常熟地區(qū)淺層地下水脆弱性評(píng)價(jià)研究

周 乾，王婕妤

（江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院，江蘇 南京 210049）

水是生命之源，但水資源是有限的，作為水資源重要組成部分的地下水資源，更是重要的戰(zhàn)略資源，特別是自《地下水管理?xiàng)l例》發(fā)布后，地下水資源的調(diào)查和保護(hù)上升到國家層面。地下水脆弱性，是反映某地區(qū)地下水防污能力的一個(gè)有效評(píng)價(jià)指標(biāo)。常熟作為蘇南重要的輕工業(yè)城市，淺層地下水由于埋深淺，受人類活動(dòng)的影響極為顯著，淺層地下水作為最容易受到污染的地下水含水層，其脆弱性評(píng)價(jià)顯得尤為重要。

1 淺層水文地質(zhì)概況

常熟地區(qū)的地下水主要有三類：松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水及基巖裂隙水。碳酸鹽巖類裂隙溶洞水、基巖裂隙水只在區(qū)內(nèi)少量分布，分布面積合計(jì)不超過1%，而淺層水缺失，因此不作研究。常熟的松散巖類孔隙水自上而下為孔隙潛水和微承壓水含水層（組）和第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ承壓含水層（組）。其中，孔隙潛水和微承壓含水層構(gòu)成了常熟地區(qū)的淺層地下水。

2 模型的選擇

地下水脆弱性的評(píng)價(jià)主要采用模型評(píng)價(jià)法，例如有DRASTIC模型、GOD模型、SGA模型等。DRASTIC模型是美國環(huán)保局（USEPA）及美國水井協(xié)會(huì)（NWWA）于1987年開發(fā)的一種系統(tǒng)參數(shù)法，隨著在地下水脆弱性評(píng)價(jià)工作中的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外專家不斷地對(duì)該模型進(jìn)行優(yōu)化，目前DRASTIC模型已經(jīng)成為應(yīng)用最廣泛的模型[1]。一般來說，DRASTIC模型的適用條件，要滿足地表存在污染源且有下滲的可能性，同時(shí)污染物會(huì)隨著地下水而遷移。常熟地區(qū)工業(yè)發(fā)達(dá)，存在大量潛在的淺層地下水污染源，且氣候濕潤、雨量充沛，因此進(jìn)行淺層地下水脆弱性研究，DRASTIC模型可以做出有效評(píng)價(jià)。

3 評(píng)價(jià)方法

依據(jù)2019年國家發(fā)布《地下水污染防治分區(qū)劃分工作指南》，利用 DRASTIC模型對(duì)常熟地區(qū)淺層地下水脆弱性評(píng)價(jià)，選取7個(gè)主要影響因素作為評(píng)價(jià)因子，地下水位埋深（D）、含水層厚度（A）、包氣帶介質(zhì)類型（I）以及滲透系數(shù)（C）四個(gè)地下水環(huán)境方面的指標(biāo)；與降水入滲相關(guān)垂向凈補(bǔ)給量指標(biāo)（R）；與地表相關(guān)的土壤介質(zhì)（S）和地形坡度（T）兩個(gè)指標(biāo)。根據(jù)模型中的7個(gè)主要評(píng)價(jià)因子對(duì)淺層地下水脆弱性的影響程度，賦予相應(yīng)權(quán)重，再利用公式（1）進(jìn)行加權(quán)求和，計(jì)算得出淺層地下水脆弱性指數(shù)。

式中：DI表示地下水脆弱性指數(shù)，字母D、R、A、S、T、I、C分別對(duì)應(yīng)表征地下水位埋深、垂向凈補(bǔ)給量、含水層厚度、土壤介質(zhì)、地形坡度、包氣帶介質(zhì)類型（I）、含水層滲透系數(shù)，下標(biāo)R表示指標(biāo)值，下標(biāo)W表示指標(biāo)的權(quán)重，對(duì)公式（1）中DI的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)可知，DI值越高，地下水的脆弱性越高，反之脆弱性就越低。

4 評(píng)價(jià)因子及權(quán)重

DRASTIC模型7項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重主要是通過各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)淺層地下水脆弱性影響程度的大小來確定。DRASTIC模型由于廣泛應(yīng)用，各因子的權(quán)重基本已經(jīng)形成共識(shí)與規(guī)范體系。本次常熟地區(qū)淺層地下水脆弱性評(píng)價(jià)研究不作修正。各個(gè)因子單項(xiàng)對(duì)淺層地下水的影響程度，同樣參考國家規(guī)范《地下水污染防治分區(qū)劃分工作指南》，以10分計(jì)，分值越大表示對(duì)地下水脆弱性影響越顯著。

表1 模型因子權(quán)重

5 評(píng)價(jià)結(jié)果

在進(jìn)行調(diào)查和綜合研究的基礎(chǔ)上，按照常熟地區(qū)的氣象、水文及地質(zhì)實(shí)際情況，根據(jù)每個(gè)因子對(duì)常熟地區(qū)淺層地下水脆弱性的影響程度，進(jìn)行評(píng)分賦值，利用ArcGIS進(jìn)行模擬計(jì)算，完成綜合評(píng)價(jià)[2]。

5.1 地下水埋深

在滿足精度不少于1:5萬的調(diào)查條件下，常熟地區(qū)由潛水含水層和微承壓含水層構(gòu)成的淺層地下水，均為第四系松散堆積層地下水，賦存條件好，水位埋深較淺，除尚湖鎮(zhèn)區(qū)域潛水位埋深在2～4 m以外，其它區(qū)域埋深均在 0～2 m。根據(jù)常熟地區(qū)淺層地下水埋深的實(shí)際情況，評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示，研究區(qū)地下水埋深總體評(píng)分為9分和10分兩級(jí)，9分區(qū)域?yàn)榈叵滤裆钤?～4 m的尚湖鎮(zhèn)，10分區(qū)域?yàn)樯泻?zhèn)以外埋深小于2 m的其它區(qū)域。

表2 地下水埋深評(píng)分表

表3 垂向凈補(bǔ)給量評(píng)分表

5.2 垂向凈補(bǔ)給量

常熟地區(qū)淺層地下水主要由潛水與微承壓水構(gòu)成，大氣降水是其主要的補(bǔ)給來源。同時(shí)，常熟地區(qū)全域淺層地下水基本禁采，水力梯度很小，水平方向流量較小，側(cè)向徑流量可以忽略。對(duì)于本研究而言，常熟地區(qū)淺層地下水的補(bǔ)給主要考慮垂向補(bǔ)給，即降水的補(bǔ)給量，地表水的側(cè)向補(bǔ)給暫不考慮。另外，常熟地區(qū)雖然工業(yè)企業(yè)發(fā)達(dá)，但耕地面積仍然很大，占整個(gè)常熟總面積的30%以上，耕地主要以水田為主，存在一定量灌溉回歸對(duì)淺層地下水的補(bǔ)給。因此，常熟地區(qū)垂向凈補(bǔ)給量的計(jì)算需迭加灌溉回歸量。根據(jù)飽氣帶巖性的分布特征，將常熟分為3個(gè)區(qū)，同時(shí)參考“江蘇省地下水資源研究”中，江蘇省平原地區(qū)入滲系數(shù)與飽氣帶巖性及水位埋深關(guān)系，綜合考慮不同區(qū)域的巖性及水位埋深，對(duì)入滲系數(shù)進(jìn)行賦值，北部沿江地帶的長江新三角洲地區(qū)飽氣帶巖性以粉土為主，入滲系數(shù)最大，取值0.20，中部地區(qū)為粉質(zhì)粘土、淤質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉土，滲透系數(shù)相對(duì)較小，取0.14；常熟西南部地區(qū)則為灰黃、灰褐色粉質(zhì)粘土、粘土，結(jié)構(gòu)致密，呈可硬塑狀，入滲系數(shù)取0.12。常熟市歷年降水平均值為1 135.6 mm（政府官方網(wǎng)站公布），根據(jù)降水量乘以降水入滲系數(shù)，計(jì)算得出各區(qū)大氣降水垂向凈補(bǔ)給量。

考慮到耕地的灌溉回歸，常熟市總耕地面積為419.4 km2，灌溉入滲系數(shù)=0.1，灌溉定額 450 m3/畝，可計(jì)算出灌溉回歸量6.75 mm/a。綜合大氣降水和灌溉回歸，進(jìn)行評(píng)分賦值，見表4。

表4 含水層評(píng)分表

5.3 含水層厚度

含水層由于其巖性特點(diǎn)，富水性和透水性良好，更是和含水層厚度程正相關(guān)關(guān)系，因此含水層的厚度對(duì)地下水脆弱性影響較大[3]。根據(jù)調(diào)查，結(jié)合《江蘇省沿江工業(yè)走廊水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)綜合評(píng)價(jià)報(bào)告》等區(qū)域水工環(huán)資料，常熟地區(qū)潛水含水層巖性以粉質(zhì)粘土為主夾少量粉土，富水性差且含水層薄，微承壓含水層以細(xì)粉砂為主，分布廣泛且穩(wěn)定，為淺層地下水的主要含水層，除福山、虞山等淺層地下水缺失區(qū)外，其它地區(qū)均有分布。王莊鎮(zhèn)-常熟市區(qū)-支塘鎮(zhèn)一線，微承壓含水層厚度較薄，一般小于10 m。在常熟南部的東南街道、沙家浜鎮(zhèn)等地，含水層較為發(fā)達(dá)，厚度普遍大于20 m。其余大部分地區(qū)10～20 m不等。含水層厚度評(píng)分見表5。

表5 土壤介質(zhì)評(píng)分表

5.4 土壤介質(zhì)

根據(jù)野外調(diào)查，結(jié)合《江蘇省常熟市土壤志》及土地利用規(guī)劃等資料以及遙感影像，常熟地區(qū)土壤受氣候、地形、水文、土壤母質(zhì)類型的影響，主要包括粘質(zhì)壤土（粘土）、粉質(zhì)壤土、壤土及砂質(zhì)壤土（砂土），結(jié)果如表6所示。

表6 地形坡度評(píng)分表

評(píng)分為5的砂質(zhì)壤土全市范圍內(nèi)只有與太倉、張家港交界區(qū)域，少量以條帶狀分布；評(píng)分為4分的壤土分布區(qū)主要集中在梅李鎮(zhèn)、董浜鎮(zhèn)及碧溪鎮(zhèn)大部分區(qū)域；評(píng)分為3的粉質(zhì)壤土廣泛分布于常熟地區(qū)西側(cè)，總面積507 km2，占比46%，屬全區(qū)分布最廣，其它區(qū)域分布粘質(zhì)壤土，評(píng)分為2。

5.5 地形坡度

常熟地區(qū)位于長江中下游沖擊平原，除虞山、福山少量山丘外，全域90%為地勢平坦水網(wǎng)平原，淺層地下水即賦存于其中。通過利用ArcGIS對(duì)高程數(shù)據(jù)的提取[4]，對(duì)常熟地區(qū)的坡度進(jìn)行分析與數(shù)據(jù)處理，完成研究區(qū)的坡度計(jì)算。研究區(qū)坡度取值基本在 0～2%內(nèi)，可見常熟地區(qū)淺層地下水賦存區(qū)域地勢平坦，攜帶污染物的徑流在該區(qū)域滯留時(shí)間長，污染下滲的可能性大，造成淺層地下水脆弱性高，坡度評(píng)分見表7。

表7 包氣帶介質(zhì)類型評(píng)分表

5.6 包氣帶介質(zhì)類型

常熟地區(qū)包氣帶介質(zhì)主要包括粉土、粉質(zhì)粘土及淤質(zhì)粉質(zhì)粘土。不同的包氣帶介質(zhì)會(huì)對(duì)通過水流中的物質(zhì)產(chǎn)生各種物理及化學(xué)生物作用，污染物隨水流進(jìn)入含水層的過程中，濃度會(huì)得到有效降低[5]。常熟地區(qū)碧溪鎮(zhèn)、董浜鎮(zhèn)、支塘鎮(zhèn)、海虞鎮(zhèn)及梅李鎮(zhèn)等沿江區(qū)域包氣帶介質(zhì)類型為粉土，評(píng)分值為3分，其它75%區(qū)域包氣帶介質(zhì)類型為粉質(zhì)粘土，總面積達(dá)826.8 km2，評(píng)分值為2分。評(píng)分值情況見表8。

表8 含水層滲透系數(shù)評(píng)分表

5.7 含水層滲透系數(shù)

一般而言，土層巖性孔隙越大，含水層的滲透性越好，滲透系數(shù)越大，通過地下水及污染物質(zhì)的能力也越強(qiáng)，污染隨著地下水?dāng)U散的可能性也越大，造成地下水脆弱性越高。常熟地區(qū)淺層地下水含水層雖是由潛水含水層的黏性土及微承壓含水層的砂性土構(gòu)成，但微承壓含水層為主體，巖性為細(xì)粉砂，滲透性明顯大于潛水含水層黏性土，遵循污染風(fēng)險(xiǎn)最大化的原則，常熟地區(qū)淺層地下水含水層滲透系數(shù)評(píng)價(jià)因子按照細(xì)粉砂進(jìn)行。依據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)（第五版）》經(jīng)驗(yàn)值，研究區(qū)全區(qū)淺層地下水含水層滲透系數(shù)均小于等于4 m/d，得到含水層滲透系數(shù)的脆弱性評(píng)分值如表9所示，全域評(píng)分為1。

表9 常熟市地下水脆弱性評(píng)價(jià)表

5.8 綜合評(píng)價(jià)分區(qū)

利用 Arc GIS 對(duì)各因子的評(píng)分圖進(jìn)行疊加分析，并將得到的脆弱性綜合指數(shù)按照數(shù)值大小分為5個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間按指數(shù)從小到大分別為地下水脆弱性綜合指數(shù)值DI[23，70]的低脆弱區(qū)，地下水脆弱性綜合指數(shù)值DI（70，100]的較低脆弱區(qū)，地下水脆弱性綜合指數(shù)值DI（100，120]的中等脆弱區(qū)，地下水脆弱性綜合指數(shù)值DI（120，150]的較高脆弱區(qū)，以及地下水脆弱性綜合指數(shù)值DI（150，230]的高度脆弱區(qū)[6]。

常熟地區(qū)地下水脆弱性綜合指數(shù)分布范圍在122～154之間。利用疊加的地下水脆弱性綜合指數(shù)分布圖，常熟地區(qū)淺層地下水的脆弱性指數(shù)分布于較高及高脆弱性2個(gè)區(qū)間，得到地下水脆弱性評(píng)價(jià)如圖1所示，從中可以得到地下水脆弱性分布規(guī)律：除淺層地下水缺失區(qū)以外，全市淺層含水層脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果為較高脆弱性與高脆弱性。高脆弱性區(qū)域主要分布在沿江地區(qū)及董浜鎮(zhèn)部分區(qū)域，總面積約76.82 km2，占比約6.05%。其它區(qū)域淺層地下水脆弱性均為較高脆弱性，總面積約1 192.74 km2，占比約93.95%。

圖1 常熟地區(qū)淺層地下水脆弱性評(píng)價(jià)分區(qū)圖

6 結(jié)語

通過ArcGIS軟件利用DRASTIC評(píng)價(jià)模型，對(duì)常熟地區(qū)淺層地下水脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)，由于淺層地下水含水層埋深淺，受氣象環(huán)境、地面環(huán)境及人類活動(dòng)深刻影響，評(píng) 價(jià)結(jié)果體現(xiàn)總體脆弱性較高的現(xiàn)狀，與現(xiàn)階段區(qū)域淺層地下水受人類污染威脅的情況基本符合。