郑州市中心城区浅层地下水脆弱性评价

吴冰华，郭晓静，贾秀阁，郭 林，唐 辉，刘沙沙

（1. 河南省地质科学研究所，河南 郑州 450001；2. 河南省地下水污染防治与修复重点实验室，河南 郑州 450001；3. 河南省地质调查院，河南 郑州 450001；4. 河南省城市地质工程技术研究中心，河南 郑州 450001）

据调查结果显示，郑州市中心城区浅层地下水已受到不同程度污染，为查明郑州市中心城区地下水环境状况，做好地下水污染防治工作，对郑州市中心城区地下水系统进行脆弱性评价。地下水系统脆弱性与污染源或污染物的性质和类型无关，主要取决于地下水所处的地质与水文地质条件[1]。本次对7个影响因素进行详细阐述及分区，评估研究区地下水系统脆弱性并进行分级分区，为当地政府管理部门制定城市规划、地下水资源保护及工业布局提供决策参考[2]。

1 研究区地质背景

1.1 自然地理

郑州地处中原腹地，地理位置得天独厚，是国家中心城市，交通便利，是全国重要的铁路、航空、高速公路主枢纽，属温带大陆性季风气候，多年平均风速2.95 m/s，降水量中等偏少，且年际变化较大，多集中在7～9月。研究区地跨黄河、淮河两大流域，地表水主要有贾鲁河、金水河、西流湖、北龙湖、常庄水库和南水北调等。

研究区主要为流水堆积地貌，其形态特征属平原，仅西北部、西南部小面积地区属黄土丘陵地貌，地势总体西北、西南高，向东、东南微倾斜，地面高程 85～150 m，坡降约 3‰～8‰。

1.2 水文地质条件

研究区地下水多赋存于松散层孔隙中，仅西南部丘陵区边缘有埋藏型碳酸盐岩类裂隙岩溶水和碎屑岩类裂隙水分布，由于地下水埋深较大，包气带为厚层黄土、粉质黏土层，防污性能好，且面积很小，因此本次主要考虑松散岩类孔隙水。根据埋藏条件、水力性质等将含水层进一步分为浅层含水层、中深层含水层、深层含水层和超深层含水层，浅层地下水更易受农药、化肥、土壤污染元素淋滤迁移和工业废弃物污染的影响[3-4]，且各层含水层之间在天然状态下水力联系微弱，故地下水系统脆弱性评价以浅层地下水为重点。浅层含水层底板埋深为30～80 m，岩性以中砂、细砂为主，一般厚度为10.2～33.5 m，含水层总体呈自西南向东北厚度逐渐变大；补给来源主要有黄河侧渗、大气降水入渗和农业灌溉回渗等，排泄方式主要有开采排泄、越流排泄和径流排泄等，地下水水化学类型以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca·Mg·Na为主。矿化度在 156～1 600 mg/L之间，大多>1 000 mg/L；总硬度为 59～785 mg/L，大多在 200～600 mg/L 之间；pH 值为 6.10～8.76，平均7.51。年平均地下水位埋深为15.57 m。

2 评价方法及数据处理

2.1 评价方法

采用 DRASTIC 模型评价地下水系统脆弱性[5-9]，该模型选取影响和控制地下水流与污染物运移的7个主要因素作为脆弱性评价指标：地下水位埋深（D）、垂向净补给量（R）、含水层厚度（A）、土壤介质（S）、地形坡度（T）、包气带介质类型（I）和含水层渗透系数（C）。模型中每个指标都分成几个区段，采用MapGIS软件将分区数据进行格栅化处理，每个区段赋予评分，然后根据每个指标对脆弱性影响程度赋予相应权重，最后通过加权求和，得出地下水脆弱性指数（DI），见式（1）。

式（1）中，DI为地下水脆弱性指数，下标R为指标值，下标w为指标的权重。

根据DI值，将脆弱性分为低、较低、中等、较高和高5个等级，评价标准，见表1。

表1 地下水脆弱性等级标准

DI值越高，地下水脆弱性越高，防污性能越差，反之脆弱性越低，防污性能越好。地下水脆弱性指数仅表示不同区域地下水相对防污能力，并不说明防污性能好的地区就不会被污染。

2.2 数据处理

为对研究区地下水系统进行脆弱性评价，收集已有成果资料，开展环境地质调查，进行地下水位统测，为脆弱性评价提供基础数据。本次评价采用的所有基础数据均来自近年来的各类科研报告及野外测量数据，数据的预处理主要包括数据的矢量化、数据的分类与标准化，采用MapGIS软件来实现。

参数选取及赋值在参考《地下水污染防治分区划分工作指南》[10]的基础上，结合郑州市地质条件及专家经验综合确定。各评价指标等级划分及赋值，见表2，各评价指标权重，见表3。

表2 地下水脆弱性评价指标等级划分及赋值

续表 2

表3 评价指标权重

表2～3可知，对地下水系统脆弱性影响程度由大及小依次为：地下水位埋深、包气带介质类型、垂向净补给量、含水层厚度、含水层渗透系数、土壤介质和地形坡度。

3 单因素分析

（1）地下水位埋深（D）。惠济区黄河大堤以北地下水埋深较浅，0～6 m；高新区西部、中原区西部、二七区西南部地下水埋深较深，25～40 m；总体变化趋势为向东北方向逐渐减小，见图1。

图1 研究区地下水位埋深分区

（2）垂向净补给量（R）。潜水补给主要来源于大气降水，采用降雨入渗系数乘以降水量进行计算。京广铁路以西垂向净补给量<51 mm/a；惠济区黄河大堤以北垂向净补给量达到216～235 mm/a；总体变化趋势为向东北方向逐渐变大，见图2。

图2 研究区垂向净补给量分区

（3）含水层厚度（A）。根据钻孔资料，按2～4个钻孔/100 km2分析得出含水层厚度。研究区含水层厚度总体变化趋势为西南向东北方向逐渐变大。京广铁路以西高新区、中原区、二七区及惠济区古荥镇等区域含水层厚度较小，含水层厚度为 0～10 m；东北部含水层厚度达到 50～60 m，见图3。

图3 研究区含水层厚度分区

（4）土壤介质（S）。按 2～4 个钻孔/100 km²精度分析钻孔柱状图，研究区大部分区域以粉质壤土为主；西部中原区须水镇周边以黏质壤土为主；东南部经开区圃田乡、管城区南曹乡及北部惠济区黄河滩边以粉砂为主，土壤介质较粗，有利于地下水污染物通过包气带进入地下水，见图4。

图4 研究区土壤介质分区

（5）地形坡度（T）。研究区西南二七区侯寨镇、马寨镇及西北惠济区古荥镇部分区域地形坡度较大，其他区域地形坡度均<2%，见图5。

图5 研究区地形坡度分区

（6）包气带介质（I）。根据钻孔资料结合野外调查获取包气带介质类型，按2～4个钻孔/100 km²精度分析得出，京广铁路以西大部分区域包气带介质为粉土，管城区南曹乡、经开区圃田乡及惠济区黄河滩包气带介质为粉砂，见图6。研究区包气带介质受地貌成因影响明显，西部主要受山前冲洪积作用，包气带介质颗粒较细，对地下水保护较好，东部受黄河冲积、冲洪积作用，包气带介质颗粒较西部粗，对下水保护较差。

图6 研究区包气带介质分区

（7）含水层渗透系数（C）。当污染物达到含水层时，富水性强、含水层渗透系数大的区域，其污染危害的结果就越严重。研究区含水层渗透系数总体变化趋势为西南向东北方向逐渐变大。西部含水层渗透系数为0～4 m/d；东部含水层渗透系数为12～20 m/d，见图7。渗透系数主要受含水层岩性影响，西部含水层岩性主要为粉土，东部含水层岩性主要为细砂。

图7 研究区含水层渗透系数分区

4 综合评价

根据分区原则和分区方法，经计算得出研究区地下水脆弱性综合指数介于70～159.5之间。参照文献[10]，将地下水脆弱性划分为低、较低、中等、较高和高5个等级，见图8。

图8 研究区地下水脆弱性评价分区

（1）脆弱性低区。分布于二七区侯寨镇南部、马寨镇南部、中原区须水街和惠济区邙山风景区一带，面积为104.7 km2占研究区10.46%。该区域地下水埋深较深>30 m；垂向净补给量<51 mm/a；含水层厚度<10 m；土壤介质多为粉质壤土；地形较平坦，大部分区域地形坡度>6%；包气带介质多为亚砂土；含水层渗透系数<4 m/d，综合评价该区域地下水系统脆弱性低。

（2）脆弱性较低区。主要分布于工作区大部分区域，涵盖郑州市各个区，面积为653.89 km2占工作区65.36%。该区地下水埋深以10～20 m为主；垂向净补给量<51 mm/a；含水层厚度<10 m；土壤介质多为粉质壤土；地形平坦，大部分区域地形坡度<2%；包气带介质多为亚砂土；含水层渗透系数以<4 m/d为主，综合评价该区域地下水系统脆弱性较低。

（3）脆弱性中等区。分布于经开区陇海铁路、以南京广铁路以东，管城区南曹乡郎庄、刘德城村、耿庄村周边，惠济区黄河大堤以南、大河路-花园路-北三环以北、龙湖-马头岗-黄岗庙以西、京广铁路以东，面积为166.11 km2占工作区16.6%。该区域地下水埋深以10～15 m为主；垂向净补给量以 147～178 mm/a 为主，51～71 mm/a 次之；含水层厚度以10～20 m为主；土壤介质以粉质壤土为主；地形平坦，大部分区域地形坡度<2%；包气带介质多为亚砂土；含水层渗透系数以12～20 m/d为主，综合评价该区域地下水系统脆弱性中等。

（4）脆弱性较高区。主要分布于惠济区黄河大堤以北、管城区南曹乡附近，面积为67.7 km2，占工作区6.77%。该区域地下水埋深<15 m；垂向净补给量以216～235 mm/a为主；含水层厚度以40～50 m为主；土壤介质多为粉砂；地形平坦，大部分区域地形坡度<2%；包气带介质多为粉砂；含水层渗透系数以12～20 m/d为主，综合评价该区域地下水系统脆弱性较高。

（5）脆弱性高区。主要分布在惠济区黄浮路以北区域，面积为8.07 km2占工作区0.81%。该区域地下水埋深<6 m；垂向净补给量 216～235 mm/a；含水层厚度<30 m，以 20～30 m 为主；土壤介质为粉砂；地形平坦，大部分区域地形坡度<2%；包气带介质为粉砂；含水层渗透系数为12～20 m/d，综合评价该区域地下水系统脆弱性高。

5 结论及建议

（1）以郑州市中心城区为研究区，采用DRASTIC方法对地下水系统脆弱性进行评价，得出以下结论：二七区侯寨镇南部、马寨镇南部、中原区须水街和惠济区邙山风景区周边，地下水脆弱性低，防污性能好；惠济区黄河大堤以北、管城区南曹乡周边，地下水脆弱性高，防污性能差；整体上研究区地下水脆弱性较低，防污性能较好。

（2）影响研究区地下水系统脆弱性的指标按影响程度由大及小依次为：地下水位埋深、包气带介质类型、垂向净补给量、含水层厚度、含水层渗透系数、土壤介质和地形坡度。在城市规划中应对脆弱性高的区域进行高度重视，防治对地下水系统造成污染。