大凌河地下水脆弱性評(píng)價(jià)

徐 桐

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

0 引 言

大凌河流域經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)且徑流區(qū)人口比較稠密，商業(yè)貿(mào)易往來頻繁正處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展期，水資源問題在不同生活方式與多重發(fā)展模式下日趨突出[1]。隨著城鎮(zhèn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大、人口數(shù)量的增多和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大凌河水資源緊缺問題日趨突出，尤其是近年來降水量的減少和各行業(yè)用水量的急劇增大，在水資源供給系統(tǒng)中地下水資源的重要性地位日漸顯現(xiàn)。然而，流域水資源的過度開發(fā)利用致使地下水位持續(xù)下降，尤其是地下水開采量大、集中供水的阜新市地區(qū)，經(jīng)過長期的發(fā)展逐漸形成了埋深為12m、面積約為480.56km2的地下水漏斗。另外，地下水受農(nóng)業(yè)施肥、生活污水、工業(yè)廢水等因素影響，水環(huán)境質(zhì)量和承載力水平逐年下降。從不同比例尺的角度許多學(xué)者開展了水文地質(zhì)相關(guān)研究，如1∶2.5萬、1∶10萬、1∶20萬的水文地質(zhì)勘察等，為解決當(dāng)?shù)厮Y源供給緊張、地下水質(zhì)量惡化防治和區(qū)域水量評(píng)價(jià)等提供了決策依據(jù)[2-7]。因此，通過評(píng)價(jià)區(qū)域地下水脆弱性識(shí)別高風(fēng)險(xiǎn)易污染區(qū)，對(duì)于地下水的科學(xué)管理、水環(huán)境保護(hù)及水資源合理開發(fā)利用，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)與水資源的協(xié)調(diào)可持續(xù)等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 地下水脆弱性影響因素

1.1 流域概況

大凌河位于遼寧省西部，流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)增長速度較快且景觀變化劇烈，屬于遼寧省經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要區(qū)域。河流全長398km，占地面積2.38萬km2，河床平均比降0.25%，含沙量57kg/m3，流域內(nèi)主干支流縱橫交錯(cuò)，主要有瓦子峪河、老虎山河、牤牛河、清河、細(xì)河、大定河、涼水河等支流，主脈貫穿遼西、東南匯入渤海[8]。

該流域?qū)儆跍貛Ъ撅L(fēng)氣候，四季分明，冬冷夏熱，日照充足，年均氣溫8.0℃-12.6℃，年降水量在450-600mm之間，受夏季風(fēng)影響年內(nèi)降水量極不均衡，其中60%以上降水集中在6-9月。沿河98%為低山丘陵區(qū)，極少數(shù)部分屬于平原區(qū)，在不同生活方式和多重經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式下河流污染問題更加突出。調(diào)查顯示，流域內(nèi)65%的區(qū)域?yàn)闃O度或嚴(yán)重缺水狀態(tài)且已經(jīng)具有較高的地下水開采利用率，為滿足區(qū)域發(fā)展和各行業(yè)用水需要，流域水資源被過渡開發(fā)利用致使地下水位持續(xù)下降。雖然大凌河水渾濁，總體水質(zhì)較好，但近年來朝陽河段、喀左值凌源河段的水質(zhì)污染情況嚴(yán)重，揮發(fā)酚、BOD5和COD等污染物均大于三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)流域內(nèi)的生態(tài)平衡和水環(huán)境產(chǎn)生極為不利的影響[9]。

流域內(nèi)天然補(bǔ)給量以大氣降水入滲為主，其次為地表水補(bǔ)給，大凌河地下水側(cè)向徑流集中補(bǔ)給主要位于西北、西部邊緣的河谷入口處；而側(cè)向徑流集中排泄段以南部、東部的邊緣河谷出口為主[10]。

1.2 影響因素

地下水脆弱性反映了水系統(tǒng)的自我防護(hù)能力，它是指由于人類活動(dòng)破壞和自然條件變化引起的地下水環(huán)境變化的敏感性。一般地，地下水的易污染性和水環(huán)境脆弱性等效，又可進(jìn)一步分為特殊和固有脆弱性兩類，其中特殊脆弱性與各種污染物受地下水環(huán)境、水動(dòng)力條件、含水層結(jié)構(gòu)、地下水形成、埋藏條件等因素的自我防護(hù)能力相關(guān)，而固有脆弱性主要與下伏含水層、地表水、地形、土壤截止、補(bǔ)給量、飽和帶和包氣帶等因素相關(guān)[11-12]。

2 評(píng)價(jià)方法與指標(biāo)體系

2.1 評(píng)價(jià)方法

目前，模糊數(shù)學(xué)法、統(tǒng)計(jì)分析法、過程數(shù)學(xué)模擬法和迭置指數(shù)法等為地下水脆弱性評(píng)價(jià)的常用方法。其中，統(tǒng)計(jì)分析法和過程數(shù)學(xué)模擬法一般適用于地下水特殊脆弱性評(píng)價(jià)，而固有脆弱性評(píng)價(jià)常用模糊數(shù)學(xué)法，在特殊和固有脆弱性評(píng)價(jià)中迭置指數(shù)法均比較適用。

根據(jù)不同的水文地質(zhì)條件又將迭置指數(shù)法分為參數(shù)系統(tǒng)法和背景參數(shù)法，其中參數(shù)系統(tǒng)法是由美國環(huán)境保護(hù)局提出的一種應(yīng)用最為廣泛的地下水脆弱性評(píng)價(jià)方法，而作為一種標(biāo)準(zhǔn)化的DRASTEC方法在參數(shù)系統(tǒng)法中的推廣和應(yīng)用最為普遍，并在脆弱性評(píng)價(jià)中取得了較好的成效。DRASTIC法是一種采用簡單易行的加權(quán)評(píng)分法，在淺層大面積地下水脆弱性評(píng)價(jià)中具有較強(qiáng)的適用性。

雖然流域覆蓋范圍較大，但流域地下水含水層滲透系數(shù)、包氣帶介質(zhì)、地面坡度、土壤介質(zhì)、含氣層介質(zhì)、凈補(bǔ)給和地下水埋深等均易于確定。因此，本文考慮選用GIS數(shù)據(jù)預(yù)處理平臺(tái)和DRASTIC方法，系統(tǒng)科學(xué)的評(píng)價(jià)大凌河地下水固有脆弱性。

2.2 指標(biāo)體系

1)確定評(píng)價(jià)因子。根據(jù)當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件和水資源評(píng)價(jià)相關(guān)資料，系統(tǒng)分析水環(huán)境各因子之間的相互作用、特征及成因，最終確定7個(gè)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)，即含水層滲透系數(shù)C、包氣帶介質(zhì)I、地面坡度T、土壤介質(zhì)S、含水層介質(zhì)A、凈補(bǔ)給R、地下水埋深D。

2)評(píng)價(jià)模型的建立。根據(jù)大凌河流域地下水埋深相對(duì)較淺的實(shí)際情況，評(píng)價(jià)體系中的包氣帶巖性指標(biāo)與土壤類型指標(biāo)的內(nèi)涵存在一定的重復(fù)部分，而流域內(nèi)地形結(jié)構(gòu)與土地利用布局隨之發(fā)生較為顯著的改變，地下水的脆弱性也會(huì)隨下墊面的改變而發(fā)生變化。因此，本文綜合考慮各影響因子建立評(píng)價(jià)模型，其表達(dá)式如下：

(1)

式中：DRASTIC為地下水脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)值；Ti、wi分別為評(píng)價(jià)因子i的取值及其權(quán)重，基于DRASTIC提供的C、I、T、S、A、R、D各因子的權(quán)重值wi依次為0.12、0.22、0.05、0.09、0.12、0.18、0.22。

2.3 評(píng)價(jià)流程

采用GIS數(shù)據(jù)預(yù)處理平臺(tái)和DRASTIC方法，系統(tǒng)科學(xué)的評(píng)價(jià)大凌河地下水固有脆弱性的主要流程為：①結(jié)合流域內(nèi)水文、氣象、地質(zhì)、地貌、地形等數(shù)據(jù)資料建立評(píng)價(jià)體系；②數(shù)據(jù)預(yù)處理，構(gòu)建評(píng)價(jià)模型；③通過分析評(píng)價(jià)結(jié)果，為水環(huán)境保護(hù)和地下水合理開采利用提供指導(dǎo)，詳細(xì)的評(píng)價(jià)步驟見圖1。

圖1 評(píng)價(jià)流程

1) 根據(jù)流域內(nèi)水文地質(zhì)條件和水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀，確定評(píng)價(jià)目標(biāo)為流域下墊面含水層，研究區(qū)面積為2.38×104km2。

2) 各單項(xiàng)指標(biāo)圖的編制運(yùn)用GIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，然后結(jié)合重要性程度賦予相應(yīng)的屬性值，將研究區(qū)按2km×2km等間距劃分為5952個(gè)基本單元。對(duì)各指標(biāo)系的相應(yīng)圖件和網(wǎng)格剖分圖利用GIS平臺(tái)的空間分析功能進(jìn)行疊加，通過轉(zhuǎn)換計(jì)算確定輸入文件。

根據(jù)如下方法獲取各指標(biāo)至：①根據(jù)枯水年2016年地下水系統(tǒng)監(jiān)測相關(guān)資料提取含水層埋深D，單位為m。②大氣降水入滲為補(bǔ)給流域下墊面地下水的來源，其中80%以上的補(bǔ)給量來源于大氣降水，為便于計(jì)算以大氣降水入滲量的近似值作為凈補(bǔ)給量R，單位為mm。③地形坡度值T的計(jì)算要先利用1∶25萬的地形圖，確定某一范圍內(nèi)的坡度，通過內(nèi)插外延法編制研究區(qū)整個(gè)范圍內(nèi)的地形坡度圖。④含水層滲透系數(shù)C的賦值直接由滲透系數(shù)分布圖確定，單位為m/d。⑤按照表1中的特征值及其級(jí)別確定土壤介質(zhì)S、滲流區(qū)介質(zhì)I和含水層介質(zhì)A。

表1 評(píng)價(jià)因子特征值與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3) 脆弱性指數(shù)DRASTIC是一個(gè)相對(duì)的概念，一般條件下其取值區(qū)間為0-10，流域地下水脆弱性與指數(shù)值呈正相關(guān)性，即脆弱性程度隨指數(shù)值的增大而增高，相對(duì)而言地下水環(huán)境遭受污染的可能性就越大。根據(jù)基于DRASTIC的模型評(píng)價(jià)模型平臺(tái)和以上行程的輸入文件，計(jì)算確定脆弱性評(píng)價(jià)值，然后依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，繪制脆弱性綜合圖并進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，地下水脆弱性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)語，見表2。

表2 地下水脆弱性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)語

3 結(jié)果分析

將流域內(nèi)地下水脆弱性按照評(píng)價(jià)結(jié)果分為3個(gè)級(jí)別，即評(píng)價(jià)結(jié)果為6-7級(jí)的脆弱性略高區(qū)、評(píng)價(jià)結(jié)果為5-6級(jí)的脆弱性稍高區(qū)和評(píng)價(jià)結(jié)果為3-4級(jí)的脆弱性稍低區(qū)，所對(duì)應(yīng)的受污染程度分別為略易污染、稍易污染和稍難污染。

3.1 脆弱性稍低區(qū)

大凌河南部的黃土分布區(qū)為地下水脆弱性稍低區(qū)(Ⅰ區(qū))，覆蓋面積約0.26×104km，包氣帶巖性和地表巖性均為黃土狀粉土、黃土狀粉質(zhì)黏土，透水系數(shù)在3m/s以內(nèi)，水位埋深超過5m，地下水補(bǔ)給強(qiáng)度相對(duì)較弱，凈補(bǔ)給通常在25mm以下。該區(qū)域的地下水透水性弱、包氣帶厚度大，對(duì)于地表污染物的遷移與滲透產(chǎn)生不利影響，含水層導(dǎo)水性能較差而自凈化能力少強(qiáng)，地下水自我防護(hù)能力和抗污染能力較強(qiáng)。

3.2 脆弱性稍高區(qū)

地下水脆弱性稍高區(qū)(Ⅱ區(qū))占地面積1.81×104km，涉及朝陽縣、老虎山河支流、北票市、義縣、錦縣等地，大凌河大部分地區(qū)均屬于該等級(jí)，其地表巖性以粉土、粉質(zhì)黏土和砂為主，包氣帶以細(xì)粉砂、泥質(zhì)中細(xì)砂、細(xì)砂等為主，透水系數(shù)在3-12m/s區(qū)間，水位埋深一般處于3-5m之間，地下水補(bǔ)給相對(duì)較強(qiáng)，凈補(bǔ)給一般超過30mm。包氣帶較強(qiáng)的透水性有助于污染物的遷移和滲透，地下水系統(tǒng)因具有一定的自凈能力而存在較好的防護(hù)功能。

在商業(yè)往來頻繁且人類活動(dòng)比較劇烈的阜新市地區(qū)，水資源供給矛盾和局部地下水過度開采問題突出、工農(nóng)業(yè)相對(duì)發(fā)達(dá)用水量較大，這不僅加快了地下水的更替速度和地下水位的下降速度，而且加快了污染物的遷移和滲透作用。為防止污水灌溉、農(nóng)田施肥、城鎮(zhèn)工業(yè)和生活污水的影響，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該地區(qū)的水資源保護(hù)。

3.3 脆弱性略高區(qū)

大凌河上游及其支流為脆弱性略高區(qū)(Ⅲ區(qū))，如牤牛河、涼水河、老虎山河等支流，涉及面積約0.31×104km。包氣帶和地表巖性分別為含泥細(xì)砂、細(xì)砂、中砂和粉質(zhì)黏土、細(xì)砂，水位埋深一般在3m以下，地下水補(bǔ)給相對(duì)較強(qiáng)，凈補(bǔ)給在30-105mm之間，地下水受地表水的影響出現(xiàn)強(qiáng)烈的交替，較好的透水性有利于污染物的遷移與滲透，地下水相對(duì)略易污染其自我防護(hù)能力差。這些地區(qū)以農(nóng)業(yè)灌溉為主且人口較為密集，為保護(hù)區(qū)域內(nèi)地下水免受污染應(yīng)加強(qiáng)對(duì)污水灌溉、農(nóng)田施肥和生活排污的控制。

4 結(jié) 論

1) 根據(jù)模糊綜合法和DRASTIC方法評(píng)價(jià)結(jié)果，大凌河流域地下水脆弱性以略易污染區(qū)和稍易污染區(qū)為主，由此表明大范圍的地下水污染的可能性較低，為防止地下水污染和保護(hù)地水資源，必須科學(xué)合理的限制地下水開采量。

2) 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)較強(qiáng)且人口相對(duì)密集區(qū)的地下水脆弱性稍高，因此在農(nóng)業(yè)施肥、生活污水和工業(yè)廢水排放方面，應(yīng)結(jié)合脆弱性分析結(jié)果合理布局土地利用、科學(xué)規(guī)劃城市建設(shè)，通過采取有效的預(yù)防措施避免該區(qū)域的地下水受到污染。