馬小雷

(中冶地集團(tuán)西北巖土工程有限公司，陜西 西安 710119)

城市的發(fā)展離不開地質(zhì)環(huán)境，而環(huán)境地質(zhì)又承載和影響人類的經(jīng)濟(jì)行動(dòng)發(fā)展。研究人類工程和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與地質(zhì)環(huán)境相互作用、相互影響。一方面是自然的地質(zhì)環(huán)境的基本屬性要素(如地形地貌、構(gòu)造、巖性、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件等)；另一方面是影響自然地質(zhì)環(huán)境的人類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)(包括其方式、規(guī)模與強(qiáng)度等)，論證兩者之間相互關(guān)系及地質(zhì)環(huán)境對人類生存發(fā)展有不利和潛在不利影響的各種不良地質(zhì)作用和現(xiàn)象(如地面沉降、地裂縫、水質(zhì)污染等一些列環(huán)境地質(zhì)問題)；為國土開發(fā)整治和城市規(guī)劃建議管理提供科學(xué)的地質(zhì)依據(jù)，是城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展對地質(zhì)工作的新要求。因此，對研究區(qū)開始地下水環(huán)境及防污性能的研究是十分必要的。

1 研究區(qū)背景條件

將位于華北平原南部的邯鄲市區(qū)作為主要研究對象。邯鄲市區(qū)整體上屬太行山中南部中低山向華北平原南部過渡地帶，地勢總趨勢為西高東低，自南向北傾斜，地形地貌差異較大復(fù)雜多變，地表形態(tài)復(fù)雜多變，中低山、丘陵、盆地、平原和洼地相間分布，大致以京廣鐵路為界，東部地區(qū)主要為平原[1]。

研究區(qū)地層以第四系覆蓋層為主，西部有第三系、三疊系地層出露。其中第四系地層分布于東部平原區(qū)，巖性和厚度分布不均，由于沉積原因，自西向東厚度逐漸增大，顆粒由粗變細(xì)[2]。

2 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

根據(jù)地形地貌，地層巖性，地下水賦存條件，以及地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄條件，研究區(qū)主要為松散巖類孔隙水水文地質(zhì)區(qū)。其中松散巖類孔隙水水文地質(zhì)區(qū)根據(jù)含水層的富集特征，大致可分為三段：

0～30 m，含水層為中細(xì)砂含少量砂礫石層，結(jié)構(gòu)松散，隔水層為淡黃色亞粘土層。

30～80 m，含水層最富集，巖性為粗砂礫石層，結(jié)構(gòu)松散，富水性好，一般機(jī)井單井出水量7～10 m3/h·m。

80～230 m含水層以中細(xì)砂為主，單層厚度小，富水性差，隔水層以亞粘土，粘土為主。機(jī)井單井出水量1～5 m3/h·m。

本區(qū)地下水含水層厚25～35 m，主要接受大氣降水、井灌回歸、地表水入滲等補(bǔ)給；地下水的主要排泄方式是人工開采，其次為側(cè)向徑流排泄和蒸發(fā)排泄。地下水主要為承壓——微承壓水，水化學(xué)類型為重碳酸氯化物鈉(鈣、鎂)型、重碳酸硫酸(氯化物)鈣(鎂、鈉)型，礦化度多小于1.0 g/L。

3 研究區(qū)地下水環(huán)境

3.1 研究區(qū)地下水污染評(píng)價(jià)

3.1.1 評(píng)價(jià)方法

計(jì)算公式：

(1)

式中：Piw為地下水綜合指數(shù)(污染綜合指數(shù))；Ci為地下水某物質(zhì)檢出含量；C0i為下水某物質(zhì)起始值。

對各水質(zhì)點(diǎn)利用式(1)分別計(jì)算單指標(biāo)污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果Piw，并同表1中污染分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對照進(jìn)而劃分污染等級(jí)，得出每一個(gè)指標(biāo)單指標(biāo)污染等級(jí)劃分結(jié)果。從而掌握每一個(gè)指標(biāo)對地下水的污染狀況[3-4]。

表1 單指標(biāo)污染指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

采用所有參評(píng)指標(biāo)按照單指標(biāo)污染評(píng)價(jià)等級(jí)，對地下水樣品進(jìn)行綜合污染評(píng)價(jià)，確定地下水污染等級(jí)。地下水污染等級(jí)采用單指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果的最高類別確定，并要說明最高類別的具體指標(biāo)。

3.1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

研究區(qū)地下水污染評(píng)價(jià)分為區(qū)域地下水污染評(píng)價(jià)和重點(diǎn)區(qū)地下水污染評(píng)價(jià)，除常規(guī)指標(biāo)外，選擇人類活動(dòng)產(chǎn)生的有毒有害物質(zhì)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括8項(xiàng)指標(biāo)。分別為三氮：硝酸鹽，亞硝酸鹽，氨氮；毒性重金屬：鎘、鉻、鉛、汞、砷。

3.1.3 對照值的確定

結(jié)合評(píng)級(jí)區(qū)歷史上最早監(jiān)測數(shù)據(jù)和“六五”國家科技攻關(guān)第38項(xiàng)中的“華北平原地下水污染評(píng)價(jià)”綜合確定本次評(píng)價(jià)對照值。

3.1.4 評(píng)價(jià)結(jié)果

研究區(qū)范圍為153 km2。經(jīng)計(jì)算，評(píng)價(jià)結(jié)果如下：未污染區(qū)、輕污染區(qū)、嚴(yán)重污染區(qū)分布面積分別為42.825 km2、101.235 km2、和8.62 km2，分別占評(píng)價(jià)面積的28.05%、66.31%、和5.64%。主要污染因子為礦化度、硬度、硫酸根、氯離子、硝酸根、亞硝酸根、氟離子。分布位置及范圍見圖1。

圖1 研究區(qū)地下水污染評(píng)價(jià)圖

3.2 研究區(qū)地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)

3.2.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及項(xiàng)目

根據(jù)《地下水污染調(diào)查評(píng)價(jià)規(guī)范》(DD2005-01)，結(jié)合本次研究的具體情況，確定參評(píng)指標(biāo)23項(xiàng)：pH、Fe、Mn、Cu、Zn、AI、Cl-、SO42-、總硬度、溶解性總固體、耗氧量、As、Cr6+、Pb、Hg、Se、F-、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮、Na+、I-[5]。

3.2.2 評(píng)價(jià)方法

單因子評(píng)價(jià)法是《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中推薦的方法。該方法過程明了，簡潔易懂，但是存在著受較差指標(biāo)控制性較大，評(píng)價(jià)結(jié)果過于片面的缺點(diǎn)。單因子評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)流程如下：①進(jìn)行各單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)，劃分組分所屬質(zhì)量類別；②找出個(gè)單項(xiàng)組分的最高類別(最劣類別)；③單項(xiàng)組分的最高類別即為該地下水類別；④指出最高類別的指標(biāo)[6-7]。

3.2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

研究區(qū)范圍153 km2。經(jīng)計(jì)算，評(píng)價(jià)結(jié)果如下，研究區(qū)為較好區(qū)、較差區(qū)和極差區(qū)，分布面積分別為59.66 km2、12.37 km2、80.63 km2，各占評(píng)價(jià)區(qū)面積的39%、8%和53%，以水質(zhì)較好區(qū)和極差區(qū)為主。分布位置及范圍見圖2。

圖2 研究區(qū)淺層地下水質(zhì)量分區(qū)圖

4 研究區(qū)地下水防污性能研究

地下水防污性能評(píng)價(jià)是國際水文地質(zhì)研究的熱點(diǎn)問題，是地下水污染防治區(qū)劃需要考慮的主要因素之一，也是地下水資源保護(hù)和管理的重要參考依據(jù)。本次研究工作主要針對本質(zhì)防污性能，也稱含水層天然防護(hù)能力，是指不考慮人類活動(dòng)和污染源而只考慮水文地質(zhì)內(nèi)部因素的防污性，具有相對靜態(tài)、不可變和人為不可控制性[8]。

4.1 評(píng)價(jià)方法

DRASTIC方法是大范圍宏觀尺度上區(qū)域地下水防污性評(píng)價(jià)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。目前，該方法已被許多國家和地方采用，是地下水防污性能評(píng)價(jià)中相對成熟和最常用的方法之一。根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，本次地下水防污性能評(píng)價(jià)選取改進(jìn)的DRASTIC模型，選取地下水埋深(Depth to Water )、凈補(bǔ)給量( Net Recharge )、包氣帶巖性(Impact ofthe Vadose Zone)、含水層累積厚度(Aquifer Media )和滲透系數(shù)(Aquifer Hydraulic Conductivity)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。建立評(píng)價(jià)模型如下：

DRITC=DrDw+RrRw+IrIw+TrTw+CrCw

(2)

式中： D、R、I、T和C分別為地下水埋深、凈補(bǔ)給量、包氣帶巖性、含水層累積厚度和滲透系數(shù)，w表示評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，r為評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分等級(jí)，DRITC為評(píng)價(jià)綜合指數(shù)，DRITC值越大，地下水防污性能越低[9-10]。

研究區(qū)地下水防污性能評(píng)價(jià)采用該方法，并結(jié)合矢量化編制研究區(qū)地下水防污性能成果圖。

4.2 評(píng)價(jià)步驟

4.2.1 指標(biāo)遴選及評(píng)分

根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況，本次地下水防污性能評(píng)價(jià)選取地下水埋深、凈補(bǔ)給量、包氣帶巖性、含水層累積厚度和滲透系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。各指標(biāo)含義、對地下水防污性能的影響敘述如下。

(1)地下水埋深：地下水埋深主要決定污染物到達(dá)含水層的距離以及污染物在到達(dá)含水層前與周圍介質(zhì)接觸發(fā)生各種反應(yīng)的時(shí)間，埋深越大，發(fā)生反應(yīng)的時(shí)間就越長，污染物衰減的機(jī)會(huì)就越多,地下水脆弱性越低。

(2)凈補(bǔ)給量：凈補(bǔ)給是污染物進(jìn)入地下水含水層的載體和動(dòng)力，補(bǔ)給量越大，能夠溶解并帶入地下水的污染物就越多，地下水受污染的可能性就越大，地下水脆弱性就越高。凈補(bǔ)給量主要包括降雨補(bǔ)給量、灌溉回歸量和河流補(bǔ)給量三項(xiàng)。

(3)包氣帶巖性：包氣帶巖性主要影響降雨的入滲系數(shù)，包氣帶巖性顆粒越粗，入滲系數(shù)就越大，則地下水補(bǔ)給量就多，從而可能帶入地下水污染物就越多，地下水脆弱性也就越高。

(4)含水層累積厚度：含水層累積厚度主要反映了地下水儲(chǔ)存空間的大小，厚度越大，則儲(chǔ)水空間就越大，可以儲(chǔ)存的地下水就越多。地下水的稀釋能力和納污能力就越強(qiáng)，地下水脆弱性就越低。

(5)滲透系數(shù)：含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)受含水層中的粒間孔隙、裂隙和層間裂隙等所產(chǎn)生的空隙的數(shù)量和連通性控制。該指標(biāo)主要影響地下水流動(dòng)速度，水力傳導(dǎo)系數(shù)越大，地下水的流速越大，從而污染物的傳播速度就快，地下水脆弱性也就越高。

4.2.2 單元剖分及數(shù)據(jù)提取

(1)單元剖分。根據(jù)研究區(qū)面積和精度要求，對研究區(qū)進(jìn)行間距為2 km×2 km正方形網(wǎng)格剖分。將山前沖洪積、沖湖積平原兩個(gè)區(qū)作為防污性能權(quán)重分區(qū)。

(2)數(shù)據(jù)提取。將各指標(biāo)根據(jù)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，形成各評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分圖并賦予相應(yīng)的評(píng)分，然后與剖分單元文件進(jìn)行空間相交分析，各指標(biāo)評(píng)分就傳遞給了剖分單元，再在屬性庫子系統(tǒng)下，將各評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分輸出，進(jìn)行相應(yīng)的處理。

4.2.3 權(quán)重計(jì)算

本次權(quán)重賦值克服了DRASTIC模型中各指標(biāo)權(quán)重一成不變的缺陷，根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況賦權(quán)重。層次分析法能夠通過一致性檢驗(yàn)保持邏輯上的一致性，但權(quán)重賦值具有一定的主觀性，因此需要對其進(jìn)行優(yōu)化。對權(quán)重進(jìn)行靈敏度分析，了解各指標(biāo)權(quán)重變化對評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，為調(diào)整指標(biāo)權(quán)重提供依據(jù)，以便得到最優(yōu)化的指標(biāo)權(quán)重，為地下水防污性能分區(qū)的準(zhǔn)確性提供了有力保障[11]。

4.2.4 評(píng)價(jià)結(jié)果

據(jù)式DRITC=DrDw+RrRw+IrIw+TrTw+CrCw，得到每個(gè)剖分單元的綜合值，將綜合值等間距劃分為五級(jí)(表2)。

表2 地下水系統(tǒng)防污性能分級(jí)

根據(jù)上述評(píng)價(jià)方法，對研究區(qū)防污性能進(jìn)行了分區(qū)評(píng)價(jià)。從評(píng)價(jià)結(jié)果可知，工作區(qū)內(nèi)無防污性能好區(qū)；防污性能較好區(qū)面積12.93 km2，占總面積的11.8%，主要分布在馬頭鎮(zhèn)的東部地區(qū)；防污性能中等區(qū)面積96.72 km2，占總面積的88.2%，主要分布在邯鄲的大部分地區(qū)。分區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果詳見表3，圖3。

圖3 研究區(qū)地下水防污性能評(píng)價(jià)圖

表3 工作區(qū)城市防污性能評(píng)價(jià)分區(qū)表 km2

5 結(jié)語

在城市化進(jìn)程下，本次研究通過對以往水文地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)調(diào)查成果的綜合研究，結(jié)合本次水環(huán)境評(píng)價(jià)和地下水防污性能的研究，基本了解了研究區(qū)的水環(huán)境特征和地下水防污性能，為國土開發(fā)整治和城市規(guī)劃建議管理提供地質(zhì)依據(jù)。