天山北坡經(jīng)濟(jì)帶東段淺層地下水固有脆弱性評價

王 濤,徐 明

(1.新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊(duì),新疆 烏魯木齊 830000 ;2.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,新疆 烏魯木齊 830000)

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天山北坡經(jīng)濟(jì)帶東段淺層地下水固有脆弱性評價

王 濤1,徐 明2

(1.新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊(duì),新疆 烏魯木齊 830000 ;2.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,新疆 烏魯木齊 830000)

基于改進(jìn)的DRASTIC方法,選擇地下水埋深、含水層凈補(bǔ)給量、含水層巖性、土壤介質(zhì)類型、地面坡度、淺層地下水水質(zhì)、包氣帶介質(zhì)類型、含水層滲透系數(shù)和潛水蒸發(fā)量9項(xiàng)評價指標(biāo),分別確定其評分體系和權(quán)重體系,并利用ArcGis 10.2中的圖層空間疊加分析功能,對天山北坡經(jīng)濟(jì)帶東段地區(qū)的淺層地下水固有脆弱性進(jìn)行評價。結(jié)果表明:脆弱性較高區(qū)和中等區(qū)占研究區(qū)總面積的80.17%,地下水整體脆弱性偏高,而導(dǎo)致研究區(qū)淺層地下水脆弱性偏高的主要因素為地下水埋深較小、含水層滲透性較強(qiáng)、淺層地下水水質(zhì)差。

淺層地下水;脆弱性評價;改進(jìn)的DRASTIC方法;評分體系;天山北坡經(jīng)濟(jì)帶東段地區(qū)

新疆是絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶的重要核心區(qū),當(dāng)前其經(jīng)濟(jì)體量、資源稟賦、地緣優(yōu)勢以及發(fā)展速度均位于西北五省區(qū)前列,而天山北坡經(jīng)濟(jì)帶在打造絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū)的進(jìn)程中又處于不可替代的重要地位。在以往的研究成果中,天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的區(qū)域性地下水脆弱性研究尚屬空白,因此筆者針對天山北坡經(jīng)濟(jì)帶東段地區(qū)開展地下水脆弱性評價,為該區(qū)域經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展提供借鑒。

對地下水脆弱性迄今為止仍沒有一個明確概念,但目前多數(shù)研究者認(rèn)為,從廣義概念的角度考慮,地下水脆弱性是指在自然環(huán)境發(fā)生變化或受到人類活動影響的條件下,地下水可能受到破壞的程度,它同時也反映了地下水的自我防護(hù)能力[1-2]。地下水環(huán)境的脆弱性在通常情況下也可代表地下水的易污染程度[3],主要與地下水的賦存條件和含水層空間結(jié)構(gòu)關(guān)系密切,也與地下水的運(yùn)移特征和自我保護(hù)能力等因素有關(guān)[4-6]。固有脆弱性和特殊脆弱性通常是地下水脆弱性研究的兩個方面,而地下水固有脆弱性評價是本次研究的主要內(nèi)容。

圖1 研究區(qū)示意圖

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于天山北麓東部平原區(qū),行政區(qū)隸屬于新疆昌吉回族自治州阜康市、吉木薩爾縣、奇臺縣和木壘哈薩克自治縣,總面積為24 776 km2,在天山北坡經(jīng)濟(jì)帶東段地區(qū)(圖1)。

研究區(qū)屬典型的大陸性干旱半干旱氣候,氣溫的季節(jié)變化幅度劇烈,降水稀少而蒸發(fā)強(qiáng)烈。多年平均氣溫約為3℃,降水量為46.1～335.4 mm,蒸發(fā)量為1 241.7～2 046.7 mm,無霜期為121 d。研究區(qū)內(nèi)無大型水系分布。

研究區(qū)內(nèi)地貌單元類型主要包括礫質(zhì)平原、細(xì)土平原和沙漠。礫質(zhì)平原分布在研究區(qū)南部山前一帶,地層巖性主要為第四系上更新統(tǒng)沖洪積卵礫石,地形坡度較大,一般為1.5%～2.5%;細(xì)土平原分布在研究區(qū)中部,地層巖性主要為第四系上更新統(tǒng)沖洪積砂礫石、粉土、粉質(zhì)黏土,地形坡度一般為0.5%～1.5%;沙漠分布在研究區(qū)北部,地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)風(fēng)積細(xì)砂,地形坡度一般小于0.5%。

研究區(qū)地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水,含水層厚度由南向北逐漸減小,南部山前沖洪積礫質(zhì)平原含水層厚度一般為200～300 m,中部細(xì)土平原含水層厚度逐漸減小至100 m,在北部沙漠邊緣,受下部新近系整體抬升的影響,第四系厚度不斷減小,含水層厚度一般為20～60 m。研究區(qū)內(nèi)地下水由東南向西北方向徑流,主要接受南部山前的地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給、河流滲漏補(bǔ)給以及大氣降水入滲補(bǔ)給,以向下游側(cè)向徑流、人工開采為主要排泄方式,在埋深小于5 m的區(qū)域蒸發(fā)蒸騰也是主要的排泄方式之一。研究區(qū)南部平原區(qū)淺層地下水水質(zhì)總體較好,溶解性總固體小于1 g/L,水化學(xué)類型以重碳酸型、重碳酸硫酸型為主,而北部沙漠區(qū)水質(zhì)總體較差,溶解性總固體一般為1～3 g/L,局部地區(qū)大于10 g/L,水化學(xué)類型以氯型、氯硫酸型為主。

2 評價方法及評價因子的確定

2.1 評價方法

目前國內(nèi)外學(xué)者評價地下水脆弱性的方法主要有迭置指數(shù)法、過程數(shù)學(xué)模擬法、統(tǒng)計(jì)法和模糊數(shù)學(xué)法等[7-8],其中迭置指數(shù)法又分為水文地質(zhì)背景參數(shù)法和參數(shù)系統(tǒng)法[9-14]。美國環(huán)境保護(hù)局于1987年首先提出了參數(shù)系統(tǒng)法[14],是目前國內(nèi)外地下水脆弱性評價中應(yīng)用廣泛的方法之一,而參數(shù)系統(tǒng)法中的DRASTIC方法,更是作為一種標(biāo)準(zhǔn)化方法被普遍采用,多次應(yīng)用于國內(nèi)外地下水脆弱性評價工作中,并取得了良好的效果。DRASTIC方法采用的是一種經(jīng)典的加權(quán)評分法,主要適用于區(qū)域性的淺層地下水脆弱性評價。本次研究中,結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況,對DRASTIC方法進(jìn)行改進(jìn),同時利用ArcGis 10.2中的圖層空間疊加分析工具,對研究區(qū)的淺層地下水固有脆弱性進(jìn)行評價。

2.2 評價因子

以DRASTIC方法的評價體系為基礎(chǔ),結(jié)合本次研究區(qū)水文地質(zhì)條件、氣象特征以及地下水水質(zhì)天然背景值的分布情況,選擇9項(xiàng)指標(biāo)作為本次研究區(qū)淺層地下水脆弱性評價的評價因子,這些指標(biāo)包括:地下水埋深D、含水層凈補(bǔ)給量R、含水層巖性A、土壤介質(zhì)類型S、地面坡度T、淺層地下水水質(zhì)Q、包氣帶介質(zhì)類型I、含水層滲透系數(shù)C和潛水蒸發(fā)量E[15-16],其中淺層地下水水質(zhì)和潛水蒸發(fā)量是本次研究中新納入DRASTIC方法的2個評價因子。

2.3 評價模型

DRASTIC方法的計(jì)算公式為

(1)

式中:IE為地下水脆弱性綜合評價指數(shù);Vi為第i個評價因子的評分值;Wi為第i個評價因子的權(quán)重。

3 地下水脆弱性評價

3.1 各評價因子評分體系

根據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局編寫的GWI-D3《地下水脆弱性評價技術(shù)要求》中評價因子的評分標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合本次研究區(qū)的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及氣象特征,對DRASTIC方法進(jìn)行改進(jìn),建立各評價因子的評分體系。

a. 地下水埋深D。研究區(qū)地下水埋深由南向北逐漸減小,南部山前礫質(zhì)平原地下水埋深一般大于30 m,細(xì)土平原地下水埋深一般為10～30 m,沙漠地下水埋深一般為5～10 m,研究區(qū)北部的沙漠北緣一帶,呈東西向分布有一條地下水淺埋帶,埋深一般為3～5 m,局部地勢低洼處埋深為1～3 m或小于1 m。地下水埋深在地下水脆弱性評價中是一個相對重要的評價因子,埋深越小,越不利于地下水的自我防護(hù),含水層越易受到污染,則該評價因子在評分體系中的分值就越高;反之則越低。按照該原則對研究區(qū)的地下水埋深進(jìn)行評分,結(jié)果見表1。

b. 含水層凈補(bǔ)給量R。在本次地下水固有脆弱性評價中,含水層凈補(bǔ)給量主要考慮大氣降水入滲補(bǔ)給量。結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況可知,地表水系在研究區(qū)內(nèi)分布稀疏且不均勻,地表水對地下水的滲漏補(bǔ)給主要發(fā)生在研究區(qū)南部的山前沖洪積礫質(zhì)平原,補(bǔ)給距離較短,隨后即被引用消耗殆盡因此地表水滲漏補(bǔ)給對地下水固有脆弱性評價的貢獻(xiàn)不大,不參與評價。凈補(bǔ)給量越大,含水層越易受到污染,則該評價因子在評分體系中的分值就越高;反之則越小。按照該原則對研究區(qū)的含水層凈補(bǔ)給量進(jìn)行評分,結(jié)果見表1。

c. 含水層巖性A。研究區(qū)內(nèi)含水層巖性主要包括卵石、砂礫石和細(xì)砂3類,含水層巖性顆粒越粗,地下水運(yùn)移條件相對越好,含水層越易受到污染,該評價因子在評分體系中的分值就越高;反之則越低。按照該原則對研究區(qū)的含水層巖性進(jìn)行評分,結(jié)果見表1。

d. 土壤介質(zhì)類型S。研究區(qū)內(nèi)土壤介質(zhì)類型主要包括砂礫石、細(xì)砂、粉土和粉質(zhì)黏土4類,在土壤介質(zhì)顆粒相對較粗的區(qū)域,含水層防污性能越差,該評價因子在評分體系中的分值就越高;反之則越低。按照該原則對研究區(qū)的土壤介質(zhì)類型進(jìn)行評分,結(jié)果見表1。

表1 各評價因子評分及權(quán)重

e. 地形坡度T。研究區(qū)內(nèi)地形坡度由南向北逐漸減小,南部礫質(zhì)平原地形坡度一般為1.5%～2.5%,中部細(xì)土平原一般為0.5%～1.5%,北部沙漠一般小0.5%。地形坡度較小的區(qū)域,地下水徑流條件相對較差,不利于地下水通過徑流的方式自凈,該評價因子在評分體系中的分值就越高;反之則越低。按照該原則對研究區(qū)的地形坡度進(jìn)行評分,結(jié)果見表1。

f. 淺層地下水水質(zhì)Q。淺層地下水水質(zhì)是地下水脆弱性的重要體現(xiàn),在水質(zhì)較好的區(qū)域,評分較低,地下水脆弱性也相對較低;反之則較高。按照該原則對研究區(qū)的淺層地下水水質(zhì)進(jìn)行評分,結(jié)果見表1。

g. 包氣帶介質(zhì)類型I。研究區(qū)內(nèi)包氣帶介質(zhì)類型主要包括卵石、砂礫石、細(xì)砂、粉土和粉質(zhì)黏土6類,包氣帶介質(zhì)一般呈由南向北巖性顆粒由粗變細(xì)的分布特征。礫質(zhì)平原包氣帶巖性一般為卵石和砂礫石,細(xì)土平原包氣帶巖性一般為粉土和粉質(zhì)黏土,沙漠包氣帶巖性主要為細(xì)砂。包氣帶巖性顆粒越粗,污染物通過包氣帶進(jìn)入含水層的時間越短,含水層防污性能越差,該評價因子在評分體系中的分值就越高;反之則越低。按照該原則對研究區(qū)的包氣帶介質(zhì)類型進(jìn)行評分,結(jié)果見表1。

h. 含水層滲透系數(shù)C。含水層滲透系數(shù)是體現(xiàn)含水層透水性能的一個重要指標(biāo),當(dāng)含水層的滲透系數(shù)較大時,含水層防污性能越差,該評價因子在評分體系中的分值就越高;反之則越低。按照該原則對研究區(qū)的含水層滲透系數(shù)進(jìn)行評分,結(jié)果見表1。

i. 潛水蒸發(fā)量E。研究區(qū)位于半干旱地區(qū),降水稀少而蒸發(fā)強(qiáng)烈,地下水資源相對貧乏,因此潛水蒸發(fā)量在地下水脆弱性評價中應(yīng)重點(diǎn)考慮。地下水埋深較小的區(qū)域,潛水蒸發(fā)量較大,水質(zhì)較差,含水層也較易受到污染,因此評分較高;反之則較低。按照該原則對研究區(qū)的潛水蒸發(fā)量進(jìn)行評分,結(jié)果見表1。

3.2 權(quán)重體系

在本次研究中,以各項(xiàng)評價因子在DRASTIC方法中的標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重為基準(zhǔn)值,結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況,對研究區(qū)地下水脆弱性評價中各評價因子的重要程度與基準(zhǔn)值的一致性進(jìn)行分析,結(jié)果顯示,基準(zhǔn)值與研究區(qū)的實(shí)際情況基本吻合,因此對基準(zhǔn)值進(jìn)行歸一化計(jì)算,建立本次地下水脆弱性評價中各因子的權(quán)重體系(表1)。

3.3 脆弱性綜合評價指數(shù)

按照式(1)計(jì)算研究區(qū)的脆弱性綜合評價指數(shù)值IE,并根據(jù)表2中的標(biāo)準(zhǔn)評價研究區(qū)淺層地下水的脆弱性程度和易污染程度。

表2 脆弱性綜合評價指數(shù)及脆弱性、易污染程度對照關(guān)系

4 評價結(jié)果

按照上述方法和原則確定研究區(qū)淺層地下水脆弱性評價的評分體系和權(quán)重體系,采用改進(jìn)后的DRASTIC方法,同時利用ArcGis 10.2的圖層空間分析平臺,根據(jù)研究區(qū)的客觀規(guī)律疊加并整合各評價因子的分區(qū)圖(圖2),最終獲得研究區(qū)的地下水脆弱性分區(qū)圖,并對淺層地下水脆弱性進(jìn)行評價。由評價結(jié)果可知,研究區(qū)淺層地下水IE值的分布區(qū)間為3.45～7.68,按照表2中的分級標(biāo)準(zhǔn)可將研究區(qū)劃分為淺層地下水脆弱性低區(qū)、脆弱性較低區(qū)、脆弱性中等區(qū)、脆弱性較高區(qū)和脆弱性高區(qū)。

圖2 研究區(qū)淺層地下水脆弱性分區(qū)

a. 脆弱性低區(qū)。低區(qū)分布在研究區(qū)南部礫質(zhì)平原與細(xì)土平原交界一帶,面積為1 174.068 km2。該區(qū)地下水埋深一般為10～30 m,含水層巖性以砂礫石為主,包氣帶介質(zhì)類型為粉質(zhì)黏土,含水層滲透系數(shù)為5～10 m/d,水質(zhì)良好。

b. 脆弱性較低區(qū)。較低區(qū)主要分布在研究區(qū)中部的細(xì)土平原,分布面積為2 760.433 km2。該區(qū)域地下水埋深為10～30 m,含水層巖性主要為砂礫石、細(xì)砂,土壤和包氣帶介質(zhì)類型均為粉質(zhì)黏土及細(xì)砂,含水層滲透系數(shù)為5～10 m/d,水質(zhì)良好,降水量100～200 mm,潛水蒸發(fā)量1 200～1 600 mm。

c. 脆弱性中等區(qū)。中等區(qū)主要分布在研究區(qū)南部的阜康市、吉木薩爾縣、奇臺縣和木壘哈薩克自治縣山前礫質(zhì)平原區(qū),以及阜康市北部沙漠區(qū),分布面積為12 830.646 km2。其中,南部山前礫質(zhì)平原區(qū)地下水埋深一般大于30 m,含水層巖性以卵石為主,滲透系數(shù)大于40 m/d,水質(zhì)良好;西北部沙漠區(qū)地下水埋深一般為10～30 m,含水層巖性以細(xì)砂為主,滲透系數(shù)為1～5 m/d,水質(zhì)較差。

d. 脆弱性較高區(qū)。較高區(qū)主要分布在研究區(qū)北部的五彩灣地區(qū)以及木壘哈薩克自治縣山前平原區(qū),分布面積為7 033.312 km2。該區(qū)域地下水埋深一般小于10 m,含水層及包氣帶巖性均為砂礫石,土壤介質(zhì)類型主要為粉質(zhì)黏土,含水層滲透系數(shù)為1～5 m/d,其中五彩灣地區(qū)降水量小于50 mm,潛水蒸發(fā)量大于2 000 mm,水質(zhì)極差。

e. 脆弱性高區(qū)。高區(qū)主要分布在研究區(qū)東北部的芨芨湖、老君廟一帶,分布面積為978.059 km2。該區(qū)域地下水埋深一般小于5 m,含水層巖性以砂礫石為主,土壤和包氣帶介質(zhì)類型均為砂礫石,含水層滲透系數(shù)為10～20 m/d,降水量小于50 mm,潛水蒸發(fā)量為1 600～2 000 mm,水質(zhì)較差。

5 結(jié) 語

a. 根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件,分別確定淺層地下水脆弱性評價的評分體系和權(quán)重體系,采用改進(jìn)的DRASTIC方法,同時利用ArcGis 10.2的圖層空間分析平臺,疊加并整合各評價因子的分區(qū)圖,最終獲得研究區(qū)地下水脆弱性的分區(qū)圖及評價結(jié)果:研究區(qū)淺層地下水IE值的分布區(qū)間為3.45～7.68,可劃分為脆弱性低區(qū)、脆弱性較低區(qū)、脆弱性中等區(qū)、脆弱性較高區(qū)和脆弱性高區(qū)5個分區(qū)。

b. 通過脆弱性分區(qū)可以看出,淺層地下水脆弱性較高區(qū)和中等區(qū)占研究區(qū)總面積的80.17%,說明研究區(qū)淺層地下水整體脆弱性偏高,主要是由于地下水埋深較小、含水層滲透性較強(qiáng)、潛水蒸發(fā)強(qiáng)烈、淺層地下水水質(zhì)差等因素造成的。

c. 從脆弱性分區(qū)圖中不難發(fā)現(xiàn),在五彩灣和芨芨湖地區(qū),由于地下水埋深極小,且上部包氣帶透水性較強(qiáng),沒有連續(xù)分布的有效隔水層,因此屬脆弱性略高-較高區(qū),地下水較易污染。但該區(qū)域?yàn)闇?zhǔn)東經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的重點(diǎn)核心區(qū),目前不僅煤礦分布眾多,各類大型的煤電、煤化工及煤電冶企業(yè)也不斷建成,這給相對脆弱的地下水環(huán)境帶來了嚴(yán)重的威脅。因此,筆者僅從本次研究成果的角度考慮,建議各企業(yè)在建設(shè)和運(yùn)行過程中,嚴(yán)格開展地下水環(huán)境影響評價工作,對可能造成地下水污染的區(qū)域按照最高防滲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行防滲,對污廢水切實(shí)做到不亂排亂放,在大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時,也為地下水環(huán)境保護(hù)工作貢獻(xiàn)一份力量。

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Vulnerability assessment of shallow groundwater in eastern section of Northern Tianshan Mountain Economic Belt

WANG Tao1, XU Ming2

(1.No. 1HydrologyandEngineeringGeologyDepartment,XinjiangBureauofGeologyandMineralResources,Urumqi830000,China; 2.GeologicalEnvironmentMonitoringInstitutionofXinjiang,Urumqi830000,China)

Based on the modified DRASTIC method, nine indices, including the depth of groundwater, net recharge of the aquifer, aquifer lithology, soil medium type, surface slope, quality of shallow groundwater, medium type of aeration zone, permeability coefficient of the aquifer, and evaporation discharge of phreatic water, were chosen as assessment indices to determine the scoring system and weighting system. The overlay analysis function of ArcGis 10.2 was used to evaluate the shallow groundwater vulnerability in the eastern section of the Northern Tianshan Mountain Economic Belt. The research results show that 80.17% of the research area can be classified as higher and medium zones of vulnerability. In those zones, groundwater was more vulnerable. Low depth of groundwater, high permeability of the aquifer, and poor quality of shallow groundwater were the main factors that caused high vulnerability of shallow groundwater in the study area.

shallow groundwater; vulnerability assessment; modified DRASTIC method; scoring system; eastern section of Northern Tianshan Mountain Economic Belt

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.01.009

中國地質(zhì)調(diào)查局國家重要能源基地水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(1212011220970)

王濤(1985—),男,工程師,碩士,主要從事水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、地下水環(huán)境影響評價等研究。E-mail:270158186@qq.com

P641.8

A

1004-6933(2017)01-0041-05

2016-05-30 編輯：徐 娟)