黃河上游某灌區(qū)地下水防污性能評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)

郭 康，馮加遠(yuǎn)

(西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710069)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源短缺和水污染的問(wèn)題越來(lái)越突出，一些干旱半干旱地區(qū)，更是成為阻礙和制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活的重要因素，水資源的問(wèn)題越來(lái)越收到人們的重視。而地下水防污性能的研究也成了國(guó)內(nèi)外的一個(gè)熱點(diǎn)［1］。對(duì)于黃河上游的青藏高原地區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)單一脆弱，干旱少雨，環(huán)境敏感，地下水在生態(tài)系統(tǒng)中往往起到支撐的作用，而隨著人類(lèi)活動(dòng)的增加，這些生態(tài)敏感區(qū)域的地下水環(huán)境往往受到較大的影響。所以，有必要對(duì)這些地區(qū)的地下水防污性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，為人們科學(xué)合理的開(kāi)發(fā)自然提供參考的依據(jù)。故本次防污性能評(píng)價(jià)選取位于黃河上游青藏高原上的某灌區(qū)，將區(qū)域地下水固有防污性能和人類(lèi)活動(dòng)的影響結(jié)合起來(lái)，把灌區(qū)潛水和承壓水分開(kāi)來(lái)進(jìn)行地下水綜合防污性能評(píng)價(jià)［2］，并通過(guò)GIS與數(shù)值模擬軟件MODELFLOW相結(jié)合的方法對(duì)灌區(qū)擴(kuò)建30年后地下水的綜合防污性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 區(qū)域概況

灌區(qū)地處青藏高原黃河上游，總面積約300 km2，氣候類(lèi)型屬于高原大陸性氣候，年平均降水量為231.5 mm，蒸發(fā)量為1 566.7 mm，年平均氣溫7.26℃。區(qū)內(nèi)河流屬于黃河水系，河流的補(bǔ)給源主要為山區(qū)降水和泉水。灌區(qū)內(nèi)的地貌主要為河谷和低山丘陵區(qū)，河谷區(qū)地勢(shì)平坦開(kāi)闊，是人們進(jìn)行工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活的主要地區(qū)。區(qū)內(nèi)地勢(shì)南高北低，出露地層主要為中生界三疊系、新生界新近系及第四系。灌區(qū)內(nèi)地下水主要的補(bǔ)給源為河流入滲、大氣降水、灌溉水與渠水入滲以及上游區(qū)地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給，并順應(yīng)地勢(shì)自南往北徑流，最終匯入黃河。承壓水區(qū)主要分布在黃河的階地上，隔水層主要為粘性土，平緩連續(xù)，厚度較均一。地下水主要排泄途徑為潛水蒸發(fā)、人工開(kāi)采和地下水溢出。

隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)有灌溉規(guī)模已經(jīng)滿(mǎn)足不了當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求，故當(dāng)?shù)販?zhǔn)備擴(kuò)大灌區(qū)以滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。

2 地下水綜合防污性能評(píng)價(jià)

地下水防污性能評(píng)價(jià)是在水文地質(zhì)調(diào)查、包氣帶調(diào)查等調(diào)查資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，以固有防污性能評(píng)價(jià)為主，根據(jù)地區(qū)特點(diǎn)和評(píng)價(jià)尺度建立相應(yīng)的指標(biāo)體系，突出主要因素［3］。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行過(guò)實(shí)踐研究［4］，目前世界上現(xiàn)有的地下水防污性能評(píng)價(jià)模型有很多，如德國(guó)學(xué)者Vierhuff在20世紀(jì)70年代提出的 Vierhuff法［5］、美國(guó)環(huán)保局1985年提出的 DRASTIC 模型［6］、模糊數(shù)學(xué)法［7］等，但使用最廣泛的是 DRASTIC模型［8，9］。該模型主要考慮了地下水埋深(D)，凈補(bǔ)給量(R)，含水層介質(zhì)(A)，土壤介質(zhì)(S)，地形(T)，包氣帶性質(zhì)(I)，含水層滲透系數(shù)(C)以上7個(gè)因子，首先將各因子進(jìn)行分級(jí)并賦予評(píng)分值，然后根據(jù)各因子對(duì)地下水防污性能影響的大小賦予權(quán)重，最后將各因子的評(píng)分值通過(guò)加權(quán)疊加的方法得到量綱為1的防污性能DRASTIC指數(shù)DI，再根據(jù)DI值的大小對(duì)研究區(qū)進(jìn)行防污性能評(píng)價(jià)［10］。

2.1 評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建

雖然DRASTIC模型應(yīng)用廣泛，但是結(jié)合灌區(qū)的區(qū)域地質(zhì)和水文地質(zhì)的實(shí)際情況，其仍有不足之處［3］。第一，DRASTIC模型將承壓水和潛水用同一個(gè)模型來(lái)評(píng)價(jià)，而潛水和承壓水是不同性質(zhì)的含水層，補(bǔ)徑排條件也不盡相同，在灌區(qū)范圍內(nèi)承壓水區(qū)域也只是局限于黃河級(jí)階地上，并不覆蓋全區(qū)，所以應(yīng)該將承壓水和潛水分開(kāi)來(lái)評(píng)價(jià);第二，灌區(qū)位于黃河上游的青藏高原地區(qū)，生態(tài)環(huán)境敏感特殊，不應(yīng)用同一種因子來(lái)評(píng)價(jià)所有地區(qū)含水層，應(yīng)因灌區(qū)情況選取評(píng)價(jià)因子［11］。

針對(duì)以上的不足，本次防污性能評(píng)價(jià)在繼承DRASTIC模型基本思想的基礎(chǔ)上，對(duì)灌區(qū)的潛水和承壓水分開(kāi)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并在堅(jiān)持客觀性，系統(tǒng)性的思想下，開(kāi)創(chuàng)性的建立潛水的DASLTCU評(píng)價(jià)模型和承壓水的DLCA評(píng)價(jià)模型(見(jiàn)圖1)。

圖1 地下水綜合防污性能評(píng)價(jià)體系

2.1.1 潛水評(píng)價(jià)因子

潛水綜合防污性能評(píng)價(jià)將潛水的固有防污性能和人類(lèi)活動(dòng)影響綜合起來(lái)，選取潛水埋深(D)、含水層厚度(A)、地表土層厚度(S)、地表巖性(L)、地形坡度(T)、含水層滲透系數(shù)(C)還有灌區(qū)土地利用(U)這7個(gè)影響因子。

1)潛水埋深。潛水埋深是指地表至潛水位的深度，它是影響潛水綜合防污性能的一個(gè)很重要的因素。潛水的埋深決定了污染物到達(dá)潛水含水層的運(yùn)移距離，一般潛水埋深越大，污染物的運(yùn)移距離越長(zhǎng)，污染物也就有更多衰減的機(jī)會(huì)。根據(jù)灌區(qū)潛水的實(shí)際埋深值，利用Kriging插值法對(duì)調(diào)查水位值進(jìn)行插值，并將潛水埋深分為4個(gè)等級(jí):＜5 m，5～10 m，10～20 m，＞20 m。

2)含水層厚度。選取含水層厚度主要考慮其對(duì)污染物的稀釋能力，一般來(lái)說(shuō)含水層厚度越大，對(duì)污染物的稀釋能力越強(qiáng)，反之越弱。根據(jù)調(diào)查資料，將灌區(qū)的含水層厚度分為6各等級(jí):＜10 m，10～20 m，20～30 m，30～40 m ，40～50 m，＞50 m。

3)地表土層厚度。地表土層是包氣帶的一部分，也是防止污染物進(jìn)入到包氣帶的第一道屏障，由于灌區(qū)的地表多為第四紀(jì)沖洪積物，包氣帶的地層結(jié)構(gòu)也往往是上部為覆蓋土層，下部為砂卵礫石層 ，地表土層越厚，污染物往下運(yùn)移約困難，所以選取該地表土層厚度作為評(píng)價(jià)因子。根據(jù)灌區(qū)的調(diào)查資料，將地表的土層厚度分為3各等級(jí):＜1 m，1～5 m，＞5 m。

4)地表巖性。地表巖性是包氣帶巖性的一部分，也是影響污染物向下運(yùn)移的重要因素，地表有粘性土就能很好的阻隔污染物的向下運(yùn)移，而如果地表是砂性土和礫石土，阻隔功能就弱很多。由于地表的巖性顯而易見(jiàn)，容易準(zhǔn)確的獲取資料，而包氣帶內(nèi)的巖性情況比較復(fù)雜，選取整個(gè)包氣帶的巖性作為評(píng)價(jià)因子會(huì)有很大的不確定因素，所以本次選取地表巖性作為潛水防污性能的一個(gè)評(píng)價(jià)因子更為合理。本次將灌區(qū)的地表巖性分為以下四類(lèi):粘性土、砂性土、含礫砂土、基巖。

5)地形坡度。地形坡度是控制污染物隨降水產(chǎn)生地表徑流還是往下入滲的一個(gè)重要因子，該灌區(qū)的主要污染源是農(nóng)業(yè)污染，在坡度較小的地區(qū)，殺蟲(chóng)劑化肥等農(nóng)業(yè)污染物更容易積累而滲入地下。本次將地形坡度分為5各等級(jí):＜2°，2°～6°，6°～12°，12°～18°，＞18°。

6)含水層滲透系數(shù)。含水層的滲透系數(shù)主要控制污染物在含水層中遷移的難易程度，根據(jù)灌區(qū)的抽水試驗(yàn)獲取的滲透系數(shù)資料，將灌區(qū)的含水層滲透系數(shù)分為5個(gè)等級(jí):＜6 m/d，6 ～12 m/d，12 ～18 m/d，18 ～24 m/d，24 ～36 m/d。

7)灌區(qū)現(xiàn)狀圖。灌區(qū)的主要污染源是農(nóng)業(yè)污染，灌區(qū)現(xiàn)狀圖能夠很好的反映出農(nóng)灌區(qū)的范圍，灌區(qū)的現(xiàn)狀圖如圖2。

圖2 灌區(qū)平面布置圖

2.1.2 承壓水評(píng)價(jià)因子

參考學(xué)者［3］對(duì)承壓水防污性能的研究經(jīng)驗(yàn)，本次承壓水防污性能評(píng)價(jià)選取承壓水埋深(D)、隔水層巖性(L)、隔水層連續(xù)性(C)、隔水層厚度(A)這4個(gè)評(píng)價(jià)因子。承壓水的埋深是影響其防污性能的重要因子，埋深越大受到來(lái)自潛水的污染的可能性就越小;隔水層巖性、連續(xù)性和厚度主要主要考慮污染物向下運(yùn)移進(jìn)入承壓含水層的難易程度，隔水層巖性越細(xì)隔水效果越好，連續(xù)性越好，污染物就不容易通過(guò)天窗越流進(jìn)入承壓水層。

2.2 因子評(píng)分及權(quán)重

2.2.1 評(píng)分

根據(jù)上述的評(píng)價(jià)體系，對(duì)各因子進(jìn)行分級(jí)評(píng)分，各因子的評(píng)分范圍均設(shè)定為1～10，根據(jù)其防污性能的好壞進(jìn)行評(píng)分，防污性能好的評(píng)分低，防污性能差的評(píng)分高。潛水的DASLTCU模型各因子的類(lèi)別及評(píng)分見(jiàn)表1，承壓水的DLCA評(píng)價(jià)模型各因子的類(lèi)別及評(píng)分見(jiàn)表2。

表1 DASLTCU模型各因子的類(lèi)別及評(píng)分

表2 DLCA模型各因子的類(lèi)別及評(píng)分

2.2.2 權(quán)重

根據(jù)各因子對(duì)防污性能的影響大小，對(duì)各因子賦予相應(yīng)的權(quán)重建立地下水防污性能的權(quán)重體系。因子的權(quán)重按照各因子對(duì)防污性能影響的大小來(lái)確定，權(quán)重越大，說(shuō)明該因子對(duì)防污性能貢獻(xiàn)越大，反之權(quán)重越小對(duì)防污性能的貢獻(xiàn)越小。參考DRASTIC模型，并結(jié)合灌區(qū)的實(shí)際情況，分別對(duì)DASLTCU和DLCA模型中各因子賦予適當(dāng)?shù)臋?quán)重值。權(quán)重值范圍為1～5，對(duì)地下水防污性能影響最大的因子權(quán)重為5，影響最小的權(quán)重為1。

本次的潛水綜合防污性能DASLTCU模型中，各因子的權(quán)重具體如下:潛水埋深(D)，5;土地利用(U)，4;地表土層厚度(S)，4;含水層厚度(A)，3;地形坡度(T)，3;地表巖性(L)，2;含水層滲透系數(shù)(C)，1。

承壓水的DLCA模型中各因子的權(quán)重為承壓含水層埋深(D)，5;隔水層巖性(L)，4;隔水層連續(xù)性(C)，4;隔水層厚度(A)，3。

2.3 計(jì)算方法與結(jié)果分級(jí)

通過(guò)對(duì)模型中選取的各因子的評(píng)分進(jìn)行加權(quán)總和，得到一個(gè)量綱為1指數(shù)DI，作為最終的防污性能評(píng)價(jià)指數(shù)。

潛水的DASLTCU模型的計(jì)算公式為:

式中:下標(biāo)R代表各因子的分值，下標(biāo)W代表各因子的權(quán)重。

承壓水DLCA模型計(jì)算公式為:

式中:下標(biāo)R代表各因子的分值，下標(biāo)W代表各因子的權(quán)重。

對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)因子分區(qū)圖的疊加計(jì)算是基于ARCGIS進(jìn)行的，通過(guò)ARCGIS對(duì)各分區(qū)圖添加評(píng)分的屬性字段，然后對(duì)各分區(qū)賦予相應(yīng)的評(píng)分并轉(zhuǎn)化為包含信息的柵格圖形，再利用ARCGIS空間分析中的加權(quán)總和功能將各因子的信息柵格加權(quán)疊加，得到新的包含DI信息的柵格圖形。

通過(guò)潛水的DASLTCU模型公式計(jì)算出的潛水的DI值的范圍為24－210，DI指數(shù)越高，防污性能越差，DI指數(shù)越低防污性能越好，將灌區(qū)潛水地下水綜合防污性能共分5級(jí)，如表3。

表3 DASLTCU模型綜合防污性能分級(jí)

利用ARCGIS將加權(quán)疊加后的信息柵格圖形按照上述等級(jí)分區(qū)，生成灌區(qū)的潛水綜合防污性能分區(qū)圖(圖3)

圖3 潛水綜合防污性能分區(qū)

通過(guò)承壓水的DLCA模型得到的DI值的范圍為100～190。將承壓水的防污性能共分3級(jí)，分級(jí)結(jié)果如表4。

表4 DLCA模型防污性能分級(jí)

研究區(qū)內(nèi)承壓水的埋深約為50 m，隔水層為粘性土，厚度約8～10 m，且連續(xù)性較好，由DLCA模型公式計(jì)算可得承壓水的DI指數(shù)為:107，防污性能分級(jí)為:防污性能好。

2.4 討論

通過(guò)潛水的綜合防污性能分區(qū)圖(圖3)可看出，灌區(qū)總體防污性能較好，防污性能中等及的地區(qū)約占總面積的76%。防污性能差和較差地區(qū)約占24%，主要分布在東、西河河谷和黃河沿岸的一些區(qū)域。這些區(qū)域潛水埋深較淺，地表土層厚度小，地勢(shì)平緩，地表巖性多為砂性土，是人們進(jìn)行生活和農(nóng)業(yè)灌溉的聚集地區(qū)，這些區(qū)域潛水比較容易受到污染;防污性能中等地區(qū)主要分布在東、西部山前，東、西河河谷區(qū)也有少量分布，這些區(qū)域潛水埋深中等，村落稀疏，主要分布著一些灌溉農(nóng)田和荒地，處于防污性能好和差的過(guò)渡區(qū)域;綜合防污性能好和較好的地區(qū)主要分布在低山丘陵及山前的一些區(qū)域，這些區(qū)域潛水埋深較大，地表坡度較大，且多為非灌溉的荒地，降水一般產(chǎn)生地表徑流而流失，不容易受到污染。

灌區(qū)內(nèi)的承壓水雖然埋深不大，但隔水層連續(xù)性和隔水層巖性隔水性較好，所以總體防污性能等級(jí)為防污性能好。

綜上潛水的DASLTCU評(píng)價(jià)模型和承壓水的DLCA評(píng)價(jià)模型能夠較好的反映該灌區(qū)地下水的綜合防污性能。

3 灌區(qū)擴(kuò)建后潛水綜合防污性能預(yù)測(cè)

由于現(xiàn)有灌區(qū)滿(mǎn)足不了農(nóng)業(yè)的發(fā)展，需要擴(kuò)大灌區(qū)，擴(kuò)大后的灌區(qū)范圍如圖2，灌區(qū)面積比之前擴(kuò)大了1倍，灌區(qū)擴(kuò)大后給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)方便的同時(shí)會(huì)使地下水的補(bǔ)給量增大，引起地下水位的抬升，并會(huì)導(dǎo)致農(nóng)業(yè)污染的加劇。通過(guò)數(shù)值模擬軟件MODEFLOW對(duì)灌區(qū)擴(kuò)建30年后區(qū)域地下水位的升幅進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè)。然后基于ARCGIS重新校正DASLTCU模型中各因子的分區(qū)圖，同樣采用上述的方法對(duì)新灌區(qū)的潛水進(jìn)行綜合防污性能評(píng)價(jià)分區(qū)，結(jié)果如圖4。

圖4 灌區(qū)擴(kuò)建30年后的潛水綜合防污性能分區(qū)圖

由圖4可看出，灌區(qū)擴(kuò)建后，潛水的綜合防污性能明顯變差，其中較差和差的地區(qū)約占到總面積的40%，東、西河河谷和黃河沿岸的一些原來(lái)防污性能為中等的地區(qū)在灌區(qū)擴(kuò)建后變成了防污性能差和較差的地區(qū)。這與灌區(qū)擴(kuò)建后潛水位的抬升和農(nóng)業(yè)污染的加劇有很大的關(guān)系。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)根據(jù)黃河上游灌區(qū)的水文地質(zhì)條件，將灌區(qū)內(nèi)的潛水和承壓水分開(kāi)進(jìn)行防污性能評(píng)價(jià)，建立的潛水的DASLTCU模型和承壓水的DLCA模型較好的考慮到了灌區(qū)內(nèi)各種主要影響因子的相互作用，得到的綜合防污性能分區(qū)圖能夠較好的反映該灌區(qū)潛水的綜合防污性能。

(2)根據(jù)潛水的DASLTCU模型和承壓水的DLCA模型，現(xiàn)有灌溉規(guī)模下，灌區(qū)潛水的綜合防污性差及較差地區(qū)占總面積的24%，中等及以上地區(qū)占到76%，灌區(qū)綜合防污性能總體較好。

(3)灌區(qū)擴(kuò)建30年后，潛水的綜合防污性能明顯變差，其中較差和差的地區(qū)約占到總面積的40%，灌區(qū)人們?cè)谶M(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的同時(shí)也應(yīng)加大對(duì)地下水保護(hù)的力度，科學(xué)合理的使用農(nóng)藥化肥，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

(4)在GIS技術(shù)日趨完善和普及的今天，通過(guò)基于GIS的技術(shù)和數(shù)值模擬軟件MODELFLOW相結(jié)合的方法，較好的預(yù)測(cè)灌區(qū)擴(kuò)建后30年后地下水的綜合防污性能，符合當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)，但還是不甚完善和規(guī)范，今后還是要進(jìn)行更多的探索和試驗(yàn)。

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