基于AHP和DRASTIC模型的紅層區(qū)地下水脆弱性評價(jià)研究
——以衢江中下游流域?yàn)槔?/h1>
2021-10-22 05:56:58張祥武李巨寶姜紀(jì)沂徐亮亮周彤彤
防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報(bào) 2021年3期
張祥武， 李巨寶， 姜紀(jì)沂， 徐亮亮， 周彤彤
(1. 防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201； 2. 河北省地震動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 三河 065201； 3. 中國冶金地質(zhì)總局浙江地質(zhì)勘查院，浙江 衢州 324000)
0 引言
地下水脆弱性指在自然條件變化和人類活動(dòng)影響下地下水遭受污染的風(fēng)險(xiǎn)程度[1]，進(jìn)行地下水脆弱性評價(jià)是為了防止地下水污染，保護(hù)地下水資源以及實(shí)現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)開發(fā)利用[2]。地下水脆弱性定義由國外地質(zhì)學(xué)家Margat于1968年首次提出并被完善后應(yīng)用于實(shí)際研究，應(yīng)用成果較多； 國內(nèi)在這方面的研究始于20世紀(jì)90年代，起步較晚，但發(fā)展迅速，針對地下水脆弱性研究國內(nèi)外有多種評價(jià)方法； 目前應(yīng)用最為廣泛的方法是1987年美國(環(huán)境保護(hù)署)EPA提出的DRASTIC評價(jià)指標(biāo)體系法[3]。
浙江省西部衢江中下游流域位于紅色盆地金衢盆地中部，區(qū)域內(nèi)淺層地下水主要為以各種形式賦存于紅層孔隙中的紅層地下水[4]。受地理位置和氣候因素影響，區(qū)域內(nèi)年降水分配不均，河川源短流急，豐枯相差懸殊，導(dǎo)致飲用水較為短缺[5]。因此，紅層區(qū)地下水成為當(dāng)?shù)刂饕嬘盟畞碓?。近年來隨著區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口增多，需水量急劇增加以及化工企業(yè)和居民日常生活排放污染物增多，使當(dāng)?shù)丶t層區(qū)地下水環(huán)境日益惡化。本文結(jié)合紅層介質(zhì)固有特性采用基于AHP和DRASTIC模型的評價(jià)方法對衢江中下游流域紅層區(qū)地下水固有脆弱性進(jìn)行評價(jià)，以期為當(dāng)?shù)毓┧踩?、生態(tài)文明建設(shè)提供保障，同時(shí)為當(dāng)?shù)丶t層區(qū)地下水資源合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)[6]。
1 研究區(qū)概況
研究區(qū)地處浙江省中部和西部的結(jié)合地帶(金衢盆地中部)，東西寬約45km，南北長約21km，面積約1143km2，屬亞熱帶季風(fēng)型氣候區(qū)，降雨較充沛，但實(shí)際上存在人多水少、水資源時(shí)空分配不均等問題，導(dǎo)致當(dāng)?shù)貙?shí)際飲用水較為短缺，因此區(qū)域紅層區(qū)地下水成為重要飲用水來源。
研究區(qū)地勢起伏較大，總體呈南高北矮中間低的特點(diǎn)。東北部以紅層低山丘陵為主，地形坡度在20°～40°，中部為金衢盆地腹部，地形相對平緩，高程一般在150m以下，南部地形起伏較大。研究區(qū)整體處于衢江河谷平原，漫灘、一級階地上，呈沖積、沖洪積平原地貌。研究區(qū)地層主要發(fā)育中生界白堊系呈上下疊置關(guān)系的衢縣組(K2q)和金華組(K2j)紅層。
研究區(qū)水文地質(zhì)條件較簡單，地下水類型主要為松散巖類孔隙潛水和紅層孔隙裂隙水。其中松散巖類孔隙潛水埋藏于第四系全新統(tǒng)沖積砂、砂礫層中，沿衢江兩岸呈條帶狀分布，含水介質(zhì)上部為粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂，下部為圓礫層，含水層厚度約3.5～7m，水位動(dòng)態(tài)變化較大，富水性中等，單井出水量100～500m3/d不等，地下水位埋深0.5～4.6m，與地表水聯(lián)系密切，主要受大氣降水、地表水補(bǔ)給，順地形向下游徑流，水質(zhì)一般，埋藏淺，易受污染； 紅層孔隙裂隙水主要分布于衢江兩側(cè)階地上，主要賦存在白堊系紅色沉積碎屑巖的層理、節(jié)理裂隙中，含水層巖性主要由衢縣組礫巖及砂礫巖，金華組鈣質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖，中戴組的礫巖及砂礫巖、局部礫砂巖等紅層巖層組成，其中白堊系金華組粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖具溶蝕孔隙，裂隙較發(fā)育，富水性較好，水質(zhì)一般； 白堊系衢縣組、中戴組和侏羅系勞村組的砂礫巖、礫巖含水條件差，水量貧乏，水質(zhì)較好，這類水一般單井涌水量 10～100m3/d，地下水埋深在4.6～9m，主要受松散巖類孔隙潛水和降雨入滲補(bǔ)給，沿裂(溶)隙徑流，主要排泄為當(dāng)?shù)卮迕窳阈情_采。
2 改進(jìn)評價(jià)因子權(quán)重賦值的脆弱性評價(jià)
本文突破傳統(tǒng)的DRASTIC指標(biāo)因子權(quán)重不變的局限性，采用基于AHP的DRASTIC指標(biāo)體系法對區(qū)域內(nèi)紅層區(qū)地下水進(jìn)行脆弱性評價(jià)[7]，過程包括確定評價(jià)因子、計(jì)算評價(jià)因子權(quán)重值、構(gòu)建評分體系及脆弱性評價(jià)四部分。此次評價(jià)中結(jié)合紅層固有特性延續(xù)傳統(tǒng)的DRASTIC體系中地下水位埋深(D)、含水層凈補(bǔ)給量(R)、含水層巖性(A)、土壤介質(zhì)(S)、地形坡度(T)以及包氣帶巖性(I)和水力傳導(dǎo)系數(shù)(C)等7個(gè)評價(jià)因子[8]，其評分值依據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況作出相應(yīng)調(diào)整，針對各個(gè)評價(jià)因子評分后繪制相應(yīng)的評分分區(qū)圖。相應(yīng)評價(jià)因子指標(biāo)權(quán)重值采用層次分析法(AHP)來確定，地下水脆弱性指數(shù)Di的計(jì)算將延續(xù)傳統(tǒng)的評價(jià)因子評分和對應(yīng)權(quán)重值相乘疊加法，見式(1)：
(1)
式中，n=7代表 7個(gè)評價(jià)指標(biāo)；Wi表示各個(gè)評價(jià)因子的權(quán)重值；Ri表示每個(gè)評價(jià)指標(biāo)的評分值[9]。
2.1 評價(jià)因子權(quán)重賦值改進(jìn)原理
本文評價(jià)指標(biāo)因子的權(quán)重值由層次分析法[10]所確定，見式(2)。其具體步驟包括：
(1)將選取的7個(gè)評價(jià)因子每兩個(gè)進(jìn)行分析比較，構(gòu)建評價(jià)因子相對重要性的7階判斷矩陣Rij，Rij中各元素對應(yīng)評價(jià)因子Ri相對于Rj的重要性標(biāo)度。
表 1 層次分析法計(jì)算各因子權(quán)重Tab.1 The weight of each factor is calculated by analytic hierarchy process
(3)對所得結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，算得判斷矩陣的最大特征值根λmax=7，其平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI=0.82，一致性指標(biāo)值CR=0，因此證明所構(gòu)建的判斷矩陣一致性比較好[3，11]。
(2)
2.2 評價(jià)因子評分體系
各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)評分充分參考了文獻(xiàn)[12]中對評價(jià)因子評分的規(guī)定，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況構(gòu)建適合評價(jià)區(qū)的評分體系(表 2)，各評價(jià)因子評分圖見圖 1，分布特征如下：
表 2 DRASTIC法評價(jià)指標(biāo)評分Tab.2 Scoring criteria of drastic evaluation index
(1)地下水位埋深
地下水位埋深是影響淺層地下水防污性能的一個(gè)重要指標(biāo)，對污染因子進(jìn)入地下水的時(shí)間長短有直接影響，通常地下水埋藏深度越淺，污染物亦越容易污染淺層地下水[13]。
研究區(qū)淺層地下水主要為第四系松散巖土類孔隙水和紅層風(fēng)化孔隙裂隙水，地下水位埋深在0～9m，總體埋深較淺。其中第四系松散巖類孔隙水埋深在0～4.6m，呈西南-東北逐漸增大趨勢； 紅層風(fēng)化孔隙裂隙水埋深相對較深，埋深在4.6～9m。地下水位埋深因子評分值為10、9、7。
(2)含水層凈補(bǔ)給量
含水層凈補(bǔ)給量通常包括降雨入滲補(bǔ)給量和灌溉入滲補(bǔ)給量兩部分[14]。降雨入滲對淺層地下水的防污性能的影響有雙面性，一方面降雨入滲時(shí)可以攜帶污染因子，補(bǔ)給量越大，對污染因子的遷移量就越多，對淺層地下水的污染影響就越大[15]； 另一方面，降雨入滲時(shí)會(huì)稀釋污染物濃度，就此而言，補(bǔ)給量越大，對污染因子的稀釋程度亦越大，會(huì)很大程度降低淺層地下水的污染[16]。
研究區(qū)淺層地下水埋深較淺，包氣帶巖性以砂類土、紅色粉砂巖、砂礫巖為主，易于大氣降雨入滲補(bǔ)給淺層地下水； 除此之外，研究區(qū)農(nóng)作物以水稻為主，故在計(jì)算凈補(bǔ)給量因子時(shí)需充分考慮灌溉入滲量。結(jié)合各方面因素綜合計(jì)算，研究區(qū)凈補(bǔ)給量在114～261mm·a-1。賦予評分值為9、8、6。
(3)含水層介質(zhì)
含水層介質(zhì)對淺層含水層的水流系統(tǒng)的影響不容忽視，通常含水層巖性的顆粒越大，即淺層含水層的滲透能力也越大，代表含水層對污染因子的稀釋能力就越小，則污染因子對淺層含水層的潛在危害就越大，即地下水脆弱性越強(qiáng)[17]。
研究區(qū)處于典型的紅層區(qū)，含水層巖性主要為白堊系衢縣組、金華組紫紅色粉砂巖、砂巖，對應(yīng)評分概化為5、3，在靠近衢江主河道兩側(cè)區(qū)域含水層巖性為第四系沉積物卵礫石、砂礫石以及細(xì)砂，相應(yīng)評分為10、8。
(4)土壤介質(zhì)
土壤介質(zhì)通常代表平均厚度距離地表小于2m的風(fēng)化層，其作用是可以吸附部分隨降雨入滲的污染因子，可以凈化一部分污染物。正常情況下，土壤層的自凈能力和顆粒尺寸呈反比關(guān)系，顆粒尺寸越大，土壤層的自凈能力就越差，其脆弱性亦越強(qiáng)[18]。
通過對研究區(qū)的紅層土樣做粒度分析實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)土樣平均粒度直徑為8.19mm，粉砂含量最高，平均含量約占43.98%； 其次為黏土，平均含量為42.58%； 細(xì)砂平均含量為11.96%，中砂平均含量為1.8%，粗砂平均含量最低，為0.13%，賦予其評分值為9、7、4、2。
(5)地形坡度
在一定方面地形坡度可以影響污染因子在地表滯留的時(shí)間跨度[19]。
參考DRASTIC指標(biāo)體系法中關(guān)于地形坡度的劃分標(biāo)準(zhǔn)可將評價(jià)區(qū)劃分為5個(gè)級別。評價(jià)區(qū)地勢起伏較大，總體呈南高北矮中間低的特點(diǎn)。南北部以低山丘陵為主，地勢較低，局部區(qū)域地形坡度在20°～40°； 中部為金衢盆地腹部，地形較平緩，相對切割較淺，坡度較??； 其余部位地形坡度在2°～18°。對應(yīng)評分為10、9、5、3、1。
(6)包氣帶巖性
包氣帶通常指的是地面以下潛水面以上，大氣水和地表水同地下水發(fā)生聯(lián)系和水分交換的地帶，同時(shí)也稱之為非飽和帶[20]，具有吸收水分、保持水分、傳遞水分的能力。包氣帶內(nèi)可發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)可以加快或減慢污染物的衰減，與土壤介質(zhì)相似，土壤顆粒越粗，孔隙越大，污染物通過的可能性就越大，相應(yīng)的脆弱性就越高[21，22]。
研究區(qū)在衢江主河道兩側(cè)包氣帶巖性為第四系松散砂礫石、砂土以及紫紅色粉質(zhì)黏土，顆粒較粗，有效孔隙度較大，易于污染物下滲，對應(yīng)評分為7、4、2； 其他區(qū)域包氣帶巖性為紅層風(fēng)化碎屑物，為白堊系紫紅色砂巖粉砂巖，相應(yīng)評分值為9。
(7)含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)
含水層的水力傳輸能力通常可以由水力傳導(dǎo)系數(shù)來直觀表示，含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)在一定意義上表示淺層地下水在一定水力梯度下的流動(dòng)速率，進(jìn)而又間接影響污染因子在含水層內(nèi)的遷移速度[23]。研究區(qū)受紅層含水介質(zhì)以及地形坡度影響研究區(qū)含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)總體較小[24]，相應(yīng)評分為4、2、1。
3 評價(jià)結(jié)果及討論
3.1 紅層區(qū)地下水脆弱性評價(jià)結(jié)果
結(jié)合各項(xiàng)指標(biāo)因子評分和基于AHP求得的各項(xiàng)指標(biāo)因子權(quán)重標(biāo)度[25]，利用DRASTIC模型計(jì)算公式和GIS空間分析技術(shù)對區(qū)域紅層區(qū)地下水脆弱性進(jìn)行計(jì)算評價(jià)，得到研究區(qū)浙江西部(金衢盆地中部)衢江中下游地區(qū)紅層區(qū)地下水脆弱性評價(jià)結(jié)果分區(qū)圖(圖 2)，結(jié)果顯示：
圖 2 評價(jià)區(qū)淺層地下水脆弱性分區(qū)圖Fig.2 Vulnerability zoning of shallow groundwater in the assessment area
(1)評價(jià)區(qū)紅層區(qū)地下水脆弱性總體呈中等-較高水平，約占區(qū)域總面積的82%。
(2)東北部塔石鎮(zhèn)、湖鎮(zhèn)以及小南海鎮(zhèn)一帶受淺層地下水埋深較深、凈補(bǔ)給量和滲透系數(shù)較小等水文地質(zhì)條件的影響，地下水脆弱性低，防污性能較強(qiáng)，地下水不易受到污染。
(3)衢縣變電所、甘里鎮(zhèn)以北、大洲鎮(zhèn)東部以及蓮花鎮(zhèn)西南側(cè)一帶地下水埋深相對較大，土壤介質(zhì)以紅層粉土和黏土為主，對污染物的遷移有一定阻礙，其淺層地下水不易受到污染，脆弱性中等。
圖 3 評價(jià)區(qū)淺層地下水污染現(xiàn)狀Fig.3 Pollution status of shallow groundwater in the evaluation area
(4)甘里鎮(zhèn)南側(cè)、高家鎮(zhèn)以及蓮花鎮(zhèn)西北側(cè)區(qū)域受地下水埋深較小、含水層介質(zhì)為第四系礫石和卵礫石等綜合影響，污染物較易遷移至含水層，地下水脆弱性較高，防污性能較差，其淺層地下水較易被污染。
(5)沿長澤街、衢州市市區(qū)以及樟潭鎮(zhèn)東北-西南方向主要分布于衢江主河道沿岸，地下水埋深淺，凈補(bǔ)給量大，其淺層地下水除了受降雨入滲補(bǔ)給外還受到河水入滲補(bǔ)給，含水層介質(zhì)主要為卵礫石和砂礫石，包氣帶巖性多為砂礫石，污染物容易滲入含水層，該區(qū)域內(nèi)淺層地下水防污性能較弱，脆弱性高，極易受到污染影響。
3.2 評價(jià)結(jié)果與區(qū)域地下水污染現(xiàn)狀對比
對區(qū)域內(nèi)紅層區(qū)地下水60組水樣選取pH值、氟化物、耗氧量、溶解性總固體、氨氮(以N計(jì))、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、總硬度、硫酸鹽、氯化物、鋅、鐵、錳、鈉、鋁、鋇等16項(xiàng)指標(biāo)采用內(nèi)梅羅指數(shù)法[4]結(jié)合《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-2017)對區(qū)域內(nèi)紅層區(qū)地下水質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)紅層區(qū)地下水脆弱性評價(jià)結(jié)果與地下水污染現(xiàn)狀基本符合(圖 3)，主要體現(xiàn)在如下幾點(diǎn)：
(1)在評價(jià)區(qū)地下水脆弱性較高-高地區(qū)地下水水質(zhì)較差，在衢州市區(qū)長澤街、樟潭鎮(zhèn)一帶大部分區(qū)域未達(dá)到國家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，在高家鎮(zhèn)上窯村北部一帶少數(shù)村莊達(dá)到國家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ、Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)； 主要受地下水埋深較淺、包氣帶巖性為紅層風(fēng)化碎屑物(白堊系紫紅色砂巖粉砂巖)以及含水層巖性為砂礫石等紅層介質(zhì)影響，地下水防污性能較弱，加之區(qū)內(nèi)農(nóng)村居民環(huán)境衛(wèi)生意識淡薄，生活污水、農(nóng)田肥料等隨降雨入滲易進(jìn)入淺層含水層，致使水質(zhì)變差。
(2)在評價(jià)區(qū)地下水中等及低脆弱性區(qū)域水質(zhì)檢測結(jié)果較好，均達(dá)到國家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，主要分布于蓮花鎮(zhèn)、塔石鎮(zhèn)、小南海鎮(zhèn)以及衢州市區(qū)衢縣變電所一帶，該區(qū)域由于地處山區(qū)前緣地帶，地下水徑流交替強(qiáng)烈，地下水天然條件防污性能較好，受區(qū)域內(nèi)居民較少影響，淺層地下水潛在污染源不明顯，從而紅層淺層地下水水質(zhì)較好，可作為居民生活飲用水。
4 結(jié)論
本文利用AHP、DRASTIC模型結(jié)合GIS空間分析功能對衢江中下游地區(qū)紅層區(qū)地下水進(jìn)行脆弱性評價(jià)，結(jié)合區(qū)域地下水污染現(xiàn)狀半定量分析了評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，主要結(jié)論如下：
(1)對紅色盆地金衢盆地中部衢江中下游流域紅層區(qū)地下水進(jìn)行脆弱性研究，采用AHP確定評價(jià)因子的權(quán)重值結(jié)合紅層區(qū)特有的紅層特性對評價(jià)因子評分標(biāo)準(zhǔn)作出了相應(yīng)調(diào)整。
(2)利用MapGis6.7軟件繪制紅層區(qū)地下水脆弱性評價(jià)分區(qū)圖，發(fā)現(xiàn)評價(jià)區(qū)紅層地下水脆弱性總體呈中等-較高水平，主要受淺層地下水埋深和紅層含水介質(zhì)影響較大，分布于地下水埋深較淺地區(qū)和包氣帶巖性為紅層風(fēng)化碎屑物(白堊系紅色砂巖粉砂巖)地區(qū)，淺層地下水易遭受污染。
(3)評價(jià)區(qū)紅層地下水脆弱性評價(jià)結(jié)果與淺層地下水污染現(xiàn)狀基本相符，在評價(jià)區(qū)淺層地下水脆弱性較高-高區(qū)域，其淺層地下水普遍污染較嚴(yán)重，大部分地區(qū)未達(dá)到國家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，在低脆弱性地區(qū)，淺層地下水質(zhì)量普遍較好，均達(dá)到國家地下水質(zhì)量Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，部分村莊可達(dá)Ⅰ、Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。
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0 引言
地下水脆弱性指在自然條件變化和人類活動(dòng)影響下地下水遭受污染的風(fēng)險(xiǎn)程度[1]，進(jìn)行地下水脆弱性評價(jià)是為了防止地下水污染，保護(hù)地下水資源以及實(shí)現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)開發(fā)利用[2]。地下水脆弱性定義由國外地質(zhì)學(xué)家Margat于1968年首次提出并被完善后應(yīng)用于實(shí)際研究，應(yīng)用成果較多； 國內(nèi)在這方面的研究始于20世紀(jì)90年代，起步較晚，但發(fā)展迅速，針對地下水脆弱性研究國內(nèi)外有多種評價(jià)方法； 目前應(yīng)用最為廣泛的方法是1987年美國(環(huán)境保護(hù)署)EPA提出的DRASTIC評價(jià)指標(biāo)體系法[3]。
浙江省西部衢江中下游流域位于紅色盆地金衢盆地中部，區(qū)域內(nèi)淺層地下水主要為以各種形式賦存于紅層孔隙中的紅層地下水[4]。受地理位置和氣候因素影響，區(qū)域內(nèi)年降水分配不均，河川源短流急，豐枯相差懸殊，導(dǎo)致飲用水較為短缺[5]。因此，紅層區(qū)地下水成為當(dāng)?shù)刂饕嬘盟畞碓?。近年來隨著區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口增多，需水量急劇增加以及化工企業(yè)和居民日常生活排放污染物增多，使當(dāng)?shù)丶t層區(qū)地下水環(huán)境日益惡化。本文結(jié)合紅層介質(zhì)固有特性采用基于AHP和DRASTIC模型的評價(jià)方法對衢江中下游流域紅層區(qū)地下水固有脆弱性進(jìn)行評價(jià)，以期為當(dāng)?shù)毓┧踩?、生態(tài)文明建設(shè)提供保障，同時(shí)為當(dāng)?shù)丶t層區(qū)地下水資源合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)[6]。
1 研究區(qū)概況
研究區(qū)地處浙江省中部和西部的結(jié)合地帶(金衢盆地中部)，東西寬約45km，南北長約21km，面積約1143km2，屬亞熱帶季風(fēng)型氣候區(qū)，降雨較充沛，但實(shí)際上存在人多水少、水資源時(shí)空分配不均等問題，導(dǎo)致當(dāng)?shù)貙?shí)際飲用水較為短缺，因此區(qū)域紅層區(qū)地下水成為重要飲用水來源。
研究區(qū)地勢起伏較大，總體呈南高北矮中間低的特點(diǎn)。東北部以紅層低山丘陵為主，地形坡度在20°～40°，中部為金衢盆地腹部，地形相對平緩，高程一般在150m以下，南部地形起伏較大。研究區(qū)整體處于衢江河谷平原，漫灘、一級階地上，呈沖積、沖洪積平原地貌。研究區(qū)地層主要發(fā)育中生界白堊系呈上下疊置關(guān)系的衢縣組(K2q)和金華組(K2j)紅層。
研究區(qū)水文地質(zhì)條件較簡單，地下水類型主要為松散巖類孔隙潛水和紅層孔隙裂隙水。其中松散巖類孔隙潛水埋藏于第四系全新統(tǒng)沖積砂、砂礫層中，沿衢江兩岸呈條帶狀分布，含水介質(zhì)上部為粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂，下部為圓礫層，含水層厚度約3.5～7m，水位動(dòng)態(tài)變化較大，富水性中等，單井出水量100～500m3/d不等，地下水位埋深0.5～4.6m，與地表水聯(lián)系密切，主要受大氣降水、地表水補(bǔ)給，順地形向下游徑流，水質(zhì)一般，埋藏淺，易受污染； 紅層孔隙裂隙水主要分布于衢江兩側(cè)階地上，主要賦存在白堊系紅色沉積碎屑巖的層理、節(jié)理裂隙中，含水層巖性主要由衢縣組礫巖及砂礫巖，金華組鈣質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖，中戴組的礫巖及砂礫巖、局部礫砂巖等紅層巖層組成，其中白堊系金華組粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖具溶蝕孔隙，裂隙較發(fā)育，富水性較好，水質(zhì)一般； 白堊系衢縣組、中戴組和侏羅系勞村組的砂礫巖、礫巖含水條件差，水量貧乏，水質(zhì)較好，這類水一般單井涌水量 10～100m3/d，地下水埋深在4.6～9m，主要受松散巖類孔隙潛水和降雨入滲補(bǔ)給，沿裂(溶)隙徑流，主要排泄為當(dāng)?shù)卮迕窳阈情_采。
2 改進(jìn)評價(jià)因子權(quán)重賦值的脆弱性評價(jià)
本文突破傳統(tǒng)的DRASTIC指標(biāo)因子權(quán)重不變的局限性，采用基于AHP的DRASTIC指標(biāo)體系法對區(qū)域內(nèi)紅層區(qū)地下水進(jìn)行脆弱性評價(jià)[7]，過程包括確定評價(jià)因子、計(jì)算評價(jià)因子權(quán)重值、構(gòu)建評分體系及脆弱性評價(jià)四部分。此次評價(jià)中結(jié)合紅層固有特性延續(xù)傳統(tǒng)的DRASTIC體系中地下水位埋深(D)、含水層凈補(bǔ)給量(R)、含水層巖性(A)、土壤介質(zhì)(S)、地形坡度(T)以及包氣帶巖性(I)和水力傳導(dǎo)系數(shù)(C)等7個(gè)評價(jià)因子[8]，其評分值依據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況作出相應(yīng)調(diào)整，針對各個(gè)評價(jià)因子評分后繪制相應(yīng)的評分分區(qū)圖。相應(yīng)評價(jià)因子指標(biāo)權(quán)重值采用層次分析法(AHP)來確定，地下水脆弱性指數(shù)Di的計(jì)算將延續(xù)傳統(tǒng)的評價(jià)因子評分和對應(yīng)權(quán)重值相乘疊加法，見式(1)：
(1)
式中，n=7代表 7個(gè)評價(jià)指標(biāo)；Wi表示各個(gè)評價(jià)因子的權(quán)重值；Ri表示每個(gè)評價(jià)指標(biāo)的評分值[9]。
2.1 評價(jià)因子權(quán)重賦值改進(jìn)原理
本文評價(jià)指標(biāo)因子的權(quán)重值由層次分析法[10]所確定，見式(2)。其具體步驟包括：
(1)將選取的7個(gè)評價(jià)因子每兩個(gè)進(jìn)行分析比較，構(gòu)建評價(jià)因子相對重要性的7階判斷矩陣Rij，Rij中各元素對應(yīng)評價(jià)因子Ri相對于Rj的重要性標(biāo)度。
表 1 層次分析法計(jì)算各因子權(quán)重Tab.1 The weight of each factor is calculated by analytic hierarchy process
(3)對所得結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，算得判斷矩陣的最大特征值根λmax=7，其平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI=0.82，一致性指標(biāo)值CR=0，因此證明所構(gòu)建的判斷矩陣一致性比較好[3，11]。
(2)
2.2 評價(jià)因子評分體系
各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)評分充分參考了文獻(xiàn)[12]中對評價(jià)因子評分的規(guī)定，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況構(gòu)建適合評價(jià)區(qū)的評分體系(表 2)，各評價(jià)因子評分圖見圖 1，分布特征如下：
表 2 DRASTIC法評價(jià)指標(biāo)評分Tab.2 Scoring criteria of drastic evaluation index
(1)地下水位埋深
地下水位埋深是影響淺層地下水防污性能的一個(gè)重要指標(biāo)，對污染因子進(jìn)入地下水的時(shí)間長短有直接影響，通常地下水埋藏深度越淺，污染物亦越容易污染淺層地下水[13]。
研究區(qū)淺層地下水主要為第四系松散巖土類孔隙水和紅層風(fēng)化孔隙裂隙水，地下水位埋深在0～9m，總體埋深較淺。其中第四系松散巖類孔隙水埋深在0～4.6m，呈西南-東北逐漸增大趨勢； 紅層風(fēng)化孔隙裂隙水埋深相對較深，埋深在4.6～9m。地下水位埋深因子評分值為10、9、7。
(2)含水層凈補(bǔ)給量
含水層凈補(bǔ)給量通常包括降雨入滲補(bǔ)給量和灌溉入滲補(bǔ)給量兩部分[14]。降雨入滲對淺層地下水的防污性能的影響有雙面性，一方面降雨入滲時(shí)可以攜帶污染因子，補(bǔ)給量越大，對污染因子的遷移量就越多，對淺層地下水的污染影響就越大[15]； 另一方面，降雨入滲時(shí)會(huì)稀釋污染物濃度，就此而言，補(bǔ)給量越大，對污染因子的稀釋程度亦越大，會(huì)很大程度降低淺層地下水的污染[16]。
研究區(qū)淺層地下水埋深較淺，包氣帶巖性以砂類土、紅色粉砂巖、砂礫巖為主，易于大氣降雨入滲補(bǔ)給淺層地下水； 除此之外，研究區(qū)農(nóng)作物以水稻為主，故在計(jì)算凈補(bǔ)給量因子時(shí)需充分考慮灌溉入滲量。結(jié)合各方面因素綜合計(jì)算，研究區(qū)凈補(bǔ)給量在114～261mm·a-1。賦予評分值為9、8、6。
(3)含水層介質(zhì)
含水層介質(zhì)對淺層含水層的水流系統(tǒng)的影響不容忽視，通常含水層巖性的顆粒越大，即淺層含水層的滲透能力也越大，代表含水層對污染因子的稀釋能力就越小，則污染因子對淺層含水層的潛在危害就越大，即地下水脆弱性越強(qiáng)[17]。
研究區(qū)處于典型的紅層區(qū)，含水層巖性主要為白堊系衢縣組、金華組紫紅色粉砂巖、砂巖，對應(yīng)評分概化為5、3，在靠近衢江主河道兩側(cè)區(qū)域含水層巖性為第四系沉積物卵礫石、砂礫石以及細(xì)砂，相應(yīng)評分為10、8。
(4)土壤介質(zhì)
土壤介質(zhì)通常代表平均厚度距離地表小于2m的風(fēng)化層，其作用是可以吸附部分隨降雨入滲的污染因子，可以凈化一部分污染物。正常情況下，土壤層的自凈能力和顆粒尺寸呈反比關(guān)系，顆粒尺寸越大，土壤層的自凈能力就越差，其脆弱性亦越強(qiáng)[18]。
通過對研究區(qū)的紅層土樣做粒度分析實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)土樣平均粒度直徑為8.19mm，粉砂含量最高，平均含量約占43.98%； 其次為黏土，平均含量為42.58%； 細(xì)砂平均含量為11.96%，中砂平均含量為1.8%，粗砂平均含量最低，為0.13%，賦予其評分值為9、7、4、2。
(5)地形坡度
在一定方面地形坡度可以影響污染因子在地表滯留的時(shí)間跨度[19]。
參考DRASTIC指標(biāo)體系法中關(guān)于地形坡度的劃分標(biāo)準(zhǔn)可將評價(jià)區(qū)劃分為5個(gè)級別。評價(jià)區(qū)地勢起伏較大，總體呈南高北矮中間低的特點(diǎn)。南北部以低山丘陵為主，地勢較低，局部區(qū)域地形坡度在20°～40°； 中部為金衢盆地腹部，地形較平緩，相對切割較淺，坡度較??； 其余部位地形坡度在2°～18°。對應(yīng)評分為10、9、5、3、1。
(6)包氣帶巖性
包氣帶通常指的是地面以下潛水面以上，大氣水和地表水同地下水發(fā)生聯(lián)系和水分交換的地帶，同時(shí)也稱之為非飽和帶[20]，具有吸收水分、保持水分、傳遞水分的能力。包氣帶內(nèi)可發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)可以加快或減慢污染物的衰減，與土壤介質(zhì)相似，土壤顆粒越粗，孔隙越大，污染物通過的可能性就越大，相應(yīng)的脆弱性就越高[21，22]。
研究區(qū)在衢江主河道兩側(cè)包氣帶巖性為第四系松散砂礫石、砂土以及紫紅色粉質(zhì)黏土，顆粒較粗，有效孔隙度較大，易于污染物下滲，對應(yīng)評分為7、4、2； 其他區(qū)域包氣帶巖性為紅層風(fēng)化碎屑物，為白堊系紫紅色砂巖粉砂巖，相應(yīng)評分值為9。
(7)含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)
含水層的水力傳輸能力通常可以由水力傳導(dǎo)系數(shù)來直觀表示，含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)在一定意義上表示淺層地下水在一定水力梯度下的流動(dòng)速率，進(jìn)而又間接影響污染因子在含水層內(nèi)的遷移速度[23]。研究區(qū)受紅層含水介質(zhì)以及地形坡度影響研究區(qū)含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)總體較小[24]，相應(yīng)評分為4、2、1。
3 評價(jià)結(jié)果及討論
3.1 紅層區(qū)地下水脆弱性評價(jià)結(jié)果
結(jié)合各項(xiàng)指標(biāo)因子評分和基于AHP求得的各項(xiàng)指標(biāo)因子權(quán)重標(biāo)度[25]，利用DRASTIC模型計(jì)算公式和GIS空間分析技術(shù)對區(qū)域紅層區(qū)地下水脆弱性進(jìn)行計(jì)算評價(jià)，得到研究區(qū)浙江西部(金衢盆地中部)衢江中下游地區(qū)紅層區(qū)地下水脆弱性評價(jià)結(jié)果分區(qū)圖(圖 2)，結(jié)果顯示：
圖 2 評價(jià)區(qū)淺層地下水脆弱性分區(qū)圖Fig.2 Vulnerability zoning of shallow groundwater in the assessment area
(1)評價(jià)區(qū)紅層區(qū)地下水脆弱性總體呈中等-較高水平，約占區(qū)域總面積的82%。
(2)東北部塔石鎮(zhèn)、湖鎮(zhèn)以及小南海鎮(zhèn)一帶受淺層地下水埋深較深、凈補(bǔ)給量和滲透系數(shù)較小等水文地質(zhì)條件的影響，地下水脆弱性低，防污性能較強(qiáng)，地下水不易受到污染。
(3)衢縣變電所、甘里鎮(zhèn)以北、大洲鎮(zhèn)東部以及蓮花鎮(zhèn)西南側(cè)一帶地下水埋深相對較大，土壤介質(zhì)以紅層粉土和黏土為主，對污染物的遷移有一定阻礙，其淺層地下水不易受到污染，脆弱性中等。
圖 3 評價(jià)區(qū)淺層地下水污染現(xiàn)狀Fig.3 Pollution status of shallow groundwater in the evaluation area
(4)甘里鎮(zhèn)南側(cè)、高家鎮(zhèn)以及蓮花鎮(zhèn)西北側(cè)區(qū)域受地下水埋深較小、含水層介質(zhì)為第四系礫石和卵礫石等綜合影響，污染物較易遷移至含水層，地下水脆弱性較高，防污性能較差，其淺層地下水較易被污染。
(5)沿長澤街、衢州市市區(qū)以及樟潭鎮(zhèn)東北-西南方向主要分布于衢江主河道沿岸，地下水埋深淺，凈補(bǔ)給量大，其淺層地下水除了受降雨入滲補(bǔ)給外還受到河水入滲補(bǔ)給，含水層介質(zhì)主要為卵礫石和砂礫石，包氣帶巖性多為砂礫石，污染物容易滲入含水層，該區(qū)域內(nèi)淺層地下水防污性能較弱，脆弱性高，極易受到污染影響。
3.2 評價(jià)結(jié)果與區(qū)域地下水污染現(xiàn)狀對比
對區(qū)域內(nèi)紅層區(qū)地下水60組水樣選取pH值、氟化物、耗氧量、溶解性總固體、氨氮(以N計(jì))、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、總硬度、硫酸鹽、氯化物、鋅、鐵、錳、鈉、鋁、鋇等16項(xiàng)指標(biāo)采用內(nèi)梅羅指數(shù)法[4]結(jié)合《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-2017)對區(qū)域內(nèi)紅層區(qū)地下水質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)紅層區(qū)地下水脆弱性評價(jià)結(jié)果與地下水污染現(xiàn)狀基本符合(圖 3)，主要體現(xiàn)在如下幾點(diǎn)：
(1)在評價(jià)區(qū)地下水脆弱性較高-高地區(qū)地下水水質(zhì)較差，在衢州市區(qū)長澤街、樟潭鎮(zhèn)一帶大部分區(qū)域未達(dá)到國家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，在高家鎮(zhèn)上窯村北部一帶少數(shù)村莊達(dá)到國家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ、Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)； 主要受地下水埋深較淺、包氣帶巖性為紅層風(fēng)化碎屑物(白堊系紫紅色砂巖粉砂巖)以及含水層巖性為砂礫石等紅層介質(zhì)影響，地下水防污性能較弱，加之區(qū)內(nèi)農(nóng)村居民環(huán)境衛(wèi)生意識淡薄，生活污水、農(nóng)田肥料等隨降雨入滲易進(jìn)入淺層含水層，致使水質(zhì)變差。
(2)在評價(jià)區(qū)地下水中等及低脆弱性區(qū)域水質(zhì)檢測結(jié)果較好，均達(dá)到國家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，主要分布于蓮花鎮(zhèn)、塔石鎮(zhèn)、小南海鎮(zhèn)以及衢州市區(qū)衢縣變電所一帶，該區(qū)域由于地處山區(qū)前緣地帶，地下水徑流交替強(qiáng)烈，地下水天然條件防污性能較好，受區(qū)域內(nèi)居民較少影響，淺層地下水潛在污染源不明顯，從而紅層淺層地下水水質(zhì)較好，可作為居民生活飲用水。
4 結(jié)論
本文利用AHP、DRASTIC模型結(jié)合GIS空間分析功能對衢江中下游地區(qū)紅層區(qū)地下水進(jìn)行脆弱性評價(jià)，結(jié)合區(qū)域地下水污染現(xiàn)狀半定量分析了評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，主要結(jié)論如下：
(1)對紅色盆地金衢盆地中部衢江中下游流域紅層區(qū)地下水進(jìn)行脆弱性研究，采用AHP確定評價(jià)因子的權(quán)重值結(jié)合紅層區(qū)特有的紅層特性對評價(jià)因子評分標(biāo)準(zhǔn)作出了相應(yīng)調(diào)整。
(2)利用MapGis6.7軟件繪制紅層區(qū)地下水脆弱性評價(jià)分區(qū)圖，發(fā)現(xiàn)評價(jià)區(qū)紅層地下水脆弱性總體呈中等-較高水平，主要受淺層地下水埋深和紅層含水介質(zhì)影響較大，分布于地下水埋深較淺地區(qū)和包氣帶巖性為紅層風(fēng)化碎屑物(白堊系紅色砂巖粉砂巖)地區(qū)，淺層地下水易遭受污染。
(3)評價(jià)區(qū)紅層地下水脆弱性評價(jià)結(jié)果與淺層地下水污染現(xiàn)狀基本相符，在評價(jià)區(qū)淺層地下水脆弱性較高-高區(qū)域，其淺層地下水普遍污染較嚴(yán)重，大部分地區(qū)未達(dá)到國家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，在低脆弱性地區(qū)，淺層地下水質(zhì)量普遍較好，均達(dá)到國家地下水質(zhì)量Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，部分村莊可達(dá)Ⅰ、Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。
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