基于AHP-DRASTIC模型的肇州縣地下水脆弱性評價

李治軍，張嗣路，于博文，王 濤

(黑龍江大學 a.水利電力學院；b.寒區(qū)地下水研究所，哈爾濱 150080)

0 引 言

黑龍江省肇州縣土地資源肥沃，主要以農(nóng)耕產(chǎn)業(yè)為主，種植玉米、大豆等作物，是東北黑土區(qū)重要的商品糧生產(chǎn)基地。肇州縣主要供水水源為地下水。保護地下水資源安全，對于促進經(jīng)濟社會發(fā)展和維護國家糧食穩(wěn)定生產(chǎn)具有重大戰(zhàn)略意義。本文通過對肇州縣進行地下水脆弱性評價，可對地下水污染防治提供科學依據(jù)，還可對松嫩平原和松花江流域的其他區(qū)域提供參考價值[1-2]。

1 研究區(qū)概況

肇州縣境內(nèi)為沖積性平原，地勢較為平坦[3]，地理位置為E124° 48′～E125°48′，N45°35′～N46°16′，面積為2 445 km2。屬中溫帶大陸性季風氣候，季節(jié)變化較為顯著，冬季寒冷干燥，春季少雨多風。松嫩平原黑土資源豐富，耕地土壤肥沃，適用多種經(jīng)濟作物生長。肇州縣境內(nèi)賦存地下水，地表水資源匱乏，開采地下水進行農(nóng)業(yè)灌溉和生產(chǎn)生活。

2 評價方法選取

地下水脆弱性評價方法主要有迭置指數(shù)法、過程數(shù)學模擬法和統(tǒng)計方法。其中DRASTIC模型根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)特征對地下水脆弱性進行評價[4]。雖然DRASTIC模型具有使用方便，適用范圍廣等優(yōu)點，但在應用過程中存在一定局限性，如評價指標是固定的，但對于不同區(qū)域地下水脆性影響因素對其重要程度的不同，評價指標也不同[5]。因此，在實際應用過程中，要根據(jù)研究區(qū)具體特征對模型進行改進，保證選取的評價指標的科學性、代表性和全面性。

3 評價指標體系及評價模型

3.1 評價指標選取

根據(jù)肇州縣實際情況，在系統(tǒng)研究影響地下水脆弱性的指標和各指標作用機理后，對DRASTIC模型各指標進行優(yōu)化調(diào)整。含水層介質(zhì)A和含水層水力傳導系數(shù)C都是表征含水層的滲透能力參數(shù)指標，避免選取重復且為方便計算，選擇含水層介質(zhì)A,剔除含水層水力傳導系數(shù)C[6]；土壤帶介質(zhì)S和包氣帶介質(zhì)I都是表征入滲到地下水污染物質(zhì)吸附能力，由于包氣帶的影響相對復雜，因此，保留土壤帶介質(zhì)類型S，剔除包氣帶介質(zhì)I。人為因素對地下水的影響不可忽視，引入土地利用類型L和地下水資源承載能力的綜合關(guān)聯(lián)度CRD。綜上選取地下水位埋深D，凈補給量R，含水層介質(zhì)類型A，土壤介質(zhì)類型S，地形坡度T，土地利用類型L和地下水資源承載能力的綜合關(guān)聯(lián)度CRD共7個指標對肇州縣進行地下水脆弱性評價。

參照傳統(tǒng)DRASTIC模型指標分級評分方法和相關(guān)文獻，對各個指標進行分級與評分，評分值介于1～10，評分值越高表示對地下水脆弱性影響越大[7]，見表1。

表1 肇州縣地下水脆弱性評價指標評分Table 1 Groundwater vulnerability evaluation index score in Zhaozhou County

3.1.1 地下水位埋深D

地下水位埋深決定了污染物抵達含水層之前遷移的深度和周圍巖土體的接觸時間[8]。水體中的污染物在隨地表入滲，向地下水運移的過程中與土壤介質(zhì)中氧氣等接觸反應，可以不斷地被吸附，中和以及氧化衰減。分級見圖1。

圖1 地下水埋深分級Fig.1 Groundwater depth classification

3.1.2 凈補給量R

含水層凈補給量等于降雨入滲補給量與灌溉補給量之和，肇州縣灌溉補給量相對降雨入滲量有限[9]，忽略不計，凈補給量數(shù)值上采用降雨入滲補給量[10]。降雨入滲是污染物進入地下水的載體。分級見圖2。

圖2 含水層凈補給量分級Fig.2 Classification diagram of net recharge of aquifer

3.1.3 含水層介質(zhì)類型A

含水層介質(zhì)在地表水與地下水轉(zhuǎn)換過程中控制著污染物的運移途徑。污染物在運移過程中與周圍巖石不斷接觸，可認為污染物在含水層中稀釋的過程。肇州縣含水層富水程度，按照哈爾濱組、明水組、林甸組順序依次增加，故評分分值不斷遞增[11]。分級見圖3。

圖3 含水層介質(zhì)類型分級Fig.3 Classification diagram of aquifer medium type

3.1.4 土壤介質(zhì)類型S

當污染物由地表進入到土壤層，土壤帶的介質(zhì)顆粒越細密，黏粒含量越高，微生物數(shù)量越多，污染物可以通過一系列生物化學反應被微生物降解，也可被土壤顆粒所“篩選吸附”，經(jīng)由地表進入包氣帶的污染物濃度就會明顯降低[8]。分級見圖4。

圖4 土壤介質(zhì)類型分級Fig.4 Classification map of soil medium type

3.1.5 地形坡度T

地形坡度的大小與土壤的形成與發(fā)育，污染物的遷移與累積和地表水產(chǎn)匯流過程有著密切的聯(lián)系[12]。當坡度較大時，污染物隨降雨在地表以徑流方式排泄，而不是長時間滯留在地表入滲到地下水含水層中。分級見圖5。

圖5 地形坡度分級Fig.5 Topographic gradient classification

3.1.6 土地利用類型L

土地利用類型直接反映不同人類活動對地下水脆弱性的影響。在居民區(qū)和農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)等人類活動頻繁的地區(qū)，容易造成地下水污染，地下水脆弱性高。而在草地，森林，濕地等地區(qū)，人類活動和污染源較少，天然生態(tài)系統(tǒng)對污染物可起到淋濾衰減作用，地下水脆弱性低。分級見圖6。

3.1.7 地下水資源承載能力的綜合關(guān)聯(lián)度CRD

地下水資源承載能力綜合評價指標選取地下水資源利用率、人均供水量和生態(tài)環(huán)境用水率等多方面因素[13]。經(jīng)計算得到肇州縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水承載能力關(guān)于3個等級的綜合關(guān)聯(lián)度。選取最大的綜合關(guān)聯(lián)度評價各地區(qū)地下水資源開采利用程度。關(guān)聯(lián)度越小，表示地下水承載能力越接近飽和狀態(tài)，地下水的脆弱性越高。分級見圖7。

3.2 評價指標權(quán)重確定

傳統(tǒng)方法中指標的權(quán)重是根據(jù)專家的經(jīng)驗確定的，無法反應研究區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)、氣候、降雨以及人類工程等區(qū)域特性[14]。針對地下水脆弱性評價指標權(quán)重的計算方法有層次分析法，熵權(quán)法，灰色關(guān)聯(lián)度法等。本文采用層次分析法確定各指標的權(quán)重。在主觀判斷的同時，還可用遞階層次結(jié)構(gòu)表達出評價對象的復雜關(guān)系，逐層進行評價分析，最終得出最低層相對于最高層的重要程度的權(quán)重[15]。利用YAAHP軟件將地下水脆弱性評價作為層次分析的目標層；將評價指標體系中7個指標作為層次分析的準則層；將各因子的得分作為層次分析的基礎層。以研究區(qū)概況為基礎，對所選取的評價指標性質(zhì)進行綜合分析，相互比較判斷，構(gòu)建權(quán)重判斷矩陣見表2。

根據(jù)矩陣計算得到最大特征值為7.508 7，特征向量為(0.15，0.091 3，0.041 7，0.041 7，0.058 8，0.264 4，0.352 0)T。經(jīng)過計算可得判斷矩陣一致性比率,小于0.1滿足條件,說明判斷因素的權(quán)重分配是合理的。對因子進行歸一化處理，可得到各因子權(quán)重值見表3。

表3 評價指標權(quán)重Table 3 Evaluation index weight

3.3 評價模型建立

基于AHP-DRASTIC模型所建立的評價指標體系，構(gòu)建出能充分反映肇州縣地下水脆弱性評價模型，簡稱DRASTL-CRD模型。根據(jù)每個指標在其區(qū)段內(nèi)的相對重要性進行分級，并在1～10之間評分賦值，對地下水脆弱性影響越大，評分越高；再將每個指標根據(jù)其重要性的大小賦予不同的權(quán)重值，權(quán)重值越大，對地下水脆弱性影響程度越大。按公式將兩者加權(quán)求和得到地下水脆弱性綜合指數(shù)為

DI=DWDR+RWRR+AWAR+SWSR+TWTR+LWLR+CRDWCRDR

式中：各指標帶下標R為指標值；各指標帶下標W為指標權(quán)重。

4 脆弱性評價及結(jié)果分析

根據(jù)建立的DRASTL-CRD模型，利用ARCGIS柵格疊加功能對各評分圖按照確定的權(quán)重值進行圖層疊加，得到綜合地下水脆弱性評價結(jié)果，見圖8。其最大值為8.36，最小值為2.83，數(shù)值越大，地下水脆弱性越高，地下水抗污染能力越差[16]。

圖8 肇州縣地下水脆弱性評價結(jié)果Fig.8 Groundwater vulnerability assessment results in Zhaozhou County

根據(jù)評價結(jié)果對肇州縣地下水脆弱性按脆弱性指數(shù)大小分為5個等級：低脆弱性區(qū)(2.83

肇州縣地下水脆弱性整體由北到南，風險等級不斷提高。低脆弱性區(qū)，較低脆弱性區(qū)，中等脆弱性區(qū)，較高脆弱性區(qū)和高脆弱性區(qū)分別占肇州縣總面積8.97%,21.74%，32.36%，23.86%和13.07%,見表4。

表4 肇州縣脆弱性評價分區(qū)Table 4 Vulnerability assessment zoning of Zhaozhou County

低脆弱性區(qū)大部分分布于興城鎮(zhèn)和榆樹鄉(xiāng)東北部以及新福鄉(xiāng)附近；較低脆弱性區(qū)主要分布在新福鄉(xiāng)，興城鎮(zhèn)，永樂鎮(zhèn)和二井鎮(zhèn)；中等脆弱性區(qū)大部分分布于興城鎮(zhèn)，榆樹鄉(xiāng)和新福鄉(xiāng)；較高脆弱性區(qū)主要分布在雙發(fā)鎮(zhèn)，朝陽鄉(xiāng)和托古鄉(xiāng)；高脆弱性區(qū)大部分分布于肇州鎮(zhèn)，托古鄉(xiāng)，永樂鎮(zhèn)，見表5。肇州縣地下水脆弱性評價為中等脆弱性區(qū)面積占比最大，但高和較高脆弱性區(qū)的面積大于中等脆弱性區(qū)的面積大于低和較低脆弱性區(qū)的面積，肇州縣地下水承受污染的風險較高[17]。

表5 肇州縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水脆弱性等級Table 5 Groundwater vulnerability grade of each township in Zhaozhou County

5 結(jié) 論

1)以肇州縣地下水脆弱性為評價對象，基于DRASTIC模型并進行改進，選取地下水位埋深D，凈補給量R，含水層介質(zhì)類型A，土壤介質(zhì)類型S，地形坡度T，土地利用類型L和地下水資源承載能力的綜合關(guān)聯(lián)度CRD共7個評價指標，建立了DRASTL-CRD模型并應用ARCGIS軟件進行肇州縣地下水脆弱性評價，得到肇州縣地下水脆弱性評價分區(qū)圖。

2)利用層次分析法對選取的評價指標確定權(quán)重，定性與定量分析相結(jié)合，根據(jù)實際情況從污染源和地下水承載能力方面充分考慮，給予土地利用類型和地下水承載能力的綜合關(guān)聯(lián)度較高的權(quán)重，更能反應研究區(qū)內(nèi)地下水脆弱性的特性。

3)各評價分區(qū)占比：中等脆弱性區(qū)32.36%，較高脆弱性區(qū)23.86%，較低脆弱性區(qū)21.74%，高脆弱性區(qū)13.07%，低脆弱性區(qū)8.97%。地下水作為肇州縣唯一水資源，在開采利用的過程中，應注意減少在高脆弱性區(qū)和較高脆弱性區(qū)的開采力度，加強地下水管理，同時對兩個區(qū)域內(nèi)的地下水進行保護，防止地下水污染造成經(jīng)濟生態(tài)等損失。