鄭州市中心城區(qū)淺層地下水脆弱性評(píng)價(jià)

吳冰華，郭曉靜，賈秀閣，郭 林，唐 輝，劉沙沙

（1. 河南省地質(zhì)科學(xué)研究所，河南 鄭州 450001；2. 河南省地下水污染防治與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001；3. 河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州 450001；4. 河南省城市地質(zhì)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450001）

據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，鄭州市中心城區(qū)淺層地下水已受到不同程度污染，為查明鄭州市中心城區(qū)地下水環(huán)境狀況，做好地下水污染防治工作，對(duì)鄭州市中心城區(qū)地下水系統(tǒng)進(jìn)行脆弱性評(píng)價(jià)。地下水系統(tǒng)脆弱性與污染源或污染物的性質(zhì)和類型無關(guān)，主要取決于地下水所處的地質(zhì)與水文地質(zhì)條件[1]。本次對(duì)7個(gè)影響因素進(jìn)行詳細(xì)闡述及分區(qū)，評(píng)估研究區(qū)地下水系統(tǒng)脆弱性并進(jìn)行分級(jí)分區(qū)，為當(dāng)?shù)卣芾聿块T制定城市規(guī)劃、地下水資源保護(hù)及工業(yè)布局提供決策參考[2]。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

1.1 自然地理

鄭州地處中原腹地，地理位置得天獨(dú)厚，是國家中心城市，交通便利，是全國重要的鐵路、航空、高速公路主樞紐，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均風(fēng)速2.95 m/s，降水量中等偏少，且年際變化較大，多集中在7～9月。研究區(qū)地跨黃河、淮河兩大流域，地表水主要有賈魯河、金水河、西流湖、北龍湖、常莊水庫和南水北調(diào)等。

研究區(qū)主要為流水堆積地貌，其形態(tài)特征屬平原，僅西北部、西南部小面積地區(qū)屬黃土丘陵地貌，地勢總體西北、西南高，向東、東南微傾斜，地面高程 85～150 m，坡降約 3‰～8‰。

1.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地下水多賦存于松散層孔隙中，僅西南部丘陵區(qū)邊緣有埋藏型碳酸鹽巖類裂隙巖溶水和碎屑巖類裂隙水分布，由于地下水埋深較大，包氣帶為厚層黃土、粉質(zhì)黏土層，防污性能好，且面積很小，因此本次主要考慮松散巖類孔隙水。根據(jù)埋藏條件、水力性質(zhì)等將含水層進(jìn)一步分為淺層含水層、中深層含水層、深層含水層和超深層含水層，淺層地下水更易受農(nóng)藥、化肥、土壤污染元素淋濾遷移和工業(yè)廢棄物污染的影響[3-4]，且各層含水層之間在天然狀態(tài)下水力聯(lián)系微弱，故地下水系統(tǒng)脆弱性評(píng)價(jià)以淺層地下水為重點(diǎn)。淺層含水層底板埋深為30～80 m，巖性以中砂、細(xì)砂為主，一般厚度為10.2～33.5 m，含水層總體呈自西南向東北厚度逐漸變大；補(bǔ)給來源主要有黃河側(cè)滲、大氣降水入滲和農(nóng)業(yè)灌溉回滲等，排泄方式主要有開采排泄、越流排泄和徑流排泄等，地下水水化學(xué)類型以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca·Mg·Na為主。礦化度在 156～1 600 mg/L之間，大多>1 000 mg/L；總硬度為 59～785 mg/L，大多在 200～600 mg/L 之間；pH 值為 6.10～8.76，平均7.51。年平均地下水位埋深為15.57 m。

2 評(píng)價(jià)方法及數(shù)據(jù)處理

2.1 評(píng)價(jià)方法

采用 DRASTIC 模型評(píng)價(jià)地下水系統(tǒng)脆弱性[5-9]，該模型選取影響和控制地下水流與污染物運(yùn)移的7個(gè)主要因素作為脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)：地下水位埋深（D）、垂向凈補(bǔ)給量（R）、含水層厚度（A）、土壤介質(zhì)（S）、地形坡度（T）、包氣帶介質(zhì)類型（I）和含水層滲透系數(shù)（C）。模型中每個(gè)指標(biāo)都分成幾個(gè)區(qū)段，采用MapGIS軟件將分區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行格柵化處理，每個(gè)區(qū)段賦予評(píng)分，然后根據(jù)每個(gè)指標(biāo)對(duì)脆弱性影響程度賦予相應(yīng)權(quán)重，最后通過加權(quán)求和，得出地下水脆弱性指數(shù)（DI），見式（1）。

式（1）中，DI為地下水脆弱性指數(shù)，下標(biāo)R為指標(biāo)值，下標(biāo)w為指標(biāo)的權(quán)重。

根據(jù)DI值，將脆弱性分為低、較低、中等、較高和高5個(gè)等級(jí)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 地下水脆弱性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

DI值越高，地下水脆弱性越高，防污性能越差，反之脆弱性越低，防污性能越好。地下水脆弱性指數(shù)僅表示不同區(qū)域地下水相對(duì)防污能力，并不說明防污性能好的地區(qū)就不會(huì)被污染。

2.2 數(shù)據(jù)處理

為對(duì)研究區(qū)地下水系統(tǒng)進(jìn)行脆弱性評(píng)價(jià)，收集已有成果資料，開展環(huán)境地質(zhì)調(diào)查，進(jìn)行地下水位統(tǒng)測，為脆弱性評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本次評(píng)價(jià)采用的所有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均來自近年來的各類科研報(bào)告及野外測量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要包括數(shù)據(jù)的矢量化、數(shù)據(jù)的分類與標(biāo)準(zhǔn)化，采用MapGIS軟件來實(shí)現(xiàn)。

參數(shù)選取及賦值在參考《地下水污染防治分區(qū)劃分工作指南》[10]的基礎(chǔ)上，結(jié)合鄭州市地質(zhì)條件及專家經(jīng)驗(yàn)綜合確定。各評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分及賦值，見表2，各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，見表3。

表2 地下水脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)劃分及賦值

續(xù)表 2

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

表2～3可知，對(duì)地下水系統(tǒng)脆弱性影響程度由大及小依次為：地下水位埋深、包氣帶介質(zhì)類型、垂向凈補(bǔ)給量、含水層厚度、含水層滲透系數(shù)、土壤介質(zhì)和地形坡度。

3 單因素分析

（1）地下水位埋深（D）?；轁?jì)區(qū)黃河大堤以北地下水埋深較淺，0～6 m；高新區(qū)西部、中原區(qū)西部、二七區(qū)西南部地下水埋深較深，25～40 m；總體變化趨勢為向東北方向逐漸減小，見圖1。

圖1 研究區(qū)地下水位埋深分區(qū)

（2）垂向凈補(bǔ)給量（R）。潛水補(bǔ)給主要來源于大氣降水，采用降雨入滲系數(shù)乘以降水量進(jìn)行計(jì)算。京廣鐵路以西垂向凈補(bǔ)給量<51 mm/a；惠濟(jì)區(qū)黃河大堤以北垂向凈補(bǔ)給量達(dá)到216～235 mm/a；總體變化趨勢為向東北方向逐漸變大，見圖2。

圖2 研究區(qū)垂向凈補(bǔ)給量分區(qū)

（3）含水層厚度（A）。根據(jù)鉆孔資料，按2～4個(gè)鉆孔/100 km2分析得出含水層厚度。研究區(qū)含水層厚度總體變化趨勢為西南向東北方向逐漸變大。京廣鐵路以西高新區(qū)、中原區(qū)、二七區(qū)及惠濟(jì)區(qū)古滎鎮(zhèn)等區(qū)域含水層厚度較小，含水層厚度為 0～10 m；東北部含水層厚度達(dá)到 50～60 m，見圖3。

圖3 研究區(qū)含水層厚度分區(qū)

（4）土壤介質(zhì)（S）。按 2～4 個(gè)鉆孔/100 km2精度分析鉆孔柱狀圖，研究區(qū)大部分區(qū)域以粉質(zhì)壤土為主；西部中原區(qū)須水鎮(zhèn)周邊以黏質(zhì)壤土為主；東南部經(jīng)開區(qū)圃田鄉(xiāng)、管城區(qū)南曹鄉(xiāng)及北部惠濟(jì)區(qū)黃河灘邊以粉砂為主，土壤介質(zhì)較粗，有利于地下水污染物通過包氣帶進(jìn)入地下水，見圖4。

圖4 研究區(qū)土壤介質(zhì)分區(qū)

（5）地形坡度（T）。研究區(qū)西南二七區(qū)侯寨鎮(zhèn)、馬寨鎮(zhèn)及西北惠濟(jì)區(qū)古滎鎮(zhèn)部分區(qū)域地形坡度較大，其他區(qū)域地形坡度均<2%，見圖5。

圖5 研究區(qū)地形坡度分區(qū)

（6）包氣帶介質(zhì)（I）。根據(jù)鉆孔資料結(jié)合野外調(diào)查獲取包氣帶介質(zhì)類型，按2～4個(gè)鉆孔/100 km2精度分析得出，京廣鐵路以西大部分區(qū)域包氣帶介質(zhì)為粉土，管城區(qū)南曹鄉(xiāng)、經(jīng)開區(qū)圃田鄉(xiāng)及惠濟(jì)區(qū)黃河灘包氣帶介質(zhì)為粉砂，見圖6。研究區(qū)包氣帶介質(zhì)受地貌成因影響明顯，西部主要受山前沖洪積作用，包氣帶介質(zhì)顆粒較細(xì)，對(duì)地下水保護(hù)較好，東部受黃河沖積、沖洪積作用，包氣帶介質(zhì)顆粒較西部粗，對(duì)下水保護(hù)較差。

圖6 研究區(qū)包氣帶介質(zhì)分區(qū)

（7）含水層滲透系數(shù)（C）。當(dāng)污染物達(dá)到含水層時(shí)，富水性強(qiáng)、含水層滲透系數(shù)大的區(qū)域，其污染危害的結(jié)果就越嚴(yán)重。研究區(qū)含水層滲透系數(shù)總體變化趨勢為西南向東北方向逐漸變大。西部含水層滲透系數(shù)為0～4 m/d；東部含水層滲透系數(shù)為12～20 m/d，見圖7。滲透系數(shù)主要受含水層巖性影響，西部含水層巖性主要為粉土，東部含水層巖性主要為細(xì)砂。

圖7 研究區(qū)含水層滲透系數(shù)分區(qū)

4 綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)分區(qū)原則和分區(qū)方法，經(jīng)計(jì)算得出研究區(qū)地下水脆弱性綜合指數(shù)介于70～159.5之間。參照文獻(xiàn)[10]，將地下水脆弱性劃分為低、較低、中等、較高和高5個(gè)等級(jí)，見圖8。

圖8 研究區(qū)地下水脆弱性評(píng)價(jià)分區(qū)

（1）脆弱性低區(qū)。分布于二七區(qū)侯寨鎮(zhèn)南部、馬寨鎮(zhèn)南部、中原區(qū)須水街和惠濟(jì)區(qū)邙山風(fēng)景區(qū)一帶，面積為104.7 km2占研究區(qū)10.46%。該區(qū)域地下水埋深較深>30 m；垂向凈補(bǔ)給量<51 mm/a；含水層厚度<10 m；土壤介質(zhì)多為粉質(zhì)壤土；地形較平坦，大部分區(qū)域地形坡度>6%；包氣帶介質(zhì)多為亞砂土；含水層滲透系數(shù)<4 m/d，綜合評(píng)價(jià)該區(qū)域地下水系統(tǒng)脆弱性低。

（2）脆弱性較低區(qū)。主要分布于工作區(qū)大部分區(qū)域，涵蓋鄭州市各個(gè)區(qū)，面積為653.89 km2占工作區(qū)65.36%。該區(qū)地下水埋深以10～20 m為主；垂向凈補(bǔ)給量<51 mm/a；含水層厚度<10 m；土壤介質(zhì)多為粉質(zhì)壤土；地形平坦，大部分區(qū)域地形坡度<2%；包氣帶介質(zhì)多為亞砂土；含水層滲透系數(shù)以<4 m/d為主，綜合評(píng)價(jià)該區(qū)域地下水系統(tǒng)脆弱性較低。

（3）脆弱性中等區(qū)。分布于經(jīng)開區(qū)隴海鐵路、以南京廣鐵路以東，管城區(qū)南曹鄉(xiāng)郎莊、劉德城村、耿莊村周邊，惠濟(jì)區(qū)黃河大堤以南、大河路-花園路-北三環(huán)以北、龍湖-馬頭崗-黃崗廟以西、京廣鐵路以東，面積為166.11 km2占工作區(qū)16.6%。該區(qū)域地下水埋深以10～15 m為主；垂向凈補(bǔ)給量以 147～178 mm/a 為主，51～71 mm/a 次之；含水層厚度以10～20 m為主；土壤介質(zhì)以粉質(zhì)壤土為主；地形平坦，大部分區(qū)域地形坡度<2%；包氣帶介質(zhì)多為亞砂土；含水層滲透系數(shù)以12～20 m/d為主，綜合評(píng)價(jià)該區(qū)域地下水系統(tǒng)脆弱性中等。

（4）脆弱性較高區(qū)。主要分布于惠濟(jì)區(qū)黃河大堤以北、管城區(qū)南曹鄉(xiāng)附近，面積為67.7 km2，占工作區(qū)6.77%。該區(qū)域地下水埋深<15 m；垂向凈補(bǔ)給量以216～235 mm/a為主；含水層厚度以40～50 m為主；土壤介質(zhì)多為粉砂；地形平坦，大部分區(qū)域地形坡度<2%；包氣帶介質(zhì)多為粉砂；含水層滲透系數(shù)以12～20 m/d為主，綜合評(píng)價(jià)該區(qū)域地下水系統(tǒng)脆弱性較高。

（5）脆弱性高區(qū)。主要分布在惠濟(jì)區(qū)黃浮路以北區(qū)域，面積為8.07 km2占工作區(qū)0.81%。該區(qū)域地下水埋深<6 m；垂向凈補(bǔ)給量 216～235 mm/a；含水層厚度<30 m，以 20～30 m 為主；土壤介質(zhì)為粉砂；地形平坦，大部分區(qū)域地形坡度<2%；包氣帶介質(zhì)為粉砂；含水層滲透系數(shù)為12～20 m/d，綜合評(píng)價(jià)該區(qū)域地下水系統(tǒng)脆弱性高。

5 結(jié)論及建議

（1）以鄭州市中心城區(qū)為研究區(qū)，采用DRASTIC方法對(duì)地下水系統(tǒng)脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論：二七區(qū)侯寨鎮(zhèn)南部、馬寨鎮(zhèn)南部、中原區(qū)須水街和惠濟(jì)區(qū)邙山風(fēng)景區(qū)周邊，地下水脆弱性低，防污性能好；惠濟(jì)區(qū)黃河大堤以北、管城區(qū)南曹鄉(xiāng)周邊，地下水脆弱性高，防污性能差；整體上研究區(qū)地下水脆弱性較低，防污性能較好。

（2）影響研究區(qū)地下水系統(tǒng)脆弱性的指標(biāo)按影響程度由大及小依次為：地下水位埋深、包氣帶介質(zhì)類型、垂向凈補(bǔ)給量、含水層厚度、含水層滲透系數(shù)、土壤介質(zhì)和地形坡度。在城市規(guī)劃中應(yīng)對(duì)脆弱性高的區(qū)域進(jìn)行高度重視，防治對(duì)地下水系統(tǒng)造成污染。