基于PLEIK模型的巖溶地下水防污性能評價
——以貴陽市汪家大井泉域為例

于 楊, 肖一鑫, 陳彥美*

(1.長江大學 資源與環(huán)境學院,湖北 武漢 430100; 2.武漢中地環(huán)科水工環(huán)科技咨詢有限公司,湖北 武漢 430073)

巖溶地下水是中國西南地區(qū)主要的供水水源,為當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展提供了經(jīng)濟基礎和重要保障[1]。近年來,隨意排放的工業(yè)“三廢”以及不合理的開采導致巖溶地區(qū)地下水水質(zhì)持續(xù)惡化[2]。巖溶地下水系統(tǒng)結構復雜,不同類型的巖溶區(qū)具有不同的水文地質(zhì)特征,其污染具有隱蔽性強、來源復雜、治理難度大、擴散性強等特點,一旦受到污染很難對其進行徹底地治理[3-4],因此,對巖溶地下水開展防污性能評價尤為重要。地下水防污性能即地下水脆弱性,指不考慮人類活動和污染源而只考慮水文地質(zhì)內(nèi)部因素的脆弱性[4]。結合地下水防污性能評價結果和區(qū)域污染源分布特征,對地下水防污性能進行研究,是防范化解區(qū)域地下水環(huán)境污染問題的重要方法之一。針對巖溶區(qū)地下水防污性能,業(yè)界常采用EPIK、COP、PLEIK、RISKE等疊置指數(shù)模型進行評價[5-10]。

EPIK模型是根據(jù)巖溶網(wǎng)絡發(fā)育程度和表層巖溶帶,專門針對巖溶地區(qū)開發(fā)的防污性能評價方法之一。該模型包括表層巖溶帶發(fā)育程度(E)、保護性蓋層(P)、補給類型(I)和巖溶網(wǎng)絡發(fā)育程度(K)4個評價指標。該評價方法適用于表層巖溶帶發(fā)育且具有明顯的地表—地下雙層結構的南方裸露巖溶地區(qū)[11-12]。COP模型衍生于歐洲模式,評價指標分別為徑流因素(C)、覆蓋巖層(O)和大氣降水(P)。該模型評價因素單一且未考慮人類活動等因素的影響,比較適合表層巖溶帶不發(fā)育的北方裸露巖溶地區(qū)地下水固有的防污性能評價[13]。Hamdan et al.[14]采用EPIK和COP兩個模型分別對約旦西北部Tanour和Rasoun兩泉集水區(qū)巖溶地下水進行評價,并對比評價結果,結果顯示EPIK模型評價結果精度高于COP模型。鄒勝章等[12]對于覆蓋型巖溶區(qū)地下水防污性能評價在DRASTIC、COP、EPIK模型基礎上,提出了PLEIK模型,認為覆蓋型巖溶區(qū)大部分巖溶被松散巖土層覆蓋,淺層孔隙地下水與深層巖溶水具有明顯的水力聯(lián)系;局部巖溶裸露并發(fā)育表層巖溶帶,具有裸露型巖溶的基本特征,在選取評價指標時應充分考慮P、L因子的影響;各評價因子權重通過“二元”比較及層次分析法等多種方法確定,可以避免由于主觀因素造成的指標權重分配不均等問題。近年來,PLEIK模型被廣泛應用于中國西南巖溶地區(qū)地下水防污性能評價[15-19]。

汪家大井泉域是貴州省貴陽市重要的供水水源,其巖溶地下水主要接受泉域范圍內(nèi)東北部裸露巖溶區(qū)和半裸露巖溶區(qū)的大氣降水入滲補給及部分伏流補給,極易受到人類活動的污染,從而威脅當?shù)鼐用裆钣盟踩８鶕?jù)前期調(diào)查,泉域范圍內(nèi)潛在污染源主要分布在其東北及西南方向,污染源類型以工業(yè)源、農(nóng)業(yè)源、移動源(加油站)為主。開展巖溶地下水防污性能評價有助于適當優(yōu)化調(diào)整污染源分布位置并進行巖溶地下水污染防控,化解飲用水安全問題。本文采用PLEIK模型對汪家大井泉域范圍內(nèi)巖溶地下水防污性能進行定量評價并討論,旨在為區(qū)內(nèi)地下水環(huán)境保護提供一定的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

汪家大井泉域位于貴陽市東部永樂堡復式向斜北西翼[20],地理坐標:北緯26°25′～26°45′,東經(jīng)106°44′～107°05′。汪家大井上升泉現(xiàn)為該市東郊水廠取水地,泉眼高程約1 018 m,枯季最小流量為1 165 L/s[21]。

研究區(qū)氣候類型為亞熱帶季風性濕潤氣候,具有明顯的高原性氣候特點。區(qū)內(nèi)年平均氣溫14.6℃,多年平均降雨量和多年平均日最大降雨量分別約1 041.57、205.1 mm。

研究區(qū)大地構造位置處于“都勻南北向隔槽式褶皺變形區(qū)”,主要發(fā)育永樂堡復式向斜,整體地形起伏呈四周高、中部低的態(tài)勢,西部谷腳—小碧—龍洞堡—永樂堡一帶的地勢相對平緩、地形坡度較小,東部溝谷切割深、地形起伏大、坡度陡。根據(jù)塑造地貌的主導作用力、地層巖性、地貌形態(tài)組合特征及切割深度因素,將研究區(qū)地貌類型劃分為溶丘谷地、峰叢洼地、侵蝕低中山溝谷、溶蝕—侵蝕溝谷4種。

1.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)發(fā)育碳酸鹽巖地層夾少量的碎屑巖地層,由老到新依次出露泥盆系(D)、石炭系(C)、二疊系(P)、三疊系(T)和第四系(Q)地層。區(qū)內(nèi)地下水類型可以分為碳酸鹽巖類裂隙巖溶水和碎屑巖類孔隙裂隙水兩類。研究區(qū)水文地質(zhì)簡圖見圖1-a,含水層巖組劃分見表1。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)簡圖(改編自參考文獻[23])Fig.1 Schematic diagram of the hydrogeology of the study area

表1 含水巖組劃分表Table 1 Table of division of water-bearing rock groups

碳酸鹽巖類裂隙巖溶水主要賦存于三疊系花溪組(T2h)、坡段組(T2p)、安順組(T1-2a)、羅樓組(T1-2l)、大冶組(T1d),二疊系合山組(P3h)、茅口組(P2m)、棲霞組(P2q),石炭系黃龍組(C2h)、擺佐組(C1-2b)以及泥盆系高坡場組(D3gp)中;碎屑巖類孔隙裂隙水主要賦存于三疊系夜郎組(T1y),二疊系大隆組(P3d)、合山組第一段(P3h1)、梁山組(P2l),石炭系舊司組(C1j)、祥擺組(C1x)地層中。

研究區(qū)位于NE向永樂堡復式向斜的北西翼,該向斜將含、隔水層塑造成疊盆狀儲水構造系統(tǒng)。根據(jù)含、隔水層垂向組合、地質(zhì)構造分布條件、地下水排泄點分布等特征,將區(qū)內(nèi)地下水分為“上層”及“下層”2個系統(tǒng),見A-A′水文地質(zhì)剖面圖(圖1-b)。

上層地下水系統(tǒng)主要由花溪組、坡段組、安順組、羅樓組、大冶組組成,厚度約550 m;主要補給源為大氣降水,通過落水洞和巖溶洼地處集中注入或灌入地下,或在溶蝕裂隙處分散滲入地下。一部分巖溶地下水通過巖溶大泉以及下降泉等方式于向斜核部排出,另一部分巖溶地下水則向深部循環(huán)補給下層地下水系統(tǒng)。

下層地下水系統(tǒng)主要由合山組、棲霞組—茅口組組成,厚度約300 m;大部分補給源來自于研究區(qū)東部裸露巖溶區(qū)的落水洞、巖溶洼地等處,接受大氣降水集中注入式補給,小部分接受來自上層地下水系統(tǒng)的越流補給。含水介質(zhì)類型主要為溶洞—裂隙,地下水沿巖層走向、傾向和構造線方向徑流,穿越永樂堡向斜核部并通過汪家大井上升泉排泄于地表。

2 PLEIK模型的構建

2.1 評價因子

研究區(qū)巖溶地層十分發(fā)育。大部分含水層被上覆巖層覆蓋,位于永樂堡向斜南西翼高枧一帶的巖溶地下水補給區(qū)則為裸露巖溶區(qū)。針對這種獨特的水文地質(zhì)條件,本文采用PLEIK模型對研究區(qū)地下水防污性能進行評價,其評價因子分別為保護性蓋層(P)、土地利用類型(L)、表層巖溶帶發(fā)育程度(E)、補給類型(I)及巖溶網(wǎng)絡發(fā)育程度(K)[12]。

保護性蓋層為含水層上部所覆蓋的松散土層,包括第四系松散土層等上覆非巖溶地層和地下水位以上的巖溶地層兩部分。地下水在巖層中滯留的時間與上覆巖層保護性蓋層厚度具有密切聯(lián)系,當區(qū)內(nèi)保護性蓋層厚度較薄時,污染物在下滲過程中難以被其全部截留,地下水系統(tǒng)的防污性能較差[12]。

土地利用類型可以綜合反映出地區(qū)的工農(nóng)業(yè)及經(jīng)濟綜合發(fā)展情況。不同的土地利用類型產(chǎn)生的污染物不同,因此下伏含水層的防污性能也存在明顯差異。西南巖溶地區(qū)土地利用類型可按照用途分為林地、果園地、耕地、草地、裸地、村鎮(zhèn)及工礦用地6種[12]。

表層巖溶帶發(fā)育程度對巖溶地下水系統(tǒng)具有重要的調(diào)蓄功能。其發(fā)育程度受巖性、巖石結構、構造、地貌、水動力條件、土層及植被覆蓋情況等因素影響[22]。表層巖溶帶作為污染物從地表進入地下的主要途徑之一,對地下水防污性能影響巨大,表層巖溶帶越發(fā)育,地下水抵抗外來污染物入侵的能力就越差。在實際工作中,表層巖溶帶的發(fā)育程度可以根據(jù)碳酸鹽巖巖組類型及巖溶發(fā)育程度進行劃分。

補給類型包括巖溶含水層的補給類別和補給強度。補給類型越集中,雨強越大,地下水的防污性能越差。評價過程中I因子可以通過構建補給類別和降雨強度綜合評分矩陣來分級量化。

巖溶網(wǎng)絡發(fā)育程度可以通過地下水徑流模數(shù)來反映。當缺少相關資料時,也可用巖溶含水層組類型簡單確定含水層巖溶網(wǎng)絡發(fā)育程度[12]。區(qū)內(nèi)巖溶網(wǎng)絡發(fā)育程度越強,地下水的防污性能越差。

DI可以代表區(qū)內(nèi)地下水防污性能分級,具體計算方法如下:

DI=Z1×P+Z2×L+Z3×E+Z4×I+Z5×K

(1)

式中:Z1-Z5分別代表各評價因子權重;P、L、E、I、K分別代表各評價因子分值。DI值越高,地下水防污性能越好。DI值分級標準見表2。

表2 地下水防污性能評價分區(qū)劃分值Table 2 The partition value of groundwater anti-fouling performance evaluation

2.2 資料來源

本研究采用的資料包括:野外調(diào)查獲取的水文地質(zhì)要素信息(地層厚度、巖溶發(fā)育條件及分帶性)、貴陽幅1∶20萬地質(zhì)圖及報告(獲取地質(zhì)、構造及地層巖性信息)、龍洞堡幅1∶5萬水文地質(zhì)圖及報告、遙感信息解譯報告、DEM數(shù)值化信息(地形坡度、土地利用類型等)?；谏鲜鲑Y料,獲取PLEIK模型各評價指標相關信息,并進行指標分級。

3 評價結果及討論

3.1 評價結果

根據(jù)汪家大井泉域的水文地質(zhì)特征及遙感解譯結果,參考鄒勝章等[12]的PLEIK模型各指標分級定額標準對研究區(qū)PLEIK模型各評價因子進行分級與評分,評分范圍為1～10分,具體評分結果如表3所示。

表3 汪家大井泉域地下水防污性能各評價因子評分表Table 3 Evaluation of each factor score table of Wangjiadajing spring groundwater antifouling performance

3.1.1 保護性蓋層

研究區(qū)存在碳酸鹽巖和碎屑巖地層。根據(jù)土層厚度與DEM數(shù)據(jù)將巖溶地帶的保護性蓋層分為P1、P2、P4三類并依次評分為1、4、10分。P1為厚度在0～20 cm的土層,主要分布在地形坡度>15°的山頂和峽谷陡坡區(qū);P2為厚度在20～100 cm的土層,主要分布在地形坡度為5°～15°的山體緩斜坡區(qū);P4為厚度>150 cm的土層,主要分布在巖溶區(qū)山間平壩及非巖溶區(qū)(碎屑巖區(qū))。具體劃分結果如圖2所示。

圖2 P因子分區(qū)圖Fig.2 Partition graph for the P factors

3.1.2 土地利用類型

研究區(qū)土地利用類型數(shù)據(jù)以Landsat8 OLI遙感影像數(shù)據(jù)為基礎,利用ENVI平臺開展遙感解譯工作后分析獲取。對照遙感數(shù)據(jù),建立研究區(qū)Landsat遙感數(shù)據(jù)解譯標志,并結合野外調(diào)查和原始遙感影像特征進行目視解譯修正,根據(jù)土地不同用途,將區(qū)內(nèi)土地利用類型劃分為林地(L1)、草地(L2)、耕地(L4)、村鎮(zhèn)及工礦用地(L6)、水體5類并制圖。由圖3可知,村鎮(zhèn)及工礦用地較為集中,其余土地利用類型分散于區(qū)內(nèi)。

圖3 L因子分區(qū)圖Fig.3 Partition graph for the L factors

3.1.3 表層巖溶帶發(fā)育程度

研究區(qū)巖溶地層大部分上覆松散蓋層,表層巖溶帶發(fā)育不明顯,只有局部裸露巖溶區(qū)表層巖溶帶發(fā)育。根據(jù)野外踏勘結果和區(qū)域地質(zhì)圖出露地層巖性將碳酸鹽巖巖組劃分為5個等級。E1為灰?guī)r連續(xù)型巖組,表層巖溶帶強烈發(fā)育,評分為1分;E2為灰?guī)r夾白云巖型巖組,表層巖溶帶高度發(fā)育,評分為3分;E3為灰?guī)r與白云巖交互型巖組,表層巖溶帶中等發(fā)育,評分為5分;E4為斷續(xù)狀不純碳酸鹽巖型巖組,表層巖溶帶輕度發(fā)育,評分為7分;E5則為非碳酸鹽巖與不純碳酸鹽巖交互型巖組,在基巖上觀察不到明顯的表層巖溶帶發(fā)育現(xiàn)象,評分為9分。具體E因子分級如圖4所示。

圖4 E因子分區(qū)圖Fig.4 Partition graph for the E factors

3.1.4 補給類型

汪家大井泉域降雨補給類別以面狀補給為主,研究區(qū)中部及南部發(fā)育落水洞及巖溶漏斗等62處巖溶點。由于魚洞峽水庫蓄水而常年有水的落水洞有6處,較大的地下暗河有6條,屬于點狀集中式滲入補給。入滲補給量則受到降雨強度、土地利用類型及地形坡度的影響。對于夾于巖溶區(qū)內(nèi)的非巖溶區(qū),補給類型可根據(jù)平均地形坡度綜合判定;降雨強度采用當?shù)囟嗄耆兆畲蠼涤陱姸绕骄蹬卸?。結合研究區(qū)多年平均最大日降雨量205.1 mm,得出I因子分級,見圖5。其中I1為落水洞、暗河等巖溶點附近500 m范圍內(nèi)區(qū)域,評分為1分;I2為落水洞、暗河等巖溶點附近500～1 000 m范圍內(nèi)區(qū)域,匯流坡度>25%的草地區(qū)和匯流坡度>10%的耕地區(qū),評分為3分;I3則為落水洞、暗河等巖溶點附近500～1 000 m范圍內(nèi)區(qū)域,匯流坡度<25%的草地區(qū)和匯流坡度<10%的耕地區(qū),評分為5分;I4為其他匯流坡度區(qū)域,評分為7分。

圖5 I因子分區(qū)圖Fig.5 Partition graph for the I factors

3.1.5 巖溶網(wǎng)絡發(fā)育程度

K因子采用1∶20萬地質(zhì)圖、1∶5萬水文地質(zhì)圖(龍洞堡幅)及野外水文地質(zhì)勘查結果,繪制研究區(qū)1∶5萬水文地質(zhì)圖,并利用其中巖溶含水層組劃分確定K因子分級,將研究區(qū)巖溶網(wǎng)絡發(fā)育程度分為6類(圖6)。K1為灰?guī)r連續(xù)型,評分為1分;K2為灰?guī)r夾白云巖型,評分為2分;K3為灰?guī)r—白云巖交互型,評分為3分;K4為灰?guī)r—白云巖間隔型,評分為4分;K5為斷續(xù)狀不純碳酸鹽巖型,評分為7分;K6為非碳酸鹽巖—不純碳酸鹽巖交互型,評分為10分。

圖6 K因子分區(qū)圖Fig.6 Partition graph for the K factors

3.1.6 防污性能分區(qū)

研究區(qū)各評價因子權重賦值可通過二元比較定性排序后采用模糊綜合矩陣方法確定,權重向量Z=(0.29,0.24,0.20,0.16,0.11)。利用ArcGIS軟件對各評價因子分區(qū)圖進行空間疊加分析,共形成944個區(qū)塊,除去54個已知水體的區(qū)塊,計算其余區(qū)塊DI值,判別研究區(qū)地下水防污性能分級;最后將屬性導回890個區(qū)塊內(nèi),利用ArcGIS軟件形成研究區(qū)地下水防污性能分區(qū)圖并計算其面積,如圖7所示。

圖7 研究區(qū)地下水防污性能分區(qū)圖Fig.7 The zoning map of groundwater antifouling performance in the study area

評價結果顯示,研究區(qū)內(nèi)地下水防污性能以中等和較好為主,面積分別為170.10、95.67 km2,分別占總面積的42.11%和23.69%;防污性能較差和好的區(qū)域次之,面積分別為74.90、62.72 km2,分別占總面積的18.54%和15.53%;防污性能差的區(qū)域分布面積最小,為0.54 km2,約占總面積的0.13%,呈零星分布。

研究區(qū)一級水資源保護區(qū)地下水防污性能分級以好和中等為主,其中防污性能好的區(qū)域主要位于高新社區(qū)服務中心的東北部一帶汪家大井取水點附近及其周圍泉域。

研究區(qū)二級水資源保護區(qū)共有2塊,分別位于永樂鄉(xiāng)一帶和哪嗙鄉(xiāng)一帶,前者地下水防污性能以中等為主,部分區(qū)域地下水防污性能較差;后者地下水防污性能較差,少數(shù)區(qū)域地下水防污性能中等。究其原因主要是由于哪嗙鄉(xiāng)一帶的二級水資源保護區(qū)為裸露巖溶區(qū)且表層巖溶帶較為發(fā)育,大量的落水洞與巖溶洼地分布于此。

3.2 討論

研究區(qū)地下水防污性能主控因素為L、E、K,其中E、K兩因子從水文地質(zhì)角度上反映地下水防污性能。E、K兩因子評分較低的區(qū)域多以灰?guī)r、白云巖為主,極易發(fā)生碳酸鹽巖溶解,表層巖溶帶及巖溶裂隙比較發(fā)育,致使污染物極其容易進入地下水徑流循環(huán)通道。L因子則代表人類活動對地下水防污性能的影響,結合圖3及圖7可看出,研究區(qū)村鎮(zhèn)及工礦用地聚集區(qū)域地下水防污性能中等—較差。

由防污性能分區(qū)圖(圖7)可知,研究區(qū)二級水資源保護區(qū)所在區(qū)域地下水容易受到污染,一級水資源保護區(qū)地下水防污性能較好,不易受到污染。研究區(qū)二級水資源保護區(qū)地層巖性以二疊系和三疊系的灰?guī)r及灰?guī)r夾白云巖為主,其表層巖溶帶及巖溶網(wǎng)絡均較為發(fā)育,集中發(fā)育大量落水洞與地下暗河,該區(qū)地下水防污性能為較差—中等。永樂鄉(xiāng)二級水資源保護區(qū)土地利用類型以耕地為主,缺少植被覆蓋,水土容易流失;化肥與有機農(nóng)藥的過量使用也會造成該區(qū)地下水污染。東部哪嗙鄉(xiāng)附近二級水資源保護區(qū)為汪家大井泉域的主要補給區(qū),其水質(zhì)好壞直接影響汪家大井上升泉供水水質(zhì)。該保護區(qū)林地覆蓋率大于耕地,但由于該區(qū)域為典型的裸露型巖溶區(qū),表層巖溶帶較為發(fā)育且保護性蓋層較薄,地下水徑流速度較快,地下水極易受到污染。通過裸露巖溶區(qū)大氣降水補給及落水洞等集中入滲補給,該區(qū)域地下水中的污染物沿著巖層走向及構造線方向向永樂堡向斜盆地核部遷移,并污染沿途地下水環(huán)境。

研究區(qū)一級水資源保護區(qū)大部分被林地覆蓋,上覆蓋層較厚,表層巖溶帶發(fā)育不明顯;其西側邊緣地區(qū)為碳酸鹽巖夾碎屑巖地層,巖溶發(fā)育較弱,該區(qū)域大部分地區(qū)地下水不易受到大氣降水入滲帶來的污染物影響,反而容易受到補給區(qū)所運移而來的污染物的影響。

4 結論

本文通過選取PLEIK模型對汪家大井泉域范圍內(nèi)的地下水防污性能進行評價,得出主要結論如下:

(1) 對于中國西南地區(qū)局部表層巖溶帶發(fā)育的覆蓋型巖溶區(qū),宜采用PLEIK模型評價巖溶地下水防污性能。PLEIK模型同樣也適用于巖溶區(qū)夾少量非巖溶區(qū)地下水防污性能評價。

(2) 汪家大井泉域范圍內(nèi)地下水防污性能可以劃分為5個等級,在覆蓋型巖溶區(qū)表層巖溶帶不發(fā)育或發(fā)育不強烈的地區(qū),地下水防污性能較好。研究區(qū)內(nèi)地下水防污性能以較好和中等為主,分別占總面積的23.69%和42.11%;防污性能較差和好的區(qū)域次之,分別占總面積的18.54%和15.53%;防污性能差的區(qū)域最少,約占總面積的0.13%。此外,地下水防污性能差及較差的區(qū)域,多分布在巖溶十分發(fā)育的碳酸鹽巖地層以及村鎮(zhèn)及工礦用地等居民活動頻繁的地區(qū)。

(3) 汪家大井泉域范圍內(nèi)的地下水環(huán)境保護應以預防為主、優(yōu)化污染源分布位置為輔。建議對區(qū)域內(nèi)污染嚴重企業(yè)進行綜合整治或異地搬遷處理;加強對北東方向地下水補給區(qū)污染監(jiān)管力度,制訂合理的地下水保護方案,以防污染物沿地下水流向運移到排泄區(qū),污染居民生活用水。