基于AHP和DRASTIC模型的红层区地下水脆弱性评价研究——以衢江中下游流域为例

张祥武， 李巨宝， 姜纪沂， 徐亮亮， 周彤彤

(1. 防灾科技学院，河北 三河 065201； 2. 河北省地震动力学重点实验室，河北 三河 065201； 3. 中国冶金地质总局浙江地质勘查院，浙江 衢州 324000)

0 引言

地下水脆弱性指在自然条件变化和人类活动影响下地下水遭受污染的风险程度[1]，进行地下水脆弱性评价是为了防止地下水污染，保护地下水资源以及实现地下水资源的可持续开发利用[2]。地下水脆弱性定义由国外地质学家Margat于1968年首次提出并被完善后应用于实际研究，应用成果较多； 国内在这方面的研究始于20世纪90年代，起步较晚，但发展迅速，针对地下水脆弱性研究国内外有多种评价方法； 目前应用最为广泛的方法是1987年美国(环境保护署)EPA提出的DRASTIC评价指标体系法[3]。

浙江省西部衢江中下游流域位于红色盆地金衢盆地中部，区域内浅层地下水主要为以各种形式赋存于红层孔隙中的红层地下水[4]。受地理位置和气候因素影响，区域内年降水分配不均，河川源短流急，丰枯相差悬殊，导致饮用水较为短缺[5]。因此，红层区地下水成为当地主要饮用水来源。近年来随着区内经济的快速发展，人口增多，需水量急剧增加以及化工企业和居民日常生活排放污染物增多，使当地红层区地下水环境日益恶化。本文结合红层介质固有特性采用基于AHP和DRASTIC模型的评价方法对衢江中下游流域红层区地下水固有脆弱性进行评价，以期为当地供水安全、生态文明建设提供保障，同时为当地红层区地下水资源合理开发利用提供科学依据[6]。

1 研究区概况

研究区地处浙江省中部和西部的结合地带(金衢盆地中部)，东西宽约45km，南北长约21km，面积约1143km2，属亚热带季风型气候区，降雨较充沛，但实际上存在人多水少、水资源时空分配不均等问题，导致当地实际饮用水较为短缺，因此区域红层区地下水成为重要饮用水来源。

研究区地势起伏较大，总体呈南高北矮中间低的特点。东北部以红层低山丘陵为主，地形坡度在20°～40°，中部为金衢盆地腹部，地形相对平缓，高程一般在150m以下，南部地形起伏较大。研究区整体处于衢江河谷平原，漫滩、一级阶地上，呈冲积、冲洪积平原地貌。研究区地层主要发育中生界白垩系呈上下叠置关系的衢县组(K2q)和金华组(K2j)红层。

研究区水文地质条件较简单，地下水类型主要为松散岩类孔隙潜水和红层孔隙裂隙水。其中松散岩类孔隙潜水埋藏于第四系全新统冲积砂、砂砾层中，沿衢江两岸呈条带状分布，含水介质上部为粉质黏土、粉细砂，下部为圆砾层，含水层厚度约3.5～7m，水位动态变化较大，富水性中等，单井出水量100～500m3/d不等，地下水位埋深0.5～4.6m，与地表水联系密切，主要受大气降水、地表水补给，顺地形向下游径流，水质一般，埋藏浅，易受污染； 红层孔隙裂隙水主要分布于衢江两侧阶地上，主要赋存在白垩系红色沉积碎屑岩的层理、节理裂隙中，含水层岩性主要由衢县组砾岩及砂砾岩，金华组钙质粉砂岩及粉砂质泥岩，中戴组的砾岩及砂砾岩、局部砾砂岩等红层岩层组成，其中白垩系金华组粉砂岩、粉砂质泥岩具溶蚀孔隙，裂隙较发育，富水性较好，水质一般； 白垩系衢县组、中戴组和侏罗系劳村组的砂砾岩、砾岩含水条件差，水量贫乏，水质较好，这类水一般单井涌水量 10～100m3/d，地下水埋深在4.6～9m，主要受松散岩类孔隙潜水和降雨入渗补给，沿裂(溶)隙径流，主要排泄为当地村民零星开采。

2 改进评价因子权重赋值的脆弱性评价

本文突破传统的DRASTIC指标因子权重不变的局限性，采用基于AHP的DRASTIC指标体系法对区域内红层区地下水进行脆弱性评价[7]，过程包括确定评价因子、计算评价因子权重值、构建评分体系及脆弱性评价四部分。此次评价中结合红层固有特性延续传统的DRASTIC体系中地下水位埋深(D)、含水层净补给量(R)、含水层岩性(A)、土壤介质(S)、地形坡度(T)以及包气带岩性(I)和水力传导系数(C)等7个评价因子[8]，其评分值依据研究区实际情况作出相应调整，针对各个评价因子评分后绘制相应的评分分区图。相应评价因子指标权重值采用层次分析法(AHP)来确定，地下水脆弱性指数Di的计算将延续传统的评价因子评分和对应权重值相乘叠加法，见式(1)：

(1)

式中，n=7代表 7个评价指标；Wi表示各个评价因子的权重值；Ri表示每个评价指标的评分值[9]。

2.1 评价因子权重赋值改进原理

本文评价指标因子的权重值由层次分析法[10]所确定，见式(2)。其具体步骤包括：

(1)将选取的7个评价因子每两个进行分析比较，构建评价因子相对重要性的7阶判断矩阵Rij，Rij中各元素对应评价因子Ri相对于Rj的重要性标度。

表 1 层次分析法计算各因子权重Tab.1 The weight of each factor is calculated by analytic hierarchy process

(3)对所得结果进行一致性检验，算得判断矩阵的最大特征值根λmax=7，其平均随机一致性指标RI=0.82，一致性指标值CR=0，因此证明所构建的判断矩阵一致性比较好[3，11]。

(2)

2.2 评价因子评分体系

各项评价指标评分充分参考了文献[12]中对评价因子评分的规定，结合区域实际情况构建适合评价区的评分体系(表 2)，各评价因子评分图见图 1，分布特征如下：

表 2 DRASTIC法评价指标评分Tab.2 Scoring criteria of drastic evaluation index

(1)地下水位埋深

地下水位埋深是影响浅层地下水防污性能的一个重要指标，对污染因子进入地下水的时间长短有直接影响，通常地下水埋藏深度越浅，污染物亦越容易污染浅层地下水[13]。

研究区浅层地下水主要为第四系松散岩土类孔隙水和红层风化孔隙裂隙水，地下水位埋深在0～9m，总体埋深较浅。其中第四系松散岩类孔隙水埋深在0～4.6m，呈西南-东北逐渐增大趋势； 红层风化孔隙裂隙水埋深相对较深，埋深在4.6～9m。地下水位埋深因子评分值为10、9、7。

(2)含水层净补给量

含水层净补给量通常包括降雨入渗补给量和灌溉入渗补给量两部分[14]。降雨入渗对浅层地下水的防污性能的影响有双面性，一方面降雨入渗时可以携带污染因子，补给量越大，对污染因子的迁移量就越多，对浅层地下水的污染影响就越大[15]； 另一方面，降雨入渗时会稀释污染物浓度，就此而言，补给量越大，对污染因子的稀释程度亦越大，会很大程度降低浅层地下水的污染[16]。

研究区浅层地下水埋深较浅，包气带岩性以砂类土、红色粉砂岩、砂砾岩为主，易于大气降雨入渗补给浅层地下水； 除此之外，研究区农作物以水稻为主，故在计算净补给量因子时需充分考虑灌溉入渗量。结合各方面因素综合计算，研究区净补给量在114～261mm·a-1。赋予评分值为9、8、6。

(3)含水层介质

含水层介质对浅层含水层的水流系统的影响不容忽视，通常含水层岩性的颗粒越大，即浅层含水层的渗透能力也越大，代表含水层对污染因子的稀释能力就越小，则污染因子对浅层含水层的潜在危害就越大，即地下水脆弱性越强[17]。

研究区处于典型的红层区，含水层岩性主要为白垩系衢县组、金华组紫红色粉砂岩、砂岩，对应评分概化为5、3，在靠近衢江主河道两侧区域含水层岩性为第四系沉积物卵砾石、砂砾石以及细砂，相应评分为10、8。

(4)土壤介质

土壤介质通常代表平均厚度距离地表小于2m的风化层，其作用是可以吸附部分随降雨入渗的污染因子，可以净化一部分污染物。正常情况下，土壤层的自净能力和颗粒尺寸呈反比关系，颗粒尺寸越大，土壤层的自净能力就越差，其脆弱性亦越强[18]。

通过对研究区的红层土样做粒度分析实验，发现土样平均粒度直径为8.19mm，粉砂含量最高，平均含量约占43.98%； 其次为黏土，平均含量为42.58%； 细砂平均含量为11.96%，中砂平均含量为1.8%，粗砂平均含量最低，为0.13%，赋予其评分值为9、7、4、2。

(5)地形坡度

在一定方面地形坡度可以影响污染因子在地表滞留的时间跨度[19]。

参考DRASTIC指标体系法中关于地形坡度的划分标准可将评价区划分为5个级别。评价区地势起伏较大，总体呈南高北矮中间低的特点。南北部以低山丘陵为主，地势较低，局部区域地形坡度在20°～40°； 中部为金衢盆地腹部，地形较平缓，相对切割较浅，坡度较小； 其余部位地形坡度在2°～18°。对应评分为10、9、5、3、1。

(6)包气带岩性

包气带通常指的是地面以下潜水面以上，大气水和地表水同地下水发生联系和水分交换的地带，同时也称之为非饱和带[20]，具有吸收水分、保持水分、传递水分的能力。包气带内可发生的生物化学反应可以加快或减慢污染物的衰减，与土壤介质相似，土壤颗粒越粗，孔隙越大，污染物通过的可能性就越大，相应的脆弱性就越高[21，22]。

研究区在衢江主河道两侧包气带岩性为第四系松散砂砾石、砂土以及紫红色粉质黏土，颗粒较粗，有效孔隙度较大，易于污染物下渗，对应评分为7、4、2； 其他区域包气带岩性为红层风化碎屑物，为白垩系紫红色砂岩粉砂岩，相应评分值为9。

(7)含水层水力传导系数

含水层的水力传输能力通常可以由水力传导系数来直观表示，含水层水力传导系数在一定意义上表示浅层地下水在一定水力梯度下的流动速率，进而又间接影响污染因子在含水层内的迁移速度[23]。研究区受红层含水介质以及地形坡度影响研究区含水层水力传导系数总体较小[24]，相应评分为4、2、1。

3 评价结果及讨论

3.1 红层区地下水脆弱性评价结果

结合各项指标因子评分和基于AHP求得的各项指标因子权重标度[25]，利用DRASTIC模型计算公式和GIS空间分析技术对区域红层区地下水脆弱性进行计算评价，得到研究区浙江西部(金衢盆地中部)衢江中下游地区红层区地下水脆弱性评价结果分区图(图 2)，结果显示：

图 2 评价区浅层地下水脆弱性分区图Fig.2 Vulnerability zoning of shallow groundwater in the assessment area

(1)评价区红层区地下水脆弱性总体呈中等-较高水平，约占区域总面积的82%。

(2)东北部塔石镇、湖镇以及小南海镇一带受浅层地下水埋深较深、净补给量和渗透系数较小等水文地质条件的影响，地下水脆弱性低，防污性能较强，地下水不易受到污染。

(3)衢县变电所、甘里镇以北、大洲镇东部以及莲花镇西南侧一带地下水埋深相对较大，土壤介质以红层粉土和黏土为主，对污染物的迁移有一定阻碍，其浅层地下水不易受到污染，脆弱性中等。

图 3 评价区浅层地下水污染现状Fig.3 Pollution status of shallow groundwater in the evaluation area

(4)甘里镇南侧、高家镇以及莲花镇西北侧区域受地下水埋深较小、含水层介质为第四系砾石和卵砾石等综合影响，污染物较易迁移至含水层，地下水脆弱性较高，防污性能较差，其浅层地下水较易被污染。

(5)沿长泽街、衢州市市区以及樟潭镇东北-西南方向主要分布于衢江主河道沿岸，地下水埋深浅，净补给量大，其浅层地下水除了受降雨入渗补给外还受到河水入渗补给，含水层介质主要为卵砾石和砂砾石，包气带岩性多为砂砾石，污染物容易渗入含水层，该区域内浅层地下水防污性能较弱，脆弱性高，极易受到污染影响。

3.2 评价结果与区域地下水污染现状对比

对区域内红层区地下水60组水样选取pH值、氟化物、耗氧量、溶解性总固体、氨氮(以N计)、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、总硬度、硫酸盐、氯化物、锌、铁、锰、钠、铝、钡等16项指标采用内梅罗指数法[4]结合《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)对区域内红层区地下水质量进行评价，发现区域内红层区地下水脆弱性评价结果与地下水污染现状基本符合(图 3)，主要体现在如下几点：

(1)在评价区地下水脆弱性较高-高地区地下水水质较差，在衢州市区长泽街、樟潭镇一带大部分区域未达到国家地下水质量标准Ⅲ类水标准，在高家镇上窑村北部一带少数村庄达到国家地下水质量标准Ⅳ、Ⅴ类水标准； 主要受地下水埋深较浅、包气带岩性为红层风化碎屑物(白垩系紫红色砂岩粉砂岩)以及含水层岩性为砂砾石等红层介质影响，地下水防污性能较弱，加之区内农村居民环境卫生意识淡薄，生活污水、农田肥料等随降雨入渗易进入浅层含水层，致使水质变差。

(2)在评价区地下水中等及低脆弱性区域水质检测结果较好，均达到国家地下水质量标准Ⅲ类水标准，主要分布于莲花镇、塔石镇、小南海镇以及衢州市区衢县变电所一带，该区域由于地处山区前缘地带，地下水径流交替强烈，地下水天然条件防污性能较好，受区域内居民较少影响，浅层地下水潜在污染源不明显，从而红层浅层地下水水质较好，可作为居民生活饮用水。

4 结论

本文利用AHP、DRASTIC模型结合GIS空间分析功能对衢江中下游地区红层区地下水进行脆弱性评价，结合区域地下水污染现状半定量分析了评价结果的准确性，主要结论如下：

(1)对红色盆地金衢盆地中部衢江中下游流域红层区地下水进行脆弱性研究，采用AHP确定评价因子的权重值结合红层区特有的红层特性对评价因子评分标准作出了相应调整。

(2)利用MapGis6.7软件绘制红层区地下水脆弱性评价分区图，发现评价区红层地下水脆弱性总体呈中等-较高水平，主要受浅层地下水埋深和红层含水介质影响较大，分布于地下水埋深较浅地区和包气带岩性为红层风化碎屑物(白垩系红色砂岩粉砂岩)地区，浅层地下水易遭受污染。

(3)评价区红层地下水脆弱性评价结果与浅层地下水污染现状基本相符，在评价区浅层地下水脆弱性较高-高区域，其浅层地下水普遍污染较严重，大部分地区未达到国家地下水质量标准Ⅲ类水标准，在低脆弱性地区，浅层地下水质量普遍较好，均达到国家地下水质量Ⅲ类水标准，部分村庄可达Ⅰ、Ⅱ类水标准。