黄河上游某灌区地下水防污性能评价及预测

郭 康，冯加远

(西北大学大陆动力学国家重点实验室，陕西西安710069)

随着社会经济的发展，水资源短缺和水污染的问题越来越突出，一些干旱半干旱地区，更是成为阻碍和制约当地经济发展和人民生活的重要因素，水资源的问题越来越收到人们的重视。而地下水防污性能的研究也成了国内外的一个热点［1］。对于黄河上游的青藏高原地区，生态系统单一脆弱，干旱少雨，环境敏感，地下水在生态系统中往往起到支撑的作用，而随着人类活动的增加，这些生态敏感区域的地下水环境往往受到较大的影响。所以，有必要对这些地区的地下水防污性能进行评价，为人们科学合理的开发自然提供参考的依据。故本次防污性能评价选取位于黄河上游青藏高原上的某灌区，将区域地下水固有防污性能和人类活动的影响结合起来，把灌区潜水和承压水分开来进行地下水综合防污性能评价［2］，并通过GIS与数值模拟软件MODELFLOW相结合的方法对灌区扩建30年后地下水的综合防污性能进行预测。

1 区域概况

灌区地处青藏高原黄河上游，总面积约300 km2，气候类型属于高原大陆性气候，年平均降水量为231.5 mm，蒸发量为1 566.7 mm，年平均气温7.26℃。区内河流属于黄河水系，河流的补给源主要为山区降水和泉水。灌区内的地貌主要为河谷和低山丘陵区，河谷区地势平坦开阔，是人们进行工农业生产和生活的主要地区。区内地势南高北低，出露地层主要为中生界三叠系、新生界新近系及第四系。灌区内地下水主要的补给源为河流入渗、大气降水、灌溉水与渠水入渗以及上游区地下水侧向径流补给，并顺应地势自南往北径流，最终汇入黄河。承压水区主要分布在黄河的阶地上，隔水层主要为粘性土，平缓连续，厚度较均一。地下水主要排泄途径为潜水蒸发、人工开采和地下水溢出。

随着当地经济的发展，现有灌溉规模已经满足不了当地的农业生产的需求，故当地准备扩大灌区以满足生产需求。

2 地下水综合防污性能评价

地下水防污性能评价是在水文地质调查、包气带调查等调查资料的基础上进行的，以固有防污性能评价为主，根据地区特点和评价尺度建立相应的指标体系，突出主要因素［3］。国内外很多学者对此进行过实践研究［4］，目前世界上现有的地下水防污性能评价模型有很多，如德国学者Vierhuff在20世纪70年代提出的 Vierhuff法［5］、美国环保局1985年提出的 DRASTIC 模型［6］、模糊数学法［7］等，但使用最广泛的是 DRASTIC模型［8，9］。该模型主要考虑了地下水埋深(D)，净补给量(R)，含水层介质(A)，土壤介质(S)，地形(T)，包气带性质(I)，含水层渗透系数(C)以上7个因子，首先将各因子进行分级并赋予评分值，然后根据各因子对地下水防污性能影响的大小赋予权重，最后将各因子的评分值通过加权叠加的方法得到量纲为1的防污性能DRASTIC指数DI，再根据DI值的大小对研究区进行防污性能评价［10］。

2.1 评价体系的构建

虽然DRASTIC模型应用广泛，但是结合灌区的区域地质和水文地质的实际情况，其仍有不足之处［3］。第一，DRASTIC模型将承压水和潜水用同一个模型来评价，而潜水和承压水是不同性质的含水层，补径排条件也不尽相同，在灌区范围内承压水区域也只是局限于黄河级阶地上，并不覆盖全区，所以应该将承压水和潜水分开来评价;第二，灌区位于黄河上游的青藏高原地区，生态环境敏感特殊，不应用同一种因子来评价所有地区含水层，应因灌区情况选取评价因子［11］。

针对以上的不足，本次防污性能评价在继承DRASTIC模型基本思想的基础上，对灌区的潜水和承压水分开进行评价，并在坚持客观性，系统性的思想下，开创性的建立潜水的DASLTCU评价模型和承压水的DLCA评价模型(见图1)。

图1 地下水综合防污性能评价体系

2.1.1 潜水评价因子

潜水综合防污性能评价将潜水的固有防污性能和人类活动影响综合起来，选取潜水埋深(D)、含水层厚度(A)、地表土层厚度(S)、地表岩性(L)、地形坡度(T)、含水层渗透系数(C)还有灌区土地利用(U)这7个影响因子。

1)潜水埋深。潜水埋深是指地表至潜水位的深度，它是影响潜水综合防污性能的一个很重要的因素。潜水的埋深决定了污染物到达潜水含水层的运移距离，一般潜水埋深越大，污染物的运移距离越长，污染物也就有更多衰减的机会。根据灌区潜水的实际埋深值，利用Kriging插值法对调查水位值进行插值，并将潜水埋深分为4个等级:＜5 m，5～10 m，10～20 m，＞20 m。

2)含水层厚度。选取含水层厚度主要考虑其对污染物的稀释能力，一般来说含水层厚度越大，对污染物的稀释能力越强，反之越弱。根据调查资料，将灌区的含水层厚度分为6各等级:＜10 m，10～20 m，20～30 m，30～40 m ，40～50 m，＞50 m。

3)地表土层厚度。地表土层是包气带的一部分，也是防止污染物进入到包气带的第一道屏障，由于灌区的地表多为第四纪冲洪积物，包气带的地层结构也往往是上部为覆盖土层，下部为砂卵砾石层 ，地表土层越厚，污染物往下运移约困难，所以选取该地表土层厚度作为评价因子。根据灌区的调查资料，将地表的土层厚度分为3各等级:＜1 m，1～5 m，＞5 m。

4)地表岩性。地表岩性是包气带岩性的一部分，也是影响污染物向下运移的重要因素，地表有粘性土就能很好的阻隔污染物的向下运移，而如果地表是砂性土和砾石土，阻隔功能就弱很多。由于地表的岩性显而易见，容易准确的获取资料，而包气带内的岩性情况比较复杂，选取整个包气带的岩性作为评价因子会有很大的不确定因素，所以本次选取地表岩性作为潜水防污性能的一个评价因子更为合理。本次将灌区的地表岩性分为以下四类:粘性土、砂性土、含砾砂土、基岩。

5)地形坡度。地形坡度是控制污染物随降水产生地表径流还是往下入渗的一个重要因子，该灌区的主要污染源是农业污染，在坡度较小的地区，杀虫剂化肥等农业污染物更容易积累而渗入地下。本次将地形坡度分为5各等级:＜2°，2°～6°，6°～12°，12°～18°，＞18°。

6)含水层渗透系数。含水层的渗透系数主要控制污染物在含水层中迁移的难易程度，根据灌区的抽水试验获取的渗透系数资料，将灌区的含水层渗透系数分为5个等级:＜6 m/d，6 ～12 m/d，12 ～18 m/d，18 ～24 m/d，24 ～36 m/d。

7)灌区现状图。灌区的主要污染源是农业污染，灌区现状图能够很好的反映出农灌区的范围，灌区的现状图如图2。

图2 灌区平面布置图

2.1.2 承压水评价因子

参考学者［3］对承压水防污性能的研究经验，本次承压水防污性能评价选取承压水埋深(D)、隔水层岩性(L)、隔水层连续性(C)、隔水层厚度(A)这4个评价因子。承压水的埋深是影响其防污性能的重要因子，埋深越大受到来自潜水的污染的可能性就越小;隔水层岩性、连续性和厚度主要主要考虑污染物向下运移进入承压含水层的难易程度，隔水层岩性越细隔水效果越好，连续性越好，污染物就不容易通过天窗越流进入承压水层。

2.2 因子评分及权重

2.2.1 评分

根据上述的评价体系，对各因子进行分级评分，各因子的评分范围均设定为1～10，根据其防污性能的好坏进行评分，防污性能好的评分低，防污性能差的评分高。潜水的DASLTCU模型各因子的类别及评分见表1，承压水的DLCA评价模型各因子的类别及评分见表2。

表1 DASLTCU模型各因子的类别及评分

表2 DLCA模型各因子的类别及评分

2.2.2 权重

根据各因子对防污性能的影响大小，对各因子赋予相应的权重建立地下水防污性能的权重体系。因子的权重按照各因子对防污性能影响的大小来确定，权重越大，说明该因子对防污性能贡献越大，反之权重越小对防污性能的贡献越小。参考DRASTIC模型，并结合灌区的实际情况，分别对DASLTCU和DLCA模型中各因子赋予适当的权重值。权重值范围为1～5，对地下水防污性能影响最大的因子权重为5，影响最小的权重为1。

本次的潜水综合防污性能DASLTCU模型中，各因子的权重具体如下:潜水埋深(D)，5;土地利用(U)，4;地表土层厚度(S)，4;含水层厚度(A)，3;地形坡度(T)，3;地表岩性(L)，2;含水层渗透系数(C)，1。

承压水的DLCA模型中各因子的权重为承压含水层埋深(D)，5;隔水层岩性(L)，4;隔水层连续性(C)，4;隔水层厚度(A)，3。

2.3 计算方法与结果分级

通过对模型中选取的各因子的评分进行加权总和，得到一个量纲为1指数DI，作为最终的防污性能评价指数。

潜水的DASLTCU模型的计算公式为:

式中:下标R代表各因子的分值，下标W代表各因子的权重。

承压水DLCA模型计算公式为:

式中:下标R代表各因子的分值，下标W代表各因子的权重。

对各个评价因子分区图的叠加计算是基于ARCGIS进行的，通过ARCGIS对各分区图添加评分的属性字段，然后对各分区赋予相应的评分并转化为包含信息的栅格图形，再利用ARCGIS空间分析中的加权总和功能将各因子的信息栅格加权叠加，得到新的包含DI信息的栅格图形。

通过潜水的DASLTCU模型公式计算出的潜水的DI值的范围为24－210，DI指数越高，防污性能越差，DI指数越低防污性能越好，将灌区潜水地下水综合防污性能共分5级，如表3。

表3 DASLTCU模型综合防污性能分级

利用ARCGIS将加权叠加后的信息栅格图形按照上述等级分区，生成灌区的潜水综合防污性能分区图(图3)

图3 潜水综合防污性能分区

通过承压水的DLCA模型得到的DI值的范围为100～190。将承压水的防污性能共分3级，分级结果如表4。

表4 DLCA模型防污性能分级

研究区内承压水的埋深约为50 m，隔水层为粘性土，厚度约8～10 m，且连续性较好，由DLCA模型公式计算可得承压水的DI指数为:107，防污性能分级为:防污性能好。

2.4 讨论

通过潜水的综合防污性能分区图(图3)可看出，灌区总体防污性能较好，防污性能中等及的地区约占总面积的76%。防污性能差和较差地区约占24%，主要分布在东、西河河谷和黄河沿岸的一些区域。这些区域潜水埋深较浅，地表土层厚度小，地势平缓，地表岩性多为砂性土，是人们进行生活和农业灌溉的聚集地区，这些区域潜水比较容易受到污染;防污性能中等地区主要分布在东、西部山前，东、西河河谷区也有少量分布，这些区域潜水埋深中等，村落稀疏，主要分布着一些灌溉农田和荒地，处于防污性能好和差的过渡区域;综合防污性能好和较好的地区主要分布在低山丘陵及山前的一些区域，这些区域潜水埋深较大，地表坡度较大，且多为非灌溉的荒地，降水一般产生地表径流而流失，不容易受到污染。

灌区内的承压水虽然埋深不大，但隔水层连续性和隔水层岩性隔水性较好，所以总体防污性能等级为防污性能好。

综上潜水的DASLTCU评价模型和承压水的DLCA评价模型能够较好的反映该灌区地下水的综合防污性能。

3 灌区扩建后潜水综合防污性能预测

由于现有灌区满足不了农业的发展，需要扩大灌区，扩大后的灌区范围如图2，灌区面积比之前扩大了1倍，灌区扩大后给当地农业生产带来方便的同时会使地下水的补给量增大，引起地下水位的抬升，并会导致农业污染的加剧。通过数值模拟软件MODEFLOW对灌区扩建30年后区域地下水位的升幅进行了模拟预测。然后基于ARCGIS重新校正DASLTCU模型中各因子的分区图，同样采用上述的方法对新灌区的潜水进行综合防污性能评价分区，结果如图4。

图4 灌区扩建30年后的潜水综合防污性能分区图

由图4可看出，灌区扩建后，潜水的综合防污性能明显变差，其中较差和差的地区约占到总面积的40%，东、西河河谷和黄河沿岸的一些原来防污性能为中等的地区在灌区扩建后变成了防污性能差和较差的地区。这与灌区扩建后潜水位的抬升和农业污染的加剧有很大的关系。

4 结语

(1)根据黄河上游灌区的水文地质条件，将灌区内的潜水和承压水分开进行防污性能评价，建立的潜水的DASLTCU模型和承压水的DLCA模型较好的考虑到了灌区内各种主要影响因子的相互作用，得到的综合防污性能分区图能够较好的反映该灌区潜水的综合防污性能。

(2)根据潜水的DASLTCU模型和承压水的DLCA模型，现有灌溉规模下，灌区潜水的综合防污性差及较差地区占总面积的24%，中等及以上地区占到76%，灌区综合防污性能总体较好。

(3)灌区扩建30年后，潜水的综合防污性能明显变差，其中较差和差的地区约占到总面积的40%，灌区人们在进行农业生产的同时也应加大对地下水保护的力度，科学合理的使用农药化肥，实现可持续发展。

(4)在GIS技术日趋完善和普及的今天，通过基于GIS的技术和数值模拟软件MODELFLOW相结合的方法，较好的预测灌区扩建后30年后地下水的综合防污性能，符合当前的发展趋势，但还是不甚完善和规范，今后还是要进行更多的探索和试验。

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