基于改进的DRASTIC方法对宿州市城区中深层承压水脆弱性评价

袁利,李婷

安徽省地质环境监测总站(安徽省地质灾害应急技术指导中心),合肥,230001

内容提要：为保护地下水饮用水源地,以中深层承压水为评价目标层,基于研究区103眼浅层地下水水位资料、9眼中深层地下水水位及水质资料,结合前人调查研究成果,采用DPTQHC评价模型对宿州市城区地下水脆弱性进行评价。评价模型选取水位降深、含水层渗透系数、弱透水层厚度、潜水水质、水头差、弱透水层渗透系数共6项影响因子,参照DARSTIC评价模型中权重范围值,结合研究区实际确定因子权重,借助Arcgis平台得到中深层承压水脆弱性综合指数及脆弱性分区图。结果表明:宿州市主城区中深层地下水脆弱性中等区域分布面积最广,其后依次为脆弱性较低区域、脆弱性较高区域、脆弱性高区域、脆弱性低区域。评价结果与该地区地下水质量吻合较好,适宜中深层地下水脆弱性评价。

地下水脆弱性评价是合理开发利用地下水资源、防止地下水污染的重要基础性工作。目前,国际上应用最普遍、最成熟的地下水脆弱性评价方法是DRASTIC方法(吴登定等,2005,曲文斌等,2007;管后春等2016;杨宁等,2019;崔龙玉,2014)。该方法是1985年由美国环境保护局和美国水井协会综合40多位水文地质学专家的经验提出的(张炜等,2015)。它主要考虑了地下水埋深(D,Depth to groundwater)、净补给量(R,Net recharge)、含水层介质(A,Aquifer media)、土壤类型(S,Soil type)、地形坡度(T,Topography)、包气带的影响(I,Impact of the vadose zone)及含水层水力传导系数(C,Hydraulic conductivity of aquifer)共7项影响因素,这些参数的首字母缩写即DRASTIC(张泰丽等,2012)。依据各评价参数对地下水脆弱性影响程度的不同,经验性地对7项评价因子赋予固定的权重值,各影响因子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,越容易遭受污染(雷静等,2003)。

然而,由于区域水文地质条件的差异性,存在各参数对地下水脆弱性的影响程度与实际不符的情况,故地下水脆弱性评价多以DRASTIC模型为基础进行修正,使得评价结果能够更准确地反映出区域地下水的脆弱性特征。如孟素花等(2011)基于大量钻孔和地下水位监测资料,建立了适宜华北平原的DRITC评价指标体系,并应用于华北平原的地下水脆弱性评价,地下水有机污染测试结果验证了评价结果的客观性。李亮等(2019)通过简化DRASTIC模型,挑选了地下水位埋深、含水层介质、含水层厚度、包气带影响介质和渗透系数共五种因子对丹阳市地下水防污性能进行了评价。张泰丽等(2012)结合丽水市的水文地质条件,对DRASTIC评价模型进行了改善,将评价因子土壤介质(S)替换成地下水开采强度(M),建立了符合丽水市的DRAMTIC评价模型。崔龙玉(2014)针对DRASTIC评价方法应用于承压水脆弱性评价的不足,对模型进行改进,建立适合承压水脆弱性评价的指标体系,对肇源县承压水脆弱性进行评价。郭二涛(2018)结合DRASTIC模型选取地下水位埋深、净补给量、含水层岩性、地表土壤类型、包气带介质类型、含水层渗透系数6个自然因素指标以及氨氮通量、水位降深2个人为影响指标,对滑县中心城区地下水进行了脆弱性评价。

在地表水相对缺乏的我国北方地区,地下水是主要的供水水源,在当地社会经济发展中占据至关重要的地位。宿州市一直以地下水作为主要供水水源,位于宿州市城区的城西水源地是目前宿州市已开发利用的主要水源地,中深层承压水为该水源地的主要供水水水源。随着城市化进程加快,该含水层面临严峻的污染压力(袁利等,2022)。因此通过改进的DRASTIC模型进行中深层承压水脆弱性评价,对地下水污染防控区划分及指导地下水合理开发利用具有十分重要的意义。

1 研究区概况

1.1 自然地理

宿州市地处安徽最北部,苏、鲁、豫、皖四省交界,属暖温带半湿润季风气候,多年平均气温14.6℃,年均降水量为865 mm,降水量年际变化大,年内分配不均,主要集中在6～8月。研究区位于宿州市主城区(图1),地形平坦,整体由西北向东南缓倾,地形坡降约1/8000,地面标高一般为24～27m,地表为第四纪松散沉积物所覆盖。研究区内主要河流有新汴河、沱河、引河、新北沱河等,其中新汴河自西向东贯穿研究区中部,为区内最大河流。

图1 宿州市城区水文地质简图(图中水位等值线为2019年度水位数据)

1.2 水文地质条件

研究区含水岩组分为松散岩类孔隙含水岩组、碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组、碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组和岩浆岩类裂隙含水岩组共4种类型。其中松散岩类孔隙含水岩组是研究区主要含水岩组,按其埋藏情况及与大气降水、地表水的交替强弱自上而下可分为浅层含水层组、中深层含水层组和深层含水层组(详见表1、图2)。中深层含水层组与上覆浅层含水层组之间分布有较为稳定的弱透水层,该弱透水层由晚更新统下部与中更新统顶部的中厚层粉质黏性土层构成,局部夹薄层粉土,但局部地区该层弱透水层较薄,甚至存在“天窗”(孙健等,2015),浅层地下水极易通过越流补给下部的中深层地下水。

表1 安徽省宿州市城区主要含水岩组划分

天然状态下研究区地下水自西北流向东南,然而自20世纪80年代以来,随着农业的发展和城市规模的扩大,地下水开发利用量增大,天然平衡遭到破坏,形成了区域地下水降落漏斗,导致研究区除新汴河以北地区地下水自西北流向东南外,其他大部分地区浅层和中深层地下水均向宿州市主城区漏斗中心径流。浅层地下水接受大气降水、地表水及灌溉入渗补给,通过人工开采、蒸发、侧向径流及越流补给中深层地下水的方式排泄。中深层地下水接受浅层地下水越流补给及侧向径流补给,通过人工开采及径流排泄。

2 宿州市主城区地下水脆弱性评价

2.1 单元格的划分

借助Arcgis软件,本次工作采用正方形网格对研究区进行剖分,网格大小为100 m×100 m,整个区域被剖分38005个单元格,每个单元格为独立的评价单元。

2.2 评价因子及权重

传统的DRASTIC模型主要适用于浅层地下水的脆弱性评价,各项指标均为影响浅层地下水脆弱性的因素,与影响中深层承压水脆弱性的因素不尽相同(崔龙玉,2014)。例如,相对于浅层潜水的埋藏特征,承压水的地下水埋深与其脆弱性并没有直接联系;研究区地势平坦,地形起伏不大,地形坡度对承压含水层脆弱性的判别已无实际意义;包气带和土壤类型对中深层承压水的脆弱性影响不大。

笔者等参考DRASTIC方法的思路,结合研究区具体地质条件,提出了基于DPTQHC模型的中深层承压水脆弱性评价体系。评价因子包括承压水水位降深(D)、含水层渗透系数(P)、弱透水层厚度(T)、浅层地下水水质级别(Q)、水头差(H)、弱透水层渗透系数(C)。指标权重值范围为1～5,对地下水脆弱性最具影响的因子权重赋值为5,影响程度最小的因子权重赋值为1。各指标权重及与DRASTIC模型评价因子对比见表2。

表2 DRASTIC模型与DPTQHC模型差异

2.3 资料来源

本文各评价因子资料主要来源于前人调查研究成果,中深层承压水水位资料来源于研究区9眼中深层地下水专门监测站点水位统测数据,水位降深数值由2019年和2000年水位相减得到。含水层渗透系数、弱透水层厚度、弱透水层渗透系数采用《宿州市城西水源地及城市后备水源地勘查评价报告》(孙健等,200535～36,121)的数值。浅层地下水水质为2019年“宿州市集中式地下水型饮用水水源补给区环境状况调查”项目在研究区采集的37组浅层地下水样分析测试数据,水头差数据为该项目对研究区103眼(包括13眼地下水专门监测站点和90眼机民井)浅层地下水和9眼中深层地下水专门监测站点水位统测数据。

2.4 评价因子分级

根据6个参数因子区域分布规律,结合DRASTIC模型的因子评分体系建立本模型的评分体系(表3)。各因子的评分范围都介于1～10分,参数因子的评分越大,表明脆弱性越高,反之,则越低。

表3 DPTQHC模型评分体系

根据表3 的评分标准,对各评价单元的6项评价参数的原始数据进行评分,绘制研究区内单项因子评分图(图3a—f)。

图3 宿州市主城区中深层承压水脆弱性评价单项因子评分图:(a)水位降深;(b)含水层渗透系数;(c)弱透水层厚度;(d)潜水水质;(e)水头差;(f)弱透水层渗透系数

2.5 地下水脆弱性评价

将6个评价指标对应的评分图,在GIS平台中按各个指标的权重值进行图层间的叠加分析,得到地下水脆弱性综合指数DI,即各评价指标评分的加权和。

DI=D×2+P×1+T×5+Q×4+H×3+C×3

利用上述公式计算得到研究区中深层承压含水层脆弱性综合评价值介于36～174分之间。运用GIS软件中的自然间断点分级法(Natural Breaks)将计算结果分为5个等级来表示含水层脆弱性的相对高低(表4),绘制研究区承压水脆弱性分区图(图4)。

表4 地下水脆弱性等级划分

地下水脆弱性高区面积约36.36 km2,占研究区总面积的9.67%,主要分布在研究区的西十里—高殷—六里—前付一带,研究区南部北杨寨乡有零星分布;地下水脆弱性较高区面积59.57 km2,占研究区总面积的15.85%,主要分布在研究区中部演寺—周尚—大陈西部一带,沿高脆弱性区外围分布,汴河小区附近有小面积分布;地下水脆弱性中等区面积152.61 km2,占研究区总面积的40.60%,在研究区内分布范围最广,主要分布在宿州城区外围以北、以南大部分区域;地下水脆弱性较低区面积91.43 km2,占研究区总面积的24.33%,主要分部于研究区西北部马梨园—唐河—冯圩一带、东北部黄庙—余圩、东部东二铺附近,呈面状展布,西南部呈弧形条带状分部于樊李家—张沈—邵瓦坊一带;地下水脆弱性低区面积35.87 km2,占总面积的9.54%,主要分部在研究区西南部曹湖—刘合—柳树园一带呈弧状展布,在研究区北部和东部有零星分布。

2.6 评价结果验证

为了检验DPTQHC方法评价结果的可靠性,利用“宿州市集中式地下水型饮用水水源补给区环境状况调查”项目采集的11组中深层地下水样测试数据,将水质评价结果与地下水脆弱性等级分区图进行叠加(图4),对评价结果进行验证。从图4和表5可以看出,水质相对较好的Ⅲ类水样点(编号分别为HY1、HY2、HY9、HY10、HY11)主要分布在含水层脆弱性等级中等—较低的区域;水质相对较差的为Ⅳ、Ⅴ的水样点多分布在含水层脆弱性高—较高区域,且含水层脆弱性高的区域水样点(HY3、HY6)污染组分相对较多,表明利用DPTQHC方法评价中深层地下水脆弱性基本可靠。

表5 中深层地下水质量综合评价分级

3 结论

笔者等在借鉴前人研究经验和DRASTIC评价模型的基础上,结合宿州市的客观水文地质条件和获取资料情况,构建了DPTQHC地下水脆弱性评价模型,对宿州市主城区中深层承压水脆弱性进行了评价及分区。研究结果表明:宿州市主城区中深层地下水脆弱性中等区域分布面积最广,占研究区总面积的40.60%,其它区按照面积由大到小依次为脆弱性较低区域、脆弱性较高区域、脆弱性高区域、脆弱性低区域,占比依次为24.33%、15.85%、9.67%、9.54%。

中深层承压水脆弱性较高和高区主要分布在承压水渗透系数大、弱透水层厚度小的区域,也是人类活动相对强烈的中心城区,根据“宿州市集中式地下水型饮用水水源补给区环境状况调查”项目,农业污染源、加油站、工业污染源及地下污水管网渗漏等是该区域主要风险源,建议相关部门加强对已有风险源的管控,严格控制新增地下水潜在风险源,加强地下水监测,全面、及时、准确监测地下水水质变化情况。

DPTQHC模型评价方法各指标容易获取,评价结果得到了水质污染现状较好的验证,对于中深层地下水的脆弱性评价具有参考意义。