村镇浅层地下水脆弱性评价及其验证

周超哲，许仕荣，张 伟，邱顺凡(. 湖南大学土木工程学院，长沙 4008；. 湖南城市学院市政与测绘工程学院，湖南 益阳 4099；. 中机国际工程设计研究院有限责任公司，长沙 400)

根据《2014年中国环境状况公报》，我国地下水环境质量监测点有4 896个，其中水质达到良好以上的比例为36.7%，而较差的比例为45.4%，极差的比例为16.1%，地下水的水质情况不容乐观。 大部分农村地区通过打井获取浅层地下水作为饮用、生活水源。由于地下水流动较慢，自我修复能力较差，一旦受到污染很难治理[1]，将对农村饮用水安全带来极大的隐患。因此，急需加强针对农村地区浅层地下水的脆弱性评价。

地下水的脆弱性分为2类：本质脆弱性和特殊脆弱性[2]。美国环保署于1987年提出的DRASTIC模型已被广泛地应用到欧盟各国地下水脆弱性评价中[3,4]。1996年，我国首次引入DRASTIC模型并将其应用到大连和广州[5,6]。由于近年来江湖沿岸工业发展使地表水水质逐渐变差，沿岸村镇地下水受到一定的影响。因此对村镇浅层地下水环境进行脆弱性评价，对农村饮用水安全具有重大的意义。

1 村镇地下水脆弱性评价

1.1 脆弱性评价指标的确定

1.1.1本质脆弱性评价指标

DRASTIC模型评价指标包括定性和定量2类，其评价指标的评分标准与范围分别见表1、表2[7]。随着评分值的增大，防污性能由好变差。

表1 本质脆弱性定量评价指标的评分标准和范围Tab.1 Scoring criteria and scope for the nature vulnerability quantitative assessment indicators

注：表中w为根据式(1)计算出的权重值。

表2 本质脆弱性定性评价指标的评分标准和范围Tab.2 Scoring criteria and scope for the nature vulnerability qualitative assessment indicators

注：表中w为根据式(1)计算出的权重值。

1.1.2农村地区特殊脆弱性评价指标

结合村镇生活生产的特点，本研究将农村地区特殊脆弱性评价指标分为：①土地利用类型。人类对土地的不同用法将对地下水产生较大的影响，如加油站、垃圾填埋场等区域的地下水极易受到污染；②地表水水质。地表水中的污染物通过垂向、侧向渗透进入到地下水，因此，地表水水质越差，地下水受到污染的风险越高。③农药使用量。农药是人工合成的复杂有机物，降解周期、残留时间长，因此农药的使用对地下水的影响极大。④化肥使用量。对稻田施用化肥会影响到地下水的水质，施用化肥量越大，地下水就越容易受到污染；根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)与研究区实际农药、化肥施用强度确定各特殊脆弱性评价指标的评分标准与范围见表3。

表3 特殊脆弱性评价指标的评分标准与范围Tab.3 Scoring criteria and scope for the special vulnerability assessment indicators

注：表中w为根据式(1)计算出的权重值。

1.2 模糊层次分析法对地下水脆弱性评价[8]

将各个指标进行两两比较并由表4的标度建立模糊一致矩阵R。各指标权重的计算如下：

(1)

i,k∈Ω,Ω={1,2,…,n}

式中：n为矩阵阶数，即指标总数，本文n=11；a为计算参数，取a=(n-1)/2；rik为模糊一致矩阵(i，k=1，2,…，n)。

由式(1)求出各指标的权重值见表1，2，3。

1.3 地下水特殊脆弱性的GIS应用

运用ArcGIS 10.1软件，根据研究区的水文地质及农业生产活动的调查，创建各个评价指标的矢量图并建立属性数据表。按照脆弱性评价的评分标准赋予指标对应的评分值，得到评价指标的评分图。将各评分图进行叠加处理并乘以其相应权重，得到地下水特殊脆弱性评价结果图。

表4 模糊一致矩阵标度及含义Tab.4 Scale and meaning for fuzzy consistent matrix

1.4 建立脆弱性评价集

地下水特殊脆弱性评价指数DI计算公式：

(2)

式中：iW为各评价指标的权重值；iR为各评价指标的评分值。

根据评价指数的大小，将农村浅层地下水特殊脆弱性划分为5个等级，具体见表5。

表5 地下水特殊脆弱性的等级程度Tab.5 Classes of groundwater specific vulnerability degree

2 地下水脆弱性评价模型验证

目前国内对地下水脆弱性评价模型的验证方面的研究较少，主要采用“三氮”的污染分布与地下水脆弱性分布图进行对比。姜桂华[9]、刘春华[10]用“三氮”污染现状验证脆弱性评价结果，研究表明“三氮”污染情况与评价结果基本一致。李辉[11]等用硝酸盐分布情况对脆弱性评价结果进行验证，其评价结果较为可靠。此外，徐小元[12]利用研究区地下水的水质，分别采用单因子和综合因子进行验证，结果表明特殊脆弱性区划图与综合污染指数分布图有较好的相关性。

综上地下水脆弱性评价模型验证存在以下不足：①相关研究较少且忽视对评价结果的验证；②模型的验证因素较为单一，从个别水质指标来验证模型评价的结果，其准确性不能得到保证；③缺乏系统的地下水脆弱性评价模型验证方法。

2.1 脆弱性评价模型验证指标

本研究根据村镇地下水的实际情况和地下水的水质，将农村地下水脆弱性模型验证指标划分为地下水感官性状与地下水水质情况2类共11项。

2.1.1地下水感官性状

主要通过人的直观感官感受对地下水进行初步的判别。地下水感官性状包括以下3类：

(1)味感。是水中某些化学物质对人的舌、口鼻处的感觉末梢神经刺激而产生的感觉[13]。地下水尝起来有苦、涩、咸，甚至散发臭味，则表示地下水的味感差。

(2)颜色。通过人的视觉系统获得对水的直观感受。地下水出现浊度高，煮沸冲茶变蓝色等现象，则表明地下水色度差。

(3)结垢情况。地下水用水壶煮沸过程中会产生不同程度的结垢现象，水壶在较短时间聚集较多的水垢，则说明水质较差。

2.1.2地下水的水质情况

根据《地下水质量标准》(GB/T14848-9)，主要水质检测指标包括pH、铁锰含量、“三氮”含量、电导率、UV254。

(1)总铁、锰、“三氮”含量。我国地下水铁锰超标现象较为严重，耕地区域施肥中的部分化肥进入到浅层地下水中，“三氮”含量能反映出农村地区农业活动对地下水的影响。根据《地下水质量标准》中总铁、锰、“三氮”含量对地下水水质的划分，若其为Ⅳ～Ⅴ时，则地下水水质较差。

(2)pH值。pH值作为各种水质指标的基本指标，有着很重要的意义。根据《地下水质量标准》中pH值对地下水水质的划分，pH值小于5.5或者大于9的地下水属于Ⅴ类，地下水质量差。

(3)电导率。地下水的电导率异常与地下水的污染存在一定的关系，地下水中各组分浓度在背景值范围内则表明该地下水未受污染，即背景值是判别污染的最好准则[14]。采用迭代剔除两端极值法，计算公式：Ks=Ks+S(Ks为平均值，S为均方差)。地下水电导率大于背景值表示地下水受到一定程度的污染。

(4)UV254。UV254可间接反映水中有机污染物的浓度，UV254较大表明水质较差。

根据《地下水质量标准》、在研究区获得的感官性状和水质数据确定各验证指标的评分标准与范围分别见表6、表7。

同理采用模糊层次分析法得出地下水脆弱性验证指标的权重值见表6、表7。

2.2 建立脆弱性验证评价集

地下水特殊脆弱性评价验证指数计算公式为：

(3)

式中：iW为各验证指标的权重值；iR为各验证指标的评分值。

表6 感官定性验证指标的评分标准和范围Tab.6 Scoring criteria and scope for the sensory qualitative verifiable indicators

注：表中w为根据式(1)计算出的权重值。

表7 水质定量验证指标的评分标准和范围 Tab.7 Scoring criteria and scope for the water quality quantitative verifiable indicators

注：表中w为根据式(1)计算出的权重值。

根据研究区验证指数值范围，将其等间距划分为5个等级并对应5个水质等级。地下水水质等级越低，验证指数越小，水质越好，具体见表8。

表8 地下水水质等级程度划分Tab.8 Classes of groundwater quality degree

3 乔口镇特殊脆弱性评价及其模型验证

3.1 乔口镇概况

乔口镇是湖南省长沙市望城区典型村镇，地处洞庭湖平原地区，地势平缓，海拔一般为25～35 m。乔口镇属于亚热带季风湿润气候，年平均降雨量1 350 mm，3-8月降雨较多，9月至次年2月降水量偏少。乔口镇河网密布，几乎被江河湖泊环绕，新河自南向北再折向东流入湘江，东部为由南向北汇入洞庭湖的湘江，西南部是团头湖，西部为南湖，北部有天井湖和毛家湖。

3.2 乔口镇浅层地下水特殊脆弱性评价结果

采用模糊层次分析法对乔口镇地下水特殊脆弱性进行评价，其评价结果见图1。由图1可知，乔口全镇地下水脆弱性整体较高，地下水易受到外来污染。其中地下水脆弱性较高的区域集中在靠近湘江的柳林江村南部，乔口社区，临近新河的荷叶湖村、湛水村北部以及靠近团头湖的团头湖村南部、水星村。

图1 乔口镇地下水脆弱性评价结果Fig.1 Groundwater vulnerability assessment in Qiaokou Town

3.3 乔口镇浅层地下水的水质情况

本文收集乔口镇中72眼浅层地下水水井在2015年枯水期(1月份)与丰水期(6月份)的水质资料和地下水的感官性状资料，利用模糊层次分析法和Arc MAP对乔口镇地下水特殊脆弱性评价结果进行验证。地下水取样点分布见图2。

利用GIS的Spatial Analyst工具，得到地下水特殊脆弱性评价结果的验证图。

3.3.1枯水期水质情况

枯水期乔口镇地下水脆弱性模型验证图如图3所示。由图3可知，枯水期乔口镇地下水水质较差的区域主要集中在沿湘江一侧的柳林江村、乔口社区、靠近新河的西侧段、湛水村东南部以及蓝塘寺村、团头湖村靠近团头湖部分，而乔口镇中心区域的地下水水质较好。

图3 枯水期地下水脆弱性模型验证结果Fig.3 Groundwater Vulnerability model validation in the dry reason

3.3.2丰水期水质情况

丰水期乔口镇地下水脆弱性模型验证图如图4所示。由图4可知，丰水期的水质较枯水期的较差，靠近团头湖一侧的地下水为水质最差的一类。丰水期水质较差的区域主要集中在乔口社区，蓝塘寺村、团头湖村靠近团头湖的一侧。

图4 丰水期地下水脆弱性模型验证结果Fig.4 Groundwater Vulnerability model validation in the wet reason

3.3.3乔口镇特殊脆弱性评价的验证

各等级地下水特殊脆弱性评价指数均值与枯、丰水期地下水脆弱性模型验证指数均值见表9，通过分别耦合比较三者的指数均值，得出3者在不同区间相互对应关系见图5。

表9 脆弱性评价指数与验证指数对照Tab.9 Vulnerability assessment and verification index cross-references

图5 脆弱性评价指数与验证指数相关关系Fig.5 Vulnerability assessment and verification index correlation index

由图5可知，3者整体耦合较好，地下水脆弱性评价指数与验证指数存在很好线性关系。地下水脆弱性模型验证指数随特殊脆弱性评价指数的增大而增大，证明了该地下水特殊脆弱性评价模型能较好地反映地下水易污染的程度，与地下水水质情况相符度较高。同时由图6可知，丰水期的验证指数较枯水期的偏高，即丰水期地下水的水质较枯水期差，说明在丰水期时，地表水水质与水位会对地下水的水质产生较大的影响。

4 结 语

通过乔口镇浅层地下水特殊脆弱性评价及其评价结果的验证的研究，得到以下结论。

(1)在传统DRASTIC评价模型的基础上，增加了土地利用类型、地表水水质、农药使用量、化肥使用量作为评价因素，使该评价模型适用于村镇的地下水特殊脆弱性评价。通过对乔口镇特殊脆弱性评价可知，地下水脆弱性较高区域集中在靠近湘江、新河、团头湖一侧。

(2)收集了乔口镇2015年枯水期、丰水期的地下水的感官性状与水质资料，运用模糊层次分析法建立地下水特殊脆弱性评价模型的验证方法。地下水脆弱性评价指数与验证指数存在很好线性关系，该方法可用来验证地下水特殊脆弱性评价结果。

(3)根据乔口镇地下水特殊脆弱性评价结果，建议在地下水水质较差的区域，主要包括乔口社区，柳林江村，沿新河、团头湖沿岸区域尽早实现集中供水，以保证全镇村民的生活饮用水的安全。

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