通辽市平原区浅层地下水脆弱性评价

高 爽，唐 蕴，唐克旺

（1.中国水利水电科学研究院 水资源研究所，北京 100038；2.中国地质大学（北京）水资源与环境学院，北京 100083）

通辽市平原区浅层地下水脆弱性评价

高 爽1，2，唐 蕴1，唐克旺1

（1.中国水利水电科学研究院 水资源研究所，北京 100038；2.中国地质大学（北京）水资源与环境学院，北京 100083）

本文通过总结前人对地下水脆弱性概念的理解，以DRASTIC模型为基础，分别建立地下水防污性和水量脆弱性指标体系。以内蒙古通辽市平原区地下水为研究对象，选取地下水埋深、净补给量、含水层渗透系数、土壤介质类型、含水层厚度和土地利用类型6个指标表征地下水防污性能；选取开采强度、净补给与实际开采模数之差、含水层厚度和单位涌水量4个指标表征水量脆弱性。通过ArcGIS对各指标进行空间分析，并用SPSS数据分析软件确定各指标权重，进而对通辽市平原区地下水进行脆弱性评价。结果表明，研究区地下水脆弱性处于较高水平：地下水防污性能总体较差，中等及较差水平的面积分布占比较大，约占总面积的76.5%；地下水水量脆弱性主要介于中等和较高水平，占总面积的72.9%。

地下水防污性；水量脆弱性；评价指标；权重；通辽市

1 研究背景

地下水脆弱性概念是1968年由法国人Margat［1］首次提出的，他认为地下水脆弱性是指地下水环境对自然条件变化和人类活动影响的敏感程度。随后又有不同的学者和会议提出了地下水脆弱性概念，目前普遍被接受的是1993年由美国国家研究委员会［2］将地下水脆弱性分为两类的主张：地下水本质脆弱性和地下水特殊脆弱性，主张将含水层固有特性与人类活动和污染源影响分开，分别讨论对地下水环境的影响。在总结前人对地下水脆弱性的概念基础上，本文认为，地下水脆弱性是对外界施加的不利影响而保持其自身稳定性的能力，与污染物性质及强度无关，既包括水质防污性，也包括水量供给的稳定性。

国内地下水脆弱性的研究起步较晚，但发展迅速［3-5］，一些学者对地下水脆弱性概念和方法进行了重新整理［6-9］，对地下水脆弱性概念的理解逐渐从单纯注重水质扩展到水质水量并重，方法上根据服务对象的不同倾向于分别建立评价指标体系，地下水脆弱性评价工作逐渐细化。现有的地下水脆弱性评价方法有叠置指数法、过程数学模拟法及统计方法等，其中叠置指数法中的DRASTIC方法最为典型，应用也最为广泛［10-18］，即通过分析影响地下水脆弱性的因素建立评价指标体系，划分等级赋分，各指标评分乘以权重再叠加得到脆弱性分值。由于地下水系统本身的不确定性，脆弱性影响因素错综复杂，数据获取难度不一，要建立一个包含所有影响因素的指标体系是不现实的。本文从水质和水量两个方面出发，在分析关键影响因素的基础上，分别提出了地下水防污性指标和水量脆弱性指标，同时对地下水敏感性进行分析，并将得到的结果进行对比，初步探讨了地下水防污性和水量脆弱性的相关关系，以定量方式对比二者的相关性。

2 研究区概况

研究区位于通辽市东部平原区，松辽平原西部边缘，属西辽河平原。西辽河、新开河、教来河、老哈河、乌力吉木仁河等自西、西北向东横贯通辽市中部的开鲁县、奈曼旗大部、科尔沁区、科左后旗、科左中旗、库伦旗北部、扎鲁特旗南部，形成平坦开阔的冲洪积平原及风积平原，面积约4.3万km2。如图1。

图1 研究区位置示意图

通辽市平原区南北高中间低，该区域属中温带半干旱季风气候区，平均气温4～6℃，多年平均降水量350～400mm，年均蒸发量1 800～2 000mm［19-21］。

研究区含水层分布与沉积厚度严格受构造控制，垂向上新近系顶部的泥岩与第四系底部的黏土连续分布，构成了区域隔水层，将该区的地下水分为第四系松散岩类孔隙潜水和碎屑岩类裂隙孔隙承压水，其中松散岩类孔隙含水层是研究区内的主要含水层。研究区含水层具有明显的分带性，在垂向上从四周到平原中西部含水层由薄变厚，导水性由弱变强，结构由多层变单一。在水平向上除山前台地和东辽河河谷地区外，浅部含水层自西向东，颗粒由粗变细，导水性由强变弱，补给条件由好变差，单井出水量由大变小，地下径流由畅通变滞缓。

通辽市平原区是地下水开采的主要区域，地下水多年平均补给量32.5亿m3，占全市总补给量的88.2%。年均实际开采量为29.9亿m3，占通辽市总开采量的94%［20-21］。特别是科尔沁地区已多年超采，从20世纪70年代形成降落漏斗并不断发展，根据内蒙古自治区地下水超采区划分及评价成果［18］，科尔沁地区超采系数达0.79，超采面积几乎覆盖整个科尔沁区。平原区地下水矿化度一般小于1 g/L，部分介于1～2 g/L；根据收集的采样点水质数据［18］，存在部分超标组分，主要为铁、锰、氨氮和亚硝酸，其中铁的高含量属背景值超标，与含水层中富铁矿物有关，亚硝酸、氨氮等组分过高与人为污染有关。

3 地下水脆弱性评价方法

3.1 评价指标选取地下水脆弱性的影响因素很多，根据影响因素的重要程度和获取难易构成评价指标体系。本文根据研究区的水文地质条件和开采现状，对DRASTIC模型改进，进行指标筛选。研究区为平原区，地势平坦，地形坡度对地下水脆弱性判别没有实际意义，故舍弃该因子。地下水埋深反映了污染物由地表经包气带到达地下水的距离，决定污染物到达含水层之前所经历的水文地球化学过程，影响地下水的防污性能。补给水是淋滤、传输污染物的主要载体，补给越多，地下水遭受污染的可能性越大；另一方面，在补给量少或开采量大的区域，净补给还决定了含水层对水量变化的敏感性。含水层渗透系数反映含水层介质的水力传输能力，在一定水力梯度下，渗透系数越大，污染物在含水层中的迁移速度越快，地下水脆弱性越高。土壤介质颗粒大小影响污染物进入含水层的难易，土壤中部分有机质还会吸附污染物。含水层厚度影响地下水的静储量和对开采的调节能力，一定量的污染物条件下，含水层厚度越大，稀释能力越强。含水层富水性反映水量的富裕程度，富水性越强，相同涌水量时引起的地下水位降深越小，水位波动越不明显，水量脆弱性越低。土地利用类型能反应人类活动对地下水水质的影响，耕地中施用的农药化肥会随灌溉水一起渗入含水层中，引起污染；人口密集的城市区生活污水大量排放也会造成地下水污染。

地下水开采情况主要反映了人类干扰情况下地下水的排泄状况。开采持续大于补给，地下水资源量逐渐枯竭，可能导致地质环境和生态环境问题，对含水层产生破坏作用，地下水水量脆弱性增大。净补给量是决定地下水系统对开采敏感性与否及水量自我恢复的关键，在排泄方式不变的条件下，净补给量越大，地下水水量脆弱性越低；实际开采量反应了人类活动对地下水水量的影响，本文用净补给与实际开采模数之差来表示研究区可用于调节的地下水量，差值越大，地下水水量可调节性越强，对地下水补给的敏感性越低。含水层富水性用单位涌水量表示，富水性越强，相同涌水量时引起的地下水位降深越小，水位波动越不明显，水量脆弱性越低。

通过以上分析，结合研究区的实际情况，分别建立地下水防污性和水量脆弱性指标体系。其中防污性选取地下水埋深、净补给量、渗透系数、土壤介质类型、含水层厚度和土地利用类型6个指标；水量脆弱性选取地下水开采强度、净补给与实际开采模数差值、含水层厚度和单位涌水量4个指标。下面分别介绍研究区各参数分布情况。

3.2 防污脆弱性指标

（1）地下水埋深。通辽市平原区地下水埋深分布差异性很大。根据收集到的通辽市平原区139眼地下水监测井数据，绘制地下水埋深等水位线，并进行空间插值，结果如图2。埋深大于7m的区域主要分布于各旗县城镇区，其中通辽市区埋深最大，已形成降落漏斗。这些区域水位主要受强烈开采影响，随着开采量的增加水位下降。地下水埋深4～7 m的区域分布于流经平原区的几大河流，如西辽河干流、西拉木伦河及老哈河、教来河、新开河的河谷平原区，因这些区域为主要的农灌区，农业种植需开采大量的地下水，造成埋深相对较大。

（2）含水层净补给量。研究区地下水补给项主要包括降雨入渗、地表水入渗、农田灌溉入渗及地下水径流。本文收集到的地下水净补给数据来源于内蒙古水资源调查评价成果，以地下水资源保护规划的地下水功能区为最小单元，计算地下水净补给模数，分区如图3。

（3）含水层渗透系数。通辽市平原区松散岩类孔隙含水层渗透系数分区如图4所示，由西侧大兴安岭山前向平原，颗粒逐渐变细，黏性土夹层增多，厚度增大，地下水径流条件变差，渗透系数变小。

（4）土壤类型。如图5所示，通辽市平原区土壤类型以草甸土和风沙土为主，兼有少量盐（碱）土。土壤介质颗粒大小、黏土矿物含量、有机质等对地下水脆弱性有很大影响，颗粒越小，黏土矿物含量越多，有机质含量越高，含水量越高，地下水越不容易受到污染。

（5）含水层厚度。如图6所示，通辽市平原区含水层厚度以开鲁县和科尔沁交界处为中心，最厚达196m，向四周逐渐变薄。

（6）土地利用类型。通辽市平原区人类活动可能对地下水防污性产生的不利影响主要包括农业化肥施用及较大规模的城镇生活污水排放，产生硝酸盐、氨氮类污染。本文将研究区划分为农业区、城镇区和其它地区，以区分地下水遭受污染的可能性。如图7所示，通辽市平原区耕地主要分布于研究区中东部西辽河、西拉木沦河、东辽河的河谷平原，西南部养畜牧河、教来河的河谷平原，这些地区因施用农业化肥，可能造成面源污染；大规模的城镇区由于人口密度大，生活污水排入地下会使含水层的污染风险加大，通辽市较大规模的城镇主要是通辽市区及各旗县政府所在地。

3.3 水量脆弱性指标

图2 地下水埋深分区

图3 地下水净补给模数分区

图4 渗透系数分布

图6 含水层厚度分布

图5 土壤类型分区

图7 土地利用分区

（1）地下水开采强度。通辽市平原区地下水是主要的供水水源，开采强度大。本文用开采系数来表示研究区地下水的开采强度，如图8所示，地下水开采系数大于0.9的区域占总面积的91%，其中科尔沁区几乎全部超采。

（2）净补给与实际开采模数之差。通辽市平原区地下水补给量大的地方实际开采量往往也较大，地下水水量敏感性取决于二者之差，差值越大，可用于调节的水量越充裕，本文根据内蒙古水资源调查评价成果，以地下水二级功能区为单元获得净补给和实际开采模数，二者相减，结果如图9所示。

图8 地下水开采系数分区

（3）含水层厚度。含水层厚度对地下水水量脆弱性的影响主要表现在影响地下水的静储量和对开采的调节能力，厚度越大，储水能力越强，开采引起的地下水水量变化越不明显，水量脆弱性越低。如图6。

（4）单位涌水量。本文收集到通辽市平原区139眼监测井，用单位涌水量进行空间插值，来表示研究区含水层富水性，如图10。

3.4 评价指标评分根据每个指标变化范围，参考前人在类似地区和研究区做过的相关研究［3-5］，将每个指标划分为若干区间范围，给予一定的评分构成评分体系。各因子赋分在1～10之间，分值越大，表示脆弱性越高，各指标赋分标准如表1和表2所示。

图9 地下水净补给与实际开采模数差分区

图10 单位涌水量分区

表1 地下水防污性指标评分

3.5 评价指标权重体系书评价因子的权重反映各参数对地下水脆弱性的影响大小，目前常用的权重确定方法有专家赋分法、层次分析法、相关分析法等。

基于A rcGIS软件的空间分析功能，对研究区进行网格剖分，取离散步长2 km×2 km，通辽市平原区共划分正方形网格10 778个，每个单元格对应一个评价单元，网格中心评价因子取值为评价单元的指标值。分别将各指标数据空间插值得到评价指标在研究区的栅格分布图，将剖分点图层与各栅格图相交，获取评价单元指标因子取值。最后根据剖分点编码匹配，导出剖分点的所有指标值，定量指标保持原有单位和数值，定性指标根据类型不同分别用整数值表征剖分点在该单元格内的取值。

（1）地下水防污性指标权重。本文采用主成分因子分析法确定地下水防污性指标权重，将得到的剖分点指标取值输入SPSS19统计软件，进行标准化处理及主成分因子分析，再根据中国地质科学研究院水文地质环境地质研究所与中国水利水电规划设计总院联合编制的《区域浅层地下水脆弱性评价技术指南》［22］，取权重之和为20，按求得的权系数百分比分别乘以20，得到地下水防污性各指标的权重，如表3。

表2 地下水水量脆弱性指标评分

表3 防污性指标权重

主成分因子分析法虽然能够消除人为影响，但需确保各指标表征方向与脆弱性高度一致。根据此方法得到的各指标权重相差较大，埋深对脆弱性的影响过大，渗透系数的影响过小，存在不合理，结合专家赋分法和前人在类似的区域做过的相关工作，适当调整指标权重。

表4 调整后防污性指标权重

（2）水量脆弱性指标权重。用相关分析法确定地下水水量脆弱性指标权重，在SPSS19软件中对各指标间相关性进行统计分析，得到各指标相关性系数表，以相关系数为基础对各指标赋权重，取权重之和为1，如表5和表6。

表5 水量指标相关性分析

表6 水量脆弱性指标权重

3.6 脆弱性等级划分。（1）地下水防污性指数及分级。防污性指数（DI1）计算公式如下：

式中：D为地下水埋深；T为含水层厚度；L为土地利用类型；S为土壤类型；R为净补给模数；K为含水层渗透系数。

研究区地下水防污性指数DI1得分36～149分。DI1值越高，防污性能越差，反之防污性能越好。将防污性能分为5级：Ⅰ级，DI1＜65，防污性能高；Ⅱ级，65≤DI1＜80，防污性能较高；Ⅲ级，80≤DI1＜95，防污性能中等；Ⅳ级，95≤DI1＜110，防污性能较弱；Ⅴ级，DI1≥110，防污性能弱。

（2）地下水水量脆弱性指数及分级。水量脆弱性指数（DI2）计算公式如下：

式中：M为净补给与实际开采模数之差；E为开采系数；T为含水层厚度；Y为单位涌水量。

研究区地下水水量脆弱性DI2得分2.3～8.6分。DI2值越高，水量脆弱性越高，反之水量脆弱性越低。将水量脆弱性分为5级：Ⅰ级，DI2＜4，水量脆弱性低；Ⅱ级，4≤DI2＜5，水量脆弱性较低；Ⅲ级，5≤DI2＜6，水量脆弱性中等；Ⅳ级，6≤DI2＜7，水量脆弱性较高；Ⅴ级，DI2≥7，水量脆弱性高。

4 评价结果及分析

在ArcGIS中将各单项指标评乘以权重，进行图层间的叠加分析，分别得到地下水防污性评分图和水量脆弱性评分图，见图11和图12。

图11 地下水防污性分区

图12 水量脆弱性分区

4.1 地下水防污性与水量脆弱性结果总体来看，地下水防污性由四周向中部逐渐变好：（1）防污性能弱及较弱地区（红色及橘黄色）主要位于研究区东南部库伦旗沿柳河水系一带、奈曼旗西部南部及扎鲁特旗在平原的全部，分布面积2.19万km2，占总面积的50.89%。这些区域为山区向平原的过度地带，水位埋深较浅，污染物易于进入含水层，含水层结构单一，岩性主要为中粗砂、中细砂，渗透性强，利于污染物的扩散。同时这些地区含水层厚度相对较薄，污染物的稀释能力较差，对外界污染的敏感性强；（2）防污性能强及较强地区（绿色及浅绿色）主要位于研究区的中部，包括开鲁县和科尔沁区大部，奈曼旗中部和北部与开鲁交界地区，科左后旗中北部，科左中旗架玛吐镇、团结乡周边，分布面积9 985.75 km2，占总面积的23.17%。这些区域地下水埋深较大，部分地区埋深达10m以上，地表土壤岩性多为粉砂、黏质壤土，有些区域含水层夹有黏性土层，天然防护能力较好。在开鲁县和科尔沁区交界处的平原沉积中心，含水层厚度达196m，对污染物的敏感性较低；（3）防污性能中等地区（黄色区域）主要位于研究区奈曼旗中部，科左中旗中部和科左后旗的大部，分布面积1.12万km2，占总面积的25.95%。含水层厚度界于70～120m，岩性以粉砂、细粉砂为主，埋深界于2～6m，渗透性能中等，对地下水的敏感程度一般。

总体来看，地下水水量脆弱性由东部平原向西部山前平原逐渐变好：（1）水量脆弱性高及较高地区（红色及橘黄色）主要位于研究区西北部及南部与山丘区过渡带、科左中旗中东部及科左后旗朝鲁吐镇与伊胡塔镇之间，分布面积1.62万km2，占总面积的37.53%。补给方面，上游地表水不合理的利用与截夺减少了下游的水量，一定时间段内地下水补给由线状转为点状，补给相对较少。同时这些区域含水层厚度相对较薄，含部分黏性土夹层分布，单井涌水量普遍较低，开采系数多大于0.9，地下水的供水能力差，水量可调节性低，水量脆弱性相对较高；（2）水量脆弱性低及较低地区（绿色及浅绿色）主要位于奈曼旗中部和北部、开鲁县东南部及科尔沁西部，分布面积1.1万km2，占总面积的25.46%。这些区域地表水被大量利用转为地下水，使得地下水位抬升，地下水补给充裕。含水层厚度较大，结构由较为单一的中细砂组成，其间少有或无黏性土夹层，富水性很强，水量脆弱性低；（3）水量脆弱性中等地区（黄颜色）主要位于研究区中部、科左中旗中西部、开鲁西北及扎鲁特旗南部地区，分布面积1.59万km2，占总面积的37.01%。这些区域由地表转为地下，水量在上游与下游之间，含水层厚度界于中等，含水层由单一向多层转变，富水性一般，部分地区地下水超采。

4.2 地下水防污性能与水量脆弱性对比分析根据评价结果，10 778个剖分点中，数据有效点10 582个，提取每个剖分点的防污性和水量脆弱性数据，并统计各等级剖分点个数，列于表7。

表7 各脆弱性等级剖分点分布

据表7和图13可知，地下水水量脆弱性主要介于中等和较高水平，占总分布区域的72.9%，高和低脆弱性分布面积都很小；防污性能方面总体较差，中等及较差水平的分布面积广，占总区域的76.5%。综合来看，水量脆弱性较高且防污性能弱的剖分点数量最多，主要分布在北部大兴安岭山前向平原过渡带、南部黄土丘陵区（包括扎鲁特旗大部、奈曼和库伦旗的南部）；其次为水量脆弱性较高且防污性能较弱的点，主要分布在科左中旗中东部和科左后旗东部；再次为防污性和水量脆弱性均中等的点，主要分布于科左后旗中部和西北、科左中旗中东部和开鲁县中北部；水量脆弱性较高且防污性能中等的区域主要位于科左后旗中部广袤的沙地地区（沿朝鲁吐镇-伊胡塔镇-阿古拉镇-海鲁吐镇-旗政府所在地一带）和科左中旗腰林毛都镇及周边。

4.3 地下水防污性能评价结果验证本次研究收集了通辽市平原区地下水水质样本来验证地下水防污性评价结果。由于研究区面积较大，数据收集存在一定困难，共收集到19个水质样本，其中水质超标点13处，包括氟化物超标11处，铁锰超标共10处。研究区含水层介质中富含铁锰，铁锰属背景值超标。主要统计除铁锰之外的水质超标情况。

提取超标样本的防污性指数值，大于100的样本有4个，取值70～90之间的样本个数有5个，小于70的样本只占2个，总体来说超标点的防污性指数值较大，取样地区的污染概率大，样本与评价结果一致性较强。

提取未超标样本的防污性指数值，小于70的样本有3个，介于70～90之间的样本个数有1个，大于90的样本有4个，总体来说未超标样本防污性指数相比超标点低，但一致性较差，可能是因为样本

图13 地下水防污性与水量脆弱性对比

基数太少而不能较好体现出规律性。

5 结论

本文根据对地下水脆弱性概念的理解，分别建立地下水防污性和水量脆弱性指标体系，防污性指标选取地下水埋深、净补给量、渗透系数、土壤介质类型、含水层厚度及土地利用类型6个指标；水量脆弱性指标选取地下水开采强度、净补给与实际开采模数差值、含水层厚度及单位涌水量4个指标。应用GIS的空间分析技术，对通辽市平原区地下水脆弱性进行了评价。结果表明，研究区地下水脆弱性处于较高水平：地下水防污性能总体较差，中等及较差水平的面积分布占比较大，约占总区域的76.5%；地下水水量脆弱性主要界于中等和较高水平，占总面积的72.9%。整体来看，研究区地下水防污性和水量脆弱性分布具有连续渐变的特点，没有明显的块状分布，说明评价结果较为合理。该评价结果可为研究区地下水合理开发利用和保护提供借鉴参考，建议相关部门对地下水脆弱性高的区域加强水质和水量监测与保护。

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Groundw ater vulnerability assessmentin Tongliao Plain,Inner Mongolia

GAO Shuang1，2，TANG Yun1，TANG Kewang1
（1.China InstituteofWater Resourcesand Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.China University of Geosciences（Beijing），Beijing 100083，China）

Based on DRASTIC model and summarization of concepts of groundwater vulnerability，two evalu⁃ation-index systems of groundwater pollution vulnerability and quantity vulnerability，are established in this paper respectively.Taking groundwater in Tongliao Plain of Inner-Mongolia as the study object，this re⁃search has selected 6 indices of depth of water table，net recharge，aquifer permeability coefficient，soil media，aquifer thickness and land-use type to represent ground water pollution vulnerability.In the mean time,4 indices of exploitable intensity，difference of net discharge module and actual exploitable module, aquifer thickness and specific yield，are selected to represent groundwater quantity vulnerability.The ground⁃water vulnerability evaluation for the Tongliao Plain is conducted based on the ArcGIS spatial analysis and the estimation of index weight by the SPSS software.The result indicates that the groundwater pollution vul⁃nerability is generally poor，with areas of class Ⅲ and class Ⅳ accounting for 76.5% of the total area. The groundwater quantity vulnerability is in a moderate-high level，with the areas of classⅢ and classⅣaccounting for 72.9%of the total area.

pollution vulnerability；quantity vulnerability；evaluation index；weight；Tongliao Plain

P641.8

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.04.004

11672-3031（2015）04-0261-10

（责任编辑：王学凤）

2015-01-27

科技基础性工作专项（2012FY130400）

高爽（1988-），女，河北保定人，硕士生，主要从事地下水环境研究。E-mail：1071581679@qq.com

唐蕴（1968-），女，安徽铜陵人，教授级高级工程师，博士，主要从事水资源开发利用中的生态环境问题研究。E-mail：tangyun@iwhr.com