薛鵬威，左 銳，王金生，翟遠(yuǎn)征，滕彥國

(北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院/地下水污染控制與修復(fù)教育部工程研究中心，北京 100875)

飲用水源地地下水氨氮特殊脆弱性研究

薛鵬威，左 銳，王金生，翟遠(yuǎn)征，滕彥國

(北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院/地下水污染控制與修復(fù)教育部工程研究中心，北京 100875)

特殊脆弱性分析評(píng)價(jià)是實(shí)現(xiàn)定量研究地下水受某種特定污染物威脅的有效手段。文章以佳木斯市七水源地為研究對(duì)象，在分析區(qū)域水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，選取地下水防污性能評(píng)價(jià)模型(DRASTIC)用于研究區(qū)固有脆弱性的評(píng)價(jià)，側(cè)重分析區(qū)內(nèi)土地利用類型、穩(wěn)定開采條件下的地下水水位降深等人為因素，以及典型污染物氨氮在特定介質(zhì)中的通量這一特殊人類活動(dòng)因素，構(gòu)建了水源地特殊脆弱性評(píng)價(jià)模型。以研究區(qū)內(nèi)28組淺層地下水樣品中氨氮濃度和對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)特殊脆弱性指數(shù)之間的相關(guān)性來評(píng)估模型的可靠性，計(jì)算結(jié)果顯示二者相關(guān)系數(shù)為0.67，具有較好的相關(guān)性，說明該評(píng)價(jià)系統(tǒng)可靠。特殊脆弱性計(jì)算結(jié)果顯示研究區(qū)內(nèi)以中等以下脆弱性為主，其中水源開采區(qū)和西南丘陵區(qū)特殊脆弱性較高，計(jì)算結(jié)果有助于實(shí)現(xiàn)水源地的科學(xué)管理。

特殊脆弱性；指標(biāo)體系；地下水；氨氮

地下水污染過程具有“隱蔽性、復(fù)雜性、長(zhǎng)期性以及污染后難恢復(fù)性”等特點(diǎn)[1]，地下水水源地保護(hù)工作必須秉持“以防為主、防治結(jié)合、防重于治”的原則[2]。地下水脆弱性是衡量地下水系統(tǒng)對(duì)潛在污染抵御能力的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)地下水型飲用水源地進(jìn)行脆弱性評(píng)價(jià)分區(qū)，使得水源地保護(hù)工作具有針對(duì)性。

“地下水脆弱性”這一概念最早由Margat[3]提出，即自然條件下地表污染物進(jìn)入地下水的可能性。之后，美國環(huán)保署將地下水脆弱性分為固有脆弱性和特殊脆弱性[4]，并明確了地下水特殊脆弱性的概念，即地下水含水層對(duì)某一特定污染源或人類活動(dòng)的脆弱性。近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者在地下水特殊脆弱性的研究中取得了一系列的成果：王焰新等[5]構(gòu)建了以苯系物為特征污染物的DRAMIC模型；Lake等[6]結(jié)合土地利用類型構(gòu)建了以硝酸鹽為特征污染物的特殊脆弱性評(píng)價(jià)模型；姜桂華等[7]結(jié)合土地利用類型、人口密度等人為因素構(gòu)建了以“三氮”為特征污染物的特殊脆弱性評(píng)價(jià)模型；許傳音等[8]結(jié)合地下水開采強(qiáng)度、土地利用類型、地下水水質(zhì)構(gòu)建了MQL-DRASTIC模型；杜守營(yíng)[9]以渾河沖積扇為研究對(duì)象，結(jié)合土地利用類型和污染源荷載構(gòu)建了DRASTIC-OL模型；Nerantzis等[10]構(gòu)建了以硝酸鹽為特殊污染物的DRASTIC-PA和DRASTIC-PAN模型；Mellander等[11]建立了以磷為特征污染物的特殊脆弱性評(píng)價(jià)模型；閆雅妮等[12]構(gòu)建了以硝酸鹽為特征污染物的DRASTIPO模型。趙豐昌[13]以河流污染物到達(dá)地下水時(shí)間作為河流對(duì)地下水脆弱性影響程度的判斷依據(jù)，并將污染物運(yùn)移時(shí)間作為地下水脆弱性評(píng)價(jià)的一個(gè)指標(biāo)。上述研究表明特殊脆弱性評(píng)價(jià)模型的建立都是在固有脆弱性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，疊加人為因素和(或)特征污染物；評(píng)價(jià)模型指標(biāo)權(quán)重多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，且部分評(píng)價(jià)結(jié)果缺乏驗(yàn)證。

本文以佳木斯市七水源地所在區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，結(jié)合區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)、徑、排條件確定研究區(qū)范圍。在DRASTIC模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究區(qū)實(shí)際水文地質(zhì)條件對(duì)原模型進(jìn)行適當(dāng)修改，對(duì)研究區(qū)固有脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)；再結(jié)合土地利用類型、穩(wěn)定開采狀態(tài)下區(qū)域地下水降深、氨氮在特定介質(zhì)中的通量等指標(biāo)，建立飲用水源地特殊脆弱性評(píng)價(jià)模型。在ArcGIS平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)各指標(biāo)加權(quán)疊加計(jì)算獲得研究區(qū)特殊脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果，并對(duì)該計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省東北部松花江南岸的佳木斯市區(qū)，區(qū)內(nèi)整體地勢(shì)西南高東北低，西南以低山丘陵為主，東北部為漫灘平原。多年平均氣溫3 ℃，多年平均降水量為510.52 mm，年平均蒸發(fā)量為1 266.76 mm。研究區(qū)以松花江作為西北部邊界，以西太平村-永興村一帶作為東部邊界，以南部低山丘陵與平原結(jié)合處作為南部邊界，總面積為219.74 km2(圖1)。

圖1 研究區(qū)所在位置及地形圖Fig.1 Location of the study area and its topography map

研究區(qū)包氣帶巖性組成以粉質(zhì)黏土、黏土及細(xì)、中砂為主，表層粉質(zhì)黏土分布廣泛，在垂向粒度組合上呈現(xiàn)出上細(xì)下粗的雙層結(jié)構(gòu)特征。區(qū)內(nèi)主要含水層為中粗砂、卵礫石等組成的孔隙潛水含水層，具有滲透性強(qiáng)、厚度大、水量充盈的特點(diǎn)，是水源地的主要開采對(duì)象，如圖2和圖3。就整個(gè)研究區(qū)而言，除洪水期外區(qū)內(nèi)全年大部分時(shí)間地下水水位高于江水水位，地下水補(bǔ)給江水。

圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)圖Fig.2 Hydrogeological map of the study area

七水源地位于研究區(qū)西部的沿江鄉(xiāng)，設(shè)計(jì)供水能力為16×104m3/d，實(shí)際供水能力為12×104m3/d，承擔(dān)著佳木斯市54.55%的市政供水量。水源地開采井共計(jì)30口，分布于松花江南岸漫灘區(qū)，其中8口井因原糖廠廢醪池的嚴(yán)重污染已經(jīng)關(guān)停，主要污染物為氨氮；開采井分布區(qū)的土地利用類型以農(nóng)業(yè)用地為主，多年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明區(qū)內(nèi)農(nóng)田平均施肥量為375.23 kg/hm2，其中氮肥使用所占比例為65.56%，這些施用的氮肥會(huì)隨著大氣降水等垂直入滲進(jìn)入到含水層；此外，水源地周邊分布有村鎮(zhèn)等居民生活區(qū)，農(nóng)村生活污水中的主要污染物包括COD、氨氮等。根據(jù)歷史水質(zhì)資料分析，水源地周邊部分地區(qū)地下水氨氮超標(biāo)，對(duì)水源地構(gòu)成了潛在的污染風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 研究區(qū)A—A’地質(zhì)剖面圖Fig.3 Hydrogeological profile in the study area (cross section A-A’ Fig.2) A—A’ cross section map of the study area

2 水源地特殊脆弱性評(píng)價(jià)模型

2.1特殊脆弱性影響因素及模型框架

2.1.1影響因素

固有因素，用于表征地下水固有脆弱性，即在不考慮污染物特性的前提下地下水系統(tǒng)本身所具有的防污能力。人為因素，用于表征地下水系統(tǒng)受到人類活動(dòng)的影響，主要體現(xiàn)在地表形態(tài)的改造、農(nóng)藥化肥等的施用以及水資源開發(fā)利用等方面。特殊因素，用于表征地下水系統(tǒng)受某一特定污染物的影響，進(jìn)入含水層中污染物的量越大，特殊脆弱性越高；因此，特殊因素可以簡(jiǎn)化為用某一特征污染物通過包氣帶進(jìn)入含水層中的量來表征。

2.1.2模型框架

特殊脆弱性評(píng)價(jià)模型架構(gòu)如圖4所示，由基礎(chǔ)層(固有因素指標(biāo)、人為因素指標(biāo)、特殊因素指標(biāo))，中間層(固有脆弱性、人為因素評(píng)分、特殊因素評(píng)分)，目標(biāo)層(特殊脆弱性)等3個(gè)評(píng)價(jià)層次構(gòu)成。

圖4 水源地特殊弱性評(píng)價(jià)系統(tǒng)框架Fig.4 Framework of the special vulnerability assessment system for drinking water source areas

2.2評(píng)價(jià)模型指標(biāo)選取

2.2.1固有因素

固有因素反映的是地下水系統(tǒng)本身所具有的防污能力，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際水文地質(zhì)條件，對(duì)地下水防污性能評(píng)價(jià)模型(DRASTIC)進(jìn)行修改。

傳統(tǒng)DRASTIC模型[14]是由美國水井協(xié)會(huì)(NWWA)和美國環(huán)保局(EPA)于1987年聯(lián)合開發(fā)的，該模型能夠?qū)τ绊懳廴疚镞\(yùn)動(dòng)的主要水文地質(zhì)因素進(jìn)行定量分析[15]。DRASTIC模型各指標(biāo)所表示的含義分別是：含水層埋深(D)、含水層凈補(bǔ)給量(R)、含水層巖性(A)、土壤類型(S)、地形坡度(T)、不飽和介質(zhì)影響(I)、含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)(C)。其中，含水層巖性(A)和水力傳導(dǎo)系數(shù)(C)存在信息上的重疊[13,16～17]，DRASTIC評(píng)價(jià)模型各評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)相互獨(dú)立；研究表明用含水層厚度(M)替代含水層巖性能夠取得較好的評(píng)價(jià)效果，因此本文選取含水層厚度作為固有因素之一，構(gòu)成DRMSTIC評(píng)價(jià)模型。DRMSTIC模型各指標(biāo)及其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

根據(jù)改進(jìn)后形成的DRMSTIC模型，對(duì)研究區(qū)各固有因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體評(píng)價(jià)過程如下：

(1)地下水埋深(D)

選擇研究區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)井豐水期統(tǒng)測(cè)數(shù)據(jù)作為潛水含水層的地下水埋深數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件，用反距離權(quán)重插值法(IDW)獲得區(qū)內(nèi)地下水埋深分布情況，按照表1中地下水埋深的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算獲得地下水埋深評(píng)分結(jié)果。

(2)含水層垂向凈補(bǔ)給量(R)

研究區(qū)年平均降雨量為510.52 mm，降雨入滲補(bǔ)給量并沒有大到能夠稀釋污染物的程度，因此認(rèn)為當(dāng)大氣降雨入滲量越大，所攜帶的污染物的量越高，地下水的脆弱性就越高。用降雨量乘以降雨入滲系數(shù)即可得到降雨入滲補(bǔ)給量，利用ArcGIS軟件先進(jìn)行區(qū)內(nèi)凈補(bǔ)給量分布情況的計(jì)算，然后按照表1中含水層垂向凈補(bǔ)給量的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算獲得凈補(bǔ)給量評(píng)分結(jié)果。

(3)含水層厚度(M)

根據(jù)研究區(qū)的鉆孔資料，利用ArcGIS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析，從而獲取區(qū)內(nèi)含水層厚度分布情況，按照表1中含水層厚度的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算得到研究區(qū)內(nèi)的含水層厚度評(píng)分結(jié)果。

表1 DRMSTIC模型各指標(biāo)范圍及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

(4)土壤類型(S)

(5)地形坡度(T)

利用ArcGIS對(duì)研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取研究區(qū)的地形坡度計(jì)算結(jié)果，坡度范圍為0°～18°，按照表1中地形坡度的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算獲得地形坡度評(píng)分結(jié)果。

圖5 固有因素評(píng)分圖Fig.5 Rating map of intrinsic factors

(6)包氣帶巖性(I)

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)包氣帶巖性類型，利用ArcGIS軟件，按照表1中相應(yīng)指標(biāo)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算獲得包氣帶巖性的評(píng)分結(jié)果。

(7)含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)(C)

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)的分析結(jié)果，結(jié)合本次調(diào)查實(shí)測(cè)點(diǎn)位的測(cè)量值，插值得到研究區(qū)含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)的分布情況，按照表1中水力傳導(dǎo)系數(shù)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，在ArcGIS中計(jì)算獲得該區(qū)含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)評(píng)分結(jié)果。

2.2.2人為因素指標(biāo)選取及分級(jí)

本文選取土地利用類型(L)和穩(wěn)定開采條件下地下水降深(Dp)作為人為因素指標(biāo)。土地利用類型不同，產(chǎn)生的污染種類和影響程度也會(huì)有所不同，地表覆蓋物對(duì)污染物的截留能力受到土地利用類型的影響[19]；地下水水位降深能直接反映地下水開采強(qiáng)度[20]，地下水補(bǔ)給會(huì)隨著開采強(qiáng)度的增強(qiáng)而變大，污染物進(jìn)入地下水系統(tǒng)的可能性隨之增大。綜上，水源地特殊脆弱性評(píng)價(jià)模型中人為因素的指標(biāo)范圍及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 人為因素及特殊因素指標(biāo)范圍及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

土地利用類型(L)和穩(wěn)定開采條件下地下水降深(Dp)兩個(gè)人為因素指標(biāo)評(píng)分過程如下：

(1)土地利用類型(L)

研究區(qū)內(nèi)土地利用類型以農(nóng)田林地、居住區(qū)、水體和工廠4種類型為主，按照表2中給出標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)分結(jié)果見圖6。

(2)開采條件下地下水降深(Dp)

水源地開采造成地下水流場(chǎng)狀態(tài)發(fā)生變化而形成地下水漏斗的過程，一方面會(huì)激地下水系統(tǒng)的補(bǔ)給，增大了地下水受污染的可能性；另一方面過量的地下水開采會(huì)誘發(fā)地面沉降、地裂縫等多種地質(zhì)問題[21]。綜上，本文選取水源地穩(wěn)定開采20 a后地下水水位降深(Dp)作為飲用水源地特殊脆弱性評(píng)價(jià)模型的人為因素之一。七水源地日均開采量為8.9×104m3/d，運(yùn)用數(shù)值模擬工具GMS預(yù)測(cè)穩(wěn)定開采20 a后研究區(qū)內(nèi)地下水漏斗的分布狀態(tài)，模擬結(jié)果顯示穩(wěn)定開采條件下七水源及其周邊地區(qū)水位明顯下降，水源地中心區(qū)水位最低，水位降深值最大6.29 m。根據(jù)研究區(qū)穩(wěn)定開采條件下的降深分布情況，按照表2中規(guī)定的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)分，獲得研究區(qū)降深評(píng)分分區(qū)結(jié)果(圖7)。

圖6 土地利用類型評(píng)分圖Fig.6 Rating map of the land use

圖7 地下水降深評(píng)分圖Fig.7 Rating map of the groundwater drawdown

2.2.3特殊因素指標(biāo)及分級(jí)(N)

特殊因素以污染物由地表入滲到地下水的通量作為分級(jí)評(píng)分指標(biāo)，選取氨氮作為典型污染物。氨氮通量同包氣帶對(duì)氨氮的吸附量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，氨氮吸附量由包氣帶巖性和厚度決定?，F(xiàn)有研究成果表明氨氮通量與包氣帶厚度有一定的線性關(guān)系[22]，不同巖性包氣帶對(duì)氨氮的吸附能力有著較大的差異[23]。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，原研究成果中研究區(qū)為河流漫灘及階地，且氨氮排放量、地層巖性等與本文研究區(qū)有類似之處，具有一定的借鑒意義。故本文基于研究區(qū)實(shí)際條件結(jié)合上述研究成果，獲得了區(qū)內(nèi)包氣帶巖性、厚度、氨氮通量之間的關(guān)系(圖8)。其中y1、y2、y3分別表示氨氮卵石中砂、細(xì)砂、黏土包氣帶中通量與包氣帶厚度之間的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)包氣帶巖性及厚度的分布情況及圖8中表示的函數(shù)關(guān)系，利用ArcGIS計(jì)算獲得研究區(qū)氨氮進(jìn)入含水層的通量分布圖，并按照表2對(duì)氨氮通量進(jìn)行分級(jí)評(píng)分，結(jié)果見圖9。

圖8 包氣帶厚度與氨氮通量的關(guān)系曲線Fig.8 Relation curve between the thickness of vadose zone and the ammonia-nitrogen flux

圖9 氨氮通量評(píng)分圖Fig.9 Rating map of the ammonia-nitrogen flux

2.3評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3.1計(jì)算方法

(1)固有脆弱性評(píng)價(jià)

DRMSTIC模型中的各指標(biāo)的權(quán)重為wi=(5,4,3,2,1,5,3)，利用固有脆弱性綜合指數(shù)計(jì)算公式：

式中：VI——綜合評(píng)分值；

Fi——指標(biāo)i的評(píng)分；

Wi——指標(biāo)i的權(quán)重。

將模型中各個(gè)指標(biāo)的評(píng)分結(jié)果按照式(1)進(jìn)行加權(quán)疊加獲得綜合評(píng)分值VI，將VI按照ArcGIS中Natural Break方法劃分為10個(gè)等級(jí)，并依次賦值1～10，見圖10。

圖10 固有脆弱性評(píng)分圖Fig.10 Rating map of the vulnerability

(2)人為因素評(píng)分

首先將土地利用類型(L)和穩(wěn)定開采條件下地下水降深(Dp)評(píng)分結(jié)果按1∶1的權(quán)重疊加計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果按照ArcGIS中Natural Break的方式劃分為10個(gè)等級(jí)，并根據(jù)等級(jí)依次賦值1～10。

(3)特殊脆弱性綜合評(píng)分結(jié)果

最后將固有因素評(píng)分結(jié)果、人為因素評(píng)分結(jié)果和特殊因素評(píng)分結(jié)果按照1∶1∶1等比例疊加計(jì)算。按照Natural Break方法將綜合評(píng)分值等分為：高脆弱性(5分)、較高脆弱性(4分)、中等脆弱性(3分)、較低脆弱性(2分)、低脆弱性(1分)5個(gè)級(jí)別，即得到飲用水源地特殊脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果，見圖11。

圖11 研究區(qū)特殊脆弱性分布圖Fig.11 Spatial distribution of the special vulnerability in the study area

2.3.2評(píng)價(jià)結(jié)果分析

研究區(qū)內(nèi)特殊脆弱性分布情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 研究區(qū)特殊脆弱性分區(qū)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表3統(tǒng)計(jì)結(jié)果，區(qū)內(nèi)各級(jí)特殊脆弱性分布情況如下：

(1)高特殊脆弱性區(qū)

研究區(qū)內(nèi)高脆弱性地區(qū)所占比例最小，只占整個(gè)研究區(qū)面積的1.08%，且集中分布在七水源地穩(wěn)定開采條件下形成的降落漏斗中心區(qū)。該處固有脆弱性高，受水源地開采影響大，土地利用類型以農(nóng)業(yè)用地為主，氨氮通量高。

(2)較高及中等特殊脆弱性區(qū)

較高脆弱性地區(qū)在研究區(qū)北部沿江鄉(xiāng)、長(zhǎng)青鄉(xiāng)等沿江漫灘區(qū)集中分布，在松江鄉(xiāng)呈點(diǎn)片狀零星分布。主要控制因素和高脆弱性地區(qū)相似，但程度較低。中等脆弱性區(qū)所占比例高達(dá)49.06%，且呈大面積連片狀分布，該區(qū)土地利用方式以農(nóng)業(yè)用地為主，農(nóng)業(yè)活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)量的氨氮，但是受到水源開采作用的影響較弱且固有脆弱性相對(duì)較低。

(3)低及較低特殊脆弱性區(qū)

低及較低脆弱性區(qū)共占了整個(gè)研究區(qū)總面積的29.72%，分布區(qū)主要包括研究區(qū)西南部的四豐鄉(xiāng)、沿江鄉(xiāng)及東南部的長(zhǎng)發(fā)鎮(zhèn)等丘陵地區(qū)；上述地區(qū)無重大污染企業(yè)，地下水埋深較深，丘陵區(qū)地形坡度較大，地表入滲條件差，且區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)活動(dòng)較少，基本沒有受到水源地開采的影響。

2.3.3評(píng)價(jià)結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證文中所構(gòu)建特殊脆弱性評(píng)價(jià)模型的可靠性，本文將區(qū)內(nèi)28組淺層地下水樣品中氨氮濃度和與之對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)的脆弱性指數(shù)之間的相關(guān)性作為評(píng)估該模型可靠性的依據(jù)。區(qū)內(nèi)氨氮污染物分布如圖12所示，七水源地所在區(qū)域地下水中氨氮呈現(xiàn)北部高濃度集中分布，且由北向南濃度遞減的整體趨勢(shì)；其中，水源地東部的長(zhǎng)青鄉(xiāng)為高濃度集中分布區(qū)，區(qū)內(nèi)土地利用類型復(fù)雜、氨氮來源渠道多，且地勢(shì)平坦、受地下水開采影響大等也是造成該區(qū)氨氮濃度較高的因素；南部丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)活動(dòng)較少、地形坡度大、地下水埋深大、垂向補(bǔ)給量較小、受地下水開采影響較小等原因使得氨氮入滲量小，因此氨氮濃度較低。

圖12 研究區(qū)地下水氨氮分布圖Fig.12 Spatial distribution of the concentration of ammonia-nitrogen in the study area

計(jì)算各采樣點(diǎn)氨氮濃度和該點(diǎn)地下水脆弱性指數(shù)的相關(guān)程度，用斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)ρ表征。計(jì)算公式(2)如下：

式中：d——氨氮濃度排行和脆弱性指數(shù)排行名次差；

ρ——斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)，其等級(jí)劃分見表4。

M=28。

表4 ρ等級(jí)劃分

根據(jù)上述計(jì)算方法分別對(duì)地下水固有脆弱性指數(shù)、特殊脆弱性指數(shù)同地下水氨氮濃度分布狀況的相關(guān)系數(shù)|ρ1|和|ρ2|進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示|ρ1|=0.52、|ρ2|=0.67。根據(jù)表4，地下水固有脆弱性和地下水特殊脆弱性均與地下水污染程度中等相關(guān)，但是特殊脆弱性指數(shù)能夠更加準(zhǔn)確地反映飲用水源地地下水環(huán)境污染狀況，因此飲用水源地特殊脆弱性對(duì)水源地氨氮污染狀況的預(yù)測(cè)更加合理可信。

3 結(jié)論

(1)本文以佳木斯市七水源地為研究對(duì)象，采用疊置指數(shù)法構(gòu)建了地下水型飲用水源地特殊脆弱性評(píng)價(jià)模型；揭示了特殊脆弱性強(qiáng)度與地下水固有脆弱性強(qiáng)度與氨氮污染有關(guān)的人類活動(dòng)影響，氨氮自身因素的影響三者之間的關(guān)系。其中固有脆弱性、土地利用類型、氨氮通量等指標(biāo)反映了氨氮污染地下水的可能性，而水源地穩(wěn)定開采條件下的地下水降深因素反映了污染物質(zhì)進(jìn)入地下水后向水源地遷移的可能性。

(2)佳木斯七水源地所在區(qū)域地下水氨氮濃度分布狀況與特殊脆弱性分布狀況具有整體一致性，且二者相關(guān)性指數(shù)為0.67，高于氨氮分布與固有脆弱性之間的相關(guān)性0.52，說明本文構(gòu)建的特殊脆弱性評(píng)價(jià)模型合理可靠，且更能真實(shí)地反映飲用水源地對(duì)于氨氮的脆弱性。

(3)根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，七水源地氨氮特殊脆弱性以高及較高級(jí)別為主，且水源地東側(cè)水源地補(bǔ)給區(qū)范圍內(nèi)地下水氨氮濃度較高；因此在對(duì)該區(qū)開展水源地保護(hù)工作時(shí)，應(yīng)將該區(qū)域作為重點(diǎn)防治區(qū)域。

[1] 滕彥國, 蘇潔, 翟遠(yuǎn)征, 等. 地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的迭置指數(shù)法研究綜述[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2012,27(10): 1140-1147. [TENG Y G, SU J, ZHAI Y Z,etal. A review on the overlay and index method for groundwater pollution risk assessment[J]. Advances in Earth Sciences, 2012, 27(10):1140-1147. (in Chinese)]

[2] 張麗君. 地下水脆弱性和風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究進(jìn)展綜述[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2006, 33(6):113-119. [ZHANG L J. Review on groundwater vulnerability and risk assessment[J]. Hydrogeology amp; Engineering Geology, 2006, 33(6):113-119. (in Chinese)]

[3] Margat J.Ground water vulnerability to contamination (in French)[R]. Bases deal cartographies, BRGM, 1986.

[4] Worrall F, Besien T. The vulnerability of groundwater to pesticide contamination estimated directly from observations of presence or absence in wells[J]. Hydrology Journal, 2005, 303(1/4): 92-107.

[5] 王焰新, 李義連, 付素蓉, 等. 武漢市區(qū)第四系含水層地下水有機(jī)污染敏感性研究[J]. 地球科學(xué)(中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)), 2002, 27(5):616-620. [WANG Y X, LI Y L, FU S R,etal. Study on organic pollution sensitivity of groundwater aquifers in Wuhan[J]. Earth Science(Journal of China University of Geosciences), 2002, 27(5):616-620. (in Chinese)]

[6] Lake I R, Lovett A A, Hiscock K M,etal. Evaluating factors influencing groundwater vulnerability to nitrate pollution: developing the potential of GIS[J]. Journal of Environmental Management, 2003, 68(3):315-328.

[7] 姜桂華, 王文科, 喬小英, 等. 關(guān)中盆地地下水特殊脆弱性及其評(píng)價(jià)[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版), 2009, 39(6):1106-1110. [JIANG G H, WANG W K, QIAO X Y,etal. Groundwater special vulnerability and its assessment in Guanzhong Basin[J]. Journal of Jilin University( Earth Science Edition), 2009, 39(6):1106-1110. (in Chinese)]

[8] 許傳音, 肖長(zhǎng)來. 雞西市地下水脆弱性評(píng)價(jià)[J]. 吉林水利, 2012, 1(1):30-33. [XU C Y, XIAO C L. The groundwater vulnerability assessment in Jixi City[J]. Jilin Water Resources, 2012, 1(1):30-33. (in Chinese)]

[9] 杜守營(yíng). 渾河沖洪積扇地區(qū)地下水脆弱性評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)研究[D]. 長(zhǎng)春:吉林大學(xué), 2014. [DU S Y. Assessment and prediction of groundwater vulnerability in the Hun River Alluvial Fan Area[D].Changchun：Jilin University, 2014. (in Chinese)]

[10] Kazaks N, Voudouris K S. Groundwater vulnerability and pollution risk assessment of porous aquifers to nitrate: Modifying the DRASTIC method using quantitative parameters[J]. Journal of Hydrology, 2015, 525:13-25.

[11] Mellander P E, Jordan P, Shore M,etal. Identifying contrasting influences and surface water signals for specific groundwater phosphorus vulnerability[J]. Science of the Total Environment, 2016, 541:292-302.

[12] 閆雅妮, 王妍妍, 鄭倩琳, 等. 地下水硝酸鹽特殊脆弱性評(píng)價(jià):以沙潁河流域?yàn)槔齕J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2015, 38(8):234-243. [YAN Y N, WANG Y Y, ZHENG Q L,etal. Assessment of groundwater nitrate specific vulnerability: a case study in Shaying River Basin[J]. Environmental Science amp; Technology, 2015, 38(8):234-243. (in Chinese)]

[13] 趙豐昌.傍河型水源區(qū)地下水脆弱性評(píng)價(jià)方法研究[D]. 北京:中國地質(zhì)大學(xué)(北京), 2014. [ZHAO F C. Research on assessment method of riverside source giled groundwater vulnerability-a case study Hunhe River Alluvial fan in shenyang[D]. Beijing: China University of Geosciences (Beijing), 2013. (in Chinese)]

[14] Samira A，Sayed F M，Jahangir A K,etal. Conditioning DRASTIC model to simulate nitrate pollution case study: Hamadan-Bahar Plain[J]. Environment Earth Science, 2011, 63(6): 1155-1167.

[15] Aller L, Bennet T, Lehr J H. A standardized system for evaluating groundwater pollution potential using hydrogeological setting[M].Oklahoma: US EPA, 1987.

[16] 張?zhí)悾T小銘，劉紅櫻,等. 基于DRASTIC的麗水市地下水防污性能評(píng)價(jià)[J]. 地球與環(huán)境, 2012, 40(1):115-120. [ZHANG T L, FENG X M, LIU H Y,etal. Assessment of groundwater vulnerability in Lishui City based on DRASIC[J]. Earth and Environment, 2012, 40(1):115-120. (in Chinese)][17] 楊俊. 下遼河平原地區(qū)地下水脆弱性研究[D]. 大連:遼寧師范大學(xué),2008. [YANG J. Research on the Groundwater vulnerability assessment of the Lower Liaohe River Plain[D]. Dalian: Liaoning Normal University,2008. (in Chinese)]

[18] 張志紅, 孫保衛(wèi), 于巖, 等. 北京地區(qū)不同類型土壤的吸附和降解性能[J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 33(4): 153-156. [ZHANG Z H, SUN B W, YU Y,etal. Research on adsorption and degradation performance of different kinds of soil in Beijing Area[J]. Journal of Beijing Jiaotong University, 2009, 33(4):153-156. (in Chinese)]

[19] 崔超, 劉申, 翟麗梅, 等. 香溪河流域土地利用變化過程對(duì)非點(diǎn)源氮磷輸出的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 35(1):129-138. [CUI C, LIU S, ZHAI L M,etal. Effect of land use/cover changes on nitrogen and phosphorus losses via non-point source pathway in Xiangxi River Basin[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35(1):129-138. (in Chinese)]

[20] 郇環(huán), 王金生, 胡立堂. 松花江佳木斯段潛水脆弱性評(píng)價(jià)[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版), 2011, 41(增刊1):303-309. [HUAN H, WANG J S, HU L T. Phreatic vulnerability assessment in Jiamusi section of Songhua River[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2011, 41(Sup1):303-309. (in Chinese)]

[21] 王震, 楊軍耀. 超采區(qū)關(guān)井壓采地下水環(huán)境修復(fù)評(píng)價(jià)體系初探[J]. 人民黃河, 2013, 35(9):82-85. [WANG Z, YANG J Y. Study on the groundwater environmental rehabilitation effect evaluation system of closing wells and reducing groundwater exploitation in groundwater overexploitation area[J]. Yellow River, 2013, 35(9):82-85. (in Chinese)]

[22] 姜桂華, 王文科. 關(guān)中盆地包氣帶氮遷移轉(zhuǎn)化數(shù)值模擬及預(yù)測(cè)[J]. 西北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2007, 37(5):825-829. [JIANG G H, WANG W K. Numerical simulation and prediction of N transportation and transformation in unsaturated zone in Guanzhong Basin[J]. Journal of Northwest University(Natural Science Edition), 2007, 37(5):825-829. (in Chinese)]

[23] 羅澤嬌, 靳孟貴. 地下水三氮污染的研究進(jìn)展[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2002, 29(4):65-69. [LUO Z J, JIN M G. Research progress of ammonia, nitrite and nitrate pollution in groundwater[J]. Hydrogeology amp; Engineering Geology, 2002, 29(4):65-69. (in Chinese)]

責(zé)任編輯

：汪美華

Specialvulnerabilityofammonia-nitrogeningroundwateratdrinkingwatersourceareas

XUE Pengwei, ZUO Rui, WANG Jinsheng, ZHAI Yuanzheng, TENG Yanguo

(CollegeofWaterSciences,BeijingNormalUniversity/EngineeringResearchCenterofGroundwaterPollutionControlandRemediation,MinistryofEducation,Beijing100875,China)

The special vulnerability assessment is an effective means for quantitatively evaluating the groundwater contamination resulted from some special pollutants. Based on the hydrogeological analysis of the Qi Water Source Area in Jiamusi City, China, the DRASTIC model was selected to calculate the inherent vulnerability. The calculation mainly focused on investigating the impact of human factors, including different land use types, depression of the groundwater level in stable exploitation conditions, and the flux of the typical pollutant, i.e. ammonia nitrogen, in specific mediums. The special vulnerability of regional groundwater assessment index system was accordingly built and used for assessing the study area. The results has been verified by the correlation analysis between the observed concentration of ammonia from 28 shallow groundwater samples in the study area and the calculated special vulnerability at corresponding points,which indicate that the special vulnerability assessment system is reliable. The results show that the vulnerability of the regional groundwater is mostly at a moderate and low level, while the high level appears in the exploitation area and the southwest upland. This study is helpful for the scientific management of drinking water source areas.

special vulnerability; index-system; groundwater; ammonia-nitrogen

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.06.16

X523；X824

A

1000-3665(2017)06-0102-08

2016-05-24;

2017-05-22

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2014ZX07201-010)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(41402211，41372233)

薛鵬威(1989-)，男，碩士研究生，主要從事地下水污染控制方向研究。E-mail : bnustxpw2013@163.com

左銳(1971-)，男，副教授，博士，主要從事地下水污染控制方向研究。E-mail : zr@bnu.edu.cn