好彌補(bǔ)用包氣帶綜合巖性代表包氣帶影響因子的缺陷。

應(yīng)用上述方法, 在魯北平原開(kāi)展區(qū)域地下水防污性能評(píng)價(jià)中, 以淺層地下水為主體, 含水層底板埋深不大于80 m。地下水位埋深(D)、地下水凈補(bǔ)給量(R)、含水層砂卵礫累積厚度(T)與滲透系數(shù)(C)評(píng)分分級(jí)與標(biāo)準(zhǔn), 如表 1所示。包氣帶綜合巖性(I)評(píng)分分級(jí)與標(biāo)準(zhǔn), 如表2所示。地表以下2 m內(nèi)、單層厚度大于0.5 m的粘土層總厚度(S)評(píng)分分級(jí)與標(biāo)準(zhǔn), 如表3所示。

應(yīng)用基于層次分析的迭置指數(shù)方法, 確定計(jì)算各個(gè)評(píng)價(jià)單元的各項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重, 結(jié)果如表 4所示。

DRITCS評(píng)價(jià)模型針對(duì)平原區(qū)地下水系統(tǒng)特點(diǎn), 與DRASTIC評(píng)價(jià)模型從評(píng)價(jià)指標(biāo)、評(píng)分、權(quán)重上均進(jìn)行了改進(jìn)(表5)。

表1 DRITCS法評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分表Table 1 Ranges of ratings for DRITCS factors

表2 包氣帶綜合巖性評(píng)分表Table 2 Ranges of ratings for lithology of the vadose zone

表3 粘土層厚度評(píng)分表Table 3 Ranges of ratings for thickness of clay

表4 層次分析法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重結(jié)果Table 4 Weight of evaluations from AHP results

研究區(qū)地勢(shì)平坦, 地形坡度差異小; 含水層只有第四系細(xì)砂和粉細(xì)砂; 地下水位埋藏淺, 土壤類(lèi)型與包氣帶綜合巖性近似, 因此評(píng)價(jià)指標(biāo)去除了地形影響、用含水砂層厚度代替含水層的巖性、用粘土層厚度代替土壤類(lèi)型; 其次是各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重通過(guò)層次分析法確定, 而 DRASTIC模型各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重是固定不變的。

在區(qū)域地下水防污性能評(píng)價(jià)中, 由式(1)獲得的DDRITCS值愈大, 表明被評(píng)價(jià)單元的地下水防污性能愈差; DDRITCS值愈小, 表明被評(píng)價(jià)單元的地下水防污性愈好, 愈不容易受到來(lái)自地表污染物的影響。根據(jù) DDRITCS值的大小和野外效驗(yàn)結(jié)果, 將地下水防污性能評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為5個(gè)級(jí)別: 防污性能好、防污性能較好、防污性能中等、防污性能較差和防污性能差。

表5 DRASTIC模型和DRITCS模型的差異Table 5 Difference between DRASTIC model and DRITCS model

2 DRITCS法應(yīng)用評(píng)價(jià)結(jié)果與驗(yàn)證

2.1 評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)上述評(píng)價(jià)方法、評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、評(píng)價(jià)結(jié)果分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用計(jì)算結(jié)果, 得到魯北平原區(qū)域地下水防污性能特征分布圖(圖2)。從圖2可見(jiàn), 全區(qū)地下水防污性能主要為較差和中等, 2類(lèi)分布面積占總面積的 86%, 其中防污性能較差區(qū)面積占總面積的 58%; 其次是防污性能較好區(qū), 分布面積占總面積的 10%; 地下水防污性能好和地下水防污性能差分布面積分別占總面積的2%。

圖2 基于DRITCS方法的區(qū)域地下水防污性能狀況分布圖Fig. 2 Distribution of regional groundwater vulnerability based on DRITCS method

研究區(qū)地下水的防污性能受淺層地下水埋深和包氣帶綜合巖性影響最大, 其次是凈補(bǔ)給量。整體趨勢(shì)上從南部黃河沿線往西北地下水防污性能逐漸由差、較差過(guò)渡到中等、較好, “防污性能差”區(qū)主要分布在黃河沿岸包氣帶綜合巖性為粉土、淺層地下水埋深小于 4.6 m、同時(shí)凈補(bǔ)給量大于235 mm/a的區(qū)域; “防污性能較差”區(qū)主要分布在包氣帶綜合巖性為粉土同時(shí)淺層地下水埋深小于4.6 m區(qū)域。防污性能好的區(qū)域地下水位埋深基本上大于4.6 m, 局部地區(qū)超過(guò)22 m, 如冠縣漏斗和寧津漏斗; 局部地區(qū)是地下水位埋深小于4.6 m, 但區(qū)域包氣帶綜合巖性為粉質(zhì)粘土的區(qū)域。

2.2 評(píng)價(jià)結(jié)果驗(yàn)證與分析

為檢驗(yàn)DRITCS方法評(píng)價(jià)結(jié)果的可信性, 利用野外調(diào)查和地下水采樣, 了解地下水污染現(xiàn)狀, 對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。2006—2009年, 在區(qū)內(nèi)調(diào)查并采集淺層地下水無(wú)機(jī)和有機(jī)分析樣品1084組(點(diǎn))。分析結(jié)果顯示, 魯北平原淺層地下水呈現(xiàn)三氮、重金屬(劉春華等, 2013)的人為污染特征, 個(gè)別地方檢出有機(jī)物污染物。三氮污染呈現(xiàn)面源污染狀態(tài), 污染源荷載相對(duì)均勻; 重金屬和有機(jī)物污染呈點(diǎn)狀分布特征, 污染源荷載表現(xiàn)出極不均勻的特征。因此,采用已形成面源污染的三氮污染評(píng)價(jià)結(jié)果, 作為區(qū)域地下水防污性能評(píng)價(jià)結(jié)果的驗(yàn)證標(biāo)識(shí)。

在研究區(qū)內(nèi), 三氮污染點(diǎn) 539組, 占樣品總數(shù)的 49.7%。氨氮(NH3-N)污染點(diǎn)占 8%, 亞硝酸鹽氮(NO2-N)污染點(diǎn)占30%, 硝酸鹽氮(NO3-N為)污染點(diǎn)占25%。

利用MapGIS點(diǎn)對(duì)區(qū)相交分析, 將淺層地下水的三氮污染情況和地下水系統(tǒng)防污性能評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行空間疊加, 得到表 6所示結(jié)果。從表 6可見(jiàn), 魯北平原淺層地下水防污性能“好”和“較好”的區(qū)域, 地下水中三氮污染點(diǎn)數(shù)分別占總樣品數(shù)的 30% 和 35.2%, 明顯低于防污性能“中等”、“較差”和“差”的區(qū)域, 這些區(qū)域的地下水中三氮污染點(diǎn)數(shù)分別占總樣品數(shù)的55%、51.6%和48%。

由于地下水的污染尤其是三氮污染不是長(zhǎng)時(shí)間累積造成, 而本次魯北平原地下水系統(tǒng)防污性能評(píng)價(jià)所采用的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)如地下水位埋深均采用的現(xiàn)狀數(shù)據(jù), 所以也出現(xiàn)了現(xiàn)狀條件地下水位埋深超過(guò)22 m、地下水防污性能好和較好的地區(qū)出現(xiàn)仍然出現(xiàn)三氮污染點(diǎn)。盡管如此, 防污性能不同三氮污染點(diǎn)比例不同的對(duì)比效果仍然比較明顯。

在不同等級(jí)的地下水系統(tǒng)防污性能分區(qū)內(nèi), 三氮污染點(diǎn)檢出率明顯不同。隨著地下水防污性能等級(jí)的提高, 地下水三氮污染檢出點(diǎn)所占比率明顯增大的事實(shí)表明, 利用DRITCS方法評(píng)價(jià)區(qū)域地下水防污性能具有較高的可信性和客觀真實(shí)性。這也表明, 本文提出的評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)處理方法, 適宜平原區(qū)區(qū)域地下水系統(tǒng)防污性能評(píng)價(jià)。

表6 地下水防污性能分級(jí)與三氮污染比例對(duì)比Ta ble 6 Groundwater vulnerability grading in comparison with scale of nitrogen pollution

3 結(jié)語(yǔ)

從魯北平原地下水防污性能評(píng)價(jià)結(jié)果和三氮污染評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比看出, 利用DRITCS模型評(píng)價(jià)魯北平原地下水防污性能效果較好, 評(píng)價(jià)因子選擇和權(quán)重分配合理, 地下水防污性能好的區(qū)域地下水三氮污染比例小, 地下水防污性能中等到差的區(qū)域地下水三氮污染比例高。污染源荷載相近條件下地下水防污性能好的區(qū)域地下水三氮污染比例是地下水防污性能中等到差區(qū)域的54%～62%。影響魯北平原地下水防污性能好壞的因子從影響程度從大到小依次為地下水位埋深、包氣帶綜合巖性、凈補(bǔ)給量、滲透系數(shù)、含水砂層厚度、2 m 內(nèi)單層厚度大于0.5 m的粘土層總厚度。

DRITCS模型評(píng)價(jià)方法各指標(biāo)容易獲取, 評(píng)價(jià)結(jié)果得到了污染現(xiàn)狀較好的驗(yàn)證, 對(duì)于平原區(qū)開(kāi)展地下水系統(tǒng)防污性能評(píng)價(jià)具有示范意義。

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The Method for Regional Groundwater Vulnerability Assessment and the Verification of the Assessment Results: A Case Study of the Northern Shandong Plain

LIU Chun-hua1, 2), ZHANG Guang-hui1)*, WANG Wei3), MENG Su-hua1), YANG Li-zhi2), JI Wen-long2), LIU Zhi-zheng2)
1) Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Shijiazhuang, Hebei 050061; 2) Shandong Institute of Geological Survey, Jinan, Shandong 250013; 3) No. 1 Institute of Geology and Mineral Resource Exploration of Shandong Province, Jinan, Shandong 250014

In regional groundwater vulnerability assessment, the impact factors are multiple and complex, and hence it is difficult to determine the evaluation system and the weights of factors objectively. This problem has affected the credibility of the assessment results. Selecting the Northern Shandong Plain as the study area, the authors used innovative overlay and index method. The conventional DRASTIC model was improved and converted into DRITCS model to evaluate groundwater vulnerability. The evaluation factors of DRITCS model included the groundwater depth, integrated lithology of the aeration zone, thickness of clay layer with the thickness of a single layer over 0.5 m within 2 m of land surface, aquifer thickness, permeability coefficient, and net recharge. A key factor in groundwater vulnerability assessment was determined reasonably, which represented the changes of the clay layer in the aeration zone. The DRITCS model was used to evaluate the groundwater vulnerability in northern Shandong plain as an example and was verified by nitrogen pollution statusof the study area. The verification of groundwater vulnerability assessment results of northern Shandong plain indicates that the proposed method can reflect objectively the spatial differences and regional distribution characteristics of groundwater vulnerability caused by phase transition of the basin. It is proved that the DRITCS Model has good practicability.

regional groundwater; vulnerability; aeration zone; clay layer; assessment and verification

X523; X820.6

A

10.3975/cagsb.2014.02.14

本文由國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào): 41172214)和中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(編號(hào): 1212010634603)聯(lián)合資助。

2013-09-25; 改回日期: 2013-11-06。責(zé)任編輯: 張改俠。

劉春華, 女, 1981年生。工程師, 博士研究生。主要從事水循環(huán)與水土保持研究工作。通訊地址: 250013, 山東省濟(jì)南市歷下區(qū)建新南路35號(hào)。電話: 0531-86559973。E-mail: chunhua_liu321@126.com。

*通訊作者: 張光輝, 男, 1959年生。研究員, 博士生導(dǎo)師。主要從事水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究。通訊地址: 050061, 石家莊市中華北大街268號(hào)。E-mail: huanjing59@163.com。