基于DRASTIC方法的青岛市崂山区地下水脆弱性评价

刚什婷 贾涛 邓英尔 邢立亭 彭同强 吕明荟 王逢爽

关键词：地下水脆弱性；脆弱性分布；ＤＲＡＳＴＩＣ方法；青岛崂山区

海岸带既是我国社会经济发展的主要区域，也是人类活动最活跃、最频繁的地带［１］。青岛地处山东半岛东南部，是区域性国际航运中心、东部沿海重要的创新中心、沿海重要中心城市。青岛市人均水资源占有量为３４２ｍ３，仅达到全国平均值的１３％［２］，随着经济快速发展，人口逐年增长，水资源短缺已成为制约青岛市经济社会发展的短板［３］。受自然条件不断变化和人类活动影响，其地下水被污染的可能性增大。在充分了解青岛市崂山区地下水水文地质条件的基础上，依托青岛市崂山区海水入侵调查项目，研究采用ＧＩＳ技术与地下水脆弱性评价模型，评价了青岛市崂山区浅层地下水脆弱性，并进行了地下水脆弱性分区，以期为青岛市崂山区地下水资源管理与规划提供依据。

１研究区概况

为便于研究，研究区北起土寨河北岸，与即墨市海岸接壤；南至麦岛，与青岛市市南区海岸相接；东至海岸线；向西自海岸线向内陆延伸３～５ｋｍ。研究区主要为沿海河流（土寨河、王哥庄河、晓望河、凉水河及南九水河等）的中下游冲积平原地区及山前冲洪积平原地区，还包括滨海部分养殖滩涂地带，面积约２４５ｋｍ２。研究区属温带大陆性季风气候区，四季分明、雨量较为丰富，多年平均降水量８２８．３ｍｍ，多年平均蒸发能力１４６１．１ｍｍ。境内河流水系主要为沿海近缘水系，共有２３条大小河流，呈放射状展布。河流特点是河长短、流速快、多直流入海，属于季节性河流，地表径流主要来源为大气降水。研究区出露的地层较简单，从老至新依次为元古界地层、中生界白垩系地层和新生界第四系地层。研究区位于即墨—牟平断裂带南段东侧，隶属于华夏系第二隆起带构造体系。对该地区影响最大的构造运动为中生代燕山期地壳构造运动，伴随着燕山期中期相继喷发的熔岩和广泛侵入的花崗岩，喜马拉雅运动再次抬升了崂山区基底，从而加速了该地区的剥蚀沉积和地壳构造运动。以北东东向韧性剪切带和北西向脆性断裂构造为主，基岩以侵入式花岗岩为主，间有变质岩，山间河谷盆地发育有第四系沉积物。

按照含水介质和埋藏条件，地下水类型分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水和基岩裂隙水三大类。第四系孔隙含水岩组是研究区最重要的含水层，主要分布在研究区大小河流中下游河谷平原，该含水岩组岩性主要由不同粒径的砂及砂砾石组成，渗水性强，含水量随含水层厚度增大而增加，单井出水量为１００～５００ｍ３／ｄ，水位埋深多在２～４ｍ，除局部地段如河谷平原的砂及砂砾石之上覆盖低渗透性的黏土或亚黏土在高水位时具有弱承压性外，其他基本属于孔隙潜水。研究区东南黄山—青山村一带发育有碎屑岩类孔隙裂隙水，含水层岩性主要为下白垩统莱阳群的长石砂岩，因裂隙发育具有各向异性，故含水层的透水性、富水性均很弱，在岩性接触带或构造发育的低洼处形成小型富水地段，单井出水量为５０～１００ｍ３／ｄ，适于分散式农村用水。基岩裂隙水分为块状岩类裂隙水、层状岩类裂隙水、喷出岩类孔洞裂隙水，一般富水性较弱，但在断裂、岩脉旁侧或褶曲轴部的岩石裂隙发育部位形成小型富水地段。

２评价方法

目前，国内外地下水脆弱性评价方法主要有叠置指数法［４－６］、过程数学模拟法［７－９］、统计法［１０］和模糊数学法［１１］。在应用上，这些方法因其评价内容、指标和侧重点不同而适用于不同水文地质条件的研究区域。过程数学模拟法是在水分和污染物运移过程分析和模型模拟基础上，通过构建数学公式，利用模型得出地下水脆弱性综合指数，该方法需要的参数较多，需要足够的地质数据和长系列的污染物迁移数据来支撑，适用范围小；统计法是基于大量数据资料进行统计分析，对数据需求量较大；模糊数学法常用来评价地下水固有脆弱性，可在小比例尺下定量评价大范围区域地下水脆弱性，缺点是隶属函数为人为构造，缺乏客观性，且计算烦琐；叠置指数法通过评价指标分值的叠加形成综合指标来反映研究区地下水脆弱程度，数据获取容易，方法容易掌握。目前，在国内外广泛使用的叠置指数法经验模型为美国环保署（ＥＰＡ）提出的ＤＲＡＳＴＩＣ模型。青岛市崂山区相对较大，地形较为复杂，加之存在海水入侵地段，因此采用应用比较广泛的叠置指数法中的ＤＲＡＳＴＩＣ模型作为地下水脆弱性评价模型，并结合ＡｒｃＧＩＳ软件形成各单要素评分图，利用Ｃａｌｃｕｌａｔｅ功能，叠加计算各要素图层，进而得到研究区地下水脆弱性分区图。

地下水ＤＲＡＳＴＩＣ模型评价指标有地下水埋深Ｄ、地下水净补给量Ｒ、含水层介质类型Ａ、土壤介质类型Ｓ、地形坡度Ｔ、包气带介质类型Ｉ、含水层富水性Ｃ。将各个评价指标分成几个区段（对于连续变量）或几种主要介质类型（对于文字描述性指标），并根据各个指标的相对重要性进行赋分，评分范围为１～１０，对地下水脆弱性影响越大评分越高，各指标评分赋值标准见表１。同时，根据各个指标对地下水脆弱性的影响程度，对每个指标赋予相对权重值，相对权重值范围为１～５，数值越大，表明该指标对地下水脆弱性的影响越大，见表２。脆弱性评价得分ＤＩ为７个指标的加权和。ＤＲＡＳＴＩＣ模型脆弱性综合评价分两种情况：一种是自然条件下地下水脆弱性评价，另外一种是农业活动强烈区农田喷洒农药情况下地下水脆弱性评价。研究区农业活动较弱，因此只考虑自然条件下地下水脆弱性评价，具体计算公式：

３地下水脆弱性评价

１）地下水埋深。崂山区西部中低山丘陵地带，由于包气带厚度较大，地表污染物渗入含水层所需时间较长，污染物与氧气接触发生氧化反应的可能性较大，因此污染物被稀释降解的可能性较大，地下水被污染的可能性较小。崂山区东北部为海积平原，地下水埋深较浅，包气带厚度小，一旦地表有污染物存在，污染物就很容易穿透包气带进入地下水，因此地下水被污染的可能性较大。根据青岛市崂山区海水入侵地质灾害调查项目２０１７年７６个统测点的水位数据，绘制青岛市崂山区地下水埋深评分图，见图１。可以看出，地下水埋深的变化趋势与地形、沉积物厚度基本一致，从西部崂山山脉到海岸，地下水埋深不断变浅。

２）地下水净补给量。崂山区位于暖温带大陆性季风气候区，受雨季暖湿气流影响较大，大气降水补给为主要补给方式，因此净补给量可以用各区域的降水入渗补给系数乘以多年平均降水量代替。根据研究区１９６０—２０１６年降水量数据，计算得出崂山区年均降水量为８２８．３ｍｍ。对降水入渗系数有影响的因素主要图１ 青岛市崂山区地下水埋深评分有平均降水量、降水强度、地形坡度、包气带岩性、地下水位埋深和地表植被等。本文降水入渗系数依据徐军祥等［１２］和凌伯继等［１３］的研究结果，综合考虑地下水埋深及包气带岩性，参考林国庆等［１４］对该区域的研究，结合研究区地下水动态资料，确定黏土、砂质黏土、黏质砂土、粉细砂与中细砂的降雨入渗系数分别为０．１０～０．１５、０．１５～０．２０、０．２０～０．２５、０．２５～０．３０。利用ＡｒｃＧＩＳ绘制的青岛市崂山区地下水净补给量评分见图２。

土寨河、王哥庄河、凉水河、南九水河等河流河床为冲积砂砾层，以河流冲积砂砾石为主，降水入渗系数为０．４５，地下水净补给量为３７２ｍｍ，评分为９分；中下游区域地表主要由粉质黏土及中、细砂组成，形成沿河流的农耕区，降水入渗系数为０．２０，地下水净补给量为１６５．６ｍｍ，评分为６分；河漫滩地带含水层岩性具有二元结构，上覆黏土，降水入渗系数较小；海积平原地区地形相对平坦，微倾向海，地表岩性主要为粉质黏土，降水入渗系数为０．１５，净补给量为１２４．２ｍ，评分为６分；基岩裂隙含水岩组花岗岩、玄武岩、安山岩及凝灰岩组成裂隙含水层，以构造裂隙、风化裂隙为主，一般裂隙细小且发育浅，连通性差，加上坡度较大，降水流失较快，地下水净补给量小于５０ｍｍ，评分为１分。

３）含水层介质类型。根据研究区现场调查，以及收集的各种钻探资料和研究报告，基于ＧＩＳ绘制了青岛市崂山区含水层介质类型评分图，见图３。青岛市崂山区含水层岩性主要为第四系松散岩类，主要分布在河流地带，沿河流自上而下岩类粒度成分由粗变细，河道横向上的变化规律：位于主河道及其两侧较近的地带岩类粒度较粗、往两侧逐渐变细，大致呈对称分布；碎屑岩类是次要的含水岩组，主要分布在中低山丘陵地带；在崂山中低、高山地带主要分布基岩裂隙水，裸露的基岩裂隙发育不一，连通性很差。第四系松散含水岩组含水层岩性主要为黏土质砂、细砂、中粗砂、砂砾石。土寨河、王哥庄河、晓望河、南九水河、张村河等河流上游山区沟口处，岩性以砾石、漂石为主，中间充填有黏土及砂土，评分为８分。全新世海相沉积区位于王哥庄、仰口湾、沙子口等沿海一带，主要含水层岩性以细砂、中细砂、砾石为主，局部含淤泥质土，评分为８分。河流河谷由全新世河流相冲积而成，主要由漂石、砾石、中粗砂组成，评分为８分。河流两岸阶地及其冲洪积平原由全新世河漫滩相冲洪积而成，具双层结构，上部以黏性土为主，下部以砂砾石为主，评分为６分。中晚更新世残坡积区位于崂山山脉东侧（青山—仰口）山前地区，含水层岩性以暗红色混砂粉质黏土、漂石夹砂土为主，评分为５分。黄山、青山、下清宫一带白垩纪莱阳群为山麓冲洪积相及河流相碎屑沉积组合，评分为４分。研究区基岩主要为花岗岩、片麻岩、玄武岩、安山岩、凝灰岩等，该岩组地下水在地下渗流途径较长，评分为４分。

４）土壤介质类型。土壤介质类型根据代表性钻孔资料、第四系岩类分布情况、地貌图以及土壤普查资料得到，基于ＧＩＳ绘制土壤介质类型评分图，见图４。从图４可以看出，大部分地区土壤介质评分为３～６分。土壤主要为棕壤土，在河谷地带为砂质土壤。研究区滨海地带分布着大面积的滨海盐土、潮滩盐土，盐土的存在间接反映了海水入侵的可能性，对地下水脆弱性影响较大。

５）地形坡度。青岛市崂山区地处中低山丘陵地带，地形在整个研究区范围内起伏变化比较大，根据地形坡度对地下水污染的影响大小，地形坡度评分见图５。坡度大于１８°的区域主要为崂山山脉一带；北部秦家土寨、王哥庄、江家土寨以及南部沙子口一带地形相对平缓，坡度为２°～６°。研究区地下水水质最容易被破坏的是平原区和河谷地带，其次为中低山丘陵区。

６）包气带介质类型。崂山区包气带介质类型分区情况见图６。土寨河、王哥庄河、晓望河、南九水河、张村河等河流堆积扇前缘地带出露地层为第四系旭口组，含有黏土物质的砾石层夹砂层是包气带的主要介质类型，评分为５分。主河道包气带岩性主要为卵砾石，但根据调查，其内部存在局部天窗，评分为１０分；河流及支流两侧上覆坡洪积物、冲积物，包气带岩性主要为砂砾石、中砂等，评分为６分；厚度较大的砂砾石层是河谷冲积层含水岩组包气带的主要介质类型，评分为８分。研究区基岩出露区主要为凝灰岩、花岗岩等，考虑裂隙发育程度评分分别为４分、２分。

７）含水层富水性。含水层富水性表征含水层出水能力，一般以规定某一口径井孔的最大涌水量表示，它是衡量地下水开采时含水层出水量的标志，同时含水层出水能力影响着污染物随水流的运移。单井涌水量越大，其污染危害越大，地下水脆弱性越高；单井涌水量越小，地下水脆弱性越低。较水力传导系数来说，单井涌水量更易于获取，研究区富水程度评分见图７。

４评价结果分析

根据确定的地下水脆弱性评价指标体系、权重和计算公式，对青岛市崂山区地下水脆弱性进行计算。经计算，ＤＲＡＳＴＩＣ值介于３９和２５５之间，分值越大，脆弱性越高，地下水环境越容易受到污染；分值越小，脆弱性越低，地下水环境越难受到污染。将地下水脆弱性按照高低划分为５个等级，见表３。將ＤＲＡＳＴＩＣ的７个指标加权后叠加，得到青岛市崂山区地下水脆弱性分区，即难污染区、较难污染区、较易污染区、易污染区和极易污染区，见图８。

１）难污染区。难污染区主要分布在研究区西部崂山山脉一带侵入岩、变质岩分布区，地下水位埋深一般大于５ｍ，部分地区大于２０ｍ。含水介质以基岩裂隙和岩体风化层为主，地下水富水性差，土壤介质以黏性土为主，地形坡度大，包气带介质以粉质黏土为主，渗透系数较小，ＤＲＡＳＴＩＣ值为［３９，９２］，地下水脆弱性低，地下水难被污染。

２）较难污染区。较难污染区主要分布在碎屑岩和喷出岩区，地下水埋深大于１５ｍ，地下水可采量小，含水层以碎屑岩、喷出岩为主，地下水补给量小，土壤介质薄，地形坡度大，包气带介质以黏性土为主，风化为黏土状，渗透系数小，ＤＲＡＳＴＩＣ值为（９２，１３９］，地下水脆弱性较低，地下水较难被污染。

３）较易污染区。较易污染区主要分布在王哥庄、东南部沙子口一带，主要为第四系分布区，地下水埋深较浅，一般为１．８～６．１ｍ，含水介质以中砂为主，土壤介质以砂质土为主，多见含粉质黏土砂和粉砂，地形坡度中等。ＤＲＡＳＴＩＣ值为（１３９，１６６］，地下水较易被污染。

４）易污染区。易污染区主要分布在土寨河、王哥庄河、晓望河、南九水河、张村河等河流中下游河谷平原，地势较低。地下水位埋深一般为２～５ｍ，含水介质以松散岩类为主，土壤介质较薄，地形坡度较小，包气带介质以砂质土为主，渗透系数较大，ＤＲＡＳＴＩＣ值为（１６６，１８９］，地下水脆弱性较高，地下水易被污染。

５）极易污染区。极易污染区主要分布在土寨河、王哥庄河、晓望河、南九水河、张村河等河流下游入海地段，地势较低，且靠近海岸线。地下水埋深一般为１～２ｍ，含水介质以松散岩类为主，土壤介质较薄，地形坡度较小，ＤＲＡＳＴＩＣ值为（１８９，２５５］，地下水脆弱性高，地下水极易被污染。

５结论

在分析青岛市崂山区地质条件及地下水赋存条件的基础上，采用ＤＲＡＳＴＩＣ模型，对青岛市崂山区地下水脆弱性进行了评价，同时采用ＡｒｃＧＩＳ软件，将各评价因子分区图叠加并整合，形成青岛市崂山区地下水脆弱性评价分区图。青岛市崂山区地下水脆弱性总体水平较低。崂山区地下水脆弱性从崂山西南向东北方向呈现逐渐增高趋势。崂山强切割低山地区，地下水脆弱性较低，地下水埋深较大，坡度大，且人口密度小，地下水不易受外界污染物污染；土寨河、王哥庄河、晓望河、南九水河、张村河等河流中下游地区，地势较低，且靠近海岸线，加之受海水入侵影响较大，地下水脆弱性较高，外界污染物极易污染该区域地下水，因此开展地下水监测与保护工作刻不容缓。