基于GIS與DRASTIC模型的白銀市平川區(qū)地下水脆弱性評價

[摘要]以平川區(qū)地下水為研究對象，在地下水環(huán)境調(diào)查評估的基礎(chǔ)上，選取對影響研究區(qū)地下水脆弱性最主要的7個指標，建立DRASTIC地下水脆弱性評價模型，利用GIS技術(shù)分別對各指標進行分析，繪制各項指標分級圖，在此基礎(chǔ)上通過疊加分析得到評價結(jié)果，并進行分級分區(qū)。結(jié)果表明，研究區(qū)地下水脆弱性整體較低，低脆弱區(qū)和較低脆弱區(qū)主要分布在東北部和南部基巖山區(qū)一帶，中等脆弱區(qū)主要分布在北部的黃河沿岸和中部黃橋鎮(zhèn)附近，較高脆弱區(qū)和高脆弱區(qū)分布在南北兩側(cè)的溝谷地帶。為研究區(qū)地下水基礎(chǔ)環(huán)境狀況評估和地下水保護提供了科學依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]地下水脆弱性；白銀市平川區(qū)；GIS技術(shù)；DRASTIC模型

1.研究區(qū)概況

白銀市平川區(qū)位于甘肅省中部靠北側(cè)，東與寧夏回族自治區(qū)接壤，南、北與靖遠縣相連，東南與會寧縣相接，西與景泰縣為鄰，地理坐標介于東經(jīng)104°24’～105°51’，北緯36°18’～37°00’，轄區(qū)面積2126km2。研究區(qū)屬溫帶大陸性半干旱氣候區(qū)，具有氣溫年差較大、季節(jié)變化顯著、降水稀少且分配不均、干燥多風等氣候特征。據(jù)平川站氣象資料統(tǒng)計，多年平均氣溫8.2℃。多年平均降雨量250mm，最大年降雨量385.8mm，最小年降雨量104.1mm。多年平均蒸發(fā)量1700mm，是降雨量的6.8倍。降雨年內(nèi)分布不均，降水多集中于7～9月，其降水量約占全年降水量的61.4%。

研究區(qū)屬黃河流域上游的黃河干流水系。區(qū)內(nèi)主要河（溝）谷有水泉溝、石牌子溝等，均屬黃河一級支流。黃河自區(qū)內(nèi)西北水泉鎮(zhèn)南部入境，于西部水泉鎮(zhèn)野麻灘出境，黃河在境內(nèi)流程32km，流域面積7.88km2。區(qū)內(nèi)季節(jié)性溝谷較發(fā)育，其中水泉溝、石碑子溝、紅溝為黃河的較大支溝，同時區(qū)內(nèi)沙河分布較多，其均為季節(jié)性流水溝谷，水源主要來自降水、溝谷泉水。

2.區(qū)域水文地質(zhì)條件

根據(jù)地下水賦存條件和含水巖組性質(zhì)，研究區(qū)地下水類型可劃分為基巖裂隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水和松散巖類孔隙水三類。

2.1基巖裂隙水

主要分布在西北部和中部的水泉尖山、黃家洼山、崛吳山等地區(qū)，由花崗巖、變質(zhì)砂巖、砂礫巖等構(gòu)成的基巖山體，地下水主要賦存于基巖風化裂隙和半風化的構(gòu)造裂隙中，局部地段有斷層脈狀水?；鶐r裂隙水受控于構(gòu)造節(jié)理作用，主要接受大氣降水補給，沿基巖的網(wǎng)狀裂隙通道運動，最終以泉或以潛流的形式向溝谷或地勢低洼處排泄。崛吳山海拔較高，發(fā)育有灌木叢，降雨較豐富，泉水較發(fā)育，水質(zhì)較好。

2.2碎屑巖類孔隙裂隙水

地下水賦存于白堊系及新近系砂巖、砂礫巖與泥巖巖層間裂隙、裂隙孔隙及孔隙中，主要接受大氣降水、溝谷雨洪及上覆第四系松散巖類孔隙水的入滲補給，地下水一般埋藏深度大，富水性弱，水質(zhì)較差。寶積山一帶白堊系的砂巖、頁巖，含水層厚55～80m，富水性不均勻，溶解性總固體3～6g/L，新近系地層為不均勻含水，裂隙發(fā)育地段含水量微弱，其他地段基本不含水，溶解性總固體一般5～10g/L。中侏羅統(tǒng)新河組為侏羅系的主要含水巖組，位于紅會礦區(qū)煤層頂板含水層之上，抽水試驗表明，含水層富水性弱，單位涌水量0.000565L/s·m。新河組底部砂礫巖含水層為礦區(qū)主要的充水含水層，厚度約30m，含水層富水性弱，單位涌水量為0.00535L/s·m。

2.3松散巖類孔隙水

根據(jù)地質(zhì)地貌條件和儲存空間的不同分為黃土潛水、盆地潛水和河（溝）谷潛水。

黃土潛水主要分布于研究區(qū)東南部黃橋～復興鄉(xiāng)黃土丘陵區(qū)地帶，含水層多不連續(xù)，下伏新近系泥巖構(gòu)成含水層底板。地下水主要接受大氣降水、雨洪垂直滲漏補給，徑流途徑短，流速緩慢，在支溝溝腦沿基巖面以泉的形式排泄，溶解性總固體介于0.9～69g/L之間，單井出水量一般為0.12～0.6m3/d。

盆地潛水主要分布于水泉盆地、旱平川盆地、北灘盆地，即水泉尖山、黃家洼山和崛吳山山前洪積傾斜平原，地下水主要賦存于山前沖洪積碎石、砂礫石及砂層中。水泉盆地含水層分布不均，富水性差異大，其盆地中心部富水性最強，東西兩側(cè)富水性減弱，主要接受北西部沙流水溝、小紅溝等溝谷的地下潛流補給，其次為地表雨洪的入滲，該盆地水質(zhì)差異較大，溶解性總固體由西向東逐漸增高，即一般1～2g/L，人工開采和沙溝側(cè)向流出為主要排泄方式。

河（溝）谷潛水主要分布于研究區(qū)西北部的黃河漫灘、階地和較大溝谷中，地下水賦存于沖洪積碎石、砂礫卵石層中，河漫灘和Ⅰ級階地潛水水量豐富，水質(zhì)較好，主要接受降水、河水入滲和側(cè)向徑流補給，含水層厚度一般7～12m，單井出水量可達2500m3/d，溶解性總固體在0.3～1.2g/L。

3.地下水脆弱性評價方法

地下水脆弱性評價主要采用疊置指數(shù)法[1]，基本原理為通過對選取的評價參數(shù)的分指數(shù)進行疊加形成一個反映脆弱程度的綜合指數(shù)，包括指標、權(quán)重、值域和分級。國外地下水脆弱性的研究開展較早[2-3]，DRASTIC模型在地下水脆弱性評價中應(yīng)用最為廣泛，由美國環(huán)保署于1987年提出[4-5]，后在美國、加拿大、南非及歐共體廣泛應(yīng)用在地下水脆弱性研究中。

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件，地下水脆弱性評價采用DRASTIC模型，評價模型由地下水位埋深（D）、垂向凈補給量（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）等7個水文地質(zhì)參數(shù)組成[6-12]。模型中每個指標都分成幾個區(qū)段，每個區(qū)段賦予評分。然后根據(jù)每個指標對脆弱性影響大小計算相應(yīng)權(quán)重，最后通過加權(quán)求和，得到地下水脆弱性指數(shù)（DI）。

DI=DWDR+RWRR+AWAR+SWSR+TATR+IWIR+CWCR

式中：DI—地下水脆弱性指數(shù)；

DW、DR—地下水位埋深權(quán)重、地下水位埋深評分；

RW、RR—垂向凈補給量權(quán)重、垂向凈補給量評分；

AW、AR—含水層厚度權(quán)重、含水層厚度評分；

SW、SR—土壤介質(zhì)權(quán)重、土壤介質(zhì)評分；

TW、TR—地形坡度權(quán)重、地形坡度評分；

IW、IR—包氣帶介質(zhì)類型權(quán)重、包氣帶介質(zhì)類型評分；

CW、CR—含水層滲透系數(shù)權(quán)重、含水層滲透系數(shù)評分。

地下水脆弱性評估指標的數(shù)據(jù)來源、說明及推薦權(quán)重見表1，指標等級劃分和賦值見表2。

地下水脆弱性綜合指數(shù)取值范圍為23～230，綜合指數(shù)值與脆弱性評價結(jié)果級別的對應(yīng)關(guān)系見表3，綜合指數(shù)值越高，地下水脆弱性越高，反之脆弱性越低。

各參數(shù)的分級分析在GIS平臺上進行，根據(jù)收集到的不同的數(shù)據(jù)參數(shù)，在ArcGIS中生成可用于分析的數(shù)據(jù)格式進行分類分析[13-15]。最后，按照地下水脆弱性分級標準（表3），繪制出研究區(qū)地下水脆弱性評價分級結(jié)果。

4.地下水脆弱性評價

4.1地下水位埋深（（DD））

松散巖類孔隙水和碎屑巖類孔隙裂隙水是研究區(qū)最主要的地下水類型，其主要用途為農(nóng)業(yè)灌溉。松散巖類孔隙水主要分布在平川區(qū)西北和東南的河谷地帶，由河岸至內(nèi)陸水位埋深逐漸變深，河岸附近地下水埋深小于2m，順溝谷內(nèi)部逐漸變深，直至大于30m。裂隙水分布于平川的大部分地區(qū)，水位埋深約30～120m。碎屑巖類孔隙裂隙水分布于寶積、共和等地。地下水一般埋藏深度大，富水性弱，水質(zhì)較差，水位埋深一般大于40m（圖1）。

4.2垂向凈補給量（（RR））

研究區(qū)內(nèi)降水由西北向東南呈遞增趨勢，年均降雨量在水泉西部的中低山區(qū)小于300mm；在黃嶠、種田、復興東部的黃土丘陵區(qū)年均降雨量大于350mm；中部的寶積、共和及其他地區(qū)年均降雨量300～350mm。本次采用降水量乘以降水入滲系數(shù)求得垂向凈補給量。通過收集區(qū)內(nèi)降雨分布數(shù)據(jù)，結(jié)合降雨入滲分布圖，利用ArcGIS作圖，得到凈補給量評分圖（圖2）。

4.3含水層厚度（（AA））

研究區(qū)含水層厚度普遍較薄，在部分地區(qū)出現(xiàn)分帶的特征：在西北部黃河沿岸，含水層厚由厚逐漸變淺，最厚處可達30～35m，至河谷內(nèi)陸地區(qū)含水層最薄，最薄處含水層厚小于10m。在水泉鎮(zhèn)、寶積鎮(zhèn)等地含水層為白堊系砂巖，共和鎮(zhèn)和黃嶠鎮(zhèn)附近，含水層也以白堊系砂巖、砂礫巖為主，該地區(qū)含水層厚度約40～100m，由西至東、由南至北逐漸變薄。研究區(qū)含水層厚度評分見圖3。

4.4土壤介質(zhì)（（SS））

研究區(qū)境內(nèi)土壤介質(zhì)類型受氣候和土壤母質(zhì)的影響因素較強。由于該地降水稀少，流水的搬運作用不明顯，母巖被風化剝蝕后，風化物往往停留在原地，最終沉積形成風化層。平川區(qū)北部地層巖性主要為層狀、中厚層狀較堅硬-較軟弱灰?guī)r、砂巖、砂礫巖夾頁巖等，不易形成較厚的風化層。南部大部分地區(qū)其地層巖性為黃土單層土體，土壤介質(zhì)為粉質(zhì)壤土，中部地區(qū)以沖洪積中粗砂、砂礫石為主（圖4）。

4.5地形坡度（（TT））

研究區(qū)地處祁連山余脈、騰格里沙漠向黃土高原過渡地帶，境內(nèi)地形起伏較大，主要由黃土丘陵、中低山、山前平原及河谷平原相間組成。區(qū)域內(nèi)總體地勢由東南向西北傾斜，海拔1347～2858m，平均海拔2100m，相對高差一般100～400m，最大為1511m，最高峰為東南部的崛吳山南溝大頂，海拔2858m；最低處位于西部水泉鎮(zhèn)野麻村紅麻灣，海拔1347m。（圖5）。

4.6包氣帶介質(zhì)類型（（II））

研究區(qū)境內(nèi)包氣帶介質(zhì)主要包括亞砂土、砂礫石、粗砂、卵礫石。北部黃河溝谷地帶包氣帶介質(zhì)為卵礫石，黃河沿岸包氣帶介質(zhì)主要是礫石和粗砂，中部和南部有大片黃土單層土體分布，其包氣帶介質(zhì)為粉質(zhì)壤土，黃橋鎮(zhèn)附近地層巖性為礫石、砂和粉質(zhì)黏土和砂礫石雙層土體，包氣帶介質(zhì)以砂礫石為主（圖6）。

4.7含水層滲透系數(shù)（（CC））

研究區(qū)的滲透系數(shù)普遍較低，黃河溝谷地帶以及黃橋鎮(zhèn)附近地區(qū)的滲透系數(shù)最高。黃河沿岸溝谷地區(qū)滲透系數(shù)可達30～35mm/a，黃橋鎮(zhèn)地區(qū)的滲透系數(shù)可達40～60mm/a，其余地區(qū)的滲透系數(shù)普遍在12mm/a以下（圖7）。

5.脆弱性評價結(jié)果

經(jīng)過ArcGIS疊加分析，研究區(qū)地下水脆弱性綜合指數(shù)分布范圍在54-157之間，對評價結(jié)果按照分級標準進行分級（圖8）。

低脆弱區(qū)和較低脆弱區(qū)主要分布在研究區(qū)東北部和南部基巖山區(qū)一帶，低脆弱區(qū)面積為75.74km2，占調(diào)查區(qū)總面積的8.15%；較低脆弱區(qū)面積為716.15km2，占調(diào)查區(qū)總面積的77.03%；中等脆弱區(qū)主要分布在北部的黃河沿岸和中部黃橋鎮(zhèn)附近，面積為101.09km2，占調(diào)查區(qū)總面積的10.88%；較高脆弱區(qū)和高脆弱區(qū)分布在南北兩側(cè)的溝谷地帶，面積最小，分別為35.19km2和1.43km2，占調(diào)查區(qū)總面積的3.79%和0.15%。

6.結(jié)論與建議

在系統(tǒng)分析研究區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，并在研究區(qū)地下水環(huán)境調(diào)查評估的基礎(chǔ)上，建立了DRASTIC地下水脆弱性評價模型，利用GIS技術(shù)繪制了各項指標分級圖，在此基礎(chǔ)上通過疊加分析得到評價結(jié)果，并進行了分級分區(qū)。評價結(jié)果表明，研究區(qū)地下水脆弱性總體較低，低脆弱區(qū)和較低脆弱區(qū)主要分布在東北部和南部基巖山區(qū)一帶，占研究區(qū)總面積的8.15%和77.03%；中等脆弱區(qū)主要分布在北部的黃河沿岸和中部黃橋鎮(zhèn)附近，占研究區(qū)總面積的10.88%；較高脆弱區(qū)和高脆弱區(qū)分布在南北兩側(cè)的溝谷地帶，占研究區(qū)總面積的3.79%和0.15%。

研究區(qū)地下水脆弱性總體較低或中等，防污性能好。為地下水環(huán)境調(diào)查、保護規(guī)劃、污染防治提供了依據(jù)，合理開發(fā)利用地下水資源、土地資源、廢棄物填埋場的選址等工作具有一定的指導意義。根據(jù)地下水脆弱性評價結(jié)果，建議在人類活動和工業(yè)生產(chǎn)集中的地區(qū)，防治工業(yè)“三廢”和有機污染[16]，加強黃河干流及其主要支流地下水環(huán)境監(jiān)測與評價。

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