基于ArcGIS的DRASTIC法地下水脆弱性評價應(yīng)用研究

蔡文靜，張延平

(云南省水文水資源局大理分局，云南 大理 671000)

基于ArcGIS的DRASTIC法地下水脆弱性評價應(yīng)用研究

蔡文靜，張延平

(云南省水文水資源局大理分局，云南 大理 671000)

DRASTIC法在地下水脆弱性評價中應(yīng)用較為廣泛，但存在一定局限性，采用DRASTIC法與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的評價方法，可以較好的解決DRASTIC法在地下水脆弱性評價中的不足。本文主要從評價工作流程、評價指標(biāo)構(gòu)建、評價指標(biāo)賦分、脆弱性評價分級等方面探討了基于ArcGIS的DRASTIC評價方法。通過對各評價因子分析結(jié)果進(jìn)行加權(quán)疊加分析，可以直觀明了地反映評價區(qū)域地下水脆弱性具體分布狀況，方便快捷的完成地下水脆弱性分區(qū)，對于制定水資源保護(hù)規(guī)劃、地下水污染防治規(guī)劃，合理開發(fā)利用和保護(hù)地下水資源具有一定的指導(dǎo)意義。

ArcGIS；DRASTIC；地下水；脆弱性；柵格計算

地下水一旦遭到污染再度凈化要比地表水困難得多，因此，防治地下水污染必須“以防為主”，首先應(yīng)該確定地下水易受污染的區(qū)域，這可以通過地下水脆弱性評價來實(shí)現(xiàn)，脆弱性指數(shù)高的區(qū)域，則該區(qū)域的地下水就易于被污染。本文的地下水脆弱性也是指地下水固有脆弱性，即不考慮人類活動和污染源，而只考慮水文地質(zhì)內(nèi)部因素的脆弱性。

地下水脆弱性評價作為地下水合理開發(fā)利用與保護(hù)的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，已經(jīng)成為國際水文地質(zhì)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究問題。自1968年Margat提出“地下水脆弱性”這一術(shù)語以來，其概念和研究方法不斷得到豐富和發(fā)展。在國外，DRASTIC評價方法與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合評價區(qū)域地下水脆弱性是目前研究熱點(diǎn)，該方法可以直觀明了地反映評價區(qū)域地下水脆弱性具體分布狀況，同時利用ArcGIS成圖，評價結(jié)果為可視圖形，并能隨時完成各種屬性查詢。

ArcGIS是“美國環(huán)境系統(tǒng)研究所”(ESRI)在全面整合了GIS與軟件工程、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能及其它多方面的計算機(jī)主流技術(shù)之后，成功推出的全系列GIS產(chǎn)品。ArcGIS軟件的數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、空間分析、柵格計算等強(qiáng)大的功能，將其運(yùn)用到地下水脆弱性評價工作中，使評價過程變得簡便、容易，極大的推動了地下水脆弱性研究的發(fā)展。

1 DRASTIC評價方法

DRASTIC評價方法是美國環(huán)境保護(hù)局(USEPA)和美國水井協(xié)會(NWWA)綜合了40多位水文地質(zhì)學(xué)專家的經(jīng)驗(yàn)，于1985年合作開發(fā)的。該評價方法屬指標(biāo)體系方法，主要選取7個主要參數(shù)作為評價指標(biāo)， 通過加權(quán)計算DRASTIC指標(biāo)評分值。

盡管DRASTIC評價方法得到廣泛的應(yīng)用，但仍然存在一定的局限性。具體表現(xiàn)為：DRASTIC評價方法評價指標(biāo)對評價區(qū)域劃分的賦值不僅相同，邊界也不重疊，因此在賦值上，依靠單一的地下水系統(tǒng)邊界、流域界、行政界等人為劃分評價指標(biāo)區(qū)域，存在不同評價因子在同一評價單元上的概化和統(tǒng)一存在一定困難，對評價因子進(jìn)行量化時主觀性太強(qiáng)的缺點(diǎn)；DRASTIC評價方法屬指標(biāo)體系方法，其評價模型是線性的，缺乏理論上的嚴(yán)謹(jǐn)性；DRASTIC評價方法中的指標(biāo)因素是固定不變的，而在不同地區(qū)地下水脆弱性影響因素的相對重要程度是不同的，因此指標(biāo)因素也會有所不同。

2 指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)DRASTIC評價方法，結(jié)合實(shí)際水文地質(zhì)條件和《區(qū)域淺層地下水脆弱性評價技術(shù)指南》等，本次對評價指標(biāo)和權(quán)重進(jìn)行調(diào)整，確定地下水評價參數(shù)，包括地形坡度T、凈補(bǔ)給量R、河網(wǎng)密度N、土壤介質(zhì)S、地下水位埋深D、包氣帶介質(zhì)I、含水層厚度H、含水層滲透系數(shù)C，來定量分析各單元的脆弱性高低。對每一個參數(shù)給定了一個相對權(quán)重值，其范圍為1～5，以反映各個參數(shù)的相對重要程度。對地下水污染最具影響的參數(shù)的權(quán)重為5，影響程度最小的參數(shù)的權(quán)重為1。評價指標(biāo)及體系具體如下：

2.1 指標(biāo)選取

地下水脆弱性評價影響因素包括氣候、地表特征、土壤介質(zhì)特征、包氣帶和含水層特征幾個方面，具體影響主要指標(biāo)確定見表1：

表1 脆弱性評價指標(biāo)

2.2 指標(biāo)等級劃分及賦分

根據(jù)每個評價指標(biāo)的變化范圍或其內(nèi)在屬性劃分為若干的范圍，評價指標(biāo)等級劃分及賦分見表2：

表2 評價指標(biāo)等級劃分及賦分

續(xù)表2 評價指標(biāo)等級劃分及賦分

表3 地下水脆弱性評價指標(biāo)權(quán)重

2.3 指標(biāo)權(quán)重確定

根據(jù)每個評價指標(biāo)對地下水脆弱性影響的相對重要程度給予一個合理的權(quán)重，構(gòu)成權(quán)重評判體系，確定各評價指標(biāo)權(quán)重見表3：

2.4 地下水脆弱性評價標(biāo)準(zhǔn)

各指標(biāo)評分的加權(quán)和為地下水脆弱性綜合指數(shù)，綜合指數(shù)越大，相應(yīng)區(qū)域的地下水脆弱性越高，相對于其他區(qū)域更易被污染。DRASTIC地下水脆弱性指數(shù)由下式確定：

DI=1×RT+4×RR+1×RN+2×Rs+5×RD+4×RI+2×RH+1×RC

式中“1×RT”，1為權(quán)重值，RT表示指標(biāo)值。

根據(jù)上述各指標(biāo)的評分和權(quán)重值，可知地下水脆弱性綜合指數(shù)取值范圍為20～200。地下水脆弱性級別與綜合指數(shù)對應(yīng)關(guān)系如表4。

表4 地下水脆弱性評價分級

3 基于ArcGIS在DRASTIC法地下水脆弱性評價

3.1 評價工作流程

根據(jù)DRASTIC評價體系確定的評價指標(biāo)、指標(biāo)等級劃分及賦分、指標(biāo)權(quán)重和評價方法，結(jié)合ArcGIS軟件及評價指標(biāo)特點(diǎn)，將評價區(qū)域剖分成若干網(wǎng)格單元，每個單元上則分別對評價指標(biāo)進(jìn)行賦值，通過柵格疊加加權(quán)計算得到每個單元網(wǎng)格的脆弱性評價結(jié)果，再總體進(jìn)行脆弱性分級。評價工程流程先后順序?yàn)樵u價指標(biāo)構(gòu)建、評價指標(biāo)等級劃分及賦分、權(quán)重計算和地下水脆弱性分級。具體工程流程見圖1。

圖1 地下水脆弱性評價工作流程

3.2 構(gòu)建評價指標(biāo)

根據(jù)“表1脆弱性評價指標(biāo)”，收集水資源評價中的所有垂向補(bǔ)給數(shù)據(jù)、收集國家基礎(chǔ)地理河流水系數(shù)據(jù)、土壤、地下水水位、鉆孔、包氣帶巖性、抽水試驗(yàn)等資料形成各指標(biāo)圖層，并將所有圖層按統(tǒng)一的單元格大小進(jìn)行柵格化。具體方法如下：

3.2.1 地形坡度

根據(jù)100×100 mDEM數(shù)據(jù)，采用ArcGIS空間分析模塊的坡度計算工具，輸出坡度柵格。

3.2.2 凈補(bǔ)給量

大氣降水是地下水的主要補(bǔ)給來源，由于受資料限制，地下水脆弱性評價時可只考慮降水入滲量。根據(jù)降水量等值線，采用ArcGIS空間分析模塊的柵格插值工具，輸出100×100 m的凈補(bǔ)給量柵格。

3.2.3 河網(wǎng)密度

利用ArcGIS軟件創(chuàng)建100×100 m的網(wǎng)格，疊加計算各網(wǎng)格的河網(wǎng)密度，輸出河網(wǎng)密度柵格。

3.2.4 土壤介質(zhì)

根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫的中國境內(nèi)1：100萬土壤數(shù)據(jù)，采用ArcGIS空間分析模塊的柵格重分類工具，重新對土壤介質(zhì)進(jìn)行類型劃分。

3.2.5 地下水位埋深

根據(jù)水文地質(zhì)鉆孔和成井資料，采用ArcGIS空間分析模塊的柵格插值工具，輸出地下水位埋深100×100 m的柵格圖。

3.2.6 包氣帶介質(zhì)

根據(jù)鉆孔資料分析和包氣帶巖性圖等資料，對100×100 m的網(wǎng)格填充包氣帶介質(zhì)類型，輸出包氣帶介質(zhì)柵格圖。

3.2.7 含水層厚度

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料、水文地質(zhì)鉆孔和成井等資料，對100×100 m的網(wǎng)格填充含水層厚度，輸出含水層厚度柵格圖。

3.2.8 含水層滲透系數(shù)

根據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)資料，對100×100 m的網(wǎng)格填充含水層滲透系數(shù)，輸出含水層滲透系數(shù)柵格圖。

3.3 評價指標(biāo)賦分

根據(jù)“表2評價指標(biāo)等級劃分及賦分”對指標(biāo)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣。以地形坡度為例，采用ArcGIS三維分析模塊中的柵格重分類工具，將地形坡度柵格圖，按地形坡度10個等級，各個等級賦分，獲得地形坡度評分柵格。對連續(xù)坡度柵格數(shù)據(jù)，需要對坡度值范圍進(jìn)行重分類，如：將0～2坡度范圍內(nèi)的坡度值重分類為10。評價指標(biāo)賦分原理見圖2。

圖2 評價指標(biāo)賦分圖

3.4 評價指標(biāo)權(quán)重計算

根據(jù)“表3地下水脆弱性評價指標(biāo)權(quán)重”，對各指標(biāo)柵格評分?jǐn)?shù)據(jù)，按照DRASTIC評價方法評價計算公式和各指標(biāo)權(quán)重等級，利用ArcGIS空間分析工具的柵格計算功能，依據(jù)各指標(biāo)確定的權(quán)重值進(jìn)行疊加計算，得出脆弱性評價柵格。計算工作原理見圖3。

圖3 評價指標(biāo)權(quán)重計算

3.5 脆弱性評價分級

根據(jù)脆弱性指數(shù)評價柵格數(shù)據(jù)，參照“表4地下水脆弱性評價分級”采用ArcGIS三維分析模塊中的柵格重分類工具，將區(qū)域地下水進(jìn)行脆弱性等級劃分為低、較低、中等、較高和高五個等級，利用 ARCGIS可以方便快捷地完成地下水脆弱性分區(qū)、矢量柵格轉(zhuǎn)換計算，編制綜合分區(qū)圖。

4 結(jié)語

DRASTIC地下水脆弱性評價方法屬指標(biāo)體系方法，DRASTIC評價方法與地理信息系統(tǒng)ArcGIS軟件相結(jié)合評價

區(qū)域地下水脆弱性，對各評價因子分析結(jié)果進(jìn)行加權(quán)疊加分析，可以直觀明了地反映評價區(qū)域地下水脆弱性具體分布狀況，方便快捷的完成地下水脆弱性分區(qū)。

ArcGIS的應(yīng)用使得評價過程變得簡便、容易，并且能在一定程度上克服單一DRASTIC法的不足之處，使評價結(jié)果更接近客觀值。

基于ArcGIS的地下水脆弱性評價結(jié)果，對于制定水資源保護(hù)規(guī)劃、地下水污染防治規(guī)劃，合理開發(fā)利用和保護(hù)地下水資源具有一定的指導(dǎo)意義。根據(jù)不同的地下水脆弱性分區(qū)，可以制定和采取具有針對性的保護(hù)措施，對于地下水資源可持續(xù)利用具有重要意義。

[1]吳睿.基于DRASTIC 方法的地下水污染脆弱性評價.北方環(huán)境.2013.

[2]孫才志.基于ArcGIS 的下遼河平原地下水脆弱性評價及空間結(jié)構(gòu)分析.生態(tài)學(xué)報.2015.

[3]陳聰.ARCGIS在DRASTIC 地下水脆弱性評價方法中的應(yīng)用研究.中國水運(yùn).2014.

Application of DRASTIC method based on ArcGIS on evaluating groundwater vulnerability

CAI Wen-jing，ZHANG Yan-Ping

(Yunnan Hydrology and Water Resources Bureau Dali Branch, Dali 671000，China)

As the basis of reasonable exploitation，utilization and protection of underground,evaluation of groundwater vulnerability has been a hot area on hydrogeololgy research in the world. DRASTIC method has been widely used to evaluate the groundwater vulnerability. Meanwhile, it has some limitation that may be solved by combining it with ArcGIS. This paper mainly discuss DRASTIC method based on ArcGIS used in evaluation of groundwater vulnerability, including the workflow, index construction, Scoring Methods and classification. By using the weighted stacking method, the distribution of groundwater vulnerability in the region can be reflected intuitively and the partitioning of vulnerabilities can be accomplished quickly and easily, which will be of guiding significance to make planning of water resources protection and groundwater pollution prevention, rational development, utilization and protection of groundwater resources.

ArcGIS；DRASTIC；groundwater；vulnerability；grid calculation

2016-10-17

蔡文靜(1984-)，男，云南曲靖人，工程師，主要從事地理信息、水資源評價和地下水方面工作。

P641.8

A

1004-1184(2017)01-0018-03