袁利,李婷

安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站(安徽省地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急技術(shù)指導(dǎo)中心),合肥,230001

內(nèi)容提要：為保護(hù)地下水飲用水源地,以中深層承壓水為評(píng)價(jià)目標(biāo)層,基于研究區(qū)103眼淺層地下水水位資料、9眼中深層地下水水位及水質(zhì)資料,結(jié)合前人調(diào)查研究成果,采用DPTQHC評(píng)價(jià)模型對(duì)宿州市城區(qū)地下水脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)模型選取水位降深、含水層滲透系數(shù)、弱透水層厚度、潛水水質(zhì)、水頭差、弱透水層滲透系數(shù)共6項(xiàng)影響因子,參照DARSTIC評(píng)價(jià)模型中權(quán)重范圍值,結(jié)合研究區(qū)實(shí)際確定因子權(quán)重,借助Arcgis平臺(tái)得到中深層承壓水脆弱性綜合指數(shù)及脆弱性分區(qū)圖。結(jié)果表明:宿州市主城區(qū)中深層地下水脆弱性中等區(qū)域分布面積最廣,其后依次為脆弱性較低區(qū)域、脆弱性較高區(qū)域、脆弱性高區(qū)域、脆弱性低區(qū)域。評(píng)價(jià)結(jié)果與該地區(qū)地下水質(zhì)量吻合較好,適宜中深層地下水脆弱性評(píng)價(jià)。

地下水脆弱性評(píng)價(jià)是合理開發(fā)利用地下水資源、防止地下水污染的重要基礎(chǔ)性工作。目前,國際上應(yīng)用最普遍、最成熟的地下水脆弱性評(píng)價(jià)方法是DRASTIC方法(吳登定等,2005,曲文斌等,2007;管后春等2016;楊寧等,2019;崔龍玉,2014)。該方法是1985年由美國環(huán)境保護(hù)局和美國水井協(xié)會(huì)綜合40多位水文地質(zhì)學(xué)專家的經(jīng)驗(yàn)提出的(張煒等,2015)。它主要考慮了地下水埋深(D,Depth to groundwater)、凈補(bǔ)給量(R,Net recharge)、含水層介質(zhì)(A,Aquifer media)、土壤類型(S,Soil type)、地形坡度(T,Topography)、包氣帶的影響(I,Impact of the vadose zone)及含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)(C,Hydraulic conductivity of aquifer)共7項(xiàng)影響因素,這些參數(shù)的首字母縮寫即DRASTIC(張?zhí)惖?2012)。依據(jù)各評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)地下水脆弱性影響程度的不同,經(jīng)驗(yàn)性地對(duì)7項(xiàng)評(píng)價(jià)因子賦予固定的權(quán)重值,各影響因子評(píng)分的加權(quán)和為地下水脆弱性綜合指數(shù)。綜合指數(shù)越大,相應(yīng)區(qū)域的地下水脆弱性越高,越容易遭受污染(雷靜等,2003)。

然而,由于區(qū)域水文地質(zhì)條件的差異性,存在各參數(shù)對(duì)地下水脆弱性的影響程度與實(shí)際不符的情況,故地下水脆弱性評(píng)價(jià)多以DRASTIC模型為基礎(chǔ)進(jìn)行修正,使得評(píng)價(jià)結(jié)果能夠更準(zhǔn)確地反映出區(qū)域地下水的脆弱性特征。如孟素花等(2011)基于大量鉆孔和地下水位監(jiān)測(cè)資料,建立了適宜華北平原的DRITC評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并應(yīng)用于華北平原的地下水脆弱性評(píng)價(jià),地下水有機(jī)污染測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性。李亮等(2019)通過簡化DRASTIC模型,挑選了地下水位埋深、含水層介質(zhì)、含水層厚度、包氣帶影響介質(zhì)和滲透系數(shù)共五種因子對(duì)丹陽市地下水防污性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。張?zhí)惖?2012)結(jié)合麗水市的水文地質(zhì)條件,對(duì)DRASTIC評(píng)價(jià)模型進(jìn)行了改善,將評(píng)價(jià)因子土壤介質(zhì)(S)替換成地下水開采強(qiáng)度(M),建立了符合麗水市的DRAMTIC評(píng)價(jià)模型。崔龍玉(2014)針對(duì)DRASTIC評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于承壓水脆弱性評(píng)價(jià)的不足,對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn),建立適合承壓水脆弱性評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系,對(duì)肇源縣承壓水脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)。郭二濤(2018)結(jié)合DRASTIC模型選取地下水位埋深、凈補(bǔ)給量、含水層巖性、地表土壤類型、包氣帶介質(zhì)類型、含水層滲透系數(shù)6個(gè)自然因素指標(biāo)以及氨氮通量、水位降深2個(gè)人為影響指標(biāo),對(duì)滑縣中心城區(qū)地下水進(jìn)行了脆弱性評(píng)價(jià)。

在地表水相對(duì)缺乏的我國北方地區(qū),地下水是主要的供水水源,在當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)至關(guān)重要的地位。宿州市一直以地下水作為主要供水水源,位于宿州市城區(qū)的城西水源地是目前宿州市已開發(fā)利用的主要水源地,中深層承壓水為該水源地的主要供水水水源。隨著城市化進(jìn)程加快,該含水層面臨嚴(yán)峻的污染壓力(袁利等,2022)。因此通過改進(jìn)的DRASTIC模型進(jìn)行中深層承壓水脆弱性評(píng)價(jià),對(duì)地下水污染防控區(qū)劃分及指導(dǎo)地下水合理開發(fā)利用具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

宿州市地處安徽最北部,蘇、魯、豫、皖四省交界,屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候,多年平均氣溫14.6℃,年均降水量為865 mm,降水量年際變化大,年內(nèi)分配不均,主要集中在6～8月。研究區(qū)位于宿州市主城區(qū)(圖1),地形平坦,整體由西北向東南緩傾,地形坡降約1/8000,地面標(biāo)高一般為24～27m,地表為第四紀(jì)松散沉積物所覆蓋。研究區(qū)內(nèi)主要河流有新汴河、沱河、引河、新北沱河等,其中新汴河自西向東貫穿研究區(qū)中部,為區(qū)內(nèi)最大河流。

圖1 宿州市城區(qū)水文地質(zhì)簡圖(圖中水位等值線為2019年度水位數(shù)據(jù))

1.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)含水巖組分為松散巖類孔隙含水巖組、碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組、碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組和巖漿巖類裂隙含水巖組共4種類型。其中松散巖類孔隙含水巖組是研究區(qū)主要含水巖組,按其埋藏情況及與大氣降水、地表水的交替強(qiáng)弱自上而下可分為淺層含水層組、中深層含水層組和深層含水層組(詳見表1、圖2)。中深層含水層組與上覆淺層含水層組之間分布有較為穩(wěn)定的弱透水層,該弱透水層由晚更新統(tǒng)下部與中更新統(tǒng)頂部的中厚層粉質(zhì)黏性土層構(gòu)成,局部夾薄層粉土,但局部地區(qū)該層弱透水層較薄,甚至存在“天窗”(孫健等,2015),淺層地下水極易通過越流補(bǔ)給下部的中深層地下水。

表1 安徽省宿州市城區(qū)主要含水巖組劃分

天然狀態(tài)下研究區(qū)地下水自西北流向東南,然而自20世紀(jì)80年代以來,隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展和城市規(guī)模的擴(kuò)大,地下水開發(fā)利用量增大,天然平衡遭到破壞,形成了區(qū)域地下水降落漏斗,導(dǎo)致研究區(qū)除新汴河以北地區(qū)地下水自西北流向東南外,其他大部分地區(qū)淺層和中深層地下水均向宿州市主城區(qū)漏斗中心徑流。淺層地下水接受大氣降水、地表水及灌溉入滲補(bǔ)給,通過人工開采、蒸發(fā)、側(cè)向徑流及越流補(bǔ)給中深層地下水的方式排泄。中深層地下水接受淺層地下水越流補(bǔ)給及側(cè)向徑流補(bǔ)給,通過人工開采及徑流排泄。

2 宿州市主城區(qū)地下水脆弱性評(píng)價(jià)

2.1 單元格的劃分

借助Arcgis軟件,本次工作采用正方形網(wǎng)格對(duì)研究區(qū)進(jìn)行剖分,網(wǎng)格大小為100 m×100 m,整個(gè)區(qū)域被剖分38005個(gè)單元格,每個(gè)單元格為獨(dú)立的評(píng)價(jià)單元。

2.2 評(píng)價(jià)因子及權(quán)重

傳統(tǒng)的DRASTIC模型主要適用于淺層地下水的脆弱性評(píng)價(jià),各項(xiàng)指標(biāo)均為影響淺層地下水脆弱性的因素,與影響中深層承壓水脆弱性的因素不盡相同(崔龍玉,2014)。例如,相對(duì)于淺層潛水的埋藏特征,承壓水的地下水埋深與其脆弱性并沒有直接聯(lián)系;研究區(qū)地勢(shì)平坦,地形起伏不大,地形坡度對(duì)承壓含水層脆弱性的判別已無實(shí)際意義;包氣帶和土壤類型對(duì)中深層承壓水的脆弱性影響不大。

筆者等參考DRASTIC方法的思路,結(jié)合研究區(qū)具體地質(zhì)條件,提出了基于DPTQHC模型的中深層承壓水脆弱性評(píng)價(jià)體系。評(píng)價(jià)因子包括承壓水水位降深(D)、含水層滲透系數(shù)(P)、弱透水層厚度(T)、淺層地下水水質(zhì)級(jí)別(Q)、水頭差(H)、弱透水層滲透系數(shù)(C)。指標(biāo)權(quán)重值范圍為1～5,對(duì)地下水脆弱性最具影響的因子權(quán)重賦值為5,影響程度最小的因子權(quán)重賦值為1。各指標(biāo)權(quán)重及與DRASTIC模型評(píng)價(jià)因子對(duì)比見表2。

表2 DRASTIC模型與DPTQHC模型差異

2.3 資料來源

本文各評(píng)價(jià)因子資料主要來源于前人調(diào)查研究成果,中深層承壓水水位資料來源于研究區(qū)9眼中深層地下水專門監(jiān)測(cè)站點(diǎn)水位統(tǒng)測(cè)數(shù)據(jù),水位降深數(shù)值由2019年和2000年水位相減得到。含水層滲透系數(shù)、弱透水層厚度、弱透水層滲透系數(shù)采用《宿州市城西水源地及城市后備水源地勘查評(píng)價(jià)報(bào)告》(孫健等,200535～36,121)的數(shù)值。淺層地下水水質(zhì)為2019年“宿州市集中式地下水型飲用水水源補(bǔ)給區(qū)環(huán)境狀況調(diào)查”項(xiàng)目在研究區(qū)采集的37組淺層地下水樣分析測(cè)試數(shù)據(jù),水頭差數(shù)據(jù)為該項(xiàng)目對(duì)研究區(qū)103眼(包括13眼地下水專門監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和90眼機(jī)民井)淺層地下水和9眼中深層地下水專門監(jiān)測(cè)站點(diǎn)水位統(tǒng)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.4 評(píng)價(jià)因子分級(jí)

根據(jù)6個(gè)參數(shù)因子區(qū)域分布規(guī)律,結(jié)合DRASTIC模型的因子評(píng)分體系建立本模型的評(píng)分體系(表3)。各因子的評(píng)分范圍都介于1～10分,參數(shù)因子的評(píng)分越大,表明脆弱性越高,反之,則越低。

表3 DPTQHC模型評(píng)分體系

根據(jù)表3 的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn),對(duì)各評(píng)價(jià)單元的6項(xiàng)評(píng)價(jià)參數(shù)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)分,繪制研究區(qū)內(nèi)單項(xiàng)因子評(píng)分圖(圖3a—f)。

圖3 宿州市主城區(qū)中深層承壓水脆弱性評(píng)價(jià)單項(xiàng)因子評(píng)分圖:(a)水位降深;(b)含水層滲透系數(shù);(c)弱透水層厚度;(d)潛水水質(zhì);(e)水頭差;(f)弱透水層滲透系數(shù)

2.5 地下水脆弱性評(píng)價(jià)

將6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的評(píng)分圖,在GIS平臺(tái)中按各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值進(jìn)行圖層間的疊加分析,得到地下水脆弱性綜合指數(shù)DI,即各評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分的加權(quán)和。

DI=D×2+P×1+T×5+Q×4+H×3+C×3

利用上述公式計(jì)算得到研究區(qū)中深層承壓含水層脆弱性綜合評(píng)價(jià)值介于36～174分之間。運(yùn)用GIS軟件中的自然間斷點(diǎn)分級(jí)法(Natural Breaks)將計(jì)算結(jié)果分為5個(gè)等級(jí)來表示含水層脆弱性的相對(duì)高低(表4),繪制研究區(qū)承壓水脆弱性分區(qū)圖(圖4)。

表4 地下水脆弱性等級(jí)劃分

地下水脆弱性高區(qū)面積約36.36 km2,占研究區(qū)總面積的9.67%,主要分布在研究區(qū)的西十里—高殷—六里—前付一帶,研究區(qū)南部北楊寨鄉(xiāng)有零星分布;地下水脆弱性較高區(qū)面積59.57 km2,占研究區(qū)總面積的15.85%,主要分布在研究區(qū)中部演寺—周尚—大陳西部一帶,沿高脆弱性區(qū)外圍分布,汴河小區(qū)附近有小面積分布;地下水脆弱性中等區(qū)面積152.61 km2,占研究區(qū)總面積的40.60%,在研究區(qū)內(nèi)分布范圍最廣,主要分布在宿州城區(qū)外圍以北、以南大部分區(qū)域;地下水脆弱性較低區(qū)面積91.43 km2,占研究區(qū)總面積的24.33%,主要分部于研究區(qū)西北部馬梨園—唐河—馮圩一帶、東北部黃廟—余圩、東部東二鋪附近,呈面狀展布,西南部呈弧形條帶狀分部于樊李家—張沈—邵瓦坊一帶;地下水脆弱性低區(qū)面積35.87 km2,占總面積的9.54%,主要分部在研究區(qū)西南部曹湖—?jiǎng)⒑稀鴺鋱@一帶呈弧狀展布,在研究區(qū)北部和東部有零星分布。

2.6 評(píng)價(jià)結(jié)果驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)DPTQHC方法評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性,利用“宿州市集中式地下水型飲用水水源補(bǔ)給區(qū)環(huán)境狀況調(diào)查”項(xiàng)目采集的11組中深層地下水樣測(cè)試數(shù)據(jù),將水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果與地下水脆弱性等級(jí)分區(qū)圖進(jìn)行疊加(圖4),對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。從圖4和表5可以看出,水質(zhì)相對(duì)較好的Ⅲ類水樣點(diǎn)(編號(hào)分別為HY1、HY2、HY9、HY10、HY11)主要分布在含水層脆弱性等級(jí)中等—較低的區(qū)域;水質(zhì)相對(duì)較差的為Ⅳ、Ⅴ的水樣點(diǎn)多分布在含水層脆弱性高—較高區(qū)域,且含水層脆弱性高的區(qū)域水樣點(diǎn)(HY3、HY6)污染組分相對(duì)較多,表明利用DPTQHC方法評(píng)價(jià)中深層地下水脆弱性基本可靠。

表5 中深層地下水質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)分級(jí)

3 結(jié)論

筆者等在借鑒前人研究經(jīng)驗(yàn)和DRASTIC評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合宿州市的客觀水文地質(zhì)條件和獲取資料情況,構(gòu)建了DPTQHC地下水脆弱性評(píng)價(jià)模型,對(duì)宿州市主城區(qū)中深層承壓水脆弱性進(jìn)行了評(píng)價(jià)及分區(qū)。研究結(jié)果表明:宿州市主城區(qū)中深層地下水脆弱性中等區(qū)域分布面積最廣,占研究區(qū)總面積的40.60%,其它區(qū)按照面積由大到小依次為脆弱性較低區(qū)域、脆弱性較高區(qū)域、脆弱性高區(qū)域、脆弱性低區(qū)域,占比依次為24.33%、15.85%、9.67%、9.54%。

中深層承壓水脆弱性較高和高區(qū)主要分布在承壓水滲透系數(shù)大、弱透水層厚度小的區(qū)域,也是人類活動(dòng)相對(duì)強(qiáng)烈的中心城區(qū),根據(jù)“宿州市集中式地下水型飲用水水源補(bǔ)給區(qū)環(huán)境狀況調(diào)查”項(xiàng)目,農(nóng)業(yè)污染源、加油站、工業(yè)污染源及地下污水管網(wǎng)滲漏等是該區(qū)域主要風(fēng)險(xiǎn)源,建議相關(guān)部門加強(qiáng)對(duì)已有風(fēng)險(xiǎn)源的管控,嚴(yán)格控制新增地下水潛在風(fēng)險(xiǎn)源,加強(qiáng)地下水監(jiān)測(cè),全面、及時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)地下水水質(zhì)變化情況。

DPTQHC模型評(píng)價(jià)方法各指標(biāo)容易獲取,評(píng)價(jià)結(jié)果得到了水質(zhì)污染現(xiàn)狀較好的驗(yàn)證,對(duì)于中深層地下水的脆弱性評(píng)價(jià)具有參考意義。