基于改進(jìn)DRASTIC模型的高氟地區(qū)地下水脆弱性評價

雷 敏，姜紀(jì)沂，孫 磊，龔建師，王赫生，周鍇鍔

(1. 防災(zāi)科技學(xué)院，北京 101601；2.遼寧省礦產(chǎn)勘察院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 100030；3.中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心，江蘇 南京 210016)

氟以微量成分存在于生物體內(nèi)，是維持骨骼正常發(fā)育的重要成分。飲用水中氟含量過低(小于0.5mg/L)或者過高(大于1.0mg/L)都會對身體健康造成影響，長期飲用此類水，會導(dǎo)致骨、齒病變，表現(xiàn)為“氟骨病”、“氟斑牙”等病癥[1]。我國高氟淺層地下水主要分布在華北、西北、東北和黃淮海平原地區(qū)，包含了山東、河北、河南、天津、內(nèi)蒙古等12個省份[2]。地下水是水資源十分重要的組成部分，占全國總資源量的1/3，全國657個城市，超過400個城市將地下水作為非常重要的飲用水水源，且地下水也廣泛的用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)灌溉用水[3-6]。地下水污染具有一定的隱蔽性和難以逆轉(zhuǎn)性。因此，地下水脆弱性評價是地下水污染防治工作的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，通過了解地下水系統(tǒng)本身的自然屬性和人類活動特點對地下水質(zhì)量之間的相互關(guān)系，從而預(yù)測地下水發(fā)生污染的潛在可能性以及污染的嚴(yán)重程度。

目前，國內(nèi)外對地下水脆弱性評價方法應(yīng)用最為廣泛的是1987年Aller等提出的DRASTIC評價方法[7]，該方法的優(yōu)點在于計算模型簡單易懂，能夠定量的分析影響污染物質(zhì)運移的主要水文地質(zhì)參數(shù)，但其評價因子的評分值和各因子的權(quán)重值均為專家賦值，具有局限性。國內(nèi)外學(xué)者針對這一局限性從不同的角度探討改進(jìn)了DRASTIC方法，主要是依據(jù)評價區(qū)不同的水文地質(zhì)條件和人類活動特征對評價方法進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整[8]。如付素蓉、王焰新等結(jié)合我國城市的實際情況，基于改進(jìn)DRASTIC(DRAMIC)模型，對城市地下水污染敏感性進(jìn)行評價分析[9]；Denny運用改進(jìn)的DRASTIC模型(DRASTIC-Fm)對加拿大不列顛哥倫比亞省的海灣地區(qū)進(jìn)行了淺層地下水的脆弱性評價[10]。

淺層地下水作為研究區(qū)重要的供水水源，居民大多使用潛水泵直接抽取淺層地下水做為生活飲用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水。一旦地下水遭受污染，將嚴(yán)重威脅到居民的健康和生活。筆者根據(jù)研究區(qū)的實際情況，對傳統(tǒng)的DRASTIC模型進(jìn)行改進(jìn)，并基于層次分析法獲取評價因子的權(quán)重，對研究區(qū)淺層地下水脆弱性展開評價。

1 評價區(qū)水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于河南省鹿邑縣轄區(qū)內(nèi)，豫皖兩省交界附近，總面積約400km2。該區(qū)屬黃淮平原，淮河第二大支流渦河中游，地勢西北略高，東南偏低，地形總體平坦開闊，但由于古河道交相沉積，黃河多次泛濫淤積，局部形成槽狀和碟狀洼地[11]。區(qū)內(nèi)海拔37～46m，坡比為1/4500～1/6000。評價區(qū)屬大陸性半濕潤季風(fēng)型氣候，春秋干旱，夏熱雨暴，多年平均降雨量為749.4mm，降雨年際間分配不均，7—9月降水集中，降水量占全年的63.3%～65.8%。評價區(qū)土地利用類型主要為農(nóng)業(yè)用地，多分布為耕地。

該地區(qū)淺層地下水賦存于第四系沖積、沖湖積等松散沉積物孔隙中，在剖面上呈串珠式的透鏡體分布，在平面上呈似脈葉狀沉積構(gòu)造特征。含水層巖性為褐黃色、青灰色的粘質(zhì)砂土、粉細(xì)砂和細(xì)砂，局部含中砂。含水層頂板埋深5～15m，底板埋深38～50m，一般具有上細(xì)下粗的“二元結(jié)構(gòu)”或者粗細(xì)相間的“多元結(jié)構(gòu)”。 地下水具有無壓-半承壓性質(zhì)。該層位地下水直接接受大氣降水和地表水的入滲補給，消耗于蒸發(fā)、開采和向河流的排泄。淺層含水層地下水流向自西北向東南，水力坡度為0.012%～0.15%，地下水徑流緩慢。通過野外水樣采集以及室內(nèi)實驗分析可知，研究區(qū)淺層地下水氟含量大于1.0mg/L的水樣數(shù)占采集總水樣數(shù)的54%，氟含量最高值達(dá)2.24mg/L。

2 評價方法

2.1 評價因子體系

根據(jù)研究區(qū)的自然地理、水文地質(zhì)條件以及人類活動特點等實際情況，對傳統(tǒng)的DRASTIC模型進(jìn)行了改進(jìn)：增加了土地利用類型(L)、氟含量(F)兩項評價因子，對于傳統(tǒng)模型中的土壤介質(zhì)(S)和地形坡度(T)兩項評價因子，參考2012年河南省土壤資源數(shù)據(jù)集和1∶5萬鹿邑縣幅地形圖已知研究區(qū)范圍內(nèi)土壤類型均為潮土且地形坡度取值均小于2%，兩項評價因子的空間差異性小，因此本次脆弱性評價不考慮土壤介質(zhì)和地形坡度。最終建立了基于地下水位埋深(D)、含水層的凈補給量(R)、含水層的富水性(A)、包氣帶介質(zhì)類型(I)、含水層累積厚度(C)、土地利用類型(L)、氟含量(F)為評價因子的DRAICLF模型。

(1)地下水位埋深(D)：地下水位埋深決定了污染物質(zhì)進(jìn)入含水層之前與包氣帶介質(zhì)發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)的時間。地下水位埋深值越大，污染物在包氣帶滯留的時間越長，發(fā)生衰減的可能性越大，地下水脆弱性越低[12]。

(2)含水層的凈補給量(R)：通常情況下，補給量越大，其攜帶進(jìn)入含水層的污染物質(zhì)越多，地下水脆弱性越高。本文研究區(qū)淺層地下水凈補給量主要為大氣降水。

(3)含水層的富水性(A)：含水層的富水性能反映地下水對污染物質(zhì)的稀釋能力，當(dāng)?shù)攘康奈廴疚镔|(zhì)進(jìn)入含水層中，富水性強的區(qū)域，稀釋能力強，污染物質(zhì)濃度相對較低，地下水脆弱性低。

(4)包氣帶介質(zhì)類型(I)：包氣帶是污染物質(zhì)進(jìn)入含水層的必經(jīng)之路。其分選性越好、顆粒越細(xì)、粘粒含量越高，滲透性越差，吸附凈化的能力越強，地下水脆弱性越低。本文采用加權(quán)平均法來計算包氣帶介質(zhì)類型評分值：

(1)

式中，IR—包氣帶巖性加權(quán)平均評分值；Ii—包氣帶各巖層巖性的評分值；hi—各巖層的厚度。

(5)含水層累積厚度(C)：含水層的累計厚度表征了含水層的儲水空間的大小，厚度越大，儲水空間越大，地下水對污染物質(zhì)的稀釋能力越高，地下水脆弱性越低。

(6)土地利用類型(L)：土地利用類型可以反映人類活動對地下水質(zhì)量的影響，研究區(qū)內(nèi)土地利用類型主要為耕地、綠地和城鄉(xiāng)居住地。耕地為研究區(qū)主要的土地利用類型，氮肥的使用量較大，對地下水造成污染的可能性越大，地下水脆弱性越高，綠地是人類活動較少的區(qū)域，地下水不易受到人為的污染，其地下水脆弱性較低。

(7)氟含量(F)：評價區(qū)存在高氟原生劣質(zhì)高氟地下水，氟化物的含量越高，地下水的原生水質(zhì)越差，對污染物質(zhì)的接納能力越小，地下水脆弱性越高。

各評價指標(biāo)的評分標(biāo)準(zhǔn)見表1，評分圖如圖1所示。

2.2 指標(biāo)權(quán)重

指標(biāo)權(quán)重表征各指標(biāo)之間的相對重要性，同一個指標(biāo)在不用的區(qū)域?qū)Φ叵滤嗳跣缘挠绊懖煌?。本文采用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，權(quán)重越大，對地下水脆弱性的影響越大，其計算步驟如下：

(1)對各指標(biāo)兩兩之間進(jìn)行比較判斷，建立各指標(biāo)間相對重要的7階判斷矩陣R。

(2)計算判斷矩陣的特征值和特征向量，求出各指標(biāo)的權(quán)重，見表2。

表1 DRAICLF模型評價因子評分標(biāo)準(zhǔn)

圖1 DRAICLF模型各評價因子評分圖

(3)進(jìn)行一致性檢驗，CR=0，判斷矩陣具有較好的一致性，故所得權(quán)重數(shù)分配合理[13-15]。

(2)

表2 層次分析法計算各因子權(quán)重

3 評價結(jié)果及討論

本文應(yīng)用ARCGIS10.2軟件的地理分析功能將各個指標(biāo)的評分矢量圖進(jìn)行圖層疊加，得到各單元的地下水脆弱性評價指數(shù)。利用ArcGIS10.2的數(shù)據(jù)分類功能，選用自然間斷點分級法將評價區(qū)按照地下水脆弱性評價指數(shù)劃分為地下水脆弱性低、較低、中等、高、較高5個評價等級，得到研究區(qū)淺層地下水脆弱性分區(qū)圖，如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，研究區(qū)地下水脆弱性等級主要為中等，占總面積的35.6%；其次是地下水脆弱性等級較低和較高，兩類分布的面積分別約占總面積的22.7%和27.6%；地下水脆弱性等級高的區(qū)域占總面積的8.8%；地下水脆弱性等級低的區(qū)域占總面積的5.3%。

評價區(qū)地下水脆弱性高的區(qū)域主要分布在邱集鄉(xiāng)和玄武鎮(zhèn)附近；地下水脆弱性較高的區(qū)域分布在研究區(qū)西部，鹿邑縣城南部和賈灘鎮(zhèn)北部；地下水脆弱性中等的區(qū)域主要分布在穆店鄉(xiāng)、鳴鹿辦事處以及賈灘鎮(zhèn)附近；地下水脆弱性較低的區(qū)域主要分布在楊湖口鎮(zhèn)和鳴鹿辦事處附近，賈灘鎮(zhèn)、穆店鄉(xiāng)以及趙村鄉(xiāng)周圍零星分布；地下水脆弱性低的區(qū)域最小，多分布在楊湖口鎮(zhèn)周圍。

圖2 研究區(qū)地下水脆弱性等級分區(qū)圖

4 結(jié)語

(1)本文通過分析影響高氟地區(qū)淺層地下水質(zhì)量的因素，在傳統(tǒng)DRASTIC評價體系中增加了氟含量和土地利用類型兩項評價因子，建立了符合高氟地區(qū)實際情況的地下水環(huán)境脆弱性評價模型(DRAICLF模型)，基于層次分析法確定各評價因子的權(quán)重，參考以往經(jīng)驗值結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H條件，重新制定了評價因子評分標(biāo)準(zhǔn)。為高氟地區(qū)地下水環(huán)境脆弱性評價提供了新思路。

(2)利用ARCGIS軟件繪制出研究區(qū)淺層地下水環(huán)境脆弱性評價分區(qū)圖，結(jié)果表明：地下水脆弱性高的區(qū)域，其主要原因是土壤介質(zhì)顆粒較粗，包氣帶綜合巖性為細(xì)砂和粉土，滲透系數(shù)相對較大，有利于污染物質(zhì)向下遷移，加上淺層地下水中的氟含量已經(jīng)超標(biāo)，使得地下水對污染物質(zhì)的容納能力減小，地下水環(huán)境更容易被污染。