基于WOE與PCA的油田鉆井區(qū)地下水脆弱性研究

李 霞，方 樟，江世雄，馬 喆，李立軍

(1.吉林大學(xué)地下水資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130021；2.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司，福州 350001；3.吉林省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，長(zhǎng)春 130021)

0 引 言

地下水對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類的生產(chǎn)生活具有重要作用，尤其在干旱半干旱區(qū)域，地下水是主要的環(huán)境生態(tài)因子和供水水源[1]。近年來(lái)，石油化工產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，在石油的開采、運(yùn)輸和加工過(guò)程中，地下水污染事件屢有發(fā)生[2]。其中石油類污染物具有三致毒性，對(duì)生態(tài)環(huán)境及人體健康的危害巨大。某油田開采廠的油田開采井選址位于伊通地區(qū)飲用水源地準(zhǔn)保護(hù)區(qū)，選址范圍須考慮油田井在未來(lái)開采可能出現(xiàn)的石油類污染物對(duì)地下水的污染。因此本文根據(jù)該區(qū)地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件進(jìn)行地下水脆弱性評(píng)價(jià)。

地下水脆弱性評(píng)價(jià)指污染物自含水層頂部某一特定位置到達(dá)地下水系統(tǒng)的可能性與趨勢(shì)[3-5]。自1968年法國(guó)人Margat首次提出“地下水脆弱性”的概念以來(lái)[6]，各學(xué)者對(duì)地下水脆弱性評(píng)價(jià)的研究不斷深入和改進(jìn)，評(píng)價(jià)方法也日趨成熟。在DRASTIC模型基礎(chǔ)上衍生出適應(yīng)研究區(qū)的特殊地下水脆弱性評(píng)價(jià)模型，Nerantzis等提出了DRASTIC-PA模型，將其應(yīng)用在有硝酸鹽污染的含水層特殊脆弱性評(píng)價(jià)中，周奉等[7,8]利用DPSIR模型構(gòu)建了反映黔中地區(qū)水資源脆弱性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。目前，將地下水脆弱性評(píng)價(jià)應(yīng)用于選址問(wèn)題的研究甚少，陳寰等[9]建立評(píng)價(jià)體系研究生活垃圾填埋場(chǎng)最佳選址位置，但其評(píng)價(jià)因子不能充分反映污染地下水的可能性。在確定地下水脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重方面，學(xué)者們結(jié)合模糊理論、統(tǒng)計(jì)學(xué)及數(shù)值模擬等工具優(yōu)化評(píng)價(jià)過(guò)程，薛玉璇等人采用LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法改進(jìn)權(quán)值和閾值，李紹飛等[10,11]人利用熵權(quán)法與層次分析法相結(jié)合確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。但各方法計(jì)算繁瑣且在確定權(quán)重方面仍存在缺陷[12,13]。證據(jù)權(quán)重法(WOE)計(jì)算簡(jiǎn)單，結(jié)果合理準(zhǔn)確，但其主要應(yīng)用于滑坡敏感性及成礦預(yù)測(cè)，在地下水脆弱性評(píng)價(jià)方面研究甚少[14-16]。因此本文利用主成分因子分析法(PCA)和證據(jù)權(quán)重法(WOE)對(duì)研究區(qū)地下水脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)并對(duì)比其性能，得到更準(zhǔn)確的結(jié)果，為油田鉆井選址提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于伊通滿族自治縣的伊通河以西地帶，為伊通河與東遼河的沖積平原和侵蝕臺(tái)地(圖1)，屬于莫里青斷陷，現(xiàn)有的勘探開發(fā)與地質(zhì)研究成果表明莫里青斷陷是一個(gè)油氣資源豐富的斷陷[17]。研究區(qū)西部為北西向松遼分水嶺，第四系孔隙承壓水含水層在分水嶺兩側(cè)增厚，在平原區(qū)變薄。地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水，在平原區(qū)的局部地段有側(cè)向徑流，河水和灌溉入滲補(bǔ)給。新近系承壓水盆地為平緩向斜儲(chǔ)水構(gòu)造，其含水層與第四系孔隙承壓水含水層呈不整合接觸。平原區(qū)排泄方式以滲入河流為主，河谷區(qū)以垂向蒸發(fā)為主、水平運(yùn)動(dòng)為輔。

圖1 研究區(qū)交通位置圖

2 地下水脆弱性評(píng)價(jià)

2.1 地下水脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)

地下水固有脆弱性的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括地下水位埋深(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)和水力傳導(dǎo)系數(shù)(C)[18-20]。研究區(qū)范圍內(nèi)降水量、蒸發(fā)量及溫度值變化幅度較小，可忽略凈補(bǔ)給量(R)對(duì)地下水脆弱性的影響。因此本文在地下水固有脆弱性評(píng)價(jià)模型中選取與地下水污染有密切關(guān)系的6個(gè)指標(biāo)，同時(shí)選取土地利用方式(L)、河流距離(DR)及河流密度(RD)作為地下水特殊脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(1)地下水位埋深(D)越大，地下水越不易受到污染，地下水脆弱性越低。水位埋深較淺的區(qū)域位于研究區(qū)北部與東南部的漫灘及一級(jí)階地，水位埋深小于5 m。

(2)含水層介質(zhì)(A)顆粒越小，滲透系數(shù)越小，含水層厚度越大，裂隙不發(fā)育，地下水脆弱性越低。研究區(qū)漫灘及一級(jí)階地的巖性主要是現(xiàn)代河流砂礫石沖積層、黃土層、亞砂土，北部研究區(qū)邊界處集中分布有正長(zhǎng)花崗巖。含水層滲透系數(shù)介于4～100 m/d之間，含水層厚度介于1～134 m之間。

(3)土壤介質(zhì)(S)有機(jī)質(zhì)含量越多，滲透系數(shù)越小，厚度越大，地下水脆弱性越低。研究區(qū)土壤以亞砂土為主，滲透性較好，土壤厚度介于8.5～45 m之間。

(4)地形坡度(T)大，地下水脆弱性低。研究區(qū)地形趨勢(shì)呈現(xiàn)西北高，向河流方向逐漸降低，范圍介于0.005%～0.8%之間。

(5)包氣帶介質(zhì)(I)滲透系數(shù)越小，厚度越大，脆弱性越低。研究區(qū)包氣帶介質(zhì)滲透性呈現(xiàn)有東北向西南逐漸降低的趨勢(shì)，包氣帶厚度介于0.5～20 m之間。

(6)水力傳導(dǎo)系數(shù)(C)影響地下水的流速，介質(zhì)顆粒的粒徑越大且連接性越好，地下水的脆弱性越高。研究區(qū)河漫灘到河流階地，潛水含水層的巖性顆粒逐漸變小，水力傳導(dǎo)系數(shù)相應(yīng)的逐漸變小。

(7)土地利用方式(L)是人類活動(dòng)對(duì)地下水污染的集中途徑，研究區(qū)以旱地為主，農(nóng)業(yè)用地為潛在的面狀污染源，地下水脆弱性最高；研究區(qū)工業(yè)用地中各類工廠工藝產(chǎn)生的“三廢”為地下水的潛在污染源；研究區(qū)城鎮(zhèn)居民生活用地部分做了防滲處理且人口密度較小，在一定程度上減少了地下水的污染。

(8)河流距離(DR)和河流密度(RD)是農(nóng)業(yè)活動(dòng)區(qū)域污染地下水的重要因素，肥料通過(guò)地表水匯向河流再滲入潛水含水層。丘陵距離河流最遠(yuǎn)超過(guò)2 000 m。河流在研究區(qū)東北部分布較密。

利用ArcGIS10.2分別對(duì)每一種指標(biāo)的脆弱性繪制對(duì)應(yīng)的矢量圖，部分結(jié)果見圖2～圖5。

表1 地下水脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

圖2 地下水位埋深(D)分級(jí)圖

圖3 包氣帶介質(zhì)(I)分級(jí)圖

2.2 油田鉆井區(qū)地下水脆弱性評(píng)價(jià)

2.2.1 多重共線性診斷

將研究區(qū)劃分10 000個(gè)單元，建立每個(gè)單元對(duì)應(yīng)于9個(gè)評(píng)價(jià)因子的屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，計(jì)算容差和方差擴(kuò)大因子(VIF)來(lái)評(píng)估本研究中評(píng)價(jià)因子的相關(guān)關(guān)系。容差<0.1和VIF>5則表現(xiàn)出強(qiáng)烈的多重共線性，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知9個(gè)評(píng)價(jià)因子沒(méi)有多重共線性，即沒(méi)有相關(guān)性(表2)。

表2 評(píng)價(jià)因子多重共線性診斷表

2.2.2 主成分因子分析法

主成分因子分析法(PCA)確定研究區(qū)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，可以避免權(quán)重賦值的主觀性強(qiáng)等問(wèn)題[21-23]。SPSS是通過(guò)主成分分析獲取權(quán)重的客觀賦權(quán)法。因子分析法是建立具有密切相關(guān)關(guān)系的典型因子替代大量原始數(shù)據(jù)，從而反映系統(tǒng)要素間的內(nèi)在關(guān)系。根據(jù)上述10 000個(gè)單元，通過(guò)SPSS16.0軟件計(jì)算得出權(quán)系數(shù)，歸一化后得到權(quán)重值(表3)。

表3 脆弱性評(píng)價(jià)方法各指標(biāo)權(quán)重值

圖4 水力傳導(dǎo)系數(shù)(C)分級(jí)圖

圖5 土地利用方式(L)分級(jí)圖

2.2.3 證據(jù)權(quán)重法

表4 評(píng)價(jià)因子層最大權(quán)重值

2.2.4 結(jié)果與討論

上述兩種方法計(jì)算地下水脆弱性評(píng)價(jià)指數(shù)：DI=DwDr+AwAr+SwSr+TwTr+IwIr+CwCr+LwLr+DRwDRr+RDwRDr；式中r和w分別為評(píng)分值和權(quán)重值，DI為脆弱性評(píng)價(jià)綜合指數(shù)。DI值越高，研究區(qū)地下水脆弱性越高，越容易受到污染；反之地下水越不易受到污染[27-31](表5)。通過(guò)ArcGIS10.2繪制地下水脆弱性綜合評(píng)價(jià)圖(圖6～圖7)。利用ROC曲線法評(píng)價(jià)和比較主成分因子分析法和證據(jù)權(quán)重法的結(jié)果(圖8)[32]，主成分因子分析法的AUC值為0.73，證據(jù)權(quán)重法的AUC值為0.80，則證據(jù)權(quán)重法在評(píng)價(jià)研究區(qū)地下水脆弱性時(shí)更精確。

表5 脆弱性評(píng)價(jià)方法各指標(biāo)評(píng)分表

圖6 主成分因子分析法地下水脆弱性評(píng)價(jià)分級(jí)圖

圖7 證據(jù)權(quán)重法地下水脆弱性評(píng)價(jià)分級(jí)圖

圖8 地下水脆弱性評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)性能對(duì)比圖

由證據(jù)權(quán)重法地下水脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果可知，脆弱性以較低、中等、較高為主，其中脆弱性較低的面積占總研究區(qū)的25.57%，主要分布在槽形谷地及一級(jí)階地，地層類型為黃土層、亞砂土，人類活動(dòng)中等，在石油鉆井選址時(shí)，盡量避免人類活動(dòng)集中的區(qū)域，可將鉆井周圍的農(nóng)業(yè)用地變林地，種植植物以減少污染的可能性；脆弱性中等、較高的區(qū)域面積占研究區(qū)的69.85%，集中分布在漫灘及一級(jí)階地，地層類型為砂礫石沖積層及亞砂土，滲透系數(shù)大，含水層埋深淺，人類活動(dòng)較強(qiáng)烈，部分為工業(yè)用地，污染物排放量大，選址時(shí)要認(rèn)真勘查周圍的污染源，并控制其進(jìn)一步的污染，將農(nóng)業(yè)用地改造為林地，在選址位置做好防滲處理。研究區(qū)進(jìn)行油田鉆井選址以鉆前工程井場(chǎng)選址規(guī)劃原則為前提，可優(yōu)先考慮脆弱性低及較低的地區(qū)即研究區(qū)西部及西南部，并采取必要的預(yù)防和治理措施。選址時(shí)需避免地下水脆弱性高的地區(qū)即東北部漫灘，一級(jí)階地，河流及水庫(kù)影響范圍。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)去掉對(duì)地下水脆弱性影響較小的凈補(bǔ)給量(R)，添加土地利用方式(L)、河流距離(DR)及河流密度(RD)，與地下水位埋深(D)、含水層介質(zhì)(A)、土壤介質(zhì)(S)、地形坡度(T)、包氣帶影響(I)和水力傳導(dǎo)系數(shù)(C)共同組成了本次地下水脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，經(jīng)過(guò)多重共線性診斷可知9個(gè)因子不具有相關(guān)性。

(2)選擇主成分因子分析法及證據(jù)權(quán)重法客觀計(jì)算地下水脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，并利用ROC曲線法比較兩種方法的性能，其AUC值分別為0.73和0.80，對(duì)比得出證據(jù)權(quán)重法計(jì)算結(jié)果更精確。

(3)根據(jù)證據(jù)權(quán)重法計(jì)算研究區(qū)地下水脆弱性結(jié)果可知脆弱性較低的面積占總研究區(qū)的25.57%，脆弱性中等、較高的區(qū)域面積占研究區(qū)的69.85%。油田鉆井選址需避免在東北部漫灘、一級(jí)階地、河流及水庫(kù)脆弱性高的地區(qū)，并制定相關(guān)的防治措施。