天水市城區(qū)淺層地下水脆弱性評估

趙 凱,周小龍,晏 娟

(甘肅省地礦局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,甘肅 天水 741020)

0 引言

天水市位于甘肅省東南部,屬資源型缺水和工程型缺水并存的城市[1]。地下水開發(fā)利用量較大,而地表水污染加劇,地下水與地表水的水力聯(lián)系情況及地下水的脆弱性卻未有詳細的相關(guān)明確說明,且地下水的脆弱性一定程度上能輔助評價地下水污染狀況。本文旨在通過DRASTIC模型對天水市城區(qū)淺層地下水的脆弱性進行評估,為當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境管理、城市規(guī)劃及地下水開采利用等提供參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)自然地理

天水市位于甘肅省東南部,是絲綢之路經(jīng)濟帶和關(guān)中平原城市群重要節(jié)點城市、隴東南交通樞紐,其主城區(qū)位于渭河及支流藉河河谷。本次研究區(qū)范圍西起藉河中游秦州區(qū)天水郡李家臺子,東至麥積區(qū)社棠鎮(zhèn)渭河峽口,南北兩側(cè)均以各大支流的入河口和山前二級階地后緣為界,屬于同一個水文地質(zhì)單元,面積81.125 km2,行政區(qū)劃歸天水市秦州區(qū)和麥積區(qū)管轄。

研究區(qū)屬于溫帶半濕潤半干旱氣候過渡帶,四季分明,冬長夏短,多年平均氣溫10.2℃,多年平均降雨量523.2 mm。地貌類型為侵蝕堆積河谷平原,西高東低,高差160 m,坡降3.9‰ 。研究區(qū)屬于黃河流域渭河水系,地表水系有渭河及一級支流藉河、牛頭河、東柯河、潁川河及別川河等。

天水土壤在河流和溝谷區(qū)為沖擊、洪積物形成的淤淀土、草甸土;黃土主要分布在四級階地以上,以渭河為界,北岸較厚南岸較薄,并向南逐漸消失,于長江流域多以黑壚土為主;耕作土壤經(jīng)過開墾耕種熟化而形成以黃綿土、黑壚土為主。土層深厚,山塬開闊,是糧、油、菜、果主要生產(chǎn)區(qū)[2]。

天水屬華北、華中、蒙新和喜瑪拉雅植物交匯處,樹種成份復(fù)雜,森林資源豐富。天水市現(xiàn)有森林總面積589.91萬畝,森林覆蓋率為26.5%。天然林地主要分布在東部、東南部的隴山、西秦嶺和關(guān)山林區(qū),有木本植物87科224屬804種,其中喬木312種,灌木437種,藤本55種,常綠植物122種。屬國家一級保護的有水杉;二級保護的有連香樹、星葉草、杜仲、銀杏、大白紅杉、大果青桿、金錢松、小白樹、水青樹;三級保護的有秦嶺冷杉、廟臺槭、穗花杉、華榛、領(lǐng)椿木、胡桃楸、獐子松、青檀等。研究區(qū)類植被較為茂密,多為栽培植被,其中以果樹居多,自然生長植被以渭河為界,北稀南密[3]。

1.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)地下水賦存于由河床、漫灘、一級階地和沖洪積扇的砂礫卵石組成的統(tǒng)一含水層中,就水力性質(zhì)而言為淺層潛水,含水層巖性主要為砂礫卵石,麥積區(qū)渭河河谷局部砂礫卵石中夾有亞砂土及與薄層淤泥,含水層厚度5～35 m,水位埋深5～20 m,局部達到30 m以上。麥積區(qū)花牛鎮(zhèn)—社棠鎮(zhèn)渭河盆地有牛頭河、藉河、潁川河及東柯河的匯入,補給來源充足,有側(cè)向溝谷潛流、入川溝谷河水滲漏、降水滲入等補給方式;藉河河谷補給來源主要為各支溝的側(cè)向潛流、上游地下徑流及降水入滲補給。區(qū)內(nèi)潛水排泄方式主要為人工開采,特別是生活用水的開采量很大,比如天水市麥積區(qū)東部集中式生活飲用水水源地;其次為溢出地表及蒸發(fā)。

麥積區(qū)渭河盆地潛水補給充足,儲水空間大、匯水條件好,故潛水十分豐富,河漫灘及一級階地單井涌水量大于2 000 m3/d,二級階地及邊緣盆地邊緣部位單井涌水量1 000～2 000 m3/d;水質(zhì)類型HCO3-·Cl--Na2+型,礦化度0.4～2.9 g/L。藉河河谷潛水沿河沿河兩側(cè)的一級階地,因開采條件下可由河水直接補給,富水性好,單井涌水量1 000～2 000 m3/d;水質(zhì)類型HCO3-·SO42--Na2+·Ca2+·Mg2+型,礦化度0.5～1.5 g/L。

2 地下水脆弱性評估

2.1 評估模型選用

研究區(qū)內(nèi)地下水類型為河谷淺層潛水,依據(jù)《地下水污染防治重點區(qū)劃定指南(征求意見稿)》(2022年8月),其脆弱性評估選用DRASTIC模型[4]。DRASTIC模型由地下水位埋深(D)、垂直凈補給量(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)7個水文地質(zhì)參數(shù)組成。模型中每個指標皆分幾個區(qū)段,對每個區(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,通過加權(quán)求和,得到地下水脆弱性指數(shù)(DI)。

DI=DwDR+RwRR+AwAR+SwSR+TwTR+IwIR+CwCR

(1)

式中:DI表示地下水脆弱性指數(shù),下標R表示各參數(shù)指標值,下標W表示各參數(shù)指標權(quán)重。根據(jù)各參數(shù)指標的評分和權(quán)重值,相應(yīng)的將脆弱性分為高、中等、低,DI值越高,地下水脆弱性越高,反之脆弱性越低,地下水脆弱性級別與綜合指數(shù)對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 孔隙水脆弱性評估指標等級劃分和賦值

2.2 評估指標數(shù)據(jù)獲取方法

本次地下水脆弱性評估在充分收集研究區(qū)以往水文地質(zhì)資料、近年科研成果報告、氣象資料及地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,采用ARCGIS空間數(shù)據(jù)分析對收集到的數(shù)據(jù)資料進行矢量化處理,并對每個單項指標根據(jù)不同的分級標準進行賦分分區(qū),最后利用ARCGIS疊加每個單項指標分區(qū)值和指標權(quán)重,根據(jù)表2綜合計算地下水脆弱性指數(shù)分區(qū)[5-7]。單指標評分分級賦分和各指標計算權(quán)參考《地下水污染防治重點區(qū)劃定指南(征求意見稿)》(2022年8月)來確定,見表2。

表2 孔隙水裂隙水脆弱性評估指標等級劃分、賦值和權(quán)重計算值

表3 研究區(qū)地下水脆弱性綜合評價

2.3 單指標評估

本次研究將收集井水位監(jiān)測數(shù)據(jù)、含水層厚度、第四紀地質(zhì)地貌、DEM數(shù)據(jù)、包氣帶巖性圖、鉆孔資料、以往水文地質(zhì)資料及抽水試驗成果數(shù)據(jù)等通過ARCGIS數(shù)據(jù)空間分析,對脆弱性評價的7個影響因素地下水位埋深、垂直凈補給量、含水層厚度、土壤介質(zhì)、地形坡度、包氣帶介質(zhì)類型、含水層滲透系數(shù)進行計算分區(qū)。研究區(qū)水位監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)測點密度為68個/百平方千米。

2.3.1 地下水位埋深(D)

地下水位埋深越大,地下水被污染概率越低;反之,越高。本次研究根據(jù)收集的水位數(shù)據(jù)利用ARCGIS分析天水城區(qū)地下水位埋深變化。河谷潛水埋深縱向變化不大、橫向變化較大。河床及河漫灘,水位埋深一般小于6m;一級階地及沖洪積扇的邊緣部位一般在6～10 m;二級階地及沖洪積扇的后緣部位一般在10～20 m之間,如馬跑泉鎮(zhèn)潁川河河口沖洪積扇一帶;二級階地以上至河谷平原邊緣地帶,水位埋深多大于20 m,局部大于30 m,如藉河河谷平原花牛鎮(zhèn)局部區(qū)域[8],如圖1。

圖1 研究區(qū)地下水埋深分區(qū)圖

2.3.2 垂直凈補給量(R)

地下水入滲補給量越大,地下水受污染可能性越大。研究區(qū)內(nèi)淺層地下水補給來源于上游徑流、側(cè)向潛流及河水滲流的側(cè)向補給及降水入滲、灌水回滲及渠水滲漏的垂向補給,其中降雨入滲為主要補給來源,本次研究采用降水入滲補給量代替垂向凈補給量。天水市城區(qū)多年平均降雨量523.2 mm/a,因不同的地貌單元其地層巖性成份也不盡一致,因此其降雨入滲系數(shù)也不同,入滲系數(shù)采用《甘肅省天水市區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查報告》中的經(jīng)驗值,河漫灘0.176、較大支流溝口沖洪積扇0.118、一級階地0.119、二級以上階地0.094[9],則降水入滲補給量分別為河漫灘92.083 mm/a、沖洪積扇61.738 mm/a、一級階地62.261 mm/a、二級以上階地49.481 mm/a,垂向凈補給量分區(qū)如圖2。

圖2 研究區(qū)垂直凈補給量分區(qū)圖

2.3.3 含水層厚度(A)

含水層厚度越大,則污染物下滲路徑越長,地下水被污染概率越低。經(jīng)分析,藉河河谷從上游至下游含水層厚度由小于10 m逐漸增大為大于20 m;渭河河谷二級階地至河漫灘含水層厚度由小于10 m逐漸增大為大于30 m,社棠盆地一帶基底平緩、凹陷,含水層厚度局部大于35 m,如圖3。

圖3 研究區(qū)含水層厚度分區(qū)圖

2.3.4 土壤介質(zhì)(S)

土壤介質(zhì)顆粒越細、孔隙越小,阻隔污染物下滲的能力強,地下水越不易被污染。區(qū)內(nèi)表層土壤分布范圍最廣的為粘質(zhì)壤土,占總面積的15.64%,主要分布在一級階地以上的大部分區(qū)域;其次為砂礫石,占總面積的84.36%,主要分布在河漫灘,如圖4。表層土壤是大氣層與包氣帶的連接介質(zhì),多為顆粒不均、孔隙不一的松軟土體,影響垂直補給的下滲量和進入含水層的污染物濃度值。砂礫石滲透性大于粘質(zhì)壤土。

圖4 研究區(qū)表層土壤類型分區(qū)圖

2.3.5 地形坡度(T)

地形坡度越小,地表徑流越小,污染物下滲可能性越大,地下水被污染概率越高;在相同時空條件下,地形坡度越小,地下水水力坡度越小,地下水徑流速度越小,污染物進入該地下水含量越多。經(jīng)分析整個研究區(qū)地形坡度≤2%,如圖5。

圖5 研究區(qū)地形坡比分區(qū)圖

2.3.6 包氣帶介質(zhì)類型(I)

包氣帶維持區(qū)域內(nèi)毛細水量,控制重力水滲流通路的長短和滲流形式,包氣帶為結(jié)構(gòu)致密、膠結(jié)程度高的巖性,則污染物難進入含水層,反之,包氣帶為結(jié)構(gòu)疏松的大粒徑松散巖類,則污染物易進入含水層。研究區(qū)內(nèi)藉河河谷一級階地、渭河及較大支流河谷一級階地、潁川河及東柯河沖洪積扇區(qū)域,包氣帶巖性為亞砂土,占總面積的42.49%;河漫灘包氣帶巖性為砂礫石,占總面積的15.64%;其余渭河干流及支流二級以上階地包氣帶巖性為亞粘土,占總面積的41.87%,如圖6。

圖6 研究區(qū)包氣帶介質(zhì)類型分區(qū)圖

2.3.7 含水層滲透系數(shù)(C)

滲透系數(shù)可以評價在重力作用下,地表水體進入含水層后的滲流速率,滲流速率越大,則地表水體攜帶的污染物進入含水層的時間越短,反之亦然。經(jīng)分析,一級階地及河漫灘含水層巖性為砂礫卵石,巖性組成粒徑大小不一、結(jié)構(gòu)松散、孔隙大,滲透系數(shù)大180 m/d,則污染物擴散的速率快;二級以上階地及沖洪積扇含水層有泥質(zhì)、粉細砂等物質(zhì)充填,滲透系數(shù)相對較小70～80 m/d[10]。如圖7。

圖7 研究區(qū)含水層滲透系數(shù)分區(qū)圖

2.4 綜合評估

根據(jù)7個指標的賦值分區(qū)結(jié)果,疊加指標權(quán)重,在ARCGIS中計算得出研究區(qū)淺層地下水脆弱性指數(shù)介于96～131之間,相應(yīng)的將地下水脆弱性級別劃分為低、中等、高3個等級,脆弱性中低區(qū)域基本為河流二級階地及少量沖洪扇區(qū)域,河流一級階地、河漫灘及部分沖洪積扇區(qū)域脆弱性評價高,分區(qū)結(jié)果如圖8。

圖8 研究區(qū)淺層地下水脆弱性等級分區(qū)圖

2.4.1 脆弱性低區(qū)域

主要分布于研究區(qū)藉河河谷二級階地花牛鎮(zhèn)、社棠盆地及渭河河谷近峽口二級階地局部區(qū)域,面積1.297 km2,占研究區(qū)總面積的1.6%。該區(qū)地下水埋深20～30 m,局部大于35 m;垂向凈補給量49～62 mm/a;含水層厚度30～35 m;表層土壤介質(zhì)為粘質(zhì)壤土;地形平坦,地形坡度<2%;包氣帶介質(zhì)多為亞粘土;含水層滲透系數(shù)以70～80 m/d,綜合評價該區(qū)內(nèi)淺層地下水脆弱性較低。

2.4.2 脆弱性中等區(qū)域

主要分布于研究區(qū)藉河河谷南岸的二級階地大部分區(qū)域、北岸的河谷平原邊緣區(qū)域;渭河北岸二級階地道北街道至山前區(qū)域、社棠盆地大部分區(qū)域、潁川河河口沖洪積扇區(qū)域、南岸二級階地至山前局部區(qū)域,面積30.881 km2,占研究區(qū)總面積的38.07%。該區(qū)地下水埋深10～20 m,局部大于20 m;垂向凈補給量60～62 mm/a;含水層厚度10～30 m;表層土壤介質(zhì)為粘質(zhì)壤土;地形平坦,地形坡度<2%;包氣帶介質(zhì)多為亞粘土、局部亞砂土;含水層滲透系數(shù)以70～80 m/d,局部沖洪積扇180 m/d,綜合評價該區(qū)內(nèi)淺層地下水脆弱中等。

2.4.3 脆弱性高區(qū)域

主要分布于研究區(qū)藉河及支流河谷河漫灘、一級階地、支溝溝口沖洪積扇區(qū)域,渭河及支流河谷河漫灘、一級階地、支流東柯河沖洪積扇區(qū)域,面積為48.947 km2,占工作區(qū)60.33%。該區(qū)地下水埋深0～10 m為主,局部大于10 m;垂向凈補給量>62 mm/a;含水層厚度10～20 m,局部大于20 m;表層土壤介質(zhì)河漫灘以砂礫石為主,一級階地為粘質(zhì)壤土;地形平坦,地形坡度<2%;包氣帶介質(zhì)河漫灘為砂礫石,一級階地為亞砂土;含水層滲透系數(shù)多為180 m/d,局部70～80 m/d,綜合評價該區(qū)內(nèi)淺層地下水脆弱高。

3 結(jié)語

本研究采用DRASTIC模型,利用ARCGIS軟件,對天水市城區(qū)淺層地下水脆弱性進行了評估分區(qū),結(jié)論如下:藉河河谷二級階地花牛鎮(zhèn)、社棠盆地及渭河河谷近峽口二級階地局部區(qū)域脆弱性低,防污性能好;藉河河谷南岸的二級階地大部分區(qū)域、北岸的河谷平原邊緣區(qū)域,渭河北岸二級階地道北街道至山前區(qū)域、社棠盆地大部分區(qū)域、潁川河河口沖洪積扇區(qū)域、南岸二級階地至山前局部區(qū)域脆弱性中等,防污性能中等;藉河及支流河谷河漫灘、一級階地、支溝溝口沖洪積扇區(qū)域,渭河及支流河谷河漫灘、一級階地、支流東柯河沖洪積扇區(qū)域脆弱性高,防污性能差。經(jīng)綜合計算單指標賦分及權(quán)重,單指標對研究區(qū)淺層地下水脆弱性影響程度由大到小分別為:地下水位埋深、包氣帶介質(zhì)類型、垂向凈補給量、含水層滲透系數(shù)、含水層厚度、表層土壤介質(zhì)、地形坡度。

地下水開發(fā)與保護建議研究區(qū)內(nèi)脆弱性有高有低,地下水綜合脆弱性指數(shù)較大的區(qū)域,需完善水資源管理措施,加強對污水及污染物排放的監(jiān)管,減少污染物擴散從而對地下水造成污染。脆弱性指數(shù)較低的區(qū)域,要加強水質(zhì)水量的監(jiān)管,減少未來出現(xiàn)污染的可能性。