基于ArcGIS的DRASTIC法地下水脆弱性评价应用研究

蔡文静，张延平

(云南省水文水资源局大理分局，云南 大理 671000)

基于ArcGIS的DRASTIC法地下水脆弱性评价应用研究

蔡文静，张延平

(云南省水文水资源局大理分局，云南 大理 671000)

DRASTIC法在地下水脆弱性评价中应用较为广泛，但存在一定局限性，采用DRASTIC法与地理信息系统相结合的评价方法，可以较好的解决DRASTIC法在地下水脆弱性评价中的不足。本文主要从评价工作流程、评价指标构建、评价指标赋分、脆弱性评价分级等方面探讨了基于ArcGIS的DRASTIC评价方法。通过对各评价因子分析结果进行加权叠加分析，可以直观明了地反映评价区域地下水脆弱性具体分布状况，方便快捷的完成地下水脆弱性分区，对于制定水资源保护规划、地下水污染防治规划，合理开发利用和保护地下水资源具有一定的指导意义。

ArcGIS；DRASTIC；地下水；脆弱性；栅格计算

地下水一旦遭到污染再度净化要比地表水困难得多，因此，防治地下水污染必须“以防为主”，首先应该确定地下水易受污染的区域，这可以通过地下水脆弱性评价来实现，脆弱性指数高的区域，则该区域的地下水就易于被污染。本文的地下水脆弱性也是指地下水固有脆弱性，即不考虑人类活动和污染源，而只考虑水文地质内部因素的脆弱性。

地下水脆弱性评价作为地下水合理开发利用与保护的一项基础性工作，已经成为国际水文地质领域的热点研究问题。自1968年Margat提出“地下水脆弱性”这一术语以来，其概念和研究方法不断得到丰富和发展。在国外，DRASTIC评价方法与地理信息系统相结合评价区域地下水脆弱性是目前研究热点，该方法可以直观明了地反映评价区域地下水脆弱性具体分布状况，同时利用ArcGIS成图，评价结果为可视图形，并能随时完成各种属性查询。

ArcGIS是“美国环境系统研究所”(ESRI)在全面整合了GIS与软件工程、数据库、网络技术、人工智能及其它多方面的计算机主流技术之后，成功推出的全系列GIS产品。ArcGIS软件的数据管理、数据转换、空间分析、栅格计算等强大的功能，将其运用到地下水脆弱性评价工作中，使评价过程变得简便、容易，极大的推动了地下水脆弱性研究的发展。

1 DRASTIC评价方法

DRASTIC评价方法是美国环境保护局(USEPA)和美国水井协会(NWWA)综合了40多位水文地质学专家的经验，于1985年合作开发的。该评价方法属指标体系方法，主要选取7个主要参数作为评价指标， 通过加权计算DRASTIC指标评分值。

尽管DRASTIC评价方法得到广泛的应用，但仍然存在一定的局限性。具体表现为：DRASTIC评价方法评价指标对评价区域划分的赋值不仅相同，边界也不重叠，因此在赋值上，依靠单一的地下水系统边界、流域界、行政界等人为划分评价指标区域，存在不同评价因子在同一评价单元上的概化和统一存在一定困难，对评价因子进行量化时主观性太强的缺点；DRASTIC评价方法属指标体系方法，其评价模型是线性的，缺乏理论上的严谨性；DRASTIC评价方法中的指标因素是固定不变的，而在不同地区地下水脆弱性影响因素的相对重要程度是不同的，因此指标因素也会有所不同。

2 指标体系构建

根据DRASTIC评价方法，结合实际水文地质条件和《区域浅层地下水脆弱性评价技术指南》等，本次对评价指标和权重进行调整，确定地下水评价参数，包括地形坡度T、净补给量R、河网密度N、土壤介质S、地下水位埋深D、包气带介质I、含水层厚度H、含水层渗透系数C，来定量分析各单元的脆弱性高低。对每一个参数给定了一个相对权重值，其范围为1～5，以反映各个参数的相对重要程度。对地下水污染最具影响的参数的权重为5，影响程度最小的参数的权重为1。评价指标及体系具体如下：

2.1 指标选取

地下水脆弱性评价影响因素包括气候、地表特征、土壤介质特征、包气带和含水层特征几个方面，具体影响主要指标确定见表1：

表1 脆弱性评价指标

2.2 指标等级划分及赋分

根据每个评价指标的变化范围或其内在属性划分为若干的范围，评价指标等级划分及赋分见表2：

表2 评价指标等级划分及赋分

续表2 评价指标等级划分及赋分

表3 地下水脆弱性评价指标权重

2.3 指标权重确定

根据每个评价指标对地下水脆弱性影响的相对重要程度给予一个合理的权重，构成权重评判体系，确定各评价指标权重见表3：

2.4 地下水脆弱性评价标准

各指标评分的加权和为地下水脆弱性综合指数，综合指数越大，相应区域的地下水脆弱性越高，相对于其他区域更易被污染。DRASTIC地下水脆弱性指数由下式确定：

DI=1×RT+4×RR+1×RN+2×Rs+5×RD+4×RI+2×RH+1×RC

式中“1×RT”，1为权重值，RT表示指标值。

根据上述各指标的评分和权重值，可知地下水脆弱性综合指数取值范围为20～200。地下水脆弱性级别与综合指数对应关系如表4。

表4 地下水脆弱性评价分级

3 基于ArcGIS在DRASTIC法地下水脆弱性评价

3.1 评价工作流程

根据DRASTIC评价体系确定的评价指标、指标等级划分及赋分、指标权重和评价方法，结合ArcGIS软件及评价指标特点，将评价区域剖分成若干网格单元，每个单元上则分别对评价指标进行赋值，通过栅格叠加加权计算得到每个单元网格的脆弱性评价结果，再总体进行脆弱性分级。评价工程流程先后顺序为评价指标构建、评价指标等级划分及赋分、权重计算和地下水脆弱性分级。具体工程流程见图1。

图1 地下水脆弱性评价工作流程

3.2 构建评价指标

根据“表1脆弱性评价指标”，收集水资源评价中的所有垂向补给数据、收集国家基础地理河流水系数据、土壤、地下水水位、钻孔、包气带岩性、抽水试验等资料形成各指标图层，并将所有图层按统一的单元格大小进行栅格化。具体方法如下：

3.2.1 地形坡度

根据100×100 mDEM数据，采用ArcGIS空间分析模块的坡度计算工具，输出坡度栅格。

3.2.2 净补给量

大气降水是地下水的主要补给来源，由于受资料限制，地下水脆弱性评价时可只考虑降水入渗量。根据降水量等值线，采用ArcGIS空间分析模块的栅格插值工具，输出100×100 m的净补给量栅格。

3.2.3 河网密度

利用ArcGIS软件创建100×100 m的网格，叠加计算各网格的河网密度，输出河网密度栅格。

3.2.4 土壤介质

根据联合国粮农组织(FAO)构建的世界土壤数据库的中国境内1：100万土壤数据，采用ArcGIS空间分析模块的栅格重分类工具，重新对土壤介质进行类型划分。

3.2.5 地下水位埋深

根据水文地质钻孔和成井资料，采用ArcGIS空间分析模块的栅格插值工具，输出地下水位埋深100×100 m的栅格图。

3.2.6 包气带介质

根据钻孔资料分析和包气带岩性图等资料，对100×100 m的网格填充包气带介质类型，输出包气带介质栅格图。

3.2.7 含水层厚度

根据区域水文地质资料、水文地质钻孔和成井等资料，对100×100 m的网格填充含水层厚度，输出含水层厚度栅格图。

3.2.8 含水层渗透系数

根据钻孔抽水试验资料，对100×100 m的网格填充含水层渗透系数，输出含水层渗透系数栅格图。

3.3 评价指标赋分

根据“表2评价指标等级划分及赋分”对指标栅格数据进行重采样。以地形坡度为例，采用ArcGIS三维分析模块中的栅格重分类工具，将地形坡度栅格图，按地形坡度10个等级，各个等级赋分，获得地形坡度评分栅格。对连续坡度栅格数据，需要对坡度值范围进行重分类，如：将0～2坡度范围内的坡度值重分类为10。评价指标赋分原理见图2。

图2 评价指标赋分图

3.4 评价指标权重计算

根据“表3地下水脆弱性评价指标权重”，对各指标栅格评分数据，按照DRASTIC评价方法评价计算公式和各指标权重等级，利用ArcGIS空间分析工具的栅格计算功能，依据各指标确定的权重值进行叠加计算，得出脆弱性评价栅格。计算工作原理见图3。

图3 评价指标权重计算

3.5 脆弱性评价分级

根据脆弱性指数评价栅格数据，参照“表4地下水脆弱性评价分级”采用ArcGIS三维分析模块中的栅格重分类工具，将区域地下水进行脆弱性等级划分为低、较低、中等、较高和高五个等级，利用 ARCGIS可以方便快捷地完成地下水脆弱性分区、矢量栅格转换计算，编制综合分区图。

4 结语

DRASTIC地下水脆弱性评价方法属指标体系方法，DRASTIC评价方法与地理信息系统ArcGIS软件相结合评价

区域地下水脆弱性，对各评价因子分析结果进行加权叠加分析，可以直观明了地反映评价区域地下水脆弱性具体分布状况，方便快捷的完成地下水脆弱性分区。

ArcGIS的应用使得评价过程变得简便、容易，并且能在一定程度上克服单一DRASTIC法的不足之处，使评价结果更接近客观值。

基于ArcGIS的地下水脆弱性评价结果，对于制定水资源保护规划、地下水污染防治规划，合理开发利用和保护地下水资源具有一定的指导意义。根据不同的地下水脆弱性分区，可以制定和采取具有针对性的保护措施，对于地下水资源可持续利用具有重要意义。

[1]吴睿.基于DRASTIC 方法的地下水污染脆弱性评价.北方环境.2013.

[2]孙才志.基于ArcGIS 的下辽河平原地下水脆弱性评价及空间结构分析.生态学报.2015.

[3]陈聪.ARCGIS在DRASTIC 地下水脆弱性评价方法中的应用研究.中国水运.2014.

Application of DRASTIC method based on ArcGIS on evaluating groundwater vulnerability

CAI Wen-jing，ZHANG Yan-Ping

(Yunnan Hydrology and Water Resources Bureau Dali Branch, Dali 671000，China)

As the basis of reasonable exploitation，utilization and protection of underground,evaluation of groundwater vulnerability has been a hot area on hydrogeololgy research in the world. DRASTIC method has been widely used to evaluate the groundwater vulnerability. Meanwhile, it has some limitation that may be solved by combining it with ArcGIS. This paper mainly discuss DRASTIC method based on ArcGIS used in evaluation of groundwater vulnerability, including the workflow, index construction, Scoring Methods and classification. By using the weighted stacking method, the distribution of groundwater vulnerability in the region can be reflected intuitively and the partitioning of vulnerabilities can be accomplished quickly and easily, which will be of guiding significance to make planning of water resources protection and groundwater pollution prevention, rational development, utilization and protection of groundwater resources.

ArcGIS；DRASTIC；groundwater；vulnerability；grid calculation

2016-10-17

蔡文静(1984-)，男，云南曲靖人，工程师，主要从事地理信息、水资源评价和地下水方面工作。

P641.8

A

1004-1184(2017)01-0018-03