黑龙江省黑河市地下水脆弱性评价及地下水资源保护区划

孔庆轩，刘彩虹，吴庭雯

（1.黑龙江省地质环境监测总站，黑龙江哈尔滨150030；2.吉林大学环境与资源学院，吉林长春130026；

3.中国地质大学水资源与环境学院，北京100083）

0 引言

地下水是我国北方地区重要的饮用水源，长期以来由于过量开采及处理不当，导致地下水受到严重污染.众所周知，地下水污染具有隐蔽性、延时性和不可逆性的特点，一旦出现，其治理较难.因此，合理解决不断出现的地下水污染问题以及因地下水开采造成的环境负效应，应采取“以防为主、防治结合、防重于治”的方针，制订合理的区域地下水保护方案.开展地下水污染脆弱性评价，划分保护防治区是区域地下水资源保护的重要手段［1-2］.通过对地下水脆弱性进行评价研究，可识别出地下水易于污染的高风险区，为水资源管理提供强有力的工具，有助于决策者和管理者制定有效的地下水保护管理战略和措施［3］.

本论文依托国土资源调查项目，在黑龙省主要城市开展了城市环境地质问题的调查和研究，通过调查发现该区及其邻区地下水资源过度开发，大规模的地面和地下工程建设，以及排污水沟渠及渗坑窖开挖较深，接近或直接连通砂砾石层，工业废水、生活污水、垃圾均排放洼地及沟渠中，导致地下水环境恶化.借助野外调查和污染源调查资料，在系统分析该区地质、水文地质条件的基础上，综合考虑该区含水层固有脆弱性因子，建立了地下水脆弱性评价指标体系.利用DRASTIC模型，结合MapGIS软件平台对黑河市浅层地下水进行了地下水脆弱性评价，定量评价了该区地下水环境的易污染程度，并根据评价结果对黑河市进行了地下水保护防治区的划分，为保障该市供水安全和地下水资源的可持续利用提供科学依据.

1 研究区水文地质条件及存在问题

黑河市位于黑龙江省北部，地理坐标东经124°45′~129°18′，北纬 47°42′~51°03′.处于寒温带大陆性季风气候区，多年平均气温0.1℃，多年降水量521.2mm，多年平均蒸发量676.8mm.

研究区地下水主要包括松散岩类孔隙潜水、碎屑岩类孔隙裂隙微承压水、基岩裂隙水三类.其中，松散岩类孔隙潜水又分为上更新统冲积砂、砂砾石含水层和全新统砂砾石、砾卵石含水层.碎屑岩类孔隙裂隙微承压水分为第三系孙吴组砂砾岩孔隙裂隙水和白垩系碎屑岩类孔隙裂隙水.基岩裂隙水分为风化带网状裂隙水、孔洞裂隙水和构造裂隙水［3］.

地下水污染源主要是工业污染、生活污染、交通运输车辆燃料燃烧所排废物及农业生产施用的农药、化肥等.目前，该市尚无大型污水处理系统，工业及生活废水排放量较大，部分以渗坑、渗窖形式排放，直接污染浅层地下水.沿江一带宽约1~1.5 km地区浅层地下水丰水期接受江水补给，而黑龙江是黑河市的主要纳污水体，被污染的江水补给浅层地下水，给浅层地下水造成污染.部分村屯卫生条件极差，遍布露天茅厕且饲养家畜，降水淋渗将污染物带入浅层地下水.近郊村屯以农业为主，农药、化肥、除草剂及各种粪肥大面积使用，灌溉回渗或降水淋渗污染浅层地下水.工业及生活废气直接污染大气层，随大气降水渗入地下，间接污染浅层地下水.受原生水文地质环境影响，黑河市浅层地下水中铁、锰含量普遍较高，超过饮用水卫生标准.

针对该区地质环境背景及地下水污染现状，本文采用国际通用的地下水脆弱性评价模型开展评价.

2 地下水脆弱性评价

地下水脆弱性由法国Margat首次提出，目前比较公认的是美国环保署和国际水文地质学家协会的定义：“地下水脆弱性是地下水系统对人类和（或）自然的敏感性”［4-5］.

国内外现有的评价方法主要有迭置指数法、过程数学模拟法、统计方法和模糊数学方法，其中DRASTIC方法［6］作为一种标准化的方法被普遍采用.

2.1 评价因子体系

地下水脆弱性评价指标体系包括自然因素指标和人为因素指标.自然因素指标主要包括含水层的地形、地貌、地质、水文地质条件以及与污染物运移有关的自然因子等.人为因素指标主要指可能引起地下水环境污染的各种行为因子.由于影响因子较多且复杂，应根据研究的目的、范围、研究区的自然地理背景、地质及水文地质条件以及污染和人类活动等方面来选取评价指标，同时兼顾指标体系的可操作性和系统性［7］.

本文选取地下水水位埋深（D）、地下水净补给量（R）、含水层介质（A）、土壤介质（S）、地形坡度（T）、包气带介质（I）和水力传导系数（C）等7个参数构成DRASTIC法脆弱性评价的评价因子体系.

因每个指标的性质和单位不同，在进行评价时需对其统一量化.DRASTIC评价方法采用评分值对各指标进行量化，其范围在l~10.指标值是通过指标对地下水脆弱性的影响程度得到的.一般来说，影响最小的被赋予1，影响最大的被赋予10.具体评分标准如表1所示.

2.2 评价因子权重

DRASTIC评价模型中，每个评价因子被赋予一个相对权重值，其范围为1~5，以体现各个因子对地下水脆弱性贡献的相对大小.其中，对地下水脆弱性最具影响的因子权重为5，影响程度最小的因子权重为1，本次评价采用专家打分的方法确定各因子权重（见表2）.

2.3 DRASTIC脆弱性指数

应用DRASTIC模型进行地下水脆弱性评价时，首先先选定适用的地区划分成评价单元，然后确定各单元各评价因子的评分和权重，最后采用下面的计算公式计算各单元的脆弱性指数.

式中：W表示各因子的权重；r表示各因子的评分值.

具体计算过程：利用MapGIS将上述7项因子矢量化，即完成单因子评价，提取各单元对应的因子属性值，然后将属性值和权值带入上述公式，计算脆弱性指数.

表1 定量评价因子等级分值Table1 Grade valuesofquantitativeevaluation factors

表2 DRASTIC评价因子的权重体系Table2 W eightsystem ofDRASTIC evaluation indexes

计算获得的DRASTIC脆弱性指数越大，表明相应区域的相对地下水脆弱性就越高，则该区域的地下水就易于被污染．为计算方便，最大值226折算为100，最小值23折算约为10．地下水系统综合指数划分成5个级别，见表3．

表3 地下水脆弱性评价程度划分Table3 Grading ofgroundwater vulnerability assessment

根据黑河市水文地质特征，结合地下水水质、包气带岩性及厚度等资料，采用表1所列各因子指标值和表2各项的权值，利用DRASTIC模型对地下水进行脆弱性评价，结果见表4．

由计算结果可知，黑河市地下水脆弱性为Ⅲ～Ⅳ级，即容易受到污染、极易受到污染，说明地下水受污染的可能性较大，对地下水质的保护须给予足够的重视．地下水脆弱性较高区分布于黑龙江漫滩区及其支沟的沟谷中，这些地区地表岩性为粉土和砂、砂砾石，透水透气性能好，水循环交替强烈，且地下水埋藏浅，受污染的可能性较大．黑河大部分地区地下水固有脆弱性中等，当这些地区受到长期持续的污染时，地下水质量将明显下降，导致水质不断恶化，将会造成严重的社会影响和经济损失．

3 地下水资源保护区划及防治措施

3．1 地下水资源保护区划

依据地下水脆弱性评价结果，结合该区地下水质量状况及污染现状、污染源分布状况、土地利用现状，同时考虑城市总体规划与发展需要，将脆弱性评价图与该市水源地分布及污染源调查成果图叠加，制订出该市的地下水保护防治区划图，见图1．

表4 地下水系统脆弱性评价表Table4 Vulnerability evaluation ofgroundwater system

图1 黑河市地下水保护防治区划图Fig．1 Groundwaterprotection division in Heihe City1—地下水水源地保护区（groundwater protection area forwater supply source）；2—修复治理防护区（remediation and protection area）；3—重点防护区（key protection area）；4— 一般防护区（common protection area）；5—自然防护区（nature reserves）；6—黑河市边界（boundaryofHeihe City）

根据叠加结果将工作区划分为地下水水源地保护区、修复治理防护区、重点防护区、一般防护区和自然防护区等5个区．

1）地下水水源地保护区：针对黑河市南郊163水源地而设立，水源地处于地下水固有脆弱性中等区，水质轻微不合格，主要原因是大量加入消毒氯而使pH值降低，地下水呈微酸性，地下水污染虽不重，但由于163水源是市政供水的主要水源，因此作为一级保护区．

2）修复治理防护区（一级防护区）：主要分布于城市中心区和城郊东南一带，是污染源分布较为集中，地下水质量严重不合格的区域．主要分布于城建区和河南屯至小黑河村一带．

3）重点防护区（二级防护区）：主要分布于一级防护区的外围，地下水脆弱性较高，地下水质量中等不合格，污染源分布较多的区域．

4）一般防护区（准保护区）：分布在城南部的大分部地区，这些地区地下水脆弱性中等，局部地段较高，污染源分布较少，地下水水质轻微不合格，污染轻微，地下水主要用于农业灌溉和村屯生活用水，供水量小且分散.

5）自然防护区（准保护区）：高地营子、上二宫村及建城区以西的二级阶地区，地下水固有脆弱性中等，地下水末受污染，水质合格，污染源分布零星，定为自然防护区（准保护区）.

3.2 地下水资源保护措施

根据黑河市地下水资源污染现状评价的结果，制定出以下对策和防治措施.

1）对于地下水水源地保护区，实行水源地卫生防护制度，并取消一切可能妨碍取水构筑物运行的活动.在此区内要消除一切造成含水层污染的可能性.

2）对于修复治理区和重点防护区，首先查明污染源、污染物及污染途径，并采取措施控制污染的进一步扩散，然后对污染区进行逐步治理.由于污染区主要在城市中心区，造成地下水污染的污染源有已废弃的简单填埋垃圾场、市政排放的生活工业污水、分布于居民区内的生活污水渗窖、无防渗厕所及地表污水体和农业生产的农药、化肥施用等，因此应尽快建成污水处理厂，生活、工业污水经处理达标后再向周围环境排放.应尽快建立典型生活垃圾处理场地附近的地下水监测预报预警系统，进行地下水污染预防控制.

3）一般保护区位于农业区，禁止利用污水灌溉农田，同时限制农药化肥的使用量，将农村散置的固体废弃物进行收集和集中处理.

4）自然防护区内禁止一切污染企业进入，禁止一切污染可能性的出现，大量植树造林，加强对地下水的监测.

4 结论

在对黑河市进行环境地质问题调查的基础上，应用DRASTIC模型进行了地下水脆弱性评价与水资源保护区划研究.

1）建立了黑河市地下水脆弱性评价的指标体系，利用MapGIS软件完成了各因子的矢量化，采用专家打分法对各因子赋权，应用DRASTIC模型计算了各评价单元的地下水脆弱性指数.地下水固有脆弱性较高的区域主要分布于黑龙江漫滩区的狭长地带，以及二公河和其他支沟的沟谷中，其他地区地下水固有脆弱性为中等.

2）应用MapGIS软件分析系统分别做出单个评价因子评分图，然后按各个因子的相对权重值进行图层叠加得到地下水保护防治区划图.一级保护区包括地下水水源地保护区.163水源地和城市中心地带及其南部修复治理区，水源地及城市中心周围地带为二级保护区；黑河市西部和南部及二公河一带划分为准保护区.

3）根据分区结果制定地下水资源保护的对策和防护措施，对水源地，要禁止一切污染或可能污染的活动，合理开采利用地下水，防止出现地下水降落漏斗等；对污染区查明污染源及污染途径，防治污染的进一步扩散，必要时可以在污染区建立暗坝，出现污染立即整治；应尽快建立污水处理厂和垃圾处理场；对未受污染的地区，应加强对地下水资源的监测，防止一切污染源进入，并且加强该区的绿化工作.

利用地下水脆弱性评价结果，可以发现研究区可能存在的水环境污染程度及分布范围，为及时、有效地预防地下水污染提供科学依据.将脆弱性评价结果与水源地分布、水环境污染调查结果结合，制订水资源保护区划，可为水资源管理提供借鉴.

［1］郝华.我国城市地下水污染状况与对策研究［J］.水利发展研究,2004（3）:23—25,49.

［2］孟佳.地下水污染对环境的影响［J］.科教纵横,2010（8）:184.

［3］戴艳文，王丽娟.黑河市地下水水文地质概述［J］.黑河科技,2003（4）:115.

［4］张丽君.地下水脆弱性和风险性评价研究进展综述［J］.水文地质工程地质,2006（6）:113—119.

［5］姜桂华.地下水脆弱性研究进展［J］.世界地质,2002,21（l）:33—34.

［6］姜志群.地下水污染敏感性评价中DRASTIC法的应用［J］.河海大学学报：自然科学版,2001,29（2）:100—103.

［7］张丽君，刘树臣，贾跃明.国外环境地质研究和工作的主要态势［J］.水文地质工程地质,1999,26（6）:1—5.