基于GIS與DRASTIC模型的嘉峪關(guān)市平原區(qū)地下水防污性能評(píng)價(jià)

李平平，薛雅彬 ，郎 濤，王建紅

(1.甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院 甘肅省地下水工程及地?zé)豳Y源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省環(huán)境地質(zhì)與災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730050；2.酒泉市黨河流域水資源管理局，甘肅 敦煌 736200)

嘉峪關(guān)市位于甘肅省西北部、河西走廊中部，東臨河西重鎮(zhèn)酒泉市，西連石油城玉門市，南倚祁連山與肅南裕固族自治縣接壤，北枕黑山與酒泉金塔縣和內(nèi)蒙古額濟(jì)納旗相接，中部為酒泉綠洲西緣。嘉峪關(guān)市土地總面積為1 224.42 km2，地理坐標(biāo)為E97°50′06″～98°31′44″、N39°38′26″～40°00′41″，是甘肅省唯一不設(shè)區(qū)也不下轄縣市的地級(jí)單位。屬河西冷溫帶干旱氣候區(qū)，據(jù)嘉峪關(guān)市氣象站多年觀測(cè)資料，當(dāng)?shù)囟嗄昶骄鶜鉁貫?.0～8.1 ℃，極端最高氣溫為38.6 ℃，極端最低氣溫為-31.6 ℃；多年平均降水量為85.4～181.8 mm，降水集中于6—8月，期間降水量占全年降水量的59.3%～62.2%；多年平均蒸發(fā)量為1 175.8～2 205.4 mm，集中于5—8月，期間蒸發(fā)量占全年蒸發(fā)量的55.6%～56.7%。位于河西走廊酒泉西盆地，屬黑河流域，北大河自西南向東北流經(jīng)嘉峪關(guān)市，為區(qū)內(nèi)原唯一地表徑流。北大河發(fā)源于南部祁連山區(qū)高山雪域，自源區(qū)沿西北向流經(jīng)討賴川及討賴峽(該段稱討賴河)，自冰溝口出山后折向東北進(jìn)入酒泉市，多年平均流量為20.27 m3/s、徑流量為6.39億m3。

嘉峪關(guān)市地處西北內(nèi)陸，水資源十分短缺，開(kāi)采的地下水主要用于工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)灌溉及農(nóng)村居民生活用水。近年來(lái)嘉峪關(guān)市地下水開(kāi)采量持續(xù)較大，超出允許開(kāi)采量，地下水處于負(fù)均衡狀態(tài)，儲(chǔ)量呈逐年下降趨勢(shì)，原本的水均衡狀況發(fā)生了明顯變化，地下水水質(zhì)出現(xiàn)不同程度的變差。嘉峪關(guān)市北部為基巖山區(qū)，南部的平原區(qū)集中了幾乎全部的城市規(guī)劃區(qū)，因此本研究以嘉峪關(guān)市平原區(qū)為研究對(duì)象，利用GIS技術(shù)和DRASTIC模型對(duì)地下水防污性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為當(dāng)?shù)赝恋刭Y源合理開(kāi)發(fā)利用及地下水資源有效保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)南部巖性為泥質(zhì)砂礫卵石，至北部遞變?yōu)榘肽z結(jié)—微膠結(jié)的砂礫石(圖1)。地下水類型為松散巖類孔隙水，第四系中上更新統(tǒng)是主要含水層，大致以觀蒲村—新城鎮(zhèn)為界，以東為承壓水分布區(qū)，以西為潛水分布區(qū)。含水層厚度多數(shù)在50～500 m，在北大河洪積扇頂部含水層厚度最大，向東北逐漸減小，至北部山前不足50 m。

天然條件下，地下水排泄途徑主要為泉水溢出和潛水蒸發(fā)。隨著井灌規(guī)模的逐步擴(kuò)大，機(jī)井開(kāi)采也成為地下水的主要排泄方式之一。地下徑流呈現(xiàn)與地形坡降和河流流向相一致的運(yùn)動(dòng)特征。地下水由盆地西南部洪積扇補(bǔ)給帶流向盆地北部及東北部蒸發(fā)消耗區(qū)，水位埋深由深變淺，至細(xì)土平原北部呈泉水溢出地表。

含水層富水性自西南向東北由強(qiáng)變?nèi)酢５叵滤|(zhì)較好，礦化度較低，水化學(xué)類型為HCO3-SO4型，北大河北岸單井涌水量均大于10 000 m3/d，向北和東北漸變?yōu)? 000～10 000 m3/d。含水層呈東西向條帶狀分布，橫溝村以西地帶礦化度小于1.0 g/L，以東礦化度逐漸增大，在泥溝村一帶大于1.0 g/L。

2 地下水防污性能評(píng)價(jià)方法

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件，結(jié)合DRASTIC評(píng)價(jià)方法，選取地下水埋深(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)7個(gè)因子，進(jìn)行地下水防污性能評(píng)價(jià)[1-7]。DRASTIC評(píng)價(jià)方法中各評(píng)價(jià)因子的評(píng)分值范圍在1～10，防污性能最好的評(píng)分為1，防污性能最差的評(píng)分為10，詳見(jiàn)表1[8]。根據(jù)對(duì)防污性能影響的大小分別給予不同的權(quán)重值，影響最大的權(quán)重值為5，影響最小的權(quán)重值為1。DRASTIC地下水防污性能指數(shù)(DI)計(jì)算公式為

根據(jù)收集到的因子數(shù)據(jù)，在ArcGIS中轉(zhuǎn)換成可用于分析的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行分類分析[9-11]。按照地下水防污性能分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)，繪制出研究區(qū)地下水防污性能評(píng)價(jià)分級(jí)結(jié)果。

3 地下水防污性能評(píng)價(jià)

3.1 地下水埋深

研究區(qū)地下水埋深南部大于100 m，向北及東北逐漸變淺，文殊溝、嘉峪關(guān)大斷層及大草灘一帶地下水埋深為3～10 m，局部有泉水溢出，嘉峪關(guān)大斷層?xùn)|側(cè)地下水埋深在100 m左右，向東逐漸變淺，至泥溝村一帶僅為1 m。研究區(qū)地下水埋深分級(jí)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 研究區(qū)地下水埋深分級(jí)(注：交叉線區(qū)域?yàn)榛鶐r山區(qū)，不在研究范圍內(nèi)，下同)

3.2 凈補(bǔ)給量

研究區(qū)地下水補(bǔ)給來(lái)源主要為河水入滲、降水入滲及渠系、灌溉水入滲。河水入滲主要為北大河入滲，北大河主要分布在嘉峪關(guān)市平原區(qū)南部，面積為8.99 km2，入滲量為3 410.0萬(wàn)m3/a，單位面積上平均凈補(bǔ)給量為3 790 mm；渠系和灌溉主要分布在研究區(qū)南部和東部及市區(qū)周圍，面積為93.68 km2，入滲量為481.0萬(wàn)m3/a，單位面積上平均凈補(bǔ)給量為51.3 mm。研究區(qū)地下水凈補(bǔ)給量分級(jí)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 研究區(qū)地下水凈補(bǔ)給量分級(jí)

3.3 含水層介質(zhì)

研究區(qū)地下水類型為松散巖類孔隙水，第四系中上更新統(tǒng)是主要含水層。大致以觀蒲村—新城鎮(zhèn)為界，以東為承壓水分布區(qū)，以西為潛水分布區(qū)。研究區(qū)含水層介質(zhì)分級(jí)見(jiàn)圖4。

圖4 研究區(qū)含水層介質(zhì)分級(jí)

3.4 土壤介質(zhì)

居民生活和工礦區(qū)主要分布在嘉峪關(guān)市區(qū)內(nèi)，土壤介質(zhì)為黏質(zhì)壤土，面積為74.05 km2，占研究區(qū)總面積的8.45%；耕地和林地主要分布在東部和南部及市區(qū)周圍，土壤介質(zhì)為粉質(zhì)壤土，面積為119.62 km2，占研究區(qū)總面積的13.65%；其余部分土壤介質(zhì)均為泥質(zhì)砂礫卵石，面積為682.57 km2，占研究區(qū)總面積的77.90%。研究區(qū)土壤介質(zhì)分級(jí)見(jiàn)圖5。

圖5 研究區(qū)土壤介質(zhì)分級(jí)

3.5 地形坡度

研究區(qū)地形較為平坦，根據(jù)地形坡度分析結(jié)果，除文殊鄉(xiāng)及最西端部分地區(qū)坡度為2%～6%外，大部分地區(qū)坡度<2%。研究區(qū)地形坡度分級(jí)見(jiàn)圖6。

圖6 研究區(qū)地形坡度分級(jí)

3.6 包氣帶影響

研究區(qū)包氣帶介質(zhì)為泥質(zhì)砂礫卵石，向北部遞變?yōu)榘肽z結(jié)—微膠結(jié)的砂礫石；在耕地區(qū)域表層為粉質(zhì)壤土，居民和工礦用地區(qū)域表層為黏質(zhì)壤土，下部為砂礫石。按DRASTIC各因子的類別及其評(píng)分，包氣帶影響介質(zhì)為砂礫石。研究區(qū)包氣帶介質(zhì)分級(jí)見(jiàn)圖7。

圖7 研究區(qū)包氣帶介質(zhì)分級(jí)

3.7 水力傳導(dǎo)系數(shù)

研究區(qū)水力傳導(dǎo)系數(shù)隨著地下水埋深的變淺而減小。水力傳導(dǎo)系數(shù)在南部、北部和西部最大，均大于12.2 m/d；向東北和西北逐漸變小，在文殊溝及嘉峪關(guān)大斷層一帶為4.1～12.2 m/d，在大草灘及泥溝村一帶小于4.1 m/d。研究區(qū)水力傳導(dǎo)系數(shù)分級(jí)見(jiàn)圖8。

圖8 研究區(qū)水力傳導(dǎo)系數(shù)分級(jí)

4 防污性能評(píng)價(jià)結(jié)果分析

根據(jù)上述評(píng)價(jià)方法與各指標(biāo)分析結(jié)果，結(jié)合DRASTIC防污性能劃分原則，初步將防污性能分為5級(jí)：Ⅰ級(jí)，DI≤100，防污性能很好；Ⅱ級(jí)，100160，防污性能很差。進(jìn)行疊加分析，對(duì)研究區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果按照分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)，結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 研究區(qū)地下水防污性能分級(jí)結(jié)果

(1)地下水防污性能很好區(qū)。該區(qū)主要分布在城鎮(zhèn)和工礦區(qū)，面積135.26 km2，占研究區(qū)總面積的15.44%，地下水埋深>30 m，含水層介質(zhì)以泥質(zhì)砂礫卵石為主，土壤介質(zhì)為黏質(zhì)壤土，水力傳導(dǎo)系數(shù)為4.1～12.2 m/d，綜合各影響因素劃分為防污性能很好區(qū)。

(2)地下水防污性能較好區(qū)。該區(qū)面積637.27 km2，占研究區(qū)總面積的72.73%，地下水埋深>10 m，凈補(bǔ)給量以降雨入滲和灌溉、渠系水入滲為主，含水層介質(zhì)以泥質(zhì)砂礫卵石為主，水力傳導(dǎo)系數(shù)>4.1 m/d，綜合各影響因素劃分為防污性能較好區(qū)。

(3)地下水防污性能中等區(qū)。該區(qū)分布在新城鄉(xiāng)—野麻灣東側(cè)和大草灘一帶，面積91.03 km2，占研究區(qū)總面積的10.39%，地下水埋深<20 m，其中新城鄉(xiāng)—野麻灣一帶凈補(bǔ)給量以降雨入滲和灌溉、渠系水入滲為主，其他地區(qū)凈補(bǔ)給量以降雨入滲為主，含水層介質(zhì)以泥質(zhì)砂礫卵石為主，水力傳導(dǎo)系數(shù)一般<4.1 m/d，綜合各影響因素劃分為防污性能中等區(qū)。

(4)地下水防污性能較差區(qū)。該區(qū)分布在泥溝村和北大河一帶，面積12.68 km2，占研究區(qū)總面積的1.45%，其中泥溝村一帶地下水埋深為5 m左右，凈補(bǔ)給量以降雨入滲為主，含水層介質(zhì)以泥質(zhì)砂礫卵石為主，土壤介質(zhì)為泥質(zhì)砂礫卵石，綜合各影響因素劃分為防污性能較差區(qū)。

5 結(jié)論與建議

在系統(tǒng)分析研究區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，進(jìn)行研究區(qū)地下水資源評(píng)價(jià)，建立了DRASTIC地下水防污性能評(píng)價(jià)模型，利用GIS技術(shù)繪制了各項(xiàng)指標(biāo)分級(jí)圖，疊加后得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，并進(jìn)行分級(jí)分區(qū)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，研究區(qū)地下水防污性能分為很好、較好、中等和較差4個(gè)區(qū)，分別占研究區(qū)總面積的15.44%、72.73%、10.39%和1.45%。由評(píng)價(jià)結(jié)果知，研究區(qū)地下水防污性能總體較好，評(píng)價(jià)結(jié)果為地下水管理、保護(hù)規(guī)劃、污染防治提供了依據(jù)，對(duì)地下水資源和土地資源合理利用、廢棄物填埋場(chǎng)的選址、地下水污染的評(píng)價(jià)與控制、水源地的選擇與保護(hù)等工作具有一定的指導(dǎo)意義。根據(jù)地下水防污性能評(píng)價(jià)結(jié)果，建議在工業(yè)生產(chǎn)集中的地區(qū)，防治工業(yè)“三廢”和有機(jī)污染，加強(qiáng)廢物的安全排放管理與處置工作，防止地下水污染。

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[作者簡(jiǎn)介] 李平平(1990—)，男，青海民和縣人，助理工程師，學(xué)士，主要研究方向?yàn)樗呐c水資源。

[收稿日期] 2017-11-15