戴元毅

福建省地質(zhì)工程研究院

引言

地下水污染問(wèn)題是社會(huì)公眾最為關(guān)心的問(wèn)題之一。目前國(guó)內(nèi)外常用的地下水易污性評(píng)價(jià)方法中DRASTIC指標(biāo)法應(yīng)用最廣，也是2008年中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局編寫(xiě)的《地下水污染調(diào)查評(píng)價(jià)規(guī)范》（編號(hào)DD2008-01）推薦使用的地下水易污性評(píng)價(jià)方法。但在地下水易污性研究中，DRASTIC屬于經(jīng)驗(yàn)性方法，評(píng)價(jià)方法為線(xiàn)性，并且人為確定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，具有較強(qiáng)的主觀性。對(duì)于水系統(tǒng)這樣一個(gè)非常復(fù)雜的巨系統(tǒng)，地下水易污性評(píng)價(jià)具有明顯的隨機(jī)性和模糊性，因此，綜合運(yùn)用模糊分析理論和層次分析法(AHP)是地下水環(huán)境易污性評(píng)價(jià)的一個(gè)重要手段。本文采用AHP-DRASTIC方法確定易污性指標(biāo)權(quán)重，擬建立一種較為完善合理的地下水易污性評(píng)價(jià)方法，并將其應(yīng)用到上杭紫金山銅濕法廠區(qū)的地下水易污性評(píng)價(jià)中，通過(guò)與傳統(tǒng)DRASTIC方法的計(jì)算結(jié)果相比較，分析AHP-DRASTIC方法的合理可靠性。

1 DRASTIC方法及其局限性

1.1 DRASTIC方法

DRASTIC方法是將每一項(xiàng)指標(biāo)劃分為不同的級(jí)別，對(duì)同一級(jí)別內(nèi)的指標(biāo)給以相同的賦值，以此來(lái)反映指標(biāo)對(duì)地下水易污性影響的差異。該方法在龐大的地下水易污性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中選取7個(gè)主要要素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，它們是：含水層埋深(D)、含水層凈補(bǔ)給量(R)、含水層介質(zhì)類(lèi)型(A)、土壤介質(zhì)類(lèi)型(S)、地形坡度(T)、滲流區(qū)介質(zhì)類(lèi)型(I)、含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)(C)，其中，D、R、T和C屬數(shù)值指標(biāo)，可直接定量獲得；A、S和I屬介質(zhì)類(lèi)型指標(biāo)，不可直接定量獲得。根據(jù)對(duì)地下水污染可能影響的大小，每個(gè)指標(biāo)賦予一個(gè)權(quán)重因子，見(jiàn)表1上述各分項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行賦值（表1）。

權(quán)重賦值分為正常和農(nóng)田噴灑農(nóng)藥兩種情況，權(quán)重值越大被認(rèn)為其對(duì)地下水易污性影響越大。另外，每個(gè)指標(biāo)又被細(xì)分為不同的數(shù)值范圍(對(duì)于數(shù)值指標(biāo)D、R、T和C)及介質(zhì)類(lèi)型(對(duì)于類(lèi)型指標(biāo)A、S和I)，并用指標(biāo)值來(lái)量化這些數(shù)值范圍和介質(zhì)類(lèi)型對(duì)地下水污染程度的可能影響，各指標(biāo)的分級(jí)范圍和賦值見(jiàn)表2和表3。

表1

表2 數(shù)值指標(biāo)的分級(jí)與賦值

表3 介質(zhì)類(lèi)型指標(biāo)的分級(jí)與賦值

表4 評(píng)價(jià)結(jié)論與級(jí)別的對(duì)應(yīng)關(guān)系

1.2 DRASTIC方法的局限性

DRASTIC方法屬于經(jīng)驗(yàn)性方法，且其評(píng)價(jià)方法是線(xiàn)性的，而地下水系統(tǒng)研究充滿(mǎn)不確定性和模糊性，因此，對(duì)于復(fù)雜的地下水易污性評(píng)價(jià)而言，該方法僅僅是一種評(píng)估方法，缺乏理論上的嚴(yán)謹(jǐn)性。在實(shí)際應(yīng)用中存在的不足主要表現(xiàn)在：①各指標(biāo)的賦值為離散值，同一級(jí)別內(nèi)不同屬性值被賦予相同的賦值，因而忽略了指標(biāo)本身連續(xù)變化這一客觀事實(shí)，從而使得評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性受到影響；②各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重被視為定值，不隨研究區(qū)實(shí)際水文地質(zhì)條件的不同而改變，影響了評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性。針對(duì)上述問(wèn)題，本文將模糊分析評(píng)價(jià)理論和層次分析法（AHP）與DRASTIC方法相結(jié)合，使得地下水易污性評(píng)價(jià)更加科學(xué)合理化。

2 AHP-DRASTIC方法

2.1 易污性級(jí)別的確定

1）劃分評(píng)價(jià)級(jí)別：在Lobo-FerreiraJP等人在葡萄牙、大連、廣州的地下水易污性評(píng)價(jià)中，將評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為8級(jí)，考慮到DRASTIC法中指標(biāo)賦值分為10級(jí)（表2、表3），為與此相對(duì)應(yīng)，現(xiàn)將地下水易污性評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為I～X級(jí)，共10個(gè)級(jí)別（表4）。

2）構(gòu)建指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)特征值.根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外對(duì)DRASTIC法中數(shù)值指標(biāo)和類(lèi)型指標(biāo)的分級(jí)及賦值標(biāo)準(zhǔn)（表1、2），可將地下水易污性評(píng)價(jià)的樣本集依據(jù)7個(gè)指標(biāo)按10個(gè)級(jí)別的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值進(jìn)行識(shí)別，則有7×10階評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣（公式1）。

式中，yih為級(jí)別h、指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)特征值：i=1,2,…,7；h=1,2,…,10。從中可看出指標(biāo)又分為兩種不同類(lèi)型：①正向指標(biāo)，指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值yih隨級(jí)別h的增大而增大；②負(fù)向指標(biāo)，指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值yih隨級(jí)別h的增大而減小。

2.2 權(quán)重系數(shù)的確定

在傳統(tǒng)的DRASTIC方法中，各指標(biāo)的權(quán)重均為定值，不隨研究區(qū)域地下水環(huán)境具體情況的變化而發(fā)生改變，這就使得評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性受到影響。層次分析法（AHP）確定權(quán)重的特點(diǎn)是即考慮評(píng)價(jià)者的主觀判斷，又將評(píng)價(jià)對(duì)象的各種復(fù)雜因素用遞階層次結(jié)構(gòu)表達(dá)出來(lái)，逐層進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

根據(jù)本區(qū)地下水系統(tǒng)實(shí)際情況，AHPDRASTlC方法的權(quán)重計(jì)算具體步驟是按各指標(biāo)重要程度，采用“0、1、2”構(gòu)建矩陣再判斷，參考表1中權(quán)重值，在農(nóng)藥區(qū)和正常區(qū)分別利用AHP-DRASTIC法計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)系數(shù)，見(jiàn)表5。

表5

2.3 地下水易污性評(píng)價(jià)

在傳統(tǒng)的D R A S T I C方法中，DRASTIC權(quán)重的賦值分為正常和農(nóng)田噴灑農(nóng)藥兩種情況。對(duì)于正常情況:DRASTIC地下水易污性指標(biāo)由下式確定：

DRASTIC=5*D+4*R+3*A+2*S+T+5*I+3*C=5×7+4×9+3×6+2×9+10+5×10+3×2=174

農(nóng)藥情況：D R A S T I C地下水易污性指標(biāo)由下式確定：

D R A S T I C=5*D+4*R+3*A+5*S+3*T+4*I+2*C=5×7+4×9+3×6+5×9+3×9+4×10+2×10=221

按DRASTIC方法分值易污性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本區(qū)屬于易污性較強(qiáng)區(qū)域。因此，應(yīng)做好防止地表污染水入滲污染地下水的措施。

3 應(yīng)用實(shí)例

本文以上杭紫金山銅濕法廠區(qū)為研究區(qū)，利用上述AHP-DRASTIC方法進(jìn)行地下水易污性評(píng)價(jià)。上杭紫金山銅濕法廠區(qū)地處福建省上杭縣城關(guān)的北側(cè)，屬中低山構(gòu)造侵蝕中低山地貌類(lèi)型，最大標(biāo)高570.0m，最低190.0m，中部為銅礦濕法廠堆礦場(chǎng)，南、北部高，中部低的特點(diǎn)，地形坡度南北面陡峻，西面緩。因堆場(chǎng)、溶液池、生活區(qū)等的建設(shè)改造，原始地形地貌發(fā)生較大變化，原有的地表溪流因人為改造，形成埋于人工填土（石）之下的古河道。原同康溝流域經(jīng)人為改造，地形地貌、地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生較大的變化。

Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)為表層素填土，其屬于土壤介質(zhì)，為松散狀，最大干密度14.0 KN/m3～14.3KN/m3，最優(yōu)含水量25.5%～26.5%，滲透系數(shù)K值為2.65×10-2cm/s～7.05×10-4cm/s，屬?gòu)?qiáng)—中等透水性；Ⅲ區(qū)表層為碎石（基巖為震旦系的千枚狀粉砂巖、變質(zhì)細(xì)砂巖），也屬于強(qiáng)透水、強(qiáng)滲流介質(zhì)；素填土下直接為砂層、卵石等第四系含水層，屬?gòu)?qiáng)滲流介質(zhì)；地下水埋深介于4.5m～9.0m，局部9.0m～15.0m；區(qū)域年平均降雨量為1676.6mm，凈補(bǔ)給量大于400mm；人為改造后地形坡度平緩，一般小于5°；含水層為砂層、卵石等，滲透系數(shù)范圍為7.67×10-3cm/s～7.38×10-4cm/s，巖土層滲透性較好。

圖1 上杭紫金山銅濕法廠區(qū)水文分區(qū)圖

圖2 由改進(jìn)AHP-DRASTIC方法得到易污性分區(qū)圖

圖3 由DRASTIC方法得到易污性分區(qū)圖

本區(qū)內(nèi)地下水污染途徑為徑流滲透型，基于影響本區(qū)地下水污染的各種影響因素，采用含水層埋深（D）、含水層的凈補(bǔ)給量（R）、含水層的巖性（A）、土壤介質(zhì)類(lèi)別（S）、地形坡度（T）、滲流區(qū)介質(zhì)（I）、地下水的傳導(dǎo)系數(shù)（滲透系數(shù)）（C）等7項(xiàng)水文地質(zhì)參數(shù)指標(biāo)，應(yīng)用DRASTIC指標(biāo)體系評(píng)價(jià)方法，對(duì)區(qū)內(nèi)的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分區(qū)地下水進(jìn)行易污性評(píng)價(jià)。

在圖1中I區(qū)表示古河道上堆礦場(chǎng)、溶液池淺層富水性區(qū)；II區(qū)表示一級(jí)階地地下水的強(qiáng)、中等富水性亞區(qū)；Ⅲ1、Ⅲ2區(qū)分別表示山前斜坡區(qū)地下水的一般富水性亞區(qū)。

應(yīng)用地理信息軟件分別利用前述DRASTIC方法和AHP-DRASTIC方法進(jìn)行地下水易污性等級(jí)評(píng)價(jià)，分別得到上杭紫金山銅濕法廠區(qū)地下水易污性評(píng)價(jià)分區(qū)圖2和圖3。

圖2所示為AHP-DRASTIC方法的計(jì)算結(jié)果，看出上杭紫金山銅濕法廠區(qū)地下水易污性級(jí)別大致分布在Ⅶ～X級(jí)之間，地下水系統(tǒng)整體狀況不容樂(lè)觀。易污性級(jí)別為Ⅱ、Ⅲ級(jí)的地區(qū)占23.1%，上覆土層顆粒小，地下水埋深深，屬于難以污染的低易污性地帶。評(píng)價(jià)級(jí)別為Ⅳ、Ⅴ級(jí)的地區(qū)占32.3%，該地區(qū)上覆土層顆粒比較小，包氣帶自?xún)裟芰^強(qiáng)，屬于不太容易受污染的地下水易污性略低地帶。評(píng)價(jià)級(jí)別為Ⅵ級(jí)的略高易污性地區(qū)占評(píng)價(jià)區(qū)域的11.81%，表明研究區(qū)內(nèi)有相當(dāng)一部分地區(qū)地下水容易受到污染，這些區(qū)域土層顆粒比較大，地下水埋深比較淺，雖有一定的抗污能力，但仍屬于易受污染的高易污性地帶。評(píng)價(jià)級(jí)別為Ⅶ、Ⅷ級(jí)的易污性較高區(qū)域占24.86%，該地區(qū)上覆土層多為顆粒比較大的砂或砂質(zhì)亞黏土，透水性較強(qiáng)，且地下水位埋深較淺，抗污能力較弱。評(píng)價(jià)級(jí)別為Ⅸ、Ⅹ級(jí)的易污性很高或極高區(qū)域占19.58%，分布于中部堆礦場(chǎng)、溶液池，可視為農(nóng)藥區(qū)。屬于極易受污染、易污性極強(qiáng)區(qū)域，該區(qū)域地下水埋深淺，上覆土層一般為回填土，透水性強(qiáng)，有利于地表污染物的滲透和遷移，包氣帶的自?xún)裟芰Ρ容^弱，地下水補(bǔ)給強(qiáng)度大。同時(shí)，這一帶又是人類(lèi)活動(dòng)最為強(qiáng)烈的地區(qū)，堆礦、溶液池等污染現(xiàn)象很?chē)?yán)重，是地下水重點(diǎn)保護(hù)區(qū)。總體上，本區(qū)地下水易污性大致呈正態(tài)分布，其中，Ⅱ～V級(jí)的不易污染、偏低易污性地區(qū)占43.73%，Ⅵ～Ⅹ級(jí)的易受污染、高易污性地區(qū)占56.27%。因此，本區(qū)地下水系統(tǒng)，整體上易受污染、易污性極高，這與實(shí)際情況基本吻合。

圖3所示為傳統(tǒng)DRASTIC方法的計(jì)算結(jié)果，含水層易污性評(píng)價(jià)值在174～211之間，主要集中在180～200范圍內(nèi)。易污性級(jí)別為Ⅱ、Ⅲ級(jí)的低易污性地區(qū)占評(píng)價(jià)區(qū)域13.21%，易污性級(jí)別為Ⅳ、Ⅴ級(jí)的不太容易受污染的地下水易污性略低地區(qū)占15.36%，易污性級(jí)別為Ⅵ級(jí)的略高易污性地區(qū)占17.46%，易污性級(jí)別為Ⅶ、Ⅷ級(jí)的地區(qū)占44.03%，評(píng)價(jià)級(jí)別為Ⅸ、Ⅹ級(jí)的易污性很高或極高區(qū)域占9.91%。

以上兩種方法得到的含水層易污性等級(jí)分布范圍和變化走勢(shì)大致相似，僅在較小范圍內(nèi)出現(xiàn)一定的差異，前者得到的不同地段含水層易污性等級(jí)的變化較后者更靈敏，分布范圍及變化情況更精確，與當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境實(shí)際情況更吻合；而后者評(píng)價(jià)結(jié)果相對(duì)較粗略，易污性等級(jí)變化缺乏連續(xù)性。因?yàn)镈RASTIC方法各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重為定值(表1)，沒(méi)有考慮到研究區(qū)的具體情況，也使得評(píng)價(jià)結(jié)果受到影響，而改進(jìn)的AHPDRASTIC方法確定權(quán)系數(shù)，具有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)性，并考慮了實(shí)測(cè)資料所反映的數(shù)據(jù)本身對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

地下水易污性評(píng)價(jià)參數(shù)的選取及方法的構(gòu)建，應(yīng)根據(jù)研究區(qū)的自然地理狀況、地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、有關(guān)數(shù)據(jù)的數(shù)量與質(zhì)量以及研究目的來(lái)確定，傳統(tǒng)的DRASTIC方法具有很大的局限性，而AHP-DRASTIC方法是直接定量獲得的評(píng)價(jià)指標(biāo)用模糊理論的概念進(jìn)行賦值，還考慮了評(píng)價(jià)指標(biāo)在數(shù)量上和空間上的連續(xù)變化；并在確定指標(biāo)權(quán)重時(shí)使得權(quán)重的確定具有一定的理論依據(jù)。將其應(yīng)用于上杭紫金山銅濕法廠區(qū)地下水易污性評(píng)價(jià)的實(shí)例研究中，計(jì)算結(jié)果表明：總體上本區(qū)地下水易污性大致呈正態(tài)分布，其中，Ⅱ～V級(jí)的不易污染、低易污性地區(qū)占43.73%，VI-X級(jí)的易受污染、偏高易污性區(qū)占56.27%，上杭紫金山銅濕法廠區(qū)地下水系統(tǒng)，整體上易受污染、易污性高，在考慮建設(shè)項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)盡量避免興建污染性強(qiáng)的項(xiàng)目，或者采取治理措施遏制污染的發(fā)生。這與當(dāng)?shù)貙?shí)際情況吻合較好，表明該方法在我國(guó)具有較好的應(yīng)用效果。通過(guò)與傳統(tǒng)DRASTIC方法的計(jì)算結(jié)果相比較，可以看出：AHP-DRASTIC方法得到的地下水易污性等級(jí)變化較后者更靈敏，分布范圍及變化情況更精確，更能真實(shí)反映地下水易污性在空間上的連續(xù)變化性，從而評(píng)價(jià)結(jié)果更符合實(shí)際情況。同時(shí)該方法在權(quán)重確定時(shí)引入了層次分析法（AHP），使得權(quán)重的確定有了一定的理論依據(jù)，豐富和改進(jìn)了地下水易污性評(píng)價(jià)方法，整個(gè)評(píng)價(jià)結(jié)果更合理。

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