第二松花江流域平原區(qū)淺層地下水脆弱性時(shí)變特征分析

王麗雪，杜新強(qiáng)，董麗丹，仲偉婉，丁時(shí)偉

(吉林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，長(zhǎng)春 130021)

第二松花江流域平原區(qū)淺層地下水脆弱性時(shí)變特征分析

王麗雪，杜新強(qiáng)，董麗丹，仲偉婉，丁時(shí)偉

(吉林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，長(zhǎng)春 130021)

以第二松花江流域平原區(qū)為研究區(qū)，選擇了地下水埋深、凈補(bǔ)給量、含水層介質(zhì)、土壤介質(zhì)、地形坡度、包氣帶影響、滲透系數(shù)7個(gè)指標(biāo)，運(yùn)用DRASTIC評(píng)價(jià)方法對(duì)淺層地下水脆弱性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，進(jìn)一步分析了地下水脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果的影響因素。結(jié)果表明： ①地下水脆弱性分區(qū)在整體上具有空間分帶特征性，并與地貌分區(qū)具有良好的一致性，其中河谷平原區(qū)由于地下水埋藏較淺，地下水脆弱性較高，污染風(fēng)險(xiǎn)大；②受地下水位變動(dòng)以及凈補(bǔ)給量的影響，具體地段的地下水脆弱性等級(jí)也具有較為明顯的年際與年內(nèi)變化特征，但整體區(qū)域上的地下水脆弱性的相對(duì)級(jí)別仍受地貌格局的控制。在開(kāi)展區(qū)域地下水脆弱性評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)注意選擇具有代表性的時(shí)段數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

地下水脆弱性；第二松花江流域；DRASTIC評(píng)價(jià)方法；時(shí)變特征;河谷平原區(qū)

1 研究背景

隨著工業(yè)化、城市化進(jìn)程的加快，地下水資源的開(kāi)發(fā)利用量也在增加，過(guò)度開(kāi)采地下水引起的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題日益嚴(yán)重。通過(guò)各種途徑進(jìn)入地下水中的污染物種類和數(shù)量也與日俱增，地下水系統(tǒng)在天然條件下也具有一定的抵抗污染風(fēng)險(xiǎn)的能力，稱為“地下水脆弱性(Groundwater vulnerability)”[1]。其定義是指由于自然條件變化或人類活動(dòng)影響，地下水遭受破壞的趨向和可能性，它反映了地下水對(duì)自然和人類活動(dòng)影響的應(yīng)對(duì)能力[2-3]。目前國(guó)內(nèi)外常用的地下水脆弱性評(píng)價(jià)方法有GOD指標(biāo)法、DIVERSITY法以及DRASTIC法，其中DRASTIC法應(yīng)用最為廣泛[4]。

DRASTIC方法是美國(guó)環(huán)境保護(hù)署( EPA)[5]于1987年提出的，先后應(yīng)用于美國(guó)各地的地下水脆弱性評(píng)價(jià)中并取得了良好的效果，在美國(guó)、加拿大、南非等多個(gè)國(guó)家已被廣泛使用[6]。目前，國(guó)內(nèi)外很多地下水脆弱性研究往往以DRASTIC評(píng)價(jià)方法為基礎(chǔ)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù)(GIS)進(jìn)行地下水脆弱性的評(píng)價(jià)、編圖及深入研究。Srinivasamoorthy等[7]、Sener等[8]基于GIS和DRASTIC方法對(duì)印度的米特地區(qū)、土耳其的以塞尼爾肯特烏盧博爾盧盆地進(jìn)行了地下水脆弱性評(píng)價(jià)；Jamrah等[9]利用GIS繪制了阿曼沿海地區(qū)地下水脆弱性分區(qū)圖，結(jié)果表明DRASTIC方法在沿海地區(qū)也適用；在地下水脆弱性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上；Rahman[10]，Babiker等[11]應(yīng)用GIS對(duì)DRASTIC評(píng)價(jià)方法中的7個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了敏感性分析；而Panagopoulos等[12]則利用GIS對(duì)地下水脆弱性評(píng)價(jià)的DRASTIC模型進(jìn)行了優(yōu)化分析。在國(guó)內(nèi)比較典型的應(yīng)用有王秀明[13]以滄州市為例研究了DRASTIC在地下水脆弱性編圖中的應(yīng)用；肖興平等[14]研究了DRASTIC模型評(píng)價(jià)過(guò)程中GIS的應(yīng)用問(wèn)題；王宏義等[15]基于GIM-GRA-GIS體系對(duì)靜升盆地地下水脆弱性進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特征分析。

本研究以ArcGIS為平臺(tái)，利用DRASTIC評(píng)價(jià)方法對(duì)第二松花江流域平原區(qū)淺層地下水脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析該區(qū)域淺層地下水脆弱性的時(shí)變特征。

2 第二松花江流域水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于吉林省北部，跨越長(zhǎng)春市、吉林市以及松原市3個(gè)地級(jí)市，總面積約18 590 km2。處于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，大陸性氣候特點(diǎn)十分明顯。全年溫差大，無(wú)霜期短，多年平均氣溫變化在-3～5 ℃之間，降水的時(shí)空分布不均勻，多年平均降水量為400～700 mm。研究區(qū)內(nèi)河流包括第二松花江干流、飲馬河及伊通河。河流兩岸地貌多為河谷平原，堆積臺(tái)地則被分割為多個(gè)波狀起伏的河間地塊。地表高程自東南向西北逐漸降低，在河流兩岸多覆蓋有第四系松散堆積物，滲透性良好。地下水以潛水為主，水質(zhì)良好，單井涌水量3 000～5 000 m3/d。 研究區(qū)地貌見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)地貌Fig.1 Landform of the study area

評(píng)價(jià)指標(biāo)作用機(jī)理權(quán)重地下水埋深(D)決定著污染物到達(dá)含水層之前的傳輸距離、有助于確定與周圍介質(zhì)接觸的時(shí)間、提供了污染物與大氣中的氧接觸致使其氧化的最大機(jī)會(huì)5凈補(bǔ)給量(R)污染物可通過(guò)補(bǔ)給水垂直傳輸至含水層并在含水層內(nèi)水平運(yùn)移4含水層巖性(A)污染物的運(yùn)移路線以及運(yùn)移路徑的長(zhǎng)度由含水層中的水流控制，含水層中的水流系統(tǒng)受含水層介質(zhì)影響3土壤類型(S)土壤介質(zhì)對(duì)滲入地下的補(bǔ)給量具有顯著影響，對(duì)污染物垂直運(yùn)移至滲流區(qū)有顯著影響2坡度(T)地形坡度在某種程度上控制著污染物是被沖走或是留在一定的地表區(qū)域內(nèi)一定時(shí)間以滲入地下1包氣帶巖性(I)包氣帶介質(zhì)的類型決定著土壤層和含水層之間物質(zhì)的稀釋特性，包氣帶內(nèi)發(fā)生著利于自凈的生物降解作用、中和作用和化學(xué)作用5滲透系數(shù)(C)控制著地下水的流動(dòng)速率和污染物進(jìn)入含水層后的遷移速率3

表2 第二松花江流域平原區(qū)各因子評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)(分類)及評(píng)分

3 評(píng)價(jià)方法

3.1 DRASTIC評(píng)價(jià)方法

DRASTIC是一個(gè)應(yīng)用于評(píng)價(jià)區(qū)域地下水污染風(fēng)險(xiǎn)的模型[5]，主要選擇了影響地下水脆弱性的7個(gè)因子，包括地下水埋深(D) 、凈補(bǔ)給量(R) 、含水層介質(zhì)(A)、 土壤介質(zhì)(S)、地形坡度(T)、包氣帶影響(I)、水力傳導(dǎo)系數(shù)(C)。各指標(biāo)對(duì)含水層脆弱性的作用機(jī)理及權(quán)重值見(jiàn)表1。

DRASTIC評(píng)價(jià)指標(biāo)由3部分組成：權(quán)重、類別(范圍)和定額(評(píng)分)。其表達(dá)式為

DI=DrDw+RrRw+ArAw+SrSw+

TrTw+IrIw+CrCw。

(1)

式中：DI為DRASTIC指數(shù)；Dr，Rr，Ar，Sr,Tr,Ir,Cr分別為各評(píng)價(jià)因子的分級(jí)值；Dw,Rw,Aw,Sw,Tw,Iw,Cw分別為各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值。DRASTIC指標(biāo)值越大，該水文地質(zhì)單元越易污染。各類分級(jí)值及權(quán)重值均可通過(guò)查表確定，評(píng)價(jià)指標(biāo)可根據(jù)不同水文地質(zhì)條件進(jìn)行適當(dāng)更改[5]。

在收集研究區(qū)資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)DRASTIC模型的各個(gè)指標(biāo)分級(jí)(分類)標(biāo)準(zhǔn)[5]，制定出適合研究區(qū)的DRASTIC各評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)(分類)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)分。各指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

3.2 基于ArcGIS的地下水脆弱性計(jì)算方法

ArcGIS具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)管理、地理編碼、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、投影變換、地理分析、元數(shù)據(jù)管理、空間分析、疊加運(yùn)算分析等功能[16]。將ArcGIS應(yīng)用到地下水脆弱性評(píng)價(jià)中，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的隨時(shí)修改與更新及分析結(jié)果的可視化，提高評(píng)價(jià)結(jié)果的精確性與評(píng)價(jià)效率。

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及數(shù)據(jù)收集分類結(jié)果，將DRASTIC模型的7項(xiàng)指標(biāo)按照表2分級(jí)范圍及類型在同一幅數(shù)字化的底圖上進(jìn)行分區(qū)，形成各單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分區(qū)圖，并對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的各分區(qū)進(jìn)行屬性編輯。按照相應(yīng)的屬性區(qū)間值給出評(píng)分后[17]，將各評(píng)價(jià)指標(biāo)分區(qū)圖柵格化。ArcGIS圖形中的柵格單元與DRASTIC法中的水文地質(zhì)單元相對(duì)應(yīng)，在分區(qū)過(guò)程中將所賦的評(píng)分值轉(zhuǎn)換成柵格圖像值，最后，以公式(1)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)柵格圖像疊加及脆弱性指標(biāo)值計(jì)算，得到地下水脆弱性分區(qū)圖。

圖2 A，S，T，I，C各指標(biāo)分區(qū)及降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)分區(qū)Fig.2 Partitions according to values of index A, S, T,I, C and coefficient of rainfall infiltration recharge

3.3 地下水脆弱性時(shí)變特征分析方法

應(yīng)用DRASTIC模型進(jìn)行地下水脆弱性評(píng)價(jià)時(shí)，變動(dòng)指標(biāo)的資料選取及數(shù)據(jù)處理對(duì)地下水脆弱性等級(jí)劃分具有很大的影響。通過(guò)對(duì)變動(dòng)指標(biāo)分別進(jìn)行年內(nèi)及年際處理，分析地下水脆弱性的時(shí)變特征，將對(duì)更合理地應(yīng)用DRASTIC模型進(jìn)行地下水脆弱性評(píng)價(jià)具有重要意義。

根據(jù)DRASTIC模型中7個(gè)指標(biāo)的特點(diǎn)，含水層介質(zhì)(A)、土壤介質(zhì)( S)、地形坡度(T)、包氣帶影響(I)、滲透系數(shù)(C)等5個(gè)指標(biāo)給定固定值，各指標(biāo)按標(biāo)準(zhǔn)做出分區(qū)圖，如圖2所示。對(duì)于其余2個(gè)變動(dòng)指標(biāo)(地下水埋深及凈補(bǔ)給量)分別采用2001，2005，2011年地下水埋深年均值和凈補(bǔ)給量年均值分析地下水脆弱性的年際變化特征；采用2011年地下水埋深月均值及凈補(bǔ)給量月均值分析地下水脆弱性的年內(nèi)變化特征。對(duì)于凈補(bǔ)給量(R)指標(biāo)，首先對(duì)降水資料進(jìn)行單位化處理，以保證逐月降水資料與各年降水資料單位的統(tǒng)一性，其次由降水分區(qū)與降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)分區(qū)疊加處理得到凈補(bǔ)給量分區(qū)。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)各指標(biāo)的空間特征，不同時(shí)段各指標(biāo)采取相同的權(quán)重，分別計(jì)算各時(shí)段地下水脆弱性綜合指數(shù)。綜合所有評(píng)價(jià)區(qū)間，將評(píng)價(jià)指數(shù)最大值與最小值按等間距劃分為5級(jí)，從低到高依次對(duì)應(yīng)低脆弱區(qū)、較低脆弱區(qū)、中等脆弱區(qū)、較高脆弱區(qū)、高脆弱區(qū)。以此得出第二松花江干流及飲馬河支流沿岸地區(qū)2011年1—12月份逐月的年內(nèi)地下水脆弱性分區(qū)圖及2001，2005，2011年的各年地下水脆弱性分區(qū)，詳見(jiàn)圖3。

圖3 2001，2005，2011年地下水脆弱性分區(qū)Fig.3 Partition according to groundwater vulnerabilityin year 2001, 2005 and 2011

4 地下水脆弱性時(shí)變特征分析

4.1 地下水脆弱性年際時(shí)變特征分析

統(tǒng)計(jì)分析2001,2005,2011年的地下水脆弱性分布情況，結(jié)果見(jiàn)圖3。在宏觀上，受固定指標(biāo)的控制，雖然第二松花江流域年際地下水脆弱性分區(qū)存在一定的差異，但分布范圍基本一致。較高及高脆弱性區(qū)域主要呈條帶狀沿河分布，集中在河谷平原地區(qū)，中等脆弱區(qū)主要呈面狀分布在臺(tái)地及低山丘陵區(qū)，較低脆弱性區(qū)域僅有零星分布。因此地下水脆弱性在宏觀區(qū)域上保持穩(wěn)定并受宏觀地貌單元控制。

具體分析，2001年第二松花江流域地下水脆弱性主要以較低及中等脆弱性為主，主要集中在河谷平原及臺(tái)地地區(qū)，約占總面積的80%，沒(méi)有高脆弱區(qū)域分布；到2005年地下水脆弱性明顯以中等及較高脆弱性為主，集中在河谷平原地區(qū)，約占總面積的82%，河谷平原區(qū)的高脆弱性分區(qū)也達(dá)到了6.8%；到2011年較低、中等及較高脆弱性分區(qū)基本成均等比例分布，高脆弱性分區(qū)在河谷平原地區(qū)有零星分布(表3)。由此，在分布區(qū)域基本一致的情況下，不同年份地下水脆弱性等級(jí)是不同的。2001，2005，2011年年均降水量分別為333,800,420 mm/a(圖4)，在年際地下水脆弱性評(píng)價(jià)中，降水量與地下水脆弱性等級(jí)呈正相關(guān)，降水量越大地下水脆弱性等級(jí)越高，高脆弱性區(qū)域也越大。

表3 2001,2005,2011年各等級(jí)地下水脆弱性分區(qū)面積比例

圖4 2001年、2005年及2011年逐月降水量

4.2 地下水脆弱性年內(nèi)時(shí)變特征分析

以2011年1—12月的月降水量、月平均地下水位埋深得到2011年逐月的地下水脆弱性分區(qū)結(jié)果(見(jiàn)圖5)。在宏觀上，各月地下水脆弱性相對(duì)較高的地區(qū)均呈條帶狀分布在第二松花江流域河谷平原區(qū)，而地下水脆弱性等級(jí)相對(duì)較低的地區(qū)則主要分布在波狀臺(tái)地及低山丘陵區(qū)。

然而，受研究區(qū)大氣降水的影響，地下水脆弱性分區(qū)是逐月變化的(圖5)， 主要體現(xiàn)在各月地下水脆弱性分區(qū)面積存在一定的差異(表4)。 1—4月份及9—12月份降水量最大僅為22 mm， 最小為0.5 mm(圖6)， 研究區(qū)地下水脆弱性以較低及中等脆弱性分區(qū)為主， 約占研究區(qū)面積的80.5%， 較高脆弱性區(qū)僅在河谷區(qū)有零星分布，幾乎沒(méi)有高脆弱性區(qū)分布。 而5—8月份為汛期， 降水量最大為130 mm， 最小為64 mm(圖6)， 區(qū)內(nèi)低脆弱區(qū)基本沒(méi)有分布， 較低脆弱性分區(qū)面積明顯較少， 面積比例由僅占約11.3%， 而河谷區(qū)演變?yōu)檩^高及高脆弱區(qū)， 面積比例較1—4月份及9—12月份顯著增加， 較高脆弱區(qū)由3%增至36%， 高脆弱性區(qū)面積比例占到了15%。

圖5 2011年逐月地下水脆弱性分區(qū)Fig.5 Partition according to monthly groundwatervulnerability distribution in 2011

月份各等級(jí)地下水脆弱性分區(qū)面積比例/%低脆弱區(qū)較低脆弱區(qū)中等脆弱區(qū)較高脆弱區(qū)高脆弱區(qū)114．9444．3039．271．490215．9143．4539．401．240316．6142．9039．311．180416．4542．9138．981．66050．1115．9039．3532．3312．406014．8536．7337．6210．80703．4338．8636．5421．178010．8034．9937．9216．29914．3939．3537．039．2301015．9039．2138．476．4201118．2741．6138．291．8301219．0341．1638．561．250全年3．0338．5824．9032．760．73

圖6 2011年逐月降水量Fig.6 Monthly precipitation in 2011

5 結(jié) 論

本文在DRASTIC模型的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS的數(shù)據(jù)處理及空間分析功能，得到了研究區(qū)2011年逐月及2001，2005，2011年的年際地下水脆弱性分布狀況。在此基礎(chǔ)上，對(duì)比分析地下水脆弱性年內(nèi)年際的時(shí)變特征，得出以下結(jié)論：

(1) 地下水脆弱性分區(qū)具有空間分帶性，整體上受地貌格局的控制。其中，河谷平原區(qū)域由于地下水埋藏較淺，其脆弱性相對(duì)較高，地下水污染風(fēng)險(xiǎn)大；而臺(tái)地及低山丘陵區(qū)，地下水脆弱性則相對(duì)較低。

(2) 受地下水位變動(dòng)以及凈補(bǔ)給量的影響，具體地段的地下水脆弱性等級(jí)也具有較為明顯的年際與年內(nèi)變化特征，各月變化幅度要明顯大于不同水平年的年際變化幅度，但整體區(qū)域上的地下水脆弱性的相對(duì)級(jí)別仍受地貌格局的控制。

(3) DRASTIC模型結(jié)果的動(dòng)態(tài)變化特征取決于地下水埋深與凈補(bǔ)給量2個(gè)變量指標(biāo)。由于地下水埋深又受降水影響，而降水量在年內(nèi)和年際變化幅度相對(duì)較大，地下水脆弱性的時(shí)變特征與降水量變化規(guī)律具有一定程度上的相似性。

綜上所述，由于降水量、地下水位動(dòng)態(tài)具有明顯的時(shí)變特征，區(qū)域地下水脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果受所選時(shí)段的影響較大，因此，在相關(guān)研究中應(yīng)結(jié)合研究目標(biāo)和研究區(qū)實(shí)際條件，合理選擇評(píng)價(jià)時(shí)段。

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(編輯：趙衛(wèi)兵)

Time-varying Characteristics of Shallow Groundwater Vulnerability inthe Plain Area of the Second Songhua River Watershed

WANG Li-xue, DU Xin-qiang, DONG Li-dan, ZHONG Wei-wan, DING Shi-wei

(College of Environment and Resources, Jilin University, Changchun 130021, China)

With the plain area of the second Songhua River watershed as study area, we selected seven indicators including depth of water-table, net recharge, aquifer media, soil media, topography, impact of vadose zone and hydraulic conductivity of the aquifer to evaluate the shallow groundwater vulnerability using DRASTIC index method and to further analyze the influential factors of assessment results. Results suggest that groundwater vulnerability distribution in the study area can be partitioned in space and is in good consistency with landform division, among which river valley plain is of high groundwater vulnerability and high risk of contamination due to shallow groundwater. Moreover, influenced by groundwater table variation and net recharge, the level of groundwater vulnerability in particular area has obvious annual and inter-annual change characteristics; whereas in the whole area, the relative level of groundwater vulnerability is still controlled by landforms pattern. In the assessment of regional groundwater vulnerability, more attention should be paid to the selection of representative time data.

groundwater vulnerability; DRASTIC assessment method; time-varying characteristics;the second Songhua River watershed; river valley plain

2016-03-17；

2016-05-05

國(guó)家水污染控制與治理重大專項(xiàng)(2014ZX07201010)

王麗雪(1990-)，女，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗Y源管理與評(píng)價(jià)，(電話)15144148087(電子信箱)wanglx14@163.com。

杜新強(qiáng)(1977-)，男，黑龍江肇東人，副教授，博士，研究方向?yàn)榈叵滤Y源人工調(diào)控理論與技術(shù)，(電話)13029132161(電子信箱)duxq77@163.com。

10.11988/ckyyb.20160241

2017,34(6):29-34

P345

A

1001-5485(2017)06-0029-06