李 霞，方 樟，江世雄，馬 喆，李立軍

(1.吉林大學(xué)地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室，長春 130021；2.國網(wǎng)福建省電力有限公司，福州 350001；3.吉林省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，長春 130021)

0 引 言

地下水對生態(tài)環(huán)境和人類的生產(chǎn)生活具有重要作用，尤其在干旱半干旱區(qū)域，地下水是主要的環(huán)境生態(tài)因子和供水水源[1]。近年來，石油化工產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，在石油的開采、運輸和加工過程中，地下水污染事件屢有發(fā)生[2]。其中石油類污染物具有三致毒性，對生態(tài)環(huán)境及人體健康的危害巨大。某油田開采廠的油田開采井選址位于伊通地區(qū)飲用水源地準(zhǔn)保護區(qū)，選址范圍須考慮油田井在未來開采可能出現(xiàn)的石油類污染物對地下水的污染。因此本文根據(jù)該區(qū)地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件進行地下水脆弱性評價。

地下水脆弱性評價指污染物自含水層頂部某一特定位置到達地下水系統(tǒng)的可能性與趨勢[3-5]。自1968年法國人Margat首次提出“地下水脆弱性”的概念以來[6]，各學(xué)者對地下水脆弱性評價的研究不斷深入和改進，評價方法也日趨成熟。在DRASTIC模型基礎(chǔ)上衍生出適應(yīng)研究區(qū)的特殊地下水脆弱性評價模型，Nerantzis等提出了DRASTIC-PA模型，將其應(yīng)用在有硝酸鹽污染的含水層特殊脆弱性評價中，周奉等[7,8]利用DPSIR模型構(gòu)建了反映黔中地區(qū)水資源脆弱性的評價指標(biāo)體系。目前，將地下水脆弱性評價應(yīng)用于選址問題的研究甚少，陳寰等[9]建立評價體系研究生活垃圾填埋場最佳選址位置，但其評價因子不能充分反映污染地下水的可能性。在確定地下水脆弱性評價指標(biāo)權(quán)重方面，學(xué)者們結(jié)合模糊理論、統(tǒng)計學(xué)及數(shù)值模擬等工具優(yōu)化評價過程，薛玉璇等人采用LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法改進權(quán)值和閾值，李紹飛等[10,11]人利用熵權(quán)法與層次分析法相結(jié)合確定評價指標(biāo)的權(quán)重。但各方法計算繁瑣且在確定權(quán)重方面仍存在缺陷[12,13]。證據(jù)權(quán)重法(WOE)計算簡單，結(jié)果合理準(zhǔn)確，但其主要應(yīng)用于滑坡敏感性及成礦預(yù)測，在地下水脆弱性評價方面研究甚少[14-16]。因此本文利用主成分因子分析法(PCA)和證據(jù)權(quán)重法(WOE)對研究區(qū)地下水脆弱性進行評價并對比其性能，得到更準(zhǔn)確的結(jié)果，為油田鉆井選址提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于伊通滿族自治縣的伊通河以西地帶，為伊通河與東遼河的沖積平原和侵蝕臺地(圖1)，屬于莫里青斷陷，現(xiàn)有的勘探開發(fā)與地質(zhì)研究成果表明莫里青斷陷是一個油氣資源豐富的斷陷[17]。研究區(qū)西部為北西向松遼分水嶺，第四系孔隙承壓水含水層在分水嶺兩側(cè)增厚，在平原區(qū)變薄。地下水的補給來源主要為大氣降水，在平原區(qū)的局部地段有側(cè)向徑流，河水和灌溉入滲補給。新近系承壓水盆地為平緩向斜儲水構(gòu)造，其含水層與第四系孔隙承壓水含水層呈不整合接觸。平原區(qū)排泄方式以滲入河流為主，河谷區(qū)以垂向蒸發(fā)為主、水平運動為輔。

圖1 研究區(qū)交通位置圖

2 地下水脆弱性評價

2.1 地下水脆弱性評價指標(biāo)

地下水固有脆弱性的評價指標(biāo)包括地下水位埋深(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)和水力傳導(dǎo)系數(shù)(C)[18-20]。研究區(qū)范圍內(nèi)降水量、蒸發(fā)量及溫度值變化幅度較小，可忽略凈補給量(R)對地下水脆弱性的影響。因此本文在地下水固有脆弱性評價模型中選取與地下水污染有密切關(guān)系的6個指標(biāo)，同時選取土地利用方式(L)、河流距離(DR)及河流密度(RD)作為地下水特殊脆弱性評價指標(biāo)。

(1)地下水位埋深(D)越大，地下水越不易受到污染，地下水脆弱性越低。水位埋深較淺的區(qū)域位于研究區(qū)北部與東南部的漫灘及一級階地，水位埋深小于5 m。

(2)含水層介質(zhì)(A)顆粒越小，滲透系數(shù)越小，含水層厚度越大，裂隙不發(fā)育，地下水脆弱性越低。研究區(qū)漫灘及一級階地的巖性主要是現(xiàn)代河流砂礫石沖積層、黃土層、亞砂土，北部研究區(qū)邊界處集中分布有正長花崗巖。含水層滲透系數(shù)介于4～100 m/d之間，含水層厚度介于1～134 m之間。

(3)土壤介質(zhì)(S)有機質(zhì)含量越多，滲透系數(shù)越小，厚度越大，地下水脆弱性越低。研究區(qū)土壤以亞砂土為主，滲透性較好，土壤厚度介于8.5～45 m之間。

(4)地形坡度(T)大，地下水脆弱性低。研究區(qū)地形趨勢呈現(xiàn)西北高，向河流方向逐漸降低，范圍介于0.005%～0.8%之間。

(5)包氣帶介質(zhì)(I)滲透系數(shù)越小，厚度越大，脆弱性越低。研究區(qū)包氣帶介質(zhì)滲透性呈現(xiàn)有東北向西南逐漸降低的趨勢，包氣帶厚度介于0.5～20 m之間。

(6)水力傳導(dǎo)系數(shù)(C)影響地下水的流速，介質(zhì)顆粒的粒徑越大且連接性越好，地下水的脆弱性越高。研究區(qū)河漫灘到河流階地，潛水含水層的巖性顆粒逐漸變小，水力傳導(dǎo)系數(shù)相應(yīng)的逐漸變小。

(7)土地利用方式(L)是人類活動對地下水污染的集中途徑，研究區(qū)以旱地為主，農(nóng)業(yè)用地為潛在的面狀污染源，地下水脆弱性最高；研究區(qū)工業(yè)用地中各類工廠工藝產(chǎn)生的“三廢”為地下水的潛在污染源；研究區(qū)城鎮(zhèn)居民生活用地部分做了防滲處理且人口密度較小，在一定程度上減少了地下水的污染。

(8)河流距離(DR)和河流密度(RD)是農(nóng)業(yè)活動區(qū)域污染地下水的重要因素，肥料通過地表水匯向河流再滲入潛水含水層。丘陵距離河流最遠超過2 000 m。河流在研究區(qū)東北部分布較密。

利用ArcGIS10.2分別對每一種指標(biāo)的脆弱性繪制對應(yīng)的矢量圖，部分結(jié)果見圖2～圖5。

表1 地下水脆弱性評價指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)

圖2 地下水位埋深(D)分級圖

圖3 包氣帶介質(zhì)(I)分級圖

2.2 油田鉆井區(qū)地下水脆弱性評價

2.2.1 多重共線性診斷

將研究區(qū)劃分10 000個單元，建立每個單元對應(yīng)于9個評價因子的屬性數(shù)據(jù)庫，計算容差和方差擴大因子(VIF)來評估本研究中評價因子的相關(guān)關(guān)系。容差<0.1和VIF>5則表現(xiàn)出強烈的多重共線性，根據(jù)計算結(jié)果可知9個評價因子沒有多重共線性，即沒有相關(guān)性(表2)。

表2 評價因子多重共線性診斷表

2.2.2 主成分因子分析法

主成分因子分析法(PCA)確定研究區(qū)各評價指標(biāo)的權(quán)重值，可以避免權(quán)重賦值的主觀性強等問題[21-23]。SPSS是通過主成分分析獲取權(quán)重的客觀賦權(quán)法。因子分析法是建立具有密切相關(guān)關(guān)系的典型因子替代大量原始數(shù)據(jù)，從而反映系統(tǒng)要素間的內(nèi)在關(guān)系。根據(jù)上述10 000個單元，通過SPSS16.0軟件計算得出權(quán)系數(shù)，歸一化后得到權(quán)重值(表3)。

表3 脆弱性評價方法各指標(biāo)權(quán)重值

圖4 水力傳導(dǎo)系數(shù)(C)分級圖

圖5 土地利用方式(L)分級圖

2.2.3 證據(jù)權(quán)重法

表4 評價因子層最大權(quán)重值

2.2.4 結(jié)果與討論

上述兩種方法計算地下水脆弱性評價指數(shù)：DI=DwDr+AwAr+SwSr+TwTr+IwIr+CwCr+LwLr+DRwDRr+RDwRDr；式中r和w分別為評分值和權(quán)重值，DI為脆弱性評價綜合指數(shù)。DI值越高，研究區(qū)地下水脆弱性越高，越容易受到污染；反之地下水越不易受到污染[27-31](表5)。通過ArcGIS10.2繪制地下水脆弱性綜合評價圖(圖6～圖7)。利用ROC曲線法評價和比較主成分因子分析法和證據(jù)權(quán)重法的結(jié)果(圖8)[32]，主成分因子分析法的AUC值為0.73，證據(jù)權(quán)重法的AUC值為0.80，則證據(jù)權(quán)重法在評價研究區(qū)地下水脆弱性時更精確。

表5 脆弱性評價方法各指標(biāo)評分表

圖6 主成分因子分析法地下水脆弱性評價分級圖

圖7 證據(jù)權(quán)重法地下水脆弱性評價分級圖

圖8 地下水脆弱性評價方法評價性能對比圖

由證據(jù)權(quán)重法地下水脆弱性評價結(jié)果可知，脆弱性以較低、中等、較高為主，其中脆弱性較低的面積占總研究區(qū)的25.57%，主要分布在槽形谷地及一級階地，地層類型為黃土層、亞砂土，人類活動中等，在石油鉆井選址時，盡量避免人類活動集中的區(qū)域，可將鉆井周圍的農(nóng)業(yè)用地變林地，種植植物以減少污染的可能性；脆弱性中等、較高的區(qū)域面積占研究區(qū)的69.85%，集中分布在漫灘及一級階地，地層類型為砂礫石沖積層及亞砂土，滲透系數(shù)大，含水層埋深淺，人類活動較強烈，部分為工業(yè)用地，污染物排放量大，選址時要認真勘查周圍的污染源，并控制其進一步的污染，將農(nóng)業(yè)用地改造為林地，在選址位置做好防滲處理。研究區(qū)進行油田鉆井選址以鉆前工程井場選址規(guī)劃原則為前提，可優(yōu)先考慮脆弱性低及較低的地區(qū)即研究區(qū)西部及西南部，并采取必要的預(yù)防和治理措施。選址時需避免地下水脆弱性高的地區(qū)即東北部漫灘，一級階地，河流及水庫影響范圍。

3 結(jié) 語

(1)選擇評價指標(biāo)時去掉對地下水脆弱性影響較小的凈補給量(R)，添加土地利用方式(L)、河流距離(DR)及河流密度(RD)，與地下水位埋深(D)、含水層介質(zhì)(A)、土壤介質(zhì)(S)、地形坡度(T)、包氣帶影響(I)和水力傳導(dǎo)系數(shù)(C)共同組成了本次地下水脆弱性評價指標(biāo)體系，經(jīng)過多重共線性診斷可知9個因子不具有相關(guān)性。

(2)選擇主成分因子分析法及證據(jù)權(quán)重法客觀計算地下水脆弱性評價指標(biāo)的權(quán)重值，并利用ROC曲線法比較兩種方法的性能，其AUC值分別為0.73和0.80，對比得出證據(jù)權(quán)重法計算結(jié)果更精確。

(3)根據(jù)證據(jù)權(quán)重法計算研究區(qū)地下水脆弱性結(jié)果可知脆弱性較低的面積占總研究區(qū)的25.57%，脆弱性中等、較高的區(qū)域面積占研究區(qū)的69.85%。油田鉆井選址需避免在東北部漫灘、一級階地、河流及水庫脆弱性高的地區(qū)，并制定相關(guān)的防治措施。