李治軍，張嗣路，于博文，王 濤

(黑龍江大學(xué) a.水利電力學(xué)院；b.寒區(qū)地下水研究所，哈爾濱 150080)

0 引 言

黑龍江省肇州縣土地資源肥沃，主要以農(nóng)耕產(chǎn)業(yè)為主，種植玉米、大豆等作物，是東北黑土區(qū)重要的商品糧生產(chǎn)基地。肇州縣主要供水水源為地下水。保護(hù)地下水資源安全，對(duì)于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和維護(hù)國(guó)家糧食穩(wěn)定生產(chǎn)具有重大戰(zhàn)略意義。本文通過對(duì)肇州縣進(jìn)行地下水脆弱性評(píng)價(jià)，可對(duì)地下水污染防治提供科學(xué)依據(jù)，還可對(duì)松嫩平原和松花江流域的其他區(qū)域提供參考價(jià)值[1-2]。

1 研究區(qū)概況

肇州縣境內(nèi)為沖積性平原，地勢(shì)較為平坦[3]，地理位置為E124° 48′～E125°48′，N45°35′～N46°16′，面積為2 445 km2。屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，季節(jié)變化較為顯著，冬季寒冷干燥，春季少雨多風(fēng)。松嫩平原黑土資源豐富，耕地土壤肥沃，適用多種經(jīng)濟(jì)作物生長(zhǎng)。肇州縣境內(nèi)賦存地下水，地表水資源匱乏，開采地下水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉和生產(chǎn)生活。

2 評(píng)價(jià)方法選取

地下水脆弱性評(píng)價(jià)方法主要有迭置指數(shù)法、過程數(shù)學(xué)模擬法和統(tǒng)計(jì)方法。其中DRASTIC模型根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)特征對(duì)地下水脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)[4]。雖然DRASTIC模型具有使用方便，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但在應(yīng)用過程中存在一定局限性，如評(píng)價(jià)指標(biāo)是固定的，但對(duì)于不同區(qū)域地下水脆性影響因素對(duì)其重要程度的不同，評(píng)價(jià)指標(biāo)也不同[5]。因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中，要根據(jù)研究區(qū)具體特征對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)，保證選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)的科學(xué)性、代表性和全面性。

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)模型

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

根據(jù)肇州縣實(shí)際情況，在系統(tǒng)研究影響地下水脆弱性的指標(biāo)和各指標(biāo)作用機(jī)理后，對(duì)DRASTIC模型各指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。含水層介質(zhì)A和含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)C都是表征含水層的滲透能力參數(shù)指標(biāo)，避免選取重復(fù)且為方便計(jì)算，選擇含水層介質(zhì)A,剔除含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)C[6]；土壤帶介質(zhì)S和包氣帶介質(zhì)I都是表征入滲到地下水污染物質(zhì)吸附能力，由于包氣帶的影響相對(duì)復(fù)雜，因此，保留土壤帶介質(zhì)類型S，剔除包氣帶介質(zhì)I。人為因素對(duì)地下水的影響不可忽視，引入土地利用類型L和地下水資源承載能力的綜合關(guān)聯(lián)度CRD。綜上選取地下水位埋深D，凈補(bǔ)給量R，含水層介質(zhì)類型A，土壤介質(zhì)類型S，地形坡度T，土地利用類型L和地下水資源承載能力的綜合關(guān)聯(lián)度CRD共7個(gè)指標(biāo)對(duì)肇州縣進(jìn)行地下水脆弱性評(píng)價(jià)。

參照傳統(tǒng)DRASTIC模型指標(biāo)分級(jí)評(píng)分方法和相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)與評(píng)分，評(píng)分值介于1～10，評(píng)分值越高表示對(duì)地下水脆弱性影響越大[7]，見表1。

表1 肇州縣地下水脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分Table 1 Groundwater vulnerability evaluation index score in Zhaozhou County

3.1.1 地下水位埋深D

地下水位埋深決定了污染物抵達(dá)含水層之前遷移的深度和周圍巖土體的接觸時(shí)間[8]。水體中的污染物在隨地表入滲，向地下水運(yùn)移的過程中與土壤介質(zhì)中氧氣等接觸反應(yīng)，可以不斷地被吸附，中和以及氧化衰減。分級(jí)見圖1。

圖1 地下水埋深分級(jí)Fig.1 Groundwater depth classification

3.1.2 凈補(bǔ)給量R

含水層凈補(bǔ)給量等于降雨入滲補(bǔ)給量與灌溉補(bǔ)給量之和，肇州縣灌溉補(bǔ)給量相對(duì)降雨入滲量有限[9]，忽略不計(jì)，凈補(bǔ)給量數(shù)值上采用降雨入滲補(bǔ)給量[10]。降雨入滲是污染物進(jìn)入地下水的載體。分級(jí)見圖2。

圖2 含水層凈補(bǔ)給量分級(jí)Fig.2 Classification diagram of net recharge of aquifer

3.1.3 含水層介質(zhì)類型A

含水層介質(zhì)在地表水與地下水轉(zhuǎn)換過程中控制著污染物的運(yùn)移途徑。污染物在運(yùn)移過程中與周圍巖石不斷接觸，可認(rèn)為污染物在含水層中稀釋的過程。肇州縣含水層富水程度，按照哈爾濱組、明水組、林甸組順序依次增加，故評(píng)分分值不斷遞增[11]。分級(jí)見圖3。

圖3 含水層介質(zhì)類型分級(jí)Fig.3 Classification diagram of aquifer medium type

3.1.4 土壤介質(zhì)類型S

當(dāng)污染物由地表進(jìn)入到土壤層，土壤帶的介質(zhì)顆粒越細(xì)密，黏粒含量越高，微生物數(shù)量越多，污染物可以通過一系列生物化學(xué)反應(yīng)被微生物降解，也可被土壤顆粒所“篩選吸附”，經(jīng)由地表進(jìn)入包氣帶的污染物濃度就會(huì)明顯降低[8]。分級(jí)見圖4。

圖4 土壤介質(zhì)類型分級(jí)Fig.4 Classification map of soil medium type

3.1.5 地形坡度T

地形坡度的大小與土壤的形成與發(fā)育，污染物的遷移與累積和地表水產(chǎn)匯流過程有著密切的聯(lián)系[12]。當(dāng)坡度較大時(shí)，污染物隨降雨在地表以徑流方式排泄，而不是長(zhǎng)時(shí)間滯留在地表入滲到地下水含水層中。分級(jí)見圖5。

圖5 地形坡度分級(jí)Fig.5 Topographic gradient classification

3.1.6 土地利用類型L

土地利用類型直接反映不同人類活動(dòng)對(duì)地下水脆弱性的影響。在居民區(qū)和農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)等人類活動(dòng)頻繁的地區(qū)，容易造成地下水污染，地下水脆弱性高。而在草地，森林，濕地等地區(qū)，人類活動(dòng)和污染源較少，天然生態(tài)系統(tǒng)對(duì)污染物可起到淋濾衰減作用，地下水脆弱性低。分級(jí)見圖6。

3.1.7 地下水資源承載能力的綜合關(guān)聯(lián)度CRD

地下水資源承載能力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)選取地下水資源利用率、人均供水量和生態(tài)環(huán)境用水率等多方面因素[13]。經(jīng)計(jì)算得到肇州縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水承載能力關(guān)于3個(gè)等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度。選取最大的綜合關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)各地區(qū)地下水資源開采利用程度。關(guān)聯(lián)度越小，表示地下水承載能力越接近飽和狀態(tài)，地下水的脆弱性越高。分級(jí)見圖7。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

傳統(tǒng)方法中指標(biāo)的權(quán)重是根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)確定的，無法反應(yīng)研究區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)、氣候、降雨以及人類工程等區(qū)域特性[14]。針對(duì)地下水脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算方法有層次分析法，熵權(quán)法，灰色關(guān)聯(lián)度法等。本文采用層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重。在主觀判斷的同時(shí)，還可用遞階層次結(jié)構(gòu)表達(dá)出評(píng)價(jià)對(duì)象的復(fù)雜關(guān)系，逐層進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，最終得出最低層相對(duì)于最高層的重要程度的權(quán)重[15]。利用YAAHP軟件將地下水脆弱性評(píng)價(jià)作為層次分析的目標(biāo)層；將評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中7個(gè)指標(biāo)作為層次分析的準(zhǔn)則層；將各因子的得分作為層次分析的基礎(chǔ)層。以研究區(qū)概況為基礎(chǔ)，對(duì)所選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)性質(zhì)進(jìn)行綜合分析，相互比較判斷，構(gòu)建權(quán)重判斷矩陣見表2。

根據(jù)矩陣計(jì)算得到最大特征值為7.508 7，特征向量為(0.15，0.091 3，0.041 7，0.041 7，0.058 8，0.264 4，0.352 0)T。經(jīng)過計(jì)算可得判斷矩陣一致性比率,小于0.1滿足條件,說明判斷因素的權(quán)重分配是合理的。對(duì)因子進(jìn)行歸一化處理，可得到各因子權(quán)重值見表3。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Table 3 Evaluation index weight

3.3 評(píng)價(jià)模型建立

基于AHP-DRASTIC模型所建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)建出能充分反映肇州縣地下水脆弱性評(píng)價(jià)模型，簡(jiǎn)稱DRASTL-CRD模型。根據(jù)每個(gè)指標(biāo)在其區(qū)段內(nèi)的相對(duì)重要性進(jìn)行分級(jí)，并在1～10之間評(píng)分賦值，對(duì)地下水脆弱性影響越大，評(píng)分越高；再將每個(gè)指標(biāo)根據(jù)其重要性的大小賦予不同的權(quán)重值，權(quán)重值越大，對(duì)地下水脆弱性影響程度越大。按公式將兩者加權(quán)求和得到地下水脆弱性綜合指數(shù)為

DI=DWDR+RWRR+AWAR+SWSR+TWTR+LWLR+CRDWCRDR

式中：各指標(biāo)帶下標(biāo)R為指標(biāo)值；各指標(biāo)帶下標(biāo)W為指標(biāo)權(quán)重。

4 脆弱性評(píng)價(jià)及結(jié)果分析

根據(jù)建立的DRASTL-CRD模型，利用ARCGIS柵格疊加功能對(duì)各評(píng)分圖按照確定的權(quán)重值進(jìn)行圖層疊加，得到綜合地下水脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果，見圖8。其最大值為8.36，最小值為2.83，數(shù)值越大，地下水脆弱性越高，地下水抗污染能力越差[16]。

圖8 肇州縣地下水脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.8 Groundwater vulnerability assessment results in Zhaozhou County

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)肇州縣地下水脆弱性按脆弱性指數(shù)大小分為5個(gè)等級(jí)：低脆弱性區(qū)(2.83

肇州縣地下水脆弱性整體由北到南，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)不斷提高。低脆弱性區(qū)，較低脆弱性區(qū)，中等脆弱性區(qū)，較高脆弱性區(qū)和高脆弱性區(qū)分別占肇州縣總面積8.97%,21.74%，32.36%，23.86%和13.07%,見表4。

表4 肇州縣脆弱性評(píng)價(jià)分區(qū)Table 4 Vulnerability assessment zoning of Zhaozhou County

低脆弱性區(qū)大部分分布于興城鎮(zhèn)和榆樹鄉(xiāng)東北部以及新福鄉(xiāng)附近；較低脆弱性區(qū)主要分布在新福鄉(xiāng)，興城鎮(zhèn)，永樂鎮(zhèn)和二井鎮(zhèn)；中等脆弱性區(qū)大部分分布于興城鎮(zhèn)，榆樹鄉(xiāng)和新福鄉(xiāng)；較高脆弱性區(qū)主要分布在雙發(fā)鎮(zhèn)，朝陽(yáng)鄉(xiāng)和托古鄉(xiāng)；高脆弱性區(qū)大部分分布于肇州鎮(zhèn)，托古鄉(xiāng)，永樂鎮(zhèn)，見表5。肇州縣地下水脆弱性評(píng)價(jià)為中等脆弱性區(qū)面積占比最大，但高和較高脆弱性區(qū)的面積大于中等脆弱性區(qū)的面積大于低和較低脆弱性區(qū)的面積，肇州縣地下水承受污染的風(fēng)險(xiǎn)較高[17]。

表5 肇州縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水脆弱性等級(jí)Table 5 Groundwater vulnerability grade of each township in Zhaozhou County

5 結(jié) 論

1)以肇州縣地下水脆弱性為評(píng)價(jià)對(duì)象，基于DRASTIC模型并進(jìn)行改進(jìn)，選取地下水位埋深D，凈補(bǔ)給量R，含水層介質(zhì)類型A，土壤介質(zhì)類型S，地形坡度T，土地利用類型L和地下水資源承載能力的綜合關(guān)聯(lián)度CRD共7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了DRASTL-CRD模型并應(yīng)用ARCGIS軟件進(jìn)行肇州縣地下水脆弱性評(píng)價(jià)，得到肇州縣地下水脆弱性評(píng)價(jià)分區(qū)圖。

2)利用層次分析法對(duì)選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)確定權(quán)重，定性與定量分析相結(jié)合，根據(jù)實(shí)際情況從污染源和地下水承載能力方面充分考慮，給予土地利用類型和地下水承載能力的綜合關(guān)聯(lián)度較高的權(quán)重，更能反應(yīng)研究區(qū)內(nèi)地下水脆弱性的特性。

3)各評(píng)價(jià)分區(qū)占比：中等脆弱性區(qū)32.36%，較高脆弱性區(qū)23.86%，較低脆弱性區(qū)21.74%，高脆弱性區(qū)13.07%，低脆弱性區(qū)8.97%。地下水作為肇州縣唯一水資源，在開采利用的過程中，應(yīng)注意減少在高脆弱性區(qū)和較高脆弱性區(qū)的開采力度，加強(qiáng)地下水管理，同時(shí)對(duì)兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的地下水進(jìn)行保護(hù)，防止地下水污染造成經(jīng)濟(jì)生態(tài)等損失。