地下水脆弱性评价：概念、方法与应用

唐克旺，唐 蕴，徐鹏云

（1.中国水利水电科学研究院水资源所，100038，北京；2.吉林省水文水资源局延边分局，133000，延吉）

地下水脆弱性的概念自20世纪60年代末提出后，一直是国际上研究的热点。1987年召开的“土壤与地下水脆弱性”国际会议，对地下水脆弱性的概念、评价方法及应用等进行广泛的交流。目前，地下水脆弱性的概念基本采纳了美国国家环境保护局（USEPA）和国际水文地质学家协会（IAH）的概念，即“地下水脆弱性是地下水系统对人类和（或）自然的敏感性”。

评价方法上，目前主要包括指数法和层次分析法、统计法、基于过程的模拟法等。简单适用的方法是指数法，如USEPA提出的DRASTIC评价方法应用最广。其他评价方法，如GOD法、AHP法、AVI法等应用得相对较少。美国地质调查局和欧盟一些国家基本采DRASTIC方法评价其地下水的脆弱性。

国内对地下水脆弱性研究起步较晚，但进展很快，积累了很多研究成果，对地下水脆弱性的概念、评价方法以及实例应用进行了广泛的研究。实际应用方面，我国学者采用国际上的方法或经适度改进，在辽河平原、华北平原、松嫩平原以及太原、塔里木、山东、天津、重庆、湛江、石家庄和西南岩溶区等地进行了实际的应用，其中大多数论文依托国土资源部有关项目的成果，结合GIS等先进技术，在地下水脆弱性方面做出了有益的尝试，DRASTIC方法作为推荐方法得到项目承担单位的广泛应用。

一、概念与方法

地下水作为水资源的特殊组成部分，其脆弱性的评价对保护以及合理开发利用地下水资源具有很现实的意义。但是，目前从脆弱性概念、评价方法、实际推广应用等方面，研究成果与地下水保护的实际应用需要还有一定的差距，需要进一步加强研究和探索。

1.概念的界定

不同的地下水系统对外界影响的反应是不同的，有的系统自我修复能力强，受影响后能快速恢复，而有的系统一旦破坏则不可逆，难以修复。因此，地下水脆弱性评价应从概念上提高和拓展其适用性。目前，大多数脆弱性评价主要针对地下水系统对外来污染物的敏感性或易污性，且具体针对面源污染问题，范围较狭隘，对地下水过度开采的响应以及自我修复能力缺乏研究。

从概念上，USEPA和IAH的概念，即“地下水脆弱性是地下水系统对人类和（或）自然的敏感性”较适合于中国。同时，应适度拓展，即地下水脆弱性应是“地下水系统对外界（包括人类活动和自然过程）变化的敏感性和自我修复能力”。这个定义包括三方面含义：一是水质和水量兼顾，不仅评价地下水对人类污染行为的敏感性，也要评价地下水对开发利用的敏感性；二是自然和人类活动兼顾，目前的脆弱性重点针对人类活动的影响，有关地震、持续干旱等自然过程对地下水系统的影响考虑较少；三是反应的敏感性和自我修复能力的兼顾，尤其是地下水开采方面，岩溶地下水系统超采后恢复起来也较容易（岩溶塌陷等地质灾害除外），而深层承压水一旦超采并引发沉降后再难恢复。

2.评价方法

评价地下水系统的脆弱性，首先应明确评价的内容，并选择适宜的指标体系和方法进行评价。按照前面的定义，地下水脆弱性包括水质和水量方面的脆弱性。这两方面的评价应分别进行，因为不仅服务对象是不同的（水质的脆弱性服务于地下水水质保护，评价的是地下水的防污能力；水量脆弱性服务于地下水开采管理，评价的是地下水的调蓄及可更新能力），而且指标和方法也有差异。例如，深层承压水对水质的敏感性低，但对开采的敏感性却很高；包气带岩土颗粒越小，对水质的敏感性越低，但水量超采后敏感性越高。因此，水质和水量应分别制定指标体系评价。

（1）污染方面的脆弱性评价指标体系

世界较通用的是DRASTIC方法，1985年由USEPA提出，选择的7个因子分别为含水层埋深（D）、含水层净补给量（R）、含水层介质类型（A）、土壤介质类型（S）、地形坡度（T）、包气带岩性（I）和含水层渗透系数（C）。上述7个因子构成了DRASTIC方法的评价因子体系。根据每个因子的变化范围或其内在属性进行评分（1～10分），再根据每个因子对地下水脆弱性影响的重要程度给予权值（1为影响最弱，5为影响最强），各因子评分加权即是DRASTIC指数，如表 1。

尽管DRASTIC评价方法应用广泛，但本身也存在一定的问题。例如，指标之间的重叠问题，具体评价因子评分值的适应性问题等。

表1 DRASTIC指标体系表

表2 修正的DRSTIP指标体系表

DRASTIC中的7个指标中，含水层的净补给量与降水及地表水（包括灌溉水）入渗有关，但也受含水层埋深、土壤类型、地形、包气带岩性的影响。含水层介质类型与渗透系数也有直接关系，例如，岩溶介质类含水层、砂砾石型松散含水层的渗透系数大。因此，该指标体系中指标之间的重复是一个问题。为了克服指标重复的缺点，建议修正DRASTIC方法为DRSTIP法，指标调整如下：

地下水的补给水深包括单元内的降水深、灌溉水量或地表水补给深度，单位为mm。渗透系数在数值上等于渗流速度即渗流在过水断面上的平均流速，单位为m/d。

地下水水质脆弱性是用来评价地表污染物进入含水层的难易程度的，因此主要应考虑上述6项指标。修正了3个指标：一是含水层净补给量变为地下水的补给水深（mm），包括单元内的降水深、灌溉水量或地表水补给深度（一般发生在洪水期）。该值与降雨入渗系数、灌溉水入渗系数可计算得到含水层的净补给量；二是去掉介质类型指标；三是含水层的水力传导系数改为渗透系数，不考虑含水层厚度对污染程度的影响，仅考虑地下水渗透系数所决定的可更新性及可恢复能力。

各评价因子的权重基本反映了其在防止地下水污染中所起的作用。例如，含水层埋深及包气带岩性是影响地下水易污性的最重要指标，权重最大。不同地区水文地质条件不同，因子权重应该有一定的地区差异，以反映地区特点。比如，土壤作为地下水系统的最外层保护层，其介质类型重要性不言而喻，需要对这方面进一步研究，以科学确定因子权重。

（2）水量方面的脆弱性评价指标体系

总体上说，地下水系统是水资源循环系统的重要组成部分，其补给量、可开采量、静储量、单井或单位时间的出水量、生态系统效应、环境地质效应等因素都影响到地下水的合理开发利用。为了评价地下水系统对人类开采的敏感性，本文提出了地下水系统水量脆弱性评价的初步指标体系，见表3。该体系主要适用于浅层地下水评价。

地下水补给量指含水层或含水系统从外界获得的水量，单位为mm/a。含水层介质类型包括孔隙度或裂隙率等因素，无量纲。含水层厚度对承压含水层来说指隔水顶板到隔水底板之间的垂直距离，对潜水含水层来说指潜水面到隔水底板之间的垂直距离，单位都是m。

表3 地下水系统水量脆弱性评价指标体系(RAT)

表4 地下水水量脆弱性评价因子赋分参考值

地下水补给量是决定地下水系统对开采敏感与否以及水量自我恢复的关键。补给量小的地区，地下水水位随开采持续下降最终导致含水层枯竭。除补给量外，含水层介质类型（无量纲）决定了单位体积含水层的储水空间，包括孔隙度或裂隙率等因素，介质类型决定了含水层的渗透性，是评价地下水更新能力的重要因素。含水层厚度和介质类型一样，影响地下水的净储量和对开采的调节能力。

表4列出初步拟定的四类水量脆弱性评价因子的指标值 （或属性）及其对应的评价分值，再按照表3的权重，计算得出分区地下水水量脆弱性指标（RI）。

式中：RI为地下水水量脆弱性指数（无量纲）；R为地下水补给量分值；A为含水介质类型分值；T为含水层厚度分值。

根据RI的数值区间，进行水量的脆弱性分类，对于一个地区的若干评价单元，可进行脆弱性指数的归一化处理 （0～1）， 再划分为高脆弱区（0.8～1）、较高脆弱区（0.6～0.8）、中脆弱区（0.3～0.6）、低脆弱区（0～0.3）。

对于深层承压水来说，由于其补排条件较复杂，补给量受开采影响明显，更新极其缓慢，而开采易引发环境地质灾害等问题。因此，深层承压水一般不宜作为日常大规模供水水源，可做临时应急供水水源。深层承压水的水量脆弱性一般可按高等级划分。

（3）脆弱性评价指标体系讨论

从水质保护和水量开发两方面的脆弱性比较可以看出，地下水水质和水量的脆弱性是地下水系统完全不同的两类属性，例如我国华北平原太行山前带包气带及含水层渗透性好、补给量大，水质脆弱性相对较高，地表污染源很容易入渗进入地下水，但这个地区水量脆弱性较低，单井开采量大、补给条件好、适于集中开采，又很少有地面沉降等环境地质问题。因此，水质和水量脆弱性的结合评价，有助于加强地下水保护和利用的统一管理。水量脆弱性较低的适宜开采区一般也是水质脆弱性高、最需要严格保护的地区，如集中供水水源地等。对于水量脆弱性较高的地区或含水层（如深层承压水），只适合分散式小型开采或临时性应急开采，水质的脆弱性可能较低，但也要考虑农村生活用水的安全性。

二、地下水脆弱性的应用

地下水脆弱性评价对于地下水的利用与保护具有一定的支持作用。主要应用领域包括地下水水质防护区划、地下水开采许可管理、地下水水源保护、地下水污染源治理以及超采治理方案等。

1.地下水水质保护区划

地下水水质保护应根据地下水的脆弱性进行分区甄别对待，有严格保护区、重点保护区、一般保护区等。

严格保护区对应地下水高脆弱区，属于地下水水质保护的红区，禁止任何污染的进入。应严禁施用农药、化肥，禁止建设加油站、输油管线、污水排放点和城市及医疗固体垃圾场，现有垃圾等污染源应尽快治理和搬迁。

重点保护区对应中脆弱区，应禁止继续建设新的可产生污染的项目。现有的农药、化肥施用以及排污企业和垃圾场等，应逐一进行调查，评价其对地下水的影响，采取必要的措施进行治理。

一般保护区不仅要注意污染控制，还要考虑地下水系统防护结构的完整性。

2.地下水开采许可管理

地下水开采的管理主要是开采许可量。一个地区或地下水系统的地下水可开采量包括日常可持续的开采量，也包括临时应急抗旱或事故污染时可启用的备用开采量。地下水日常可持续开采量应控制在地下水的可开采量范围内，与地下水系统的补给量有紧密关系；而备用水源的临时短期可开采量主要依据开采井的单井出水量和避免出现环境地质问题及生态问题的水位限制。因此，地下水水量脆弱性低的地区，宜作为集中开发区或备用水源区进行管理；而水量脆弱性高的地区则不宜大规模开采，仅适宜少量生活用水、工艺用水或临时应急开采。

由于地下水水量的脆弱性不仅与地下水循环特征有关，也要兼顾对生态系统、地质灾害的影响，因此，应设定分区水位标准，防止出现不可逆的生态和地质环境问题。

对于地下水系统人为开采的脆弱性（水量脆弱性），也可以利用一个区域的可开采量或可开采模数进行分级分类评价。但目前的可开采量评价方法大多按照补给量进行折算，未考虑含水层单井出水量、含水层调蓄能力等因素。因此，通过补给量、含水介质类型、含水层厚度等进行地下水对开采的脆弱性综合评价是必要的。

三、结论与建议

我国应积极推进地下水脆弱性的评价工作。首先，结合我国国情和水情，提出简单适用和相对成熟的地下水脆弱性评价标准和规范，指导地下水脆弱性的评价工作。同时，选择典型地下水系统，进行地下水脆弱性评价和分区试点。结合最严格水资源管理制度的实施和地下水脆弱性管理方法，研究提出我国地下水水质分区分类保护的新思路和新战略，弥补我国地下水水质安全保护方面的薄弱性。

[1]刘淑芬.区域地下水防污性能评价方法及其在河北平原的应用[J].河北地质学报，1996（1）.

[2]杨桂芳，姚长宏.我国西南岩溶区地下水敏感性评价模型研究[J].自然杂志，2003（2）.

[3]李志萍，许可.地下水脆弱性评价方法研究进展[J].人民黄河，2008，19（3）.

[4]张昕，蒋晓东，张龙.地下水脆弱性评价方法与研究进展[J].地质与资源，2010，19（3）.