城市化进程背景下的华北平原典型城市区地下水环境及防污性能研究

马小雷

(中冶地集团西北岩土工程有限公司，陕西 西安 710119)

城市的发展离不开地质环境，而环境地质又承载和影响人类的经济行动发展。研究人类工程和经济活动与地质环境相互作用、相互影响。一方面是自然的地质环境的基本属性要素(如地形地貌、构造、岩性、水文地质、工程地质条件等)；另一方面是影响自然地质环境的人类工程经济活动(包括其方式、规模与强度等)，论证两者之间相互关系及地质环境对人类生存发展有不利和潜在不利影响的各种不良地质作用和现象(如地面沉降、地裂缝、水质污染等一些列环境地质问题)；为国土开发整治和城市规划建议管理提供科学的地质依据，是城市经济发展对地质工作的新要求。因此，对研究区开始地下水环境及防污性能的研究是十分必要的。

1 研究区背景条件

将位于华北平原南部的邯郸市区作为主要研究对象。邯郸市区整体上属太行山中南部中低山向华北平原南部过渡地带，地势总趋势为西高东低，自南向北倾斜，地形地貌差异较大复杂多变，地表形态复杂多变，中低山、丘陵、盆地、平原和洼地相间分布，大致以京广铁路为界，东部地区主要为平原[1]。

研究区地层以第四系覆盖层为主，西部有第三系、三叠系地层出露。其中第四系地层分布于东部平原区，岩性和厚度分布不均，由于沉积原因，自西向东厚度逐渐增大，颗粒由粗变细[2]。

2 研究区水文地质条件

根据地形地貌，地层岩性，地下水赋存条件，以及地下水的补给、径流和排泄条件，研究区主要为松散岩类孔隙水水文地质区。其中松散岩类孔隙水水文地质区根据含水层的富集特征，大致可分为三段：

0～30 m，含水层为中细砂含少量砂砾石层，结构松散，隔水层为淡黄色亚粘土层。

30～80 m，含水层最富集，岩性为粗砂砾石层，结构松散，富水性好，一般机井单井出水量7～10 m3/h·m。

80～230 m含水层以中细砂为主，单层厚度小，富水性差，隔水层以亚粘土，粘土为主。机井单井出水量1～5 m3/h·m。

本区地下水含水层厚25～35 m，主要接受大气降水、井灌回归、地表水入渗等补给；地下水的主要排泄方式是人工开采，其次为侧向径流排泄和蒸发排泄。地下水主要为承压——微承压水，水化学类型为重碳酸氯化物钠(钙、镁)型、重碳酸硫酸(氯化物)钙(镁、钠)型，矿化度多小于1.0 g/L。

3 研究区地下水环境

3.1 研究区地下水污染评价

3.1.1 评价方法

计算公式：

(1)

式中：Piw为地下水综合指数(污染综合指数)；Ci为地下水某物质检出含量；C0i为下水某物质起始值。

对各水质点利用式(1)分别计算单指标污染指数评价结果Piw，并同表1中污染分级标准对照进而划分污染等级，得出每一个指标单指标污染等级划分结果。从而掌握每一个指标对地下水的污染状况[3-4]。

表1 单指标污染指数分级标准

采用所有参评指标按照单指标污染评价等级，对地下水样品进行综合污染评价，确定地下水污染等级。地下水污染等级采用单指标评价结果的最高类别确定，并要说明最高类别的具体指标。

3.1.2 评价指标的选取

研究区地下水污染评价分为区域地下水污染评价和重点区地下水污染评价，除常规指标外，选择人类活动产生的有毒有害物质作为评价指标，包括8项指标。分别为三氮：硝酸盐，亚硝酸盐，氨氮；毒性重金属：镉、铬、铅、汞、砷。

3.1.3 对照值的确定

结合评级区历史上最早监测数据和“六五”国家科技攻关第38项中的“华北平原地下水污染评价”综合确定本次评价对照值。

3.1.4 评价结果

研究区范围为153 km2。经计算，评价结果如下：未污染区、轻污染区、严重污染区分布面积分别为42.825 km2、101.235 km2、和8.62 km2，分别占评价面积的28.05%、66.31%、和5.64%。主要污染因子为矿化度、硬度、硫酸根、氯离子、硝酸根、亚硝酸根、氟离子。分布位置及范围见图1。

图1 研究区地下水污染评价图

3.2 研究区地下水质量评价

3.2.1 评价标准及项目

根据《地下水污染调查评价规范》(DD2005-01)，结合本次研究的具体情况，确定参评指标23项：pH、Fe、Mn、Cu、Zn、AI、Cl-、SO42-、总硬度、溶解性总固体、耗氧量、As、Cr6+、Pb、Hg、Se、F-、硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、Na+、I-[5]。

3.2.2 评价方法

单因子评价法是《地下水质量标准》中推荐的方法。该方法过程明了，简洁易懂，但是存在着受较差指标控制性较大，评价结果过于片面的缺点。单因子评价法的评价流程如下：①进行各单项组分评价，划分组分所属质量类别；②找出个单项组分的最高类别(最劣类别)；③单项组分的最高类别即为该地下水类别；④指出最高类别的指标[6-7]。

3.2.3 评价结果

研究区范围153 km2。经计算，评价结果如下，研究区为较好区、较差区和极差区，分布面积分别为59.66 km2、12.37 km2、80.63 km2，各占评价区面积的39%、8%和53%，以水质较好区和极差区为主。分布位置及范围见图2。

图2 研究区浅层地下水质量分区图

4 研究区地下水防污性能研究

地下水防污性能评价是国际水文地质研究的热点问题，是地下水污染防治区划需要考虑的主要因素之一，也是地下水资源保护和管理的重要参考依据。本次研究工作主要针对本质防污性能，也称含水层天然防护能力，是指不考虑人类活动和污染源而只考虑水文地质内部因素的防污性，具有相对静态、不可变和人为不可控制性[8]。

4.1 评价方法

DRASTIC方法是大范围宏观尺度上区域地下水防污性评价的经验模型。目前，该方法已被许多国家和地方采用，是地下水防污性能评价中相对成熟和最常用的方法之一。根据研究区实际情况，本次地下水防污性能评价选取改进的DRASTIC模型，选取地下水埋深(Depth to Water )、净补给量( Net Recharge )、包气带岩性(Impact ofthe Vadose Zone)、含水层累积厚度(Aquifer Media )和渗透系数(Aquifer Hydraulic Conductivity)作为评价指标。建立评价模型如下：

DRITC=DrDw+RrRw+IrIw+TrTw+CrCw

(2)

式中： D、R、I、T和C分别为地下水埋深、净补给量、包气带岩性、含水层累积厚度和渗透系数，w表示评价指标的权重，r为评价指标评分等级，DRITC为评价综合指数，DRITC值越大，地下水防污性能越低[9-10]。

研究区地下水防污性能评价采用该方法，并结合矢量化编制研究区地下水防污性能成果图。

4.2 评价步骤

4.2.1 指标遴选及评分

根据研究区的实际情况，本次地下水防污性能评价选取地下水埋深、净补给量、包气带岩性、含水层累积厚度和渗透系数作为评价指标。各指标含义、对地下水防污性能的影响叙述如下。

(1)地下水埋深：地下水埋深主要决定污染物到达含水层的距离以及污染物在到达含水层前与周围介质接触发生各种反应的时间，埋深越大，发生反应的时间就越长，污染物衰减的机会就越多,地下水脆弱性越低。

(2)净补给量：净补给是污染物进入地下水含水层的载体和动力，补给量越大，能够溶解并带入地下水的污染物就越多，地下水受污染的可能性就越大，地下水脆弱性就越高。净补给量主要包括降雨补给量、灌溉回归量和河流补给量三项。

(3)包气带岩性：包气带岩性主要影响降雨的入渗系数，包气带岩性颗粒越粗，入渗系数就越大，则地下水补给量就多，从而可能带入地下水污染物就越多，地下水脆弱性也就越高。

(4)含水层累积厚度：含水层累积厚度主要反映了地下水储存空间的大小，厚度越大，则储水空间就越大，可以储存的地下水就越多。地下水的稀释能力和纳污能力就越强，地下水脆弱性就越低。

(5)渗透系数：含水层水力传导系数受含水层中的粒间孔隙、裂隙和层间裂隙等所产生的空隙的数量和连通性控制。该指标主要影响地下水流动速度，水力传导系数越大，地下水的流速越大，从而污染物的传播速度就快，地下水脆弱性也就越高。

4.2.2 单元剖分及数据提取

(1)单元剖分。根据研究区面积和精度要求，对研究区进行间距为2 km×2 km正方形网格剖分。将山前冲洪积、冲湖积平原两个区作为防污性能权重分区。

(2)数据提取。将各指标根据评分标准，形成各评价指标的评分图并赋予相应的评分，然后与剖分单元文件进行空间相交分析，各指标评分就传递给了剖分单元，再在属性库子系统下，将各评价指标的评分输出，进行相应的处理。

4.2.3 权重计算

本次权重赋值克服了DRASTIC模型中各指标权重一成不变的缺陷，根据研究区实际情况赋权重。层次分析法能够通过一致性检验保持逻辑上的一致性，但权重赋值具有一定的主观性，因此需要对其进行优化。对权重进行灵敏度分析，了解各指标权重变化对评价结果的影响，为调整指标权重提供依据，以便得到最优化的指标权重，为地下水防污性能分区的准确性提供了有力保障[11]。

4.2.4 评价结果

据式DRITC=DrDw+RrRw+IrIw+TrTw+CrCw，得到每个剖分单元的综合值，将综合值等间距划分为五级(表2)。

表2 地下水系统防污性能分级

根据上述评价方法，对研究区防污性能进行了分区评价。从评价结果可知，工作区内无防污性能好区；防污性能较好区面积12.93 km2，占总面积的11.8%，主要分布在马头镇的东部地区；防污性能中等区面积96.72 km2，占总面积的88.2%，主要分布在邯郸的大部分地区。分区评价结果详见表3，图3。

图3 研究区地下水防污性能评价图

表3 工作区城市防污性能评价分区表 km2

5 结语

在城市化进程下，本次研究通过对以往水文地质和环境地质调查成果的综合研究，结合本次水环境评价和地下水防污性能的研究，基本了解了研究区的水环境特征和地下水防污性能，为国土开发整治和城市规划建议管理提供地质依据。