非均質(zhì)含水層地下水資源脆弱性定量評(píng)價(jià)模型

王 慧

(臨沂市水文中心，山東 臨沂 276000)

地下水資源作為較為關(guān)鍵的一部分，對(duì)于區(qū)域內(nèi)部經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有較為重要的作用，地下水的脆弱性表示地下水系統(tǒng)存在著一定的污染程度，經(jīng)過(guò)對(duì)地下水脆弱性的調(diào)查能夠有效分析出研究區(qū)域的地下水系統(tǒng)的污染能力以及容易污染的程度。非均質(zhì)含水層能夠在一定程度上掌控地下水系統(tǒng)的滲透以及水流流向，但無(wú)法獲取完整的地質(zhì)信息以及區(qū)域水文數(shù)據(jù)，此種特征將為地下水資源脆弱性研究帶來(lái)不確定性[1]。需要獲取精準(zhǔn)的水層數(shù)據(jù)信息，同時(shí)進(jìn)行大量的地質(zhì)探測(cè)研究。為此，不少研究學(xué)者針對(duì)非均質(zhì)含水層的不確定性問(wèn)題構(gòu)建非均質(zhì)含水層地下水資源脆弱性定量評(píng)價(jià)模型。

目前的地下水資源脆弱性定量評(píng)價(jià)模型多側(cè)重于應(yīng)用操作，對(duì)于定義方面的研究程度較低，主要評(píng)價(jià)不同地下水系統(tǒng)的環(huán)境因素以及地質(zhì)特征，根據(jù)具體的實(shí)例研究相關(guān)的地下水脆弱性特征，同時(shí)評(píng)價(jià)脆弱性數(shù)據(jù)，在脆弱性評(píng)價(jià)的同時(shí)未考慮污染源以及污染物的性質(zhì)及相關(guān)類型。由于地下水資源脆弱性定量評(píng)價(jià)模型在研究的過(guò)程中需要不斷調(diào)整對(duì)地下水系統(tǒng)的研究程度，同時(shí)獲取相關(guān)的環(huán)境數(shù)據(jù)，并加強(qiáng)對(duì)收集數(shù)據(jù)的管理，進(jìn)而達(dá)到整體模型構(gòu)建的目的[2]。

傳統(tǒng)地下水資源脆弱性定量評(píng)價(jià)模型根據(jù)地下水系統(tǒng)的基礎(chǔ)特征進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，同時(shí)劃分脆弱性類型，并加強(qiáng)對(duì)類型數(shù)據(jù)的空間存儲(chǔ)力度，在完善模型運(yùn)算方法的基礎(chǔ)上執(zhí)行模型構(gòu)建指令，具有較強(qiáng)的操作性能。但傳統(tǒng)模型對(duì)于地下水模型的后續(xù)處理效果較差，無(wú)法滿足后續(xù)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究的需求，模型評(píng)價(jià)的精準(zhǔn)程度較低。為此，針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種新式非均質(zhì)含水層地下水資源脆弱性定量評(píng)價(jià)模型對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行分析與解決。

本文模型根據(jù)相應(yīng)的地下水系統(tǒng)調(diào)整水資源脆弱性數(shù)據(jù)，同時(shí)從不同的角度分析含水層的介質(zhì)特征，獲取較為精準(zhǔn)的初始數(shù)據(jù)，進(jìn)而提高整體模型的評(píng)價(jià)精準(zhǔn)程度，具有較為廣闊的研究前景。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域發(fā)源于蒙陰縣常馬鄉(xiāng)與平邑縣交界處的青山北麓，經(jīng)蒙陰縣城入岸堤水庫(kù)，流域內(nèi)主要有常路河、東高都河、東儒來(lái)河、銀麥河、桃墟河、麻店子河、梓河、岸堤河、馬牧池河、代莊河、孫祖河等較大支流，河長(zhǎng)56km，流域面積794.7km2。降水主要集中在6—9月份，年平均無(wú)霜期在180～200d。

1.2 研究數(shù)據(jù)

本文選用不同的處理方法管理滲透參數(shù)采集區(qū)域，按照模擬結(jié)果作為采集參照指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)滲透系數(shù)獲取對(duì)比操作，并獲得最佳滲透系數(shù)獲取準(zhǔn)則，加大機(jī)制掌控操作，分析滲透參數(shù)所處的區(qū)域?qū)挾葦?shù)據(jù)，并按照獲取的參數(shù)信息調(diào)節(jié)隨機(jī)變量的變動(dòng)性質(zhì)[3]。

根據(jù)三維連續(xù)隨機(jī)方法控制數(shù)據(jù)獲取控件的獲取速率，同時(shí)根據(jù)已知的滲透系數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)模擬生成相應(yīng)的滲透系數(shù)隨機(jī)選取場(chǎng)景，根據(jù)獲取的滲透系數(shù)建立評(píng)價(jià)模型及評(píng)價(jià)等級(jí)[4]。按照評(píng)價(jià)模型的適配度參數(shù)調(diào)整評(píng)價(jià)模型的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值[5]。

構(gòu)建地下水資源數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間對(duì)流通的地下水資源進(jìn)行存儲(chǔ)操作，將加權(quán)求和數(shù)值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，并針對(duì)不同地下水資源所處的環(huán)境因素進(jìn)行研究模型數(shù)據(jù)整合操作，進(jìn)一步分析水資源區(qū)域地形坡度與土壤類型參數(shù)，按照不同指標(biāo)的代表符號(hào)順序進(jìn)行數(shù)據(jù)排列，并求解評(píng)價(jià)加權(quán)數(shù)值，在地下水資源埋藏較淺的區(qū)域設(shè)置標(biāo)志性定義空間，避免模型構(gòu)建過(guò)程中產(chǎn)生的劇烈變化，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水資源脆弱性定量評(píng)價(jià)模型的數(shù)據(jù)提取操作。

1.3 樣品數(shù)據(jù)分析

按照地下水資源分布的區(qū)域水文地質(zhì)條件分析其內(nèi)部含水層的巖溶含水介質(zhì)差異，對(duì)巖石內(nèi)部的化學(xué)成分進(jìn)行分析，同時(shí)根據(jù)分析的數(shù)據(jù)特征調(diào)整區(qū)域環(huán)境內(nèi)部的污染程度參數(shù)，同時(shí)檢驗(yàn)水資源內(nèi)部系統(tǒng)模式，構(gòu)建水資源系統(tǒng)圖，如圖1所示。

圖1 水資源系統(tǒng)圖

當(dāng)污染物順著土層紋路擴(kuò)散至地下含水層區(qū)域，不同的污染物將匯集至含水層或地下河內(nèi)部，大量污染物將導(dǎo)致地下水資源產(chǎn)生脆弱性現(xiàn)象[6]。巖石層表面受強(qiáng)烈的熔化影響，帶動(dòng)地下水的流通，同時(shí)存儲(chǔ)未流通的地下水資源，進(jìn)而提升整體水文系統(tǒng)的自我保護(hù)性能，加強(qiáng)系統(tǒng)的脆弱性調(diào)節(jié)力度。由于非均質(zhì)含水層內(nèi)部具有空隙以及管道，污染物將通過(guò)內(nèi)部管道快速移動(dòng)，在較短的時(shí)間內(nèi)便分布至地下各個(gè)區(qū)域，污染物的滯留時(shí)長(zhǎng)加長(zhǎng)，進(jìn)而加深其對(duì)地下水資源的影響程度[7]。由于不同的地下水資源將同時(shí)存在一定的污染物殘留，為此，在進(jìn)行非均質(zhì)含水層地下水資源采集的過(guò)程中需排除污染物數(shù)據(jù)的存在，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)內(nèi)部水資源脆弱性標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值收集力度，不斷調(diào)節(jié)污染物與脆弱性的匹配程度。

利用內(nèi)部管道快速移動(dòng)地下污染物，增強(qiáng)系統(tǒng)自凈能力[8]。針對(duì)非均質(zhì)含水層的地下水資源自動(dòng)流通特征相應(yīng)外部數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)信號(hào)，并管理不同水位高度的地下水資源數(shù)據(jù)，加大匯水面積，研究不同水資源的地下流速以及流通方向，按照相應(yīng)的地下水資源流動(dòng)連續(xù)性獲取精準(zhǔn)的地下水資源數(shù)值。

1.4 脆弱性指標(biāo)

根據(jù)獲取的地下水資源脆弱性數(shù)據(jù)選取脆弱性指數(shù)，本文的指數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)為污染物達(dá)到非均質(zhì)含水層最上層所需的時(shí)間長(zhǎng)度以及含水層內(nèi)部受污染的可能性程度[9]。合理反映不同地下水資源區(qū)域的脆弱性程度。獲取內(nèi)部潛水與承壓水水位差值作為污染物的移動(dòng)驅(qū)動(dòng)力度判斷參數(shù)，同時(shí)選擇非均質(zhì)含水層頂端污染物的濃度累計(jì)時(shí)長(zhǎng)作為非均質(zhì)含水層脆弱性指數(shù)，以此來(lái)判斷非均質(zhì)含水層受到污染的可能性大小，設(shè)置水資源脆弱性評(píng)價(jià)函數(shù)曲線，如圖2所示。

圖2 水資源脆弱性評(píng)價(jià)函數(shù)曲線圖

當(dāng)含水層潛水區(qū)域未遭受污染物影響或內(nèi)部水位高于潛水區(qū)域水位時(shí)，含水層潛水區(qū)域的污染物無(wú)法通過(guò)自身越流操作進(jìn)入非均質(zhì)含水層，累計(jì)時(shí)間Tv趨向于無(wú)窮大，并設(shè)置此時(shí)的非均質(zhì)含水層脆弱性指數(shù)累計(jì)圖，如圖3所示。

圖3 非均質(zhì)含水層脆弱性指數(shù)累計(jì)圖

根據(jù)含水層內(nèi)部污染物移動(dòng)程度構(gòu)建運(yùn)移模型，污染物處于含水層內(nèi)部潛水區(qū)域中，若含水層水位低于含水層潛水區(qū)域水位，則潛水區(qū)域?qū)⑼ㄟ^(guò)水層越流補(bǔ)給含水層水分，其內(nèi)部的污染物將隨之進(jìn)入非均質(zhì)含水層，同時(shí)影響評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)操作性能，無(wú)法有效簡(jiǎn)化污染物的運(yùn)移過(guò)程[10]。為此，本文加強(qiáng)了運(yùn)移模型的構(gòu)建力度，調(diào)整運(yùn)移模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將非均質(zhì)含水層的頂端區(qū)域作為污染物運(yùn)移的原點(diǎn)區(qū)域，垂直向下方向中，潛水層區(qū)域的污染物通過(guò)含水層對(duì)流穿越內(nèi)部圖層，便于最終的脆弱性評(píng)價(jià)研究，同時(shí)管理水資源脆弱性評(píng)價(jià)算法，設(shè)置算法流程圖如圖4所示。

圖4 算法流程圖

劃分區(qū)域脆弱性評(píng)價(jià)空間，并提取相應(yīng)的子區(qū)域作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間[11]。隱藏獲取的模型采集數(shù)值，同時(shí)調(diào)節(jié)脆弱性定量評(píng)價(jià)模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，加大中心數(shù)據(jù)管理程度，獲取含水層頂端區(qū)域污染物探測(cè)點(diǎn)的探測(cè)結(jié)果數(shù)值，分配不同的檢測(cè)區(qū)域，按照區(qū)域檢測(cè)目標(biāo)計(jì)算污染物滯留時(shí)長(zhǎng)，根據(jù)時(shí)長(zhǎng)參數(shù)分級(jí)地下水資源脆弱性，同時(shí)獲取內(nèi)部水資源滲透系數(shù)，并構(gòu)建脆弱性評(píng)價(jià)模式圖，如圖5所示。

圖5 脆弱性評(píng)價(jià)模式圖

1.5 定量評(píng)價(jià)模型

本文模型在進(jìn)行評(píng)價(jià)之前，首先將模型研究區(qū)域劃分為2000個(gè)不同的單元格，同時(shí)簡(jiǎn)要概括不同水資源區(qū)域的水文特征[12]。根據(jù)特征概念參數(shù)構(gòu)建相應(yīng)的水流流動(dòng)模型及污染物運(yùn)移模型，同時(shí)選擇地下水資源水位觀測(cè)裝置作為模型識(shí)別裝置，管理水流流動(dòng)區(qū)域，構(gòu)建路徑模型圖，如圖6所示。

圖6 水流路徑模型圖

根據(jù)識(shí)別的結(jié)果數(shù)據(jù)獲取水流與污染物之間的移動(dòng)關(guān)系參數(shù)，同時(shí)針對(duì)非均質(zhì)含水層地下水資源的水質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行無(wú)關(guān)數(shù)據(jù)的清除操作，集中評(píng)價(jià)參數(shù)，分配水質(zhì)觀測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)，并設(shè)置污染度衡量指標(biāo)參數(shù)，選擇總硬度較強(qiáng)的區(qū)域數(shù)據(jù)作為研究數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，判斷不同區(qū)域的污染程度[13]。

分析劃分的不同單元格的內(nèi)部水位資料信息以及水質(zhì)水流數(shù)據(jù)，同時(shí)識(shí)別污染物運(yùn)移模型中的固定速率數(shù)值，計(jì)算每個(gè)單元格中的污染物濃度，并分類污染物濃度程度數(shù)據(jù)，加強(qiáng)對(duì)非均質(zhì)含水層頂端的污染物流動(dòng)管理操作，執(zhí)行水位比較指令[14]。對(duì)含水層的地理系統(tǒng)信息進(jìn)行調(diào)節(jié)，分配脆弱性指標(biāo)數(shù)據(jù)，并將脆弱性指標(biāo)參數(shù)作為內(nèi)部評(píng)價(jià)模型指標(biāo)評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。劃分脆弱性評(píng)價(jià)區(qū)域，根據(jù)不同的脆弱性特征將脆弱性等級(jí)劃分為高脆弱性區(qū)域、較高脆弱性區(qū)域、中等脆弱性區(qū)域、較低脆弱性區(qū)域以及低脆弱性區(qū)域，同時(shí)設(shè)置潛水區(qū)域水體與含水層區(qū)域水體的關(guān)系圖，如圖7所示。

圖7 潛水含水層水體關(guān)系圖

其中，高脆弱性區(qū)域主要集中于市區(qū)中心位置，由于該區(qū)域采用集中供水的方式，對(duì)于地下水的開(kāi)采程度較高，導(dǎo)致含水層水位低于潛水區(qū)域水位，含水層水位將受到潛水區(qū)域水位補(bǔ)給，造成潛水區(qū)域的含水層收到污染物的污染，污染物更加容易進(jìn)入到非均質(zhì)含水層中，進(jìn)而影響該區(qū)域的地下水資源的發(fā)展[15]；較低脆弱性區(qū)域主要集中在研究區(qū)域的北部地區(qū)，由于北部區(qū)域主要以灌溉為主，對(duì)于水質(zhì)的需求較低，集中開(kāi)采潛水區(qū)域水體，潛水區(qū)域水位低于非均質(zhì)含水層水位，降低污染物的侵入可能性，更好的保護(hù)地下水資源的自凈能力，進(jìn)而有效構(gòu)建地下水資源脆弱性定量評(píng)價(jià)模型，其模型如圖8所示。

圖8 地下水資源脆弱性定量評(píng)價(jià)模型圖

2 結(jié)果與分析

2.1 滲透系數(shù)模擬評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

本文根據(jù)實(shí)際測(cè)量的滲透點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲取相應(yīng)的推求結(jié)果參數(shù)，同時(shí)利用SRA算法進(jìn)行整體運(yùn)算。其模擬結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 模擬結(jié)果表

根據(jù)表1可以看出，實(shí)驗(yàn)研究區(qū)域中部以及東北部區(qū)域的滲透系數(shù)相較于其他區(qū)域高，盡管所對(duì)比的兩個(gè)模型具有相應(yīng)的差別，但獲取的結(jié)果具有一定的相似性，造成此種現(xiàn)象的主要原因在于實(shí)驗(yàn)區(qū)域水文地質(zhì)因素以及周邊環(huán)境特征空間分布程度相同。但除此之外，相較于傳統(tǒng)模型研究，本文模型的滲透系數(shù)在空間變化的程度較為強(qiáng)烈，滲透系數(shù)在空間內(nèi)部呈現(xiàn)非平穩(wěn)性變化，更加適應(yīng)環(huán)境較為復(fù)雜的非平穩(wěn)場(chǎng)景研究，有利于非均質(zhì)含水層地下水資源脆弱性的研究。

2.2 非均質(zhì)含水層地下水資源脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

分別選用本文模型與傳統(tǒng)模型的滲透系數(shù)作為實(shí)驗(yàn)研究指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。在利用兩種模型進(jìn)行評(píng)價(jià)分析后獲取相應(yīng)的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)結(jié)果，結(jié)果數(shù)值的脆弱性指數(shù)處于1.5～7.0之間，在相同的實(shí)驗(yàn)研究機(jī)制下進(jìn)行水資源脆弱性分級(jí)操作，其分級(jí)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 脆弱性分級(jí)結(jié)果表

評(píng)價(jià)結(jié)果分析見(jiàn)表3—4。

根據(jù)上表結(jié)果可以分析出，脆弱等級(jí)為Ⅰ的區(qū)域主要分布在實(shí)驗(yàn)研究區(qū)域的東部和北部，由于此實(shí)驗(yàn)區(qū)域含水層內(nèi)部巖石性質(zhì)較為堅(jiān)硬，內(nèi)部含水層的封閉性較強(qiáng)，人類活動(dòng)相對(duì)較少，為此，該區(qū)域地下水資源受環(huán)境因素的影響程度最低；脆弱等級(jí)為Ⅱ的區(qū)域主要分布在實(shí)驗(yàn)研究區(qū)域的西部與南

表3 本文模型評(píng)價(jià)結(jié)果表

表4 傳統(tǒng)模型評(píng)價(jià)結(jié)果表

部，由于西部區(qū)域大部分為山地，人類活動(dòng)較少，南部區(qū)域巖石土壤呈粉狀，自凈性能較強(qiáng)，此些因素降低了地下水的脆弱程度；Ⅲ級(jí)與Ⅳ級(jí)區(qū)域主要分布在部分南部及中部地區(qū)，這些區(qū)域地形較為平坦，人類活動(dòng)較多，地下水系統(tǒng)埋藏的深度較淺，更加容易受到外界污染，脆弱性較高；Ⅴ級(jí)區(qū)域分布在中部零散區(qū)域。整體來(lái)看，研究區(qū)域處于較易受污染地區(qū)，脆弱性程度較高，與實(shí)際情況基本吻合。

表4為傳統(tǒng)模型的評(píng)價(jià)結(jié)果，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，兩種模型獲取的非均質(zhì)含水層地下水資源脆弱性等級(jí)分布范圍以及變化趨勢(shì)基本一致。同時(shí)可以分析出，本文方法獲取的評(píng)價(jià)結(jié)果更加符合實(shí)際情況。由于本文模型與傳統(tǒng)模型的評(píng)價(jià)運(yùn)算方法的生成方式不同。獲取的測(cè)量點(diǎn)位置數(shù)據(jù)不同，對(duì)于不同的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的測(cè)量權(quán)限大小不同，導(dǎo)致最終評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)結(jié)果不同。本文在進(jìn)行滑動(dòng)加權(quán)平均計(jì)算的過(guò)程中分析不同中心段的平均數(shù)據(jù)，提升獲取數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)程度，有效加強(qiáng)對(duì)內(nèi)部數(shù)據(jù)的管理程度，更好的描述了地下水資源的隨機(jī)變化狀態(tài)，具有更強(qiáng)的模型應(yīng)用性能。

3 結(jié)語(yǔ)

本文非均質(zhì)含水層地下水資源脆弱性定量評(píng)價(jià)模型經(jīng)過(guò)與傳統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明，本文模型操作簡(jiǎn)便，且實(shí)用性較強(qiáng)，避免了模型評(píng)價(jià)過(guò)程中滲透系數(shù)隨機(jī)變化的不足。通過(guò)本文模型研究取得如下結(jié)論。

(1)在進(jìn)行地下水資源模擬的過(guò)程中，由于非均質(zhì)含水層具有一定的不確定性，為此，需調(diào)整評(píng)價(jià)模型的適配度，并調(diào)節(jié)地下水層的參數(shù)分布空間，加強(qiáng)對(duì)實(shí)際含水層非均質(zhì)特征的處理力度，并真實(shí)反映檢測(cè)區(qū)域周邊的地質(zhì)環(huán)境，加強(qiáng)環(huán)境因素掌控程度，有效構(gòu)建可靠性較高的評(píng)價(jià)模型。

(2)本文在非均質(zhì)含水層地下水資源數(shù)據(jù)獲取的基礎(chǔ)上補(bǔ)充區(qū)域介質(zhì)滲透性能采集裝置，根據(jù)相應(yīng)的水域滲透特征調(diào)整研究區(qū)域內(nèi)部的地下水資源數(shù)據(jù)獲取精準(zhǔn)程度，更好的結(jié)合了地下水脆弱性模型數(shù)據(jù)，加強(qiáng)內(nèi)部模型評(píng)價(jià)的融合性能，能夠適用于不同的操作環(huán)境，為后續(xù)研究提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。