韓德村, 彭　慧, 文美霞

(湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢　430034)

0　引言

東西湖區(qū)(圖1)地處長(zhǎng)江左岸,位于武漢市西北部,漢江、府河、長(zhǎng)江三大地表水系環(huán)繞,擁有豐富的地下水資源。本文以東西湖區(qū)第四系上更新統(tǒng)孔隙承壓含水層為例,通過(guò)地下水系統(tǒng)防污性能研究,討論人類工程活動(dòng)與地下水污染之間的關(guān)系,研究污染源的位置以及可能存在的污染風(fēng)險(xiǎn),評(píng)價(jià)承壓含水層的潛在污染性[1],幫助地下水資源管理者和決策者有效地制定地下水資源保護(hù)戰(zhàn)略和措施,科學(xué)指導(dǎo)地下水的合理開(kāi)發(fā)與利用。

圖1　研究區(qū)地理區(qū)位置圖(藍(lán)色虛線范圍為東西湖區(qū))Fig.1　Geographical location of study area

現(xiàn)有的地下水脆弱性評(píng)價(jià)模型大多針對(duì)淺層地下水[2],而且模型多半是經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的[3],模型中的一些指標(biāo)之間存在相關(guān)性。針對(duì)承壓含水層脆弱性評(píng)價(jià)的模型[4]也主要借鑒DRASTIC模型的思路建立,無(wú)法反映出污染物由于越流進(jìn)入承壓含水層的物理機(jī)制。因此有必要根據(jù)越流區(qū)污染物進(jìn)入承壓含水層的途徑,選取承壓含水層脆弱性指數(shù)構(gòu)建評(píng)價(jià)模型。

1　含水層特征

東西湖區(qū)全新統(tǒng)含水層與上更新統(tǒng)含水層之間有一厚度約10～20 m的粘土、亞粘土阻隔(圖2),表明東西湖區(qū)一級(jí)階地全新統(tǒng)含水層與上更新統(tǒng)含水層之間水力聯(lián)系并不密切。上更新統(tǒng)含水層補(bǔ)給來(lái)源主要有大氣降水，順上覆弱透水層入滲越流補(bǔ)給和下伏新近系裂隙承壓含水層越流補(bǔ)給。地下水徑流方向主要為向下和南北兩側(cè)徑流,排泄以人工開(kāi)采為主。

上更新統(tǒng)含水層測(cè)壓水位受啤酒廠和畜牧業(yè)用水集中開(kāi)采影響,表現(xiàn)為人工動(dòng)態(tài)型,在生產(chǎn)生活用水大量集中的區(qū)域,各自形成降落漏斗。據(jù)以往啤酒廠生產(chǎn)井監(jiān)測(cè)資料顯示,5—9月份啤酒廠生產(chǎn)高峰期,漏斗中心水位標(biāo)高降至-3.08 m,距中心2 km處監(jiān)測(cè)孔水位標(biāo)高13.75 m;10月份以后生產(chǎn)規(guī)?？s小,地下水位則漸漸回升。

2　承壓含水層DRASTIC模型建立

研究區(qū)孔隙承壓含水層受到污染主要是由于人工開(kāi)采承壓水導(dǎo)致水頭下降,誘發(fā)弱透水層中的污染物通過(guò)越流進(jìn)入承壓含水層造成的。因此,承壓含水層的防污性能取決于承壓含水層自身的屬性、弱透水層的屬性以及人類活動(dòng)對(duì)含水層的影響[4],承壓含水層應(yīng)評(píng)價(jià)其綜合防污性能。通過(guò)建立承壓含水層DRASTIC評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行評(píng)價(jià)(圖3)。

模型中每個(gè)指標(biāo)都分成幾個(gè)區(qū)段(對(duì)于連續(xù)變量)或幾種主要介質(zhì)類型(文字描述性指標(biāo))。每個(gè)區(qū)段根據(jù)其在指標(biāo)內(nèi)的相對(duì)重要性,賦予一個(gè)評(píng)分值,各指標(biāo)的評(píng)分范圍為1～10,其影響越大,相對(duì)應(yīng)的分值也就越高。最重要的一點(diǎn)是,每個(gè)指標(biāo)應(yīng)根據(jù)其對(duì)防污性能影響的重要性賦予一個(gè)相應(yīng)的權(quán)重,其值為1～5,影響最大的因子權(quán)重設(shè)為5,而影響程度小的因子權(quán)重設(shè)為1。DRASTIC模型中權(quán)重的賦值分為一般適用條件和農(nóng)田噴灑農(nóng)藥兩種情況。最后,防污性能指數(shù)(Di)為上述七個(gè)指標(biāo)的加權(quán)總和。Di可以用以下公式表示:

圖2　東西湖區(qū)青松村—遮湖崗全新統(tǒng)孔隙承壓水含水巖組水文地質(zhì)剖面圖Fig.2　Hydro-geologic profile of rock groups with water content in Qingsong village1.亞砂土;2.亞粘土;3.粘土;4.中細(xì)砂;5.粗砂;6.砂礫石;7.砂巖;8.粘土巖;9.鉆孔及地下水位。

圖3承壓含水層防污性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
Fig.3Evaluation index stystem of antifouling capability of confined aquifer

(1)

式中:Di為防污性能指數(shù),量綱為1;Wj為因子j的權(quán)重,量綱為1;Rj為因子評(píng)分,量綱為1。

根據(jù)防污性能指數(shù)(Di),可以對(duì)地下水防污性能進(jìn)行分區(qū)。一般來(lái)說(shuō),防污性能指數(shù)越大,地下水防污性能越差。為了便于解釋,根據(jù)最后得到的指數(shù)大小,將防污性能分為幾個(gè)等級(jí):好,較好,中等,較差,差。

針對(duì)此次研究區(qū)的實(shí)際情況,直接應(yīng)用DRASTIC指標(biāo)體系進(jìn)行評(píng)價(jià),存在如下問(wèn)題:

研究區(qū)的地下水類型是第四系孔隙承壓水,而DRASTIC模型主要是應(yīng)用于第四系松散巖類孔隙水潛水,雖然在應(yīng)用DRASTIC模型對(duì)承壓含水層進(jìn)行評(píng)分時(shí)作了有些補(bǔ)充說(shuō)明,但是潛水與承壓水仍然是差別很大的兩類含水層,其防污性能的影響因子也不同。顯然,把這兩類含水層放在一起,用同一種指標(biāo)體系來(lái)評(píng)價(jià)是不合適的。

因此,本次對(duì)研究區(qū)的評(píng)價(jià)指標(biāo)在繼承DRASTIC基本思想和模型的基礎(chǔ)上,針對(duì)研究區(qū)的實(shí)際情況,對(duì)DRASTIC指標(biāo)體系進(jìn)行了改進(jìn),建立了適用于第四系孔隙承壓水的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

基于DRASTIC指標(biāo)體系,依據(jù)上述四個(gè)原則,結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際條件,分析得出以下影響承壓水防污性能的影響因素。

3　指標(biāo)選取與評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

3.1　指標(biāo)選取原則

3.1.1系統(tǒng)性原則

指標(biāo)體系盡可能全面反映研究區(qū)的自然因素與人為因素對(duì)地下水防污性能造成的影響,應(yīng)避免指標(biāo)之間的重合,評(píng)價(jià)目標(biāo)與指標(biāo)必須有機(jī)地聯(lián)系起來(lái),組成一個(gè)層次分明的整體。

3.1.2客觀性原則

指標(biāo)體系要建立在對(duì)研究區(qū)地下水防污性能分析研究的基礎(chǔ)上,多方面征求相關(guān)專家的意見(jiàn),通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和實(shí)踐中不斷地調(diào)整和修改;其次,要保證數(shù)據(jù)的可靠性、準(zhǔn)確性以及數(shù)據(jù)處理方式的科學(xué)性;最后,指標(biāo)的物理意義必須明確,分析、統(tǒng)計(jì)和計(jì)算方法要規(guī)范。指標(biāo)要能反映研究區(qū)地下水防污性能的含義和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)程度。

3.1.3可操作性原則

指標(biāo)體系應(yīng)是簡(jiǎn)易與復(fù)雜的統(tǒng)一,過(guò)于簡(jiǎn)單不能反映評(píng)價(jià)對(duì)象的內(nèi)涵,對(duì)結(jié)果精度產(chǎn)生影響；過(guò)于復(fù)雜則不利于評(píng)價(jià)工作的開(kāi)展,在保證精度的前提下,指標(biāo)體系的難易適中,有利于應(yīng)用。同時(shí)還要考慮指標(biāo)質(zhì)量等級(jí)量化及數(shù)據(jù)采集的難易程度和可靠性。

3.1.4主導(dǎo)性原則

防污性能評(píng)價(jià)指標(biāo)必須具有代表性,選擇對(duì)地下水防污性能起主導(dǎo)作用的指標(biāo),以保證指標(biāo)的真實(shí)性、可操作性和可實(shí)現(xiàn)性。

3.2　指標(biāo)選取與評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

3.2.1弱透水層巖性L弱

由于污染物隨地表水入滲經(jīng)過(guò)弱透水層越流到含水層時(shí)產(chǎn)生了一系列的物理、化學(xué)和生物作用,可以顯著降低污染物濃度,從而有效的阻隔污染物質(zhì)向下遷移。因此,弱透水層垂向滲透系數(shù)越小(研究區(qū)弱透水層巖性對(duì)應(yīng)滲透系數(shù)),則地下水防污性能越強(qiáng);反之,則地下水防污性能越弱。本次評(píng)價(jià)選取弱透水層巖性作為弱透水層影響地下水防污性能的主要因子之一。本指標(biāo)評(píng)分采用10分制,評(píng)分越高,防污性能越好;反之,防污性能越差(表1)。

表1　弱透水層巖性評(píng)分表Table 1　Marking table of weak aquifers

3.2.2承壓含水層巖性L承

含水層巖性決定了滲透系數(shù)的不同,也影響可水流中污染物的吸附、擴(kuò)散、彌散等作用,是影響承壓含水層防污性能的一個(gè)重要因子。評(píng)價(jià)針對(duì)的研究區(qū)主要開(kāi)采的第四系上更新統(tǒng)青山組(Qp3q)孔隙承壓含水層的巖性有以下三種:含礫中粗砂、中粗砂、細(xì)砂。本指標(biāo)評(píng)分采用10分制,評(píng)分越高,防污性能越好;反之,防污性能越差(表2)。

表2　承壓含水層巖性評(píng)分表Table 2　Marking table of lithology of confined aquifers

3.2.3弱透水層厚度T

這里是是指承壓含水層上部的粘土或粉質(zhì)粘土等的厚度。一般情況下,弱透水層厚度越大,污染物就越難進(jìn)入含水層,水質(zhì)就越難變差,防污性能就越好;反之防污性能越差。確定該評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)劃分區(qū)間和評(píng)分見(jiàn)表3。

表3　弱透水層厚度分級(jí)評(píng)分表Table 3　Marking table of thickness classification of weak aquifers

3.2.4潛水與承壓水水頭差

潛水與承壓水水頭差反映的是人類開(kāi)采地下水的強(qiáng)度。其差值的大小反映了污染物進(jìn)入承壓含水層驅(qū)動(dòng)力的大小,差值越大,污染物進(jìn)入含水層的驅(qū)動(dòng)力就越大,地下水防污性能越差,反之,地下水防污性能越好。根據(jù)研究區(qū)2013年8月潛水與承壓水水頭之差,繪制出差值等值線,確定該指標(biāo)等級(jí)劃分區(qū)間和評(píng)分見(jiàn)表4。

表4　潛水與承壓水水頭差分級(jí)評(píng)分表Table 4　Marking table of classification of head difference ofdiving and confined water

4　評(píng)價(jià)結(jié)果

4.1　評(píng)價(jià)指標(biāo)定權(quán)

本次評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重確定,采用的是專家打分法。

專家打分法實(shí)際上是經(jīng)驗(yàn)估計(jì)法與意義推求法的綜合。前者是指不說(shuō)明任何定權(quán)的理由和根據(jù)而直接給出權(quán)值的一類方法,其特點(diǎn)是無(wú)任何說(shuō)明而直接定權(quán);后者是講明定權(quán)時(shí)考慮問(wèn)題的具體根據(jù)、依據(jù)的意義等再直接給出權(quán)值的方法,其特征是有抽象說(shuō)明而無(wú)具體定權(quán)過(guò)程和方法。專家打分法即是由少數(shù)專家直接根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并考慮反映某評(píng)價(jià)觀點(diǎn)后定出權(quán)重。

4.2　評(píng)價(jià)結(jié)果表達(dá)

將每個(gè)評(píng)級(jí)指標(biāo)按照第四節(jié)中的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)分,評(píng)分范圍均為1～10;每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)按照上述權(quán)重定權(quán),最后四個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)加權(quán)綜合,得到的值記為Di。

Di=L弱×5+L承+T×5+H×2

(2)

4.3　評(píng)價(jià)結(jié)果

將各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行屬性疊加,得到一個(gè)具有各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)屬性的區(qū)文件,在區(qū)文件中增加一個(gè)新的屬性,記為地下水防污性能指數(shù),其結(jié)果按照式(2)進(jìn)行計(jì)算,最終統(tǒng)計(jì)得到東西湖區(qū)地下水防污性能指數(shù)在49～121之間。結(jié)合防污性能等級(jí)劃分原則(表5),將研究區(qū)劃分為四個(gè)等級(jí),即防污性能好、防污性能較好、防污性能較差、防污性差。

表5　防污性能等級(jí)劃分Table 5　Grade classification of antifouling capability

研究區(qū)各防污性能指數(shù)等級(jí)所占面積比例,如圖4所示。

圖5　研究區(qū)地下水防污性能分區(qū)圖Fig.5　Zone map of groundwater antifouling capability of study area1.防污性能好；2.防污性能較好；3.防污性能較差；4.防污性能差。

圖4　研究區(qū)地下水防污性能統(tǒng)計(jì)圖Fig.4　Statistical graph of groundwater antifouling capability of study area

根據(jù)計(jì)算出來(lái)的Di,從實(shí)用角度出發(fā),將評(píng)價(jià)結(jié)果分級(jí),并作出結(jié)果等級(jí)分區(qū)圖即武漢市東西湖區(qū)第四系上更新統(tǒng)孔隙承壓含水層防污性能分區(qū)圖。研究區(qū)地下水防污性能分區(qū)圖,如圖5所示。

5　結(jié)語(yǔ)

(1) 選取弱透水層巖性、弱透水層厚度、承壓含水層巖性和潛水與承壓水水頭差四個(gè)影響因素評(píng)價(jià)指標(biāo)是對(duì)DRASTIC模型的一個(gè)重要優(yōu)化,使之能夠應(yīng)適用于承壓含水層防污性能評(píng)價(jià)。

(2) 在評(píng)價(jià)指標(biāo)中,承壓含水層頂板(弱透水層或相對(duì)隔水層)厚度這項(xiàng)指標(biāo)非常關(guān)鍵,厚度越大,防污性能相對(duì)越好。當(dāng)考慮污染物來(lái)至地表的情況下,一旦承壓含水層存在補(bǔ)給天窗,含水層的防污性能則為極差。

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