王麗雪，杜新強，董麗丹，仲偉婉，丁時偉

(吉林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，長春 130021)

第二松花江流域平原區(qū)淺層地下水脆弱性時變特征分析

王麗雪，杜新強，董麗丹，仲偉婉，丁時偉

(吉林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，長春 130021)

以第二松花江流域平原區(qū)為研究區(qū)，選擇了地下水埋深、凈補給量、含水層介質(zhì)、土壤介質(zhì)、地形坡度、包氣帶影響、滲透系數(shù)7個指標，運用DRASTIC評價方法對淺層地下水脆弱性進行了評價，進一步分析了地下水脆弱性評價結(jié)果的影響因素。結(jié)果表明： ①地下水脆弱性分區(qū)在整體上具有空間分帶特征性，并與地貌分區(qū)具有良好的一致性，其中河谷平原區(qū)由于地下水埋藏較淺，地下水脆弱性較高，污染風(fēng)險大；②受地下水位變動以及凈補給量的影響，具體地段的地下水脆弱性等級也具有較為明顯的年際與年內(nèi)變化特征，但整體區(qū)域上的地下水脆弱性的相對級別仍受地貌格局的控制。在開展區(qū)域地下水脆弱性評價時，應(yīng)注意選擇具有代表性的時段數(shù)據(jù)進行評價。

地下水脆弱性；第二松花江流域；DRASTIC評價方法；時變特征;河谷平原區(qū)

1 研究背景

隨著工業(yè)化、城市化進程的加快，地下水資源的開發(fā)利用量也在增加，過度開采地下水引起的環(huán)境地質(zhì)問題日益嚴重。通過各種途徑進入地下水中的污染物種類和數(shù)量也與日俱增，地下水系統(tǒng)在天然條件下也具有一定的抵抗污染風(fēng)險的能力，稱為“地下水脆弱性(Groundwater vulnerability)”[1]。其定義是指由于自然條件變化或人類活動影響，地下水遭受破壞的趨向和可能性，它反映了地下水對自然和人類活動影響的應(yīng)對能力[2-3]。目前國內(nèi)外常用的地下水脆弱性評價方法有GOD指標法、DIVERSITY法以及DRASTIC法，其中DRASTIC法應(yīng)用最為廣泛[4]。

DRASTIC方法是美國環(huán)境保護署( EPA)[5]于1987年提出的，先后應(yīng)用于美國各地的地下水脆弱性評價中并取得了良好的效果，在美國、加拿大、南非等多個國家已被廣泛使用[6]。目前，國內(nèi)外很多地下水脆弱性研究往往以DRASTIC評價方法為基礎(chǔ)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù)(GIS)進行地下水脆弱性的評價、編圖及深入研究。Srinivasamoorthy等[7]、Sener等[8]基于GIS和DRASTIC方法對印度的米特地區(qū)、土耳其的以塞尼爾肯特烏盧博爾盧盆地進行了地下水脆弱性評價；Jamrah等[9]利用GIS繪制了阿曼沿海地區(qū)地下水脆弱性分區(qū)圖，結(jié)果表明DRASTIC方法在沿海地區(qū)也適用；在地下水脆弱性評價的基礎(chǔ)上；Rahman[10]，Babiker等[11]應(yīng)用GIS對DRASTIC評價方法中的7個指標進行了敏感性分析；而Panagopoulos等[12]則利用GIS對地下水脆弱性評價的DRASTIC模型進行了優(yōu)化分析。在國內(nèi)比較典型的應(yīng)用有王秀明[13]以滄州市為例研究了DRASTIC在地下水脆弱性編圖中的應(yīng)用；肖興平等[14]研究了DRASTIC模型評價過程中GIS的應(yīng)用問題；王宏義等[15]基于GIM-GRA-GIS體系對靜升盆地地下水脆弱性進行了動態(tài)特征分析。

本研究以ArcGIS為平臺，利用DRASTIC評價方法對第二松花江流域平原區(qū)淺層地下水脆弱性進行評價，分析該區(qū)域淺層地下水脆弱性的時變特征。

2 第二松花江流域水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于吉林省北部，跨越長春市、吉林市以及松原市3個地級市，總面積約18 590 km2。處于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，大陸性氣候特點十分明顯。全年溫差大，無霜期短，多年平均氣溫變化在-3～5 ℃之間，降水的時空分布不均勻，多年平均降水量為400～700 mm。研究區(qū)內(nèi)河流包括第二松花江干流、飲馬河及伊通河。河流兩岸地貌多為河谷平原，堆積臺地則被分割為多個波狀起伏的河間地塊。地表高程自東南向西北逐漸降低，在河流兩岸多覆蓋有第四系松散堆積物，滲透性良好。地下水以潛水為主，水質(zhì)良好，單井涌水量3 000～5 000 m3/d。 研究區(qū)地貌見圖1。

圖1 研究區(qū)地貌Fig.1 Landform of the study area

評價指標作用機理權(quán)重地下水埋深(D)決定著污染物到達含水層之前的傳輸距離、有助于確定與周圍介質(zhì)接觸的時間、提供了污染物與大氣中的氧接觸致使其氧化的最大機會5凈補給量(R)污染物可通過補給水垂直傳輸至含水層并在含水層內(nèi)水平運移4含水層巖性(A)污染物的運移路線以及運移路徑的長度由含水層中的水流控制，含水層中的水流系統(tǒng)受含水層介質(zhì)影響3土壤類型(S)土壤介質(zhì)對滲入地下的補給量具有顯著影響，對污染物垂直運移至滲流區(qū)有顯著影響2坡度(T)地形坡度在某種程度上控制著污染物是被沖走或是留在一定的地表區(qū)域內(nèi)一定時間以滲入地下1包氣帶巖性(I)包氣帶介質(zhì)的類型決定著土壤層和含水層之間物質(zhì)的稀釋特性，包氣帶內(nèi)發(fā)生著利于自凈的生物降解作用、中和作用和化學(xué)作用5滲透系數(shù)(C)控制著地下水的流動速率和污染物進入含水層后的遷移速率3

表2 第二松花江流域平原區(qū)各因子評價指標分級(分類)及評分

3 評價方法

3.1 DRASTIC評價方法

DRASTIC是一個應(yīng)用于評價區(qū)域地下水污染風(fēng)險的模型[5]，主要選擇了影響地下水脆弱性的7個因子，包括地下水埋深(D) 、凈補給量(R) 、含水層介質(zhì)(A)、 土壤介質(zhì)(S)、地形坡度(T)、包氣帶影響(I)、水力傳導(dǎo)系數(shù)(C)。各指標對含水層脆弱性的作用機理及權(quán)重值見表1。

DRASTIC評價指標由3部分組成：權(quán)重、類別(范圍)和定額(評分)。其表達式為

DI=DrDw+RrRw+ArAw+SrSw+

TrTw+IrIw+CrCw。

(1)

式中：DI為DRASTIC指數(shù)；Dr，Rr，Ar，Sr,Tr,Ir,Cr分別為各評價因子的分級值；Dw,Rw,Aw,Sw,Tw,Iw,Cw分別為各評價因子的權(quán)重值。DRASTIC指標值越大，該水文地質(zhì)單元越易污染。各類分級值及權(quán)重值均可通過查表確定，評價指標可根據(jù)不同水文地質(zhì)條件進行適當更改[5]。

在收集研究區(qū)資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)DRASTIC模型的各個指標分級(分類)標準[5]，制定出適合研究區(qū)的DRASTIC各評價指標分級(分類)標準及評分。各指標的評價標準如表2所示。

3.2 基于ArcGIS的地下水脆弱性計算方法

ArcGIS具有強大的數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)管理、地理編碼、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、投影變換、地理分析、元數(shù)據(jù)管理、空間分析、疊加運算分析等功能[16]。將ArcGIS應(yīng)用到地下水脆弱性評價中，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的隨時修改與更新及分析結(jié)果的可視化，提高評價結(jié)果的精確性與評價效率。

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及數(shù)據(jù)收集分類結(jié)果，將DRASTIC模型的7項指標按照表2分級范圍及類型在同一幅數(shù)字化的底圖上進行分區(qū)，形成各單項評價指標的分區(qū)圖，并對每個評價指標的各分區(qū)進行屬性編輯。按照相應(yīng)的屬性區(qū)間值給出評分后[17]，將各評價指標分區(qū)圖柵格化。ArcGIS圖形中的柵格單元與DRASTIC法中的水文地質(zhì)單元相對應(yīng)，在分區(qū)過程中將所賦的評分值轉(zhuǎn)換成柵格圖像值，最后，以公式(1)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)柵格圖像疊加及脆弱性指標值計算，得到地下水脆弱性分區(qū)圖。

圖2 A，S，T，I，C各指標分區(qū)及降雨入滲補給系數(shù)分區(qū)Fig.2 Partitions according to values of index A, S, T,I, C and coefficient of rainfall infiltration recharge

3.3 地下水脆弱性時變特征分析方法

應(yīng)用DRASTIC模型進行地下水脆弱性評價時，變動指標的資料選取及數(shù)據(jù)處理對地下水脆弱性等級劃分具有很大的影響。通過對變動指標分別進行年內(nèi)及年際處理，分析地下水脆弱性的時變特征，將對更合理地應(yīng)用DRASTIC模型進行地下水脆弱性評價具有重要意義。

根據(jù)DRASTIC模型中7個指標的特點，含水層介質(zhì)(A)、土壤介質(zhì)( S)、地形坡度(T)、包氣帶影響(I)、滲透系數(shù)(C)等5個指標給定固定值，各指標按標準做出分區(qū)圖，如圖2所示。對于其余2個變動指標(地下水埋深及凈補給量)分別采用2001，2005，2011年地下水埋深年均值和凈補給量年均值分析地下水脆弱性的年際變化特征；采用2011年地下水埋深月均值及凈補給量月均值分析地下水脆弱性的年內(nèi)變化特征。對于凈補給量(R)指標，首先對降水資料進行單位化處理，以保證逐月降水資料與各年降水資料單位的統(tǒng)一性，其次由降水分區(qū)與降雨入滲補給系數(shù)分區(qū)疊加處理得到凈補給量分區(qū)。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)各指標的空間特征，不同時段各指標采取相同的權(quán)重，分別計算各時段地下水脆弱性綜合指數(shù)。綜合所有評價區(qū)間，將評價指數(shù)最大值與最小值按等間距劃分為5級，從低到高依次對應(yīng)低脆弱區(qū)、較低脆弱區(qū)、中等脆弱區(qū)、較高脆弱區(qū)、高脆弱區(qū)。以此得出第二松花江干流及飲馬河支流沿岸地區(qū)2011年1—12月份逐月的年內(nèi)地下水脆弱性分區(qū)圖及2001，2005，2011年的各年地下水脆弱性分區(qū)，詳見圖3。

圖3 2001，2005，2011年地下水脆弱性分區(qū)Fig.3 Partition according to groundwater vulnerabilityin year 2001, 2005 and 2011

4 地下水脆弱性時變特征分析

4.1 地下水脆弱性年際時變特征分析

統(tǒng)計分析2001,2005,2011年的地下水脆弱性分布情況，結(jié)果見圖3。在宏觀上，受固定指標的控制，雖然第二松花江流域年際地下水脆弱性分區(qū)存在一定的差異，但分布范圍基本一致。較高及高脆弱性區(qū)域主要呈條帶狀沿河分布，集中在河谷平原地區(qū)，中等脆弱區(qū)主要呈面狀分布在臺地及低山丘陵區(qū)，較低脆弱性區(qū)域僅有零星分布。因此地下水脆弱性在宏觀區(qū)域上保持穩(wěn)定并受宏觀地貌單元控制。

具體分析，2001年第二松花江流域地下水脆弱性主要以較低及中等脆弱性為主，主要集中在河谷平原及臺地地區(qū)，約占總面積的80%，沒有高脆弱區(qū)域分布；到2005年地下水脆弱性明顯以中等及較高脆弱性為主，集中在河谷平原地區(qū)，約占總面積的82%，河谷平原區(qū)的高脆弱性分區(qū)也達到了6.8%；到2011年較低、中等及較高脆弱性分區(qū)基本成均等比例分布，高脆弱性分區(qū)在河谷平原地區(qū)有零星分布(表3)。由此，在分布區(qū)域基本一致的情況下，不同年份地下水脆弱性等級是不同的。2001，2005，2011年年均降水量分別為333,800,420 mm/a(圖4)，在年際地下水脆弱性評價中，降水量與地下水脆弱性等級呈正相關(guān)，降水量越大地下水脆弱性等級越高，高脆弱性區(qū)域也越大。

表3 2001,2005,2011年各等級地下水脆弱性分區(qū)面積比例

圖4 2001年、2005年及2011年逐月降水量

4.2 地下水脆弱性年內(nèi)時變特征分析

以2011年1—12月的月降水量、月平均地下水位埋深得到2011年逐月的地下水脆弱性分區(qū)結(jié)果(見圖5)。在宏觀上，各月地下水脆弱性相對較高的地區(qū)均呈條帶狀分布在第二松花江流域河谷平原區(qū)，而地下水脆弱性等級相對較低的地區(qū)則主要分布在波狀臺地及低山丘陵區(qū)。

然而，受研究區(qū)大氣降水的影響，地下水脆弱性分區(qū)是逐月變化的(圖5)， 主要體現(xiàn)在各月地下水脆弱性分區(qū)面積存在一定的差異(表4)。 1—4月份及9—12月份降水量最大僅為22 mm， 最小為0.5 mm(圖6)， 研究區(qū)地下水脆弱性以較低及中等脆弱性分區(qū)為主， 約占研究區(qū)面積的80.5%， 較高脆弱性區(qū)僅在河谷區(qū)有零星分布，幾乎沒有高脆弱性區(qū)分布。 而5—8月份為汛期， 降水量最大為130 mm， 最小為64 mm(圖6)， 區(qū)內(nèi)低脆弱區(qū)基本沒有分布， 較低脆弱性分區(qū)面積明顯較少， 面積比例由僅占約11.3%， 而河谷區(qū)演變?yōu)檩^高及高脆弱區(qū)， 面積比例較1—4月份及9—12月份顯著增加， 較高脆弱區(qū)由3%增至36%， 高脆弱性區(qū)面積比例占到了15%。

圖5 2011年逐月地下水脆弱性分區(qū)Fig.5 Partition according to monthly groundwatervulnerability distribution in 2011

月份各等級地下水脆弱性分區(qū)面積比例/%低脆弱區(qū)較低脆弱區(qū)中等脆弱區(qū)較高脆弱區(qū)高脆弱區(qū)114．9444．3039．271．490215．9143．4539．401．240316．6142．9039．311．180416．4542．9138．981．66050．1115．9039．3532．3312．406014．8536．7337．6210．80703．4338．8636．5421．178010．8034．9937．9216．29914．3939．3537．039．2301015．9039．2138．476．4201118．2741．6138．291．8301219．0341．1638．561．250全年3．0338．5824．9032．760．73

圖6 2011年逐月降水量Fig.6 Monthly precipitation in 2011

5 結(jié) 論

本文在DRASTIC模型的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS的數(shù)據(jù)處理及空間分析功能，得到了研究區(qū)2011年逐月及2001，2005，2011年的年際地下水脆弱性分布狀況。在此基礎(chǔ)上，對比分析地下水脆弱性年內(nèi)年際的時變特征，得出以下結(jié)論：

(1) 地下水脆弱性分區(qū)具有空間分帶性，整體上受地貌格局的控制。其中，河谷平原區(qū)域由于地下水埋藏較淺，其脆弱性相對較高，地下水污染風(fēng)險大；而臺地及低山丘陵區(qū)，地下水脆弱性則相對較低。

(2) 受地下水位變動以及凈補給量的影響，具體地段的地下水脆弱性等級也具有較為明顯的年際與年內(nèi)變化特征，各月變化幅度要明顯大于不同水平年的年際變化幅度，但整體區(qū)域上的地下水脆弱性的相對級別仍受地貌格局的控制。

(3) DRASTIC模型結(jié)果的動態(tài)變化特征取決于地下水埋深與凈補給量2個變量指標。由于地下水埋深又受降水影響，而降水量在年內(nèi)和年際變化幅度相對較大，地下水脆弱性的時變特征與降水量變化規(guī)律具有一定程度上的相似性。

綜上所述，由于降水量、地下水位動態(tài)具有明顯的時變特征，區(qū)域地下水脆弱性評價結(jié)果受所選時段的影響較大，因此，在相關(guān)研究中應(yīng)結(jié)合研究目標和研究區(qū)實際條件，合理選擇評價時段。

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(編輯：趙衛(wèi)兵)

Time-varying Characteristics of Shallow Groundwater Vulnerability inthe Plain Area of the Second Songhua River Watershed

WANG Li-xue, DU Xin-qiang, DONG Li-dan, ZHONG Wei-wan, DING Shi-wei

(College of Environment and Resources, Jilin University, Changchun 130021, China)

With the plain area of the second Songhua River watershed as study area, we selected seven indicators including depth of water-table, net recharge, aquifer media, soil media, topography, impact of vadose zone and hydraulic conductivity of the aquifer to evaluate the shallow groundwater vulnerability using DRASTIC index method and to further analyze the influential factors of assessment results. Results suggest that groundwater vulnerability distribution in the study area can be partitioned in space and is in good consistency with landform division, among which river valley plain is of high groundwater vulnerability and high risk of contamination due to shallow groundwater. Moreover, influenced by groundwater table variation and net recharge, the level of groundwater vulnerability in particular area has obvious annual and inter-annual change characteristics; whereas in the whole area, the relative level of groundwater vulnerability is still controlled by landforms pattern. In the assessment of regional groundwater vulnerability, more attention should be paid to the selection of representative time data.

groundwater vulnerability; DRASTIC assessment method; time-varying characteristics;the second Songhua River watershed; river valley plain

2016-03-17；

2016-05-05

國家水污染控制與治理重大專項(2014ZX07201010)

王麗雪(1990-)，女，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士研究生，研究方向為水資源管理與評價，(電話)15144148087(電子信箱)wanglx14@163.com。

杜新強(1977-)，男，黑龍江肇東人，副教授，博士，研究方向為地下水資源人工調(diào)控理論與技術(shù)，(電話)13029132161(電子信箱)duxq77@163.com。

10.11988/ckyyb.20160241

2017,34(6):29-34

P345

A

1001-5485(2017)06-0029-06